PI3K/Akt/GSK-3β/β-catenin信號通路促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞再生修復(fù)的研究進(jìn)展

牛凱旋，劉思楊，馮猛，呂威力，邢雪松

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2014級8班；2.2014級17班；3.病理解剖學(xué)教研室；4.解剖學(xué)教研室）

PI3K/Akt/GSK-3β/β-catenin信號通路促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞再生修復(fù)的研究進(jìn)展

牛凱旋1，劉思楊2，馮猛1，呂威力3，邢雪松4*

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2014級8班；2.2014級17班；3.病理解剖學(xué)教研室；4.解剖學(xué)教研室）

PI3K/Akt信號通路和Wnt/β-catenin信號通路通過活化多種效應(yīng)分子，抑制細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞分裂增殖，在細(xì)胞存活方面發(fā)揮著重要作用。實驗研究表明這兩種信號通路在神經(jīng)細(xì)胞凋亡和再生方面也起到關(guān)鍵作用，為以兩種信號通路關(guān)鍵分子為靶點的研究提供有力參考和保證，特別是在目前廣泛研究的腦缺血損傷與修復(fù)方面。

PI3K/Akt信號通路；Wnt/β-catenin信號通路；腦缺血損傷；神經(jīng)干細(xì)胞

隨著神經(jīng)系統(tǒng)疾病的逐年增多，腦卒中已成為發(fā)病率較高的一類疾病。臨床上通過使用溶栓藥和動脈介入進(jìn)行治療腦卒中。但是，溶栓治療在急性腦缺血損傷早期可能有效，若超過了治療的時間窗，則治療很難發(fā)揮明顯效果。目前在已經(jīng)了解神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells，NSCs）的再生修復(fù)能力的基礎(chǔ)上，運(yùn)用NSCs進(jìn)行腦缺血損傷的治療修復(fù)。諸多研究表明腦缺血損傷可以激活多條信號通路，包括PI3K/Akt信號通路和Wnt/ β-catenin信號通路，調(diào)控NSCs的增殖分化。盡管在這種刺激下產(chǎn)生的NSCs的數(shù)量并不多，遠(yuǎn)不能滿足臨床治療需要，但是這個事實及NSCs自我更新、多向分化的特性為腦缺血損傷的治療帶來了新的思考方向。對于NSCs的研究主要包括促進(jìn)內(nèi)源性NSCs的激活、增殖與分化和移植外源性NSCs。內(nèi)源性NSCs由于是使用自身有利資源，可以避免在獲取過程中產(chǎn)生的危險性和局限性以及移植過程中產(chǎn)生的免疫排斥、來源較短缺等問題，因此，在治療神經(jīng)損傷疾病中越來越受關(guān)注［1］。本文就腦缺血損傷、NSCs的再生修復(fù)及PI3K/Akt和Wnt/β-catenin信號通路參與情況作一綜述。

1 腦缺血損傷及修復(fù)

腦缺血損傷主要表現(xiàn)為急性腦梗死。大量研究主要從急性腦梗死后應(yīng)用溶栓治療和神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)兩個方面進(jìn)行血液再通，同時恢復(fù)氧和葡萄糖的供給，進(jìn)而修復(fù)神經(jīng)元。但是不盡人意的是腦組織對于缺血缺氧的耐受有一定的時間窗，如果超過耐受時間窗，腦組織在缺血再灌注后會發(fā)生更嚴(yán)重的損傷。這種損傷常由腦能量代謝紊亂、Ca2+超載、氧自由基損傷、炎癥反應(yīng)、酸中毒、興奮性氨基酸毒性作用等化學(xué)變化引起，最終都可以導(dǎo)致神經(jīng)元損傷甚至細(xì)胞死亡［2］。細(xì)胞凋亡是一種程序性細(xì)胞死亡。在細(xì)胞凋亡過程中，相關(guān)基因被激活后，進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)錄、翻譯、編碼合成蛋白質(zhì)等主動性的程序性死亡過程。高壓氧（HBO）、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）均可以通過PI3K/Akt信號通路和Wnt/β-catenin信號通路抑制炎癥和凋亡，減少梗死面積，增加腦血流量，促進(jìn)NSCs增殖分化，對缺血患者的神經(jīng)功能改善效果明顯［3］。目前Akt對β-catenin的調(diào)控作用的研究主要集中在抗腫瘤作用中，而這種調(diào)控作用是否在腦缺血損傷中發(fā)揮作用尚未見報道。

2 傳導(dǎo)通路參與神經(jīng)細(xì)胞的再生修復(fù)

