哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路在帕金森病中的作用*

邊 維 李夢一 余心悅 周 鵬 崔懷瑞 戚雙雙 孫臣友△

（溫州醫(yī)科大學(xué)，1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，2 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所，3 附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院，溫州 325035）

帕金森病（Parkinson's disease，PD）是一種與年齡相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其典型病理特征是中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的缺失和一種叫做“路易小體”的胞質(zhì)內(nèi)包涵體的出現(xiàn)。衰老是PD的主要危險因素，據(jù)估計，65歲及以上人群患PD的概率為1%～2%。盡管當(dāng)前對PD的干預(yù)性治療可緩解其臨床癥狀并改善患者的生活質(zhì)量，但尚無完全治愈的方法，對PD病因和發(fā)病機(jī)制的研究將有助于找到PD的潛在治療靶點。最近研究表明，PD的發(fā)病與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）失調(diào)有關(guān)[1]，mTOR是在哺乳動物大多數(shù)細(xì)胞中表達(dá)的高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在細(xì)胞生長、增殖、存活、代謝、蛋白質(zhì)合成和自噬中起著核心作用，在調(diào)節(jié)神經(jīng)元的發(fā)育、存活和分化及突觸可塑性中也具有至關(guān)重要的作用[2]。因此，現(xiàn)就mTOR信號通路在PD中的作用作一綜述。

1 mTOR信號通路的組成和結(jié)構(gòu)

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，參與調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞骨架形成、細(xì)胞代謝、存活和衰老等多種過程[3]。mTOR由哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2（mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2）組成[4]（圖1）?？刂频鞍踪|(zhì)穩(wěn)態(tài)和自噬的mTORC1包含mTOR、TOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白（regulatory-associated protein of TOR，Raptor）、40 kD富含脯氨酸的Akt底物（proline rich Akt substrate 40 kD，PRAS40）、DEP結(jié)構(gòu)域的mTOR 相互作用蛋白（DEP domain-containing mTOR-interacting protein，DEPTOR）、哺乳動物致死因子SEC13蛋白8/GβL（mammalian lethal with SEC13 protein 8，mLST8/GβL）和端粒引物2/端粒相互作用蛋白1（telomere maintenance 2/Tel2-interacting protein 1，Tel2/Tti1）。Raptor和mLST8作為正性調(diào)節(jié)劑，可以激活mTORC1激酶，繼而促進(jìn)細(xì)胞生長、mRNA生物合成和核糖體蛋白質(zhì)翻譯。相反，PRAS40作為負(fù)性調(diào)節(jié)劑可通過抑制mTORC1與Raptor的結(jié)合降低mTORC1的活性。此外，蛋白激酶B（Akt）可將PRAS40磷酸化，使其與Raptor分離，從而促進(jìn)PRAS40與胞質(zhì)對接蛋白14-3-3的結(jié)合并隨后激活mTORC1。調(diào)節(jié)細(xì)胞存活和增殖的mTORC2包含雷帕霉素不敏感伴隨物（rapamycin-insensitive companion of mammalian target of rapamycin，Rictor），哺乳動物應(yīng)激激活蛋白激酶交互蛋白1（mammalian stress-activated map kinase-interacting protein 1，mSin1），Rictor蛋白結(jié)合蛋白-1（protein observed with Rictor-1，Protor-1）和Tti1/Tel2。其中，Rictor和mSin1是mTORC2的支架蛋白，而mSin1在mTORC2激活A(yù)kt的過程中必不可少，Protor-1則參與了mTORC2介導(dǎo)的血清/糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶1（serum/glucocorticoid regulated kinase 1，SGK1）的激活。由此可見，mTORC1和mTORC2具有Tti1/Tel2、Deptor和 mLST8，其中Tti1/Tel2復(fù)合體充當(dāng)調(diào)節(jié)mTORC1和mTORC2組裝的支架蛋白；Deptor可以通過抑制mTOR的活性負(fù)向調(diào)節(jié)mTORC1和mTORC2，如果抑制Deptor的作用可使Akt、mTORC1和mTORC2的活性增加；mLST8則具有正向調(diào)節(jié)mTORC2活性的作用。此外，mTORC1和mTORC2中都存在mTOR催化亞基。mTOR位于胰島素樣生長因子-1受體（insulin-like growth factor-1 receptor，IGF1R）的下游。先前的研究表明，結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1/2（tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2）是PI3K/Akt和mTORC1之間的重要調(diào)節(jié)劑。TSC1/2復(fù)合物可激活GDP酶使結(jié)合狀態(tài)下的GDP失去活性，從而抑制mTORC1。此外，TSC1/2可以通過AMP活化蛋白激酶（adenosine 5-monophosphate activated protein kinase，AMPK）在能量缺乏的狀況下被激活。而AMPK同樣在細(xì)胞能量缺乏的情況下被絲氨酸/蘇氨酸激酶-1（serine/threonine kinases-1，LKB1）磷酸化。AMPK還可以通過DNA損傷反應(yīng)蛋白-1（REDD1）調(diào)節(jié)TSC1/2的活性。缺氧時，蛋白質(zhì)14-3-3釋放的TSC2可以作用于AMPK來增加REDD1的表達(dá)，從而抑制mTORC1的活性。相反，抑制REDD1表達(dá)可阻斷由于缺氧引起的mTORC1抑制。與此同時，mTORC1主要通過調(diào)控下游底物核糖體蛋白S6激酶-1（S6 kinase beta-1，S6K1）和真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白-1（eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein-1，4E-BP1）來發(fā)揮其在蛋白質(zhì)翻譯中的作用[5]。mTORC1磷酸化并激活S6K1，S6K1進(jìn)而磷酸化并激活S6蛋白（S40核糖體亞基的一個組成部分）。相反，活化的mTORC1通過抑制4E-BP1和真核翻譯起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor- 4E，eIF-4E）之間的相互作用，使mRNA的阻遏物4E-BP1磷酸化，并使其失去活性。因此，mTORC1信號主要作用翻譯的起始和延長以及核糖體的發(fā)生。

