哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1在心肌缺血再灌注損傷中作用的研究進展

范文斯，黃 煒，曹 豐

第四軍醫大學西京醫院 心臟內科，陜西西安 710032

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1在心肌缺血再灌注損傷中作用的研究進展

范文斯，黃 煒，曹 豐

第四軍醫大學西京醫院 心臟內科，陜西西安 710032

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一種保守、非典型的絲氨酸/氨酸蛋白激酶，其主要通過復合體1(mTOR complex 1，mTORC1)和復合體2(mTOR complex 2，mTORC2)發揮作用。有研究證實，復合體1在心肌缺血期和再灌注期分別起到了不同的重要作用，通過調控復合體1可以影響細胞自噬水平、線粒體通透性轉換孔的開放、抗氧化基因的上調等機制起到保護心肌的作用。本文對mTOR復合體的結構，以及mTORC1信號分別在心肌缺血期和再灌注期的作用機制進行綜述。

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1；心肌；缺血再灌注損傷；自噬

經皮冠狀動脈介入術(percutaneous coronary intervention，PCI)和冠狀動脈旁路移植術(coronary artery bypass grafting，CABG)自問世以來，已成為臨床普遍應用的血管再通療法[1-2]，挽救了大量患者的生命。然而仍有25%左右的患者經PCI治療后由于缺血再灌注損傷導致預后不良[3]。缺血再灌注損傷是指缺血的心肌在恢復血液灌注后引起超微結構、功能、代謝及電生理方面的進一步損傷。目前研究認為，這一過程與心肌能量代謝障礙、自由基生成增多、鈣離子超載及炎癥反應等有關[4-5]。因此，我們很有必要進一步研究其發生的具體機制，以期尋找有效的防治靶點。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一種磷酸肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)相關激酶家族的一員，也是一種非典型、保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[6-7]。mTOR是雷帕霉素或西羅莫司的作用靶點，主要通過兩種復合體即mTOR復合體1(mTOR complex 1，mTORC1)和mTOR復合體2(mTOR complex 2，mTORC2)發揮作用。其中mTORC1對雷帕霉素敏感，可以被雷帕霉素所抑制。與復合體1相比，復合體2對雷帕霉素及其類似物的敏感性較差。但有研究表明，延長雷帕霉素的作用時間亦可以抑制mTORC2[8]。mTOR信號在調節細胞穩態和應激過程中起到了關鍵作用。其中mTORC1主要在蛋白合成，細胞生長、增殖，線粒體、核糖體生物合成，細胞自噬以及代謝中起到重要作用[9-10]。近來多項研究以及我們的前期結果均提示，mTORC1在缺血和再灌注過程中發揮重要的作用[11-12]。

1 mTORC1的結構

mTORC1是較大的復合體[13]。由6個部分組成：共同的mTOR亞單位、哺乳動物致死性蛋白8(mammalian lethal with Sect13 protein 8，mLST8也被稱作GβL)、含有mTOR相互作用蛋白的DEP結構域(DEP domain containing mTOR-interacting protein，Deptor)、Tti/Tel2、mTORC1特有的mTOR調節相關蛋白(regulatory-associated protein of mamma-lian target of rapamycin，Raptor)和富含脯氨酸的蛋白激酶底物(proline-rich Akt substrate 40 kU，PRAS40)[13]。每個復合體功能各異，mTOR作為絲氨酸/蘇氨酸激酶發揮作用；Raptor參與募集底物并與底物結合以及支架蛋白的組裝和定位；而Deptor與PRAS40則是mTORC1的內源性抑制物[14-15]；Tti/Tel2具有穩定mTORC1結構的作用，同時也具有支架蛋白組裝的功能[16]；mLST8目前尚不知曉其主要功能，它的缺失并不影響mTOR與現階段發現的mTORC1主要底物的結合[17]。

mTORC1可以調控絲氨酸/蘇氨酸激酶核糖體蛋白(p70S6K)和真核起始因子4E結合蛋白1(4EBP1)的活性。去磷酸化狀態下的4EBP1能夠阻斷蛋白質翻譯，eIF4G作為4EBP1的下游分子，是一種可以誘導mRNA與核糖體結合的蛋白。在mTORC1的作用下促使4EBP1磷酸化，導致4EBP1從eIF4E上分離下來，進而在eIF4G作用下開始翻譯。mTORC1的磷酸化也可以增加p70S6K激酶的活性，而磷酸化的p70S6K可以促進RNA的合成、核糖體蛋白的翻譯以及細胞生長。此外，PRAS40還能夠阻斷p70S6K和4EBP1與Raptor結合[18-19]。

2 mTORC1在心肌缺血中的信號通路及其作用

已有的證據表明，心肌缺血和能量缺乏的狀態下，mTOR信號通路參與了心肌保護性應答的過程，缺血缺氧的狀態抑制了mTORC1的活性，而mTORC1下調可以激活細胞自噬[20]。組織器官能量缺乏時，細胞自噬是細胞最初的分解和降解過程，它在維持細胞最基本的能量和營養需求上起到重要作用[21]。在mTORC1抑制劑的作用下，通過減少細胞能量消耗和激活細胞自噬可以起到保護心肌細胞的作用。這一過程目前被認為是心肌缺血期的心肌自身保護性機制[22]。

2.1 TSC/Rheb/mTORC1信號通路 結節性硬化癥復合體(tuberous sclerosis complex，TSC)是一類GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein，GAP)，作用于小的GTP酶(RAS homologue enriched in brain，Rheb)，通過Rheb-GTP的水解作用，使Rheb轉化為與GDP結合的抑制狀態，從而起到負性調節mTORC1的作用[23-24]。研究證明，在能量缺乏和缺血的狀態下，可以通過激活TSC使Rheb轉化為GDP結合抑制狀態，進而起到抑制mTORC1的作用，引起上調心肌細胞自噬水平，減少心肌細胞死亡，最終起到心肌保護的作用。而當mTORC1再次被激活時，離體和在體實驗中均被證實出現自噬水平下調、心肌細胞死亡增加的現象[20]。這一結果表明，Rheb是主要的mTORC1調節分子，是心肌細胞能量應激、心肌缺血等不良狀態下的適應性機制，通過上調細胞自噬水平促進心肌細胞存活。

2.2 AMPK-mTORC1-自噬信號通路 一磷酸腺苷依賴的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)作為mTOR信號通路中最具代表性的通路之一，可以直接或間接調節mTORC1。在能量缺乏的狀態下，AMPK可以直接磷酸化Raptor，起到負性調節mTORC1的作用[25]。同時，AMPK也可以通過磷酸化作用激活TSC，由TSC/Rheb/mTORC1通路發揮抑制mTORC1的作用[26]。這兩種直接和間接的方式最終均引起心肌細胞自噬水平的上調，從而起到心肌保護的作用。此外，AMPK也參與了不依賴于mTORC1的細胞自噬調節，即AMPK/ULK1的自噬途徑[27]。在能量缺乏的狀態下，AMPK通過磷酸化Unc51樣激酶1(Unc51-like kinase 1，ULK1)進而激活細胞自噬。因此，我們可以認為，AMPK途徑既可以在缺血狀態下直接對mTORC1起到調控作用，也可以間接調節mTORC1，最終引起細胞自噬水平上調，保護心肌。

2.3 GSK-3β/TSC/mTORC1信號通路 糖原合成激酶-3β (glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶[28]。GSK-3β在心肌缺血和再灌注的過程中扮演著不同的角色。研究證實，在使用特異性抑制GSK-3β的轉基因鼠的實驗中，心肌缺血時，GSK-3β處于去磷酸化激活狀態，活化狀態下的GSK-3β激活下游的TSC，進而通過TSC/Rheb/mTORC1激活mTOR，上調自噬，發揮心肌保護的作用[28-29]；而在再灌注的過程中GSK-3β是磷酸化的抑制狀態。但這兩種狀態在心肌缺血和再灌注過程中都是心臟的保護性機制，且都是通過mTORC1發揮作用。有趣的是，通過抑制線粒體的GSK-3β可以抑制通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的開放，這一機制是多種心肌保護性作用的最終通路，使得這可能成為治療心肌缺血再灌注損傷中作為潛在的藥物靶點發揮作用[30]。另有研究表明，Wnt信號通路在GSK-3β和mTORC1之間存在著環狀的聯系，Wnt信號起到抑制GSK-3β的作用[31]。

3 mTORC1信號通路在心肌再灌注期的作用

3.1 再灌注期激活mTORC1信號存在心肌保護性作用mTOR在心肌再灌注損傷中的作用仍然存在爭議。實驗中觀察到，與缺血期截然相反，激活狀態下的mTORC1在再灌注過程中具有保護性；負性抑制GSK-3β的轉基因小鼠的實驗中觀察到，間接激活mTORC1，出現了梗死面積減小的現象，而在心肌再灌注前使用雷帕霉素抑制了mTORC1，這一現象消失[28]。盡管也有研究表明雷帕霉素在心肌缺血期，可能是通過不依賴于mTOR的酪氨酸激酶2信號通路和轉錄因子3發揮其保護性的作用[32]，因此在再灌注期不發揮作用。但是在其他實驗中，如使用他汀類藥物亦可以通過抑制mTORC1信號調節自噬，進一步起到心肌保護的作用[33]。