圖1 mTOR 信號的組成元件及各因素對其調(diào)控

與mTORC1相似，mTORC2也通過PI3K信號通路對生長因子作出反應(yīng)。與mTORC1相比，TSC1/2可能通過TSC2的N端區(qū)域和Rictor的C端區(qū)域來增強(qiáng)mTORC2的活性。而mTORC2可通過其底物Akt及PKCα的磷酸化來調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架的重塑，并通過激活Rac鳥嘌呤核苷酸交換因子（Rac guanine nucleotide exchange factors）P-Rex1和P-Rex2來調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移。另外，mTORC2通過激活和磷酸化蛋白激酶A/蛋白激酶G/蛋白激酶C（AGC）家族成員SGK1來調(diào)控離子的轉(zhuǎn)運。

2 mTOR信號在PD模型動物或細(xì)胞中的變化及其作用

2.1 mTOR信號通路對PD模型動物或細(xì)胞的雙重作用

近年來，已有證據(jù)表明PD進(jìn)程中mTOR信號會發(fā)生改變[6]，但是，mTOR在PD中的作用一直存在爭議，因為它在不同的PD模型動物中可能具有不同的作用，即或具有神經(jīng)保護(hù)作用或具有神經(jīng)毒性作用[7]。例如，有些研究表明PD毒素，如魚藤酮、1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）、6-羥基多巴胺（6-hydroxydopamine，6-OHDA）等均會抑制mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，并降低細(xì)胞活力，而野生型mTOR的過度表達(dá)可部分預(yù)防PD毒素誘導(dǎo)的神經(jīng)元細(xì)胞丟失。

此外，Domanskyi等[8]報道了編碼脂質(zhì)磷酸酶的PTEN基因缺失可以激活mTOR，并保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元免受PD小鼠模型中神經(jīng)毒素的侵害。REDD1作為mTORC1的抑制劑在PD患者的腦中高度表達(dá)，并在神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的PD模型細(xì)胞中被上調(diào)。與這些發(fā)現(xiàn)一致，有報道在PD的模型細(xì)胞和動物中，REDD1表達(dá)的升高抑制了mTOR信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，而抑制REDD1的表達(dá)則具有神經(jīng)保護(hù)作用[9]。以往的研究表明，mTOR/Akt信號的激活會促進(jìn)神經(jīng)毒素?fù)p傷的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元軸突的再生[10]。這些研究表明，激活mTOR信號在某些PD模型中可能具有神經(jīng)保護(hù)作用。

另外，在PD患者大腦中也發(fā)現(xiàn)了mTOR蛋白水平的升高。在PD的 En1（engrailed 1）+/-小鼠模型中，En1（對中腦多巴胺能神經(jīng)元存活起關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子）雜合子缺失會導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元中mTOR信號的上調(diào)。越來越多的證據(jù)也表明，雷帕霉素或其衍生物對mTOR的抑制在PD模型細(xì)胞和動物中可能具有神經(jīng)保護(hù)作用[11]。常見的抗帕金森病藥物左旋多巴（levodopa，L-DOPA）通過激活PD模型小鼠紋狀體中的mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)引起運動障礙。雷帕霉素或其衍生物對mTOR的抑制作用對阻止L-DOPA誘導(dǎo)的運動障礙的發(fā)展具有一定的改善作用，這些結(jié)果表明，抑制PD中mTOR信號也可能是有益的。