3.2 GSK-3β/mTORC1在心肌再灌注期的作用 在特異性抑制GSK-3β的轉基因鼠的實驗中觀察到，通過GSK-3β的抑制，過度激活了mTORC1，進而減輕了心肌再灌注的損傷[28]。進一步的實驗研究中發現，通過GSK-3β激活mTORC1的心肌保護性作用，可能是通過限制過度的細胞自噬的激活，而在這一期間，過度的細胞自噬是被認為有害的[34]。另一方面，再灌注時抑制GSK-3β可以直接或通過mTORC1間接調節線粒體通透性轉換孔的開放。關閉狀態下的mPTP可以保存細胞內抗氧化物質，減少活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生，防止線粒體和胞質內的鈣超載，從而起到保護心肌細胞作用[35]。

3.3 mTORC1相關其他保護性機制 mTORC1在心肌再灌注時的激活狀態還可以促進線粒體的生物合成，這一過程有利于心肌在缺血后的恢復。同時，mTORC1可以通過激活過氧化物酶增殖依賴受體γ共激活劑1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator 1α，PGC-1α)-雌激素相關受體α(estrogen-related receptorα，ERRα)上調線粒體抗氧化基因的表達[36-37]。另有研究證明，過表達的mTOR可以減少心肌細胞凋亡、減輕心肌炎癥反應，但是缺乏相應的在體實驗證據，這一過程除mTORC1的激活外，可能與mTORC2的激活有關，mTORC2在心肌缺血時可能起到保護心肌細胞、減輕慢性心肌缺血時的心肌重塑作用[38]。

最近在一些實驗室研究中發現了一些潛在的、可能成為藥物治療的新靶點，例如通過藥物或者慢病毒轉染，抑制p53可以激活mTOR，進而減輕了細胞在氧糖缺乏模型中的損傷[39]。但是這一過程缺乏在體實驗的證據支持。微小RNA(microRNA)和RNA結合蛋白(RNA-binding protein)在心血管發育和疾病中起到至關重要的作用，Lin28作為一種調節發育的RNA結合蛋白，它過表達狀態可以上調mTOR，進而縮小梗死面積，改善左心室功能，減少心肌細胞凋亡[40]。

4 結語

在心肌缺血再灌注損傷的過程中，理想的狀態應該是在心肌缺血期抑制mTORC1信號，而在再灌注期激活mTORC1信號。但是在臨床中，一些急性冠狀動脈綜合征患者，要經歷較長時間的缺血期后才能恢復血液灌流，甚至可能存在無法恢復灌流的情況。所以，在缺血期抑制mTORC1信號的實際應用意義可能大于在再灌注期的激活作用[41]。

近些年關于mTORC1在心肌缺血再灌注損傷方面的研究，為今后可能的臨床應用提供了一定的理論基礎。如何合理調控mTORC1信號分別在心肌缺血期和再灌注期的作用，盡可能減少心肌損傷、促進心功能恢復，尋找可能的藥物靶點，這些都將是今后研究的主要方向。同時，進一步闡明mTOR信號通路具體的作用機制也將是下一步研究的主要內容。

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Advances in mTORC1 in myocardium ischemia/reperfusion injury

FAN Wensi, HUANG Wei, CAO Feng
Department of Cardiology, Xijing Hospital, The Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China

CAO Feng. Email: fengcao8828@163.com

The mammalian target of rapamycin (mTOR) is a conservative and atypical serine/threonine kinase which exerts its main functions through 2 different multi-protein complexes, named mTOR complex 1 (mTORC1) and mTOR complex 2 (mTORC2) respectively. Recent studies have demonstrated that mTORC1 plays a pivotal cardioprotective role in phase of myocardial ischemia as well as reperfusion through modulating autophagy, activation of mitochondrial permeability transition pore (mPTP) and upregulation of antioxidant genes. This article reviews the structure of mTOR complexes and the pivotal role of mTORC1 signaling during the injury process of myocardial ischemia and reperfusion respectively.

mammalian target of rapamycin complex 1; myocardium; ischemia-reperfusion injury; autophagy

R 541

A

2095-5227(2015)10-1048-04 DOI：10.3969/j.issn.2095-5227.2015.10.023

時間：2015-05-20 09:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150520.0946.001.html

2015-03-09

國家杰出青年科學基金(81325009)；國家973基礎研發計劃(2012CB518101)

Supported by the National Science Found for Distinguished Young Scholars (81325009); National “973” Program for Basic Research of China(2012C B518101)

范文斯，男，在讀碩士。研究方向：心肌缺血再灌注損傷。Email: fanwensi1989@126.com

曹豐，女，博士，教授，博士生導師。Email: fengcao88 28@163.com