促進(jìn)mTOR產(chǎn)生的神經(jīng)保護(hù)作用似乎與抑制PD中mTOR的信號相矛盾。然而，關(guān)于PD模型中mTOR的這些實驗數(shù)據(jù)的解釋，必須注意2個事項：首先，雷帕霉素短期治療僅部分抑制mTORC1的活性，而對mTORC2活性的作用有限。但是，雷帕霉素長期治療會以細(xì)胞類型依賴的方式減弱mTORC2的活性，而不減弱mTORC1的活性。因此，雷帕霉素的神經(jīng)保護(hù)作用可能歸因于其只抑制mTOR的一部分功能。PD毒素會導(dǎo)致mTOR信號的下調(diào)，但不能排除在其他與PD風(fēng)險因子相關(guān)的模型中mTOR信號保持不變或更活躍的可能性。在這些PD模型中用雷帕霉素抑制過度活躍的mTOR可能具有神經(jīng)保護(hù)作用。因此，需要辯證地分析mTOR信號通路對PD模型動物或細(xì)胞的雙重作用。

2.2 mTOR在氧化應(yīng)激所致的PD中的變化及其作用

作為一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，PD的特征是黑質(zhì)-紋狀體多巴胺能神經(jīng)元的選擇性缺失。越來越多的實驗證據(jù)表明，持續(xù)的氧化應(yīng)激是黑質(zhì)-紋狀體多巴胺能神經(jīng)元變性的主要因素。六羥多巴胺誘導(dǎo)的模型動物進(jìn)一步支持了氧化應(yīng)激與多巴胺能神經(jīng)元缺失之間的關(guān)系。因此，氧化應(yīng)激可能是導(dǎo)致PD神經(jīng)元變性的主要機(jī)制之一。

氧化劑的過剩或抗氧化劑的缺乏都可導(dǎo)致氧化應(yīng)激，這可能是由于活性氧（reactive oxygen species，ROS）的過量生成或細(xì)胞抗氧化機(jī)制的失效。正常水平的ROS通常可以快速排出，但ROS的過量生成會破壞蛋白質(zhì)的功能并激活或抑制信號通路（例如mTOR），從而導(dǎo)致神經(jīng)元的死亡。mTOR在預(yù)防神經(jīng)元由于氧化應(yīng)激而致死亡的過程中可能起到重要作用。例如，Chen等[12]報道過氧化氫（H2O2）產(chǎn)生的氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)神經(jīng)元的死亡，并抑制mTOR活性。有報道稱，mTOR活化蛋白可保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激損害。通過S6K1、4E-BP1或Akt激活mTOR后可抑制氧化應(yīng)激導(dǎo)致的神經(jīng)元的凋亡，而H2O2或魚藤酮則會使mTOR的活性降低，并抑制S6K1和4EBP1的磷酸化，從而導(dǎo)致神經(jīng)元的死亡。另外，mTOR信號通路對神經(jīng)元死亡的抑制作用也依賴于Akt激活[13]。這些研究表明，在多巴胺能神經(jīng)元的氧化應(yīng)激過程中，細(xì)胞存活可能需要mTOR活化，而mTOR活性的喪失可能導(dǎo)致神經(jīng)元變性[14]。但是也有研究表明，氧化應(yīng)激時mTOR的激活可導(dǎo)致神經(jīng)元的凋亡。例如，鎘誘導(dǎo)的ROS促進(jìn)了mTOR信號的激活，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。此外，也有研究表明，鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）和鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與鎘誘導(dǎo)的mTOR活化有關(guān)。這些結(jié)果表明，在氧化應(yīng)激期間mTOR活化對神經(jīng)元細(xì)胞存活或凋亡的影響似乎取決于PD相關(guān)毒素的類型。

2.3 自噬與mTOR和α-突觸核蛋白之間的關(guān)系以及對PD的影響

抑制mTOR信號會導(dǎo)致大多數(shù)組織自噬作用上調(diào)[15]，作為自噬的負(fù)性調(diào)節(jié)劑，mTOR似乎通過自噬相關(guān)基因（Atg）來調(diào)節(jié)自噬。據(jù)報道，Atg5或Atg7的缺失會引起神經(jīng)元內(nèi)蛋白質(zhì)異常積累或聚集，從而導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病[16]。同時越來越多的數(shù)據(jù)表明，衰老過程中產(chǎn)生的自噬抑制現(xiàn)象也可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)（如突觸核蛋白）的積累和聚集，從而導(dǎo)致細(xì)胞毒性發(fā)生，并最終引起神經(jīng)退行性變。相反，自噬的激活則可促進(jìn)胞質(zhì)蛋白聚集體（如α-突觸核蛋白）的清除[17]。因此，自噬成為包括PD在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病中神經(jīng)元基本生存的關(guān)鍵因素。

α-突觸核蛋白的積累和路易小體的形成是PD的病理學(xué)標(biāo)志[18]，據(jù)報道，PD的病因和病程與α-突觸核蛋白的突變（如A53T、A30P和E46K）以及多巴胺能神經(jīng)元中α-突觸核蛋白的濃度增加有關(guān)。另外，在死后PD患者的腦中觀察到了溶酶體缺陷和自噬體積累，自噬功能受到抑制可能有助于蛋白質(zhì)的積累和聚集，并最終導(dǎo)致神經(jīng)元變性[19]。相反，通過抑制mTOR信號通路繼而激活自噬可阻止細(xì)胞內(nèi)蛋白聚集物的形成。在氧化應(yīng)激下，自噬可以通過抑制mTOR信號來導(dǎo)致多巴胺神經(jīng)元的死亡[20]。

有許多研究表明，通過調(diào)控mTOR可影響自噬，例如，拮抗神經(jīng)元調(diào)節(jié)受體2通過抑制mTOR激活自噬[21]，降低神經(jīng)元細(xì)胞中Ser-129磷酸化α-突觸核蛋白水平，預(yù)防突觸核蛋白??；c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinases，JNK）和mTOR/Akt的協(xié)同作用與MPTP誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞自噬有關(guān)；在病理性氧化應(yīng)激條件下，Tnfaip8 l1/Oxi-b失調(diào)可能顯著影響多巴胺能神經(jīng)元的自噬；過表達(dá)人類E46K突變體α-突觸核蛋白可通過抑制JNK1/Bcl-2通路使細(xì)胞自噬功能受損。還有其他研究表明，使用增強(qiáng)自噬活性的藥物可能是PD的有效治療方式。例如，姜黃素在PD的A53T非核苷相關(guān)模型細(xì)胞可以通過抑制mTOR/S6K1信號激活自噬保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞[22]；天然的自噬增強(qiáng)劑柯諾辛B通過mTOR/Akt通路促進(jìn)α-突觸核蛋白的清除[23]；柴胡酸可通過促進(jìn)自噬使神經(jīng)元免受MPTP導(dǎo)致的毒性損害[24]。

2.4 mTOR與PD其他遺傳風(fēng)險因素之間的聯(lián)系

除α-突觸核蛋白外，至少還有另外5個與PD相關(guān)的基因，包括富含亮氨酸的重復(fù)激酶2（leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2）、磷酸性張力蛋白誘導(dǎo)的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）、含環(huán)形結(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶（RING domain-containing E3 ubiquitin ligase，Parkin）、DJ-1和泛素羧基末端酯酶L1（DJ-1 and ubiquitin carboxyl-terminal esterase L1，UCHL1）。據(jù)報道REDD1是Parkin的底物[25]，敲除Parkin基因后神經(jīng)元中REDD1表達(dá)增加，表明REDD1是mTORC1的負(fù)性調(diào)節(jié)劑。除Parkin外，PINK1可通過誘導(dǎo)mTORC2中重要元件Rictor的磷酸化激活mTORC2。而UCHL1則可調(diào)節(jié)2種mTOR復(fù)合物的活性。目前已經(jīng)證明，UCHL1可以減弱mTORC1對S6K1和4E-BP1的激酶活性，并增強(qiáng)mTORC2對Akt的活性。然而，也有報道UCHL1功能的喪失可能導(dǎo)致α-突觸核蛋白的清除[26]。盡管尚未報道LRRK2與mTOR的直接聯(lián)系，但LRRK2是PD的最常見的遺傳危險因素，它可以使mTORC1的底物4E-BP1磷酸化，從而導(dǎo)致果蠅蛋白質(zhì)翻譯失調(diào)和多巴胺能神經(jīng)元變性死亡。

與mTORC1相比，在PD中對mTORC2的研究相對較少。由于mTORC2可以通過Akt調(diào)節(jié)mTORC1的活性[27]，因此mTORC2在PD中的作用也非常重要。mTOR是自噬的負(fù)性調(diào)節(jié)劑[28]，抑制mTOR導(dǎo)致自噬激活，從而減少α-突觸核蛋白的積累。但是，mTOR在PD中的作用可能不僅限于自噬-溶酶體途徑，也包括其他細(xì)胞過程，如蛋白質(zhì)合成和能量代謝。除了α-突觸核蛋白外，PD的其他3個遺傳危險因素Parkin、PINK1和UCHL1也可以直接或間接調(diào)節(jié)mTORC1和mTORC2的活性。總之，mTOR信號通路的激活和失活之間的平衡對于多巴胺能神經(jīng)元的存活至關(guān)重要，恢復(fù)受干擾的mTOR信號通路可能對治療PD具有重大意義。