在神經(jīng)細(xì)胞受到損傷時，內(nèi)源性NSCs可進(jìn)行自我更新及分裂增殖，從而修復(fù)損傷的神經(jīng)細(xì)胞，維持自身數(shù)目的穩(wěn)定。內(nèi)源性NSCs對受損部位和損傷細(xì)胞有強(qiáng)烈的感知能力，快速地遷移到受損部位，并且可以多向分化為神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞等進(jìn)行修復(fù)。內(nèi)源性NSCs分布在成年哺乳動物的側(cè)腦室管膜下區(qū)、海馬齒狀回、大腦皮質(zhì)、紋狀體等區(qū)域，但以室管膜下區(qū)和海馬齒狀回顆粒下層為多。

2.1 Wnt/β-catenin信號通路 在大鼠腦缺血損傷模型中，損傷后1～2周NSCs水平達(dá)高峰，2～3周開始下降，3～6周回落至正常水平［4］。NSCs的增殖分化是多種因素的協(xié)同作用，其機(jī)制主要為微環(huán)境調(diào)控和自身基因調(diào)控。前者除了堿性成纖維生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）、胰島素樣生長因子等，還包括損傷刺激、炎癥刺激及谷氨酸、5-羥色胺、腎上腺素、GABA、Ach等神經(jīng)遞質(zhì)。對于后者目前研究較多的有骨形成蛋白-2（BMP-2），bHLH、STATs轉(zhuǎn)錄因子及PI3K/Akt、Wnt/β-catenin等信號途徑。Wnt基因起初被稱為int基因，是在患有乳腺癌的小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)并克隆出的具有重要胚胎發(fā)育意義的原癌基因，隨后被研究證實其也為果蠅無翅基因（wingless，wg）的同源物，因此將二者共同稱為Wnt基因。胞漿中的β-catenin水平可以決定Wnt信號的傳遞，因此其為主要的效應(yīng)分子。糖原合酶激酶（GSK-3β）是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，在未受到刺激時或者在靜息的細(xì)胞中有活性，可以抑制細(xì)胞中β-catenin的表達(dá)，使其保持較低水平［5-6］。當(dāng)Wnt蛋白存在時，Wnt蛋白通過擴(kuò)散與主動運(yùn)輸?shù)竭_(dá)靶細(xì)胞時，先與靶細(xì)胞中β-catenin上游分子中的Frizzled蛋白發(fā)生特異性結(jié)合，二者結(jié)合后，激活上游分子中的Dishevelled蛋白，Dishevelled蛋白激活后可以抑制APC-Axin-GSK3β復(fù)合體的活性，防止細(xì)胞內(nèi)游離的β-catenin被降解并使其逐漸在胞質(zhì)內(nèi)積聚并被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核內(nèi)，之后與βcatenin下游分子中的TCF/LEF等典型轉(zhuǎn)錄因子共同形成復(fù)合物，激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)［7］。Israsena等［8］發(fā)現(xiàn)超表達(dá)β-catenin和FGF2共同作用于NSCs可以保持增殖的狀態(tài)，但當(dāng)FGF2去除后，超表達(dá)β-catenin明顯促進(jìn)NSCs向神經(jīng)元分化，染色質(zhì)免疫沉淀分析證實β-catenin和Lef1均直接與neurogenin基因的啟動子結(jié)合促進(jìn)神經(jīng)元的分化。研究證實在大鼠有腦缺血損傷表現(xiàn)時，其腦內(nèi)NSCs會大量增殖、遷移和分化，進(jìn)行大鼠腦組織的修復(fù)和神經(jīng)組織的再生，使神經(jīng)功能有所改善［9］。絲裂原信號在影響NSCs增殖的外在因素中起著重要的作用，其中bFGF與EGF是NSCs增殖所必須的。二者的作用并不相同，研究表明bFGF在胚胎發(fā)育中起著維持神經(jīng)前體細(xì)胞生存并擴(kuò)增的作用，EGF則在發(fā)育晚期的作用更重要，但是都是通過PI3K/Akt信號通路和Wnt/β-catenin信號通路協(xié)同作用調(diào)控微環(huán)境和自身基因［10］。研究轉(zhuǎn)基因β-catenin小鼠發(fā)現(xiàn)，在β-catenin持續(xù)作用下NSCs的數(shù)量明顯增加，導(dǎo)致5 d胎鼠的大腦皮質(zhì)表面積明顯擴(kuò)大，本應(yīng)光滑的大腦皮層出現(xiàn)腦溝和腦回［11］。

2.2 糖原合酶激酶（GSK-3β） GSK-3β是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，氨基端由一閉合的β-桶狀的結(jié)構(gòu)組成，羧基端包含一個“激酶折疊”，兩者中間由一個小的超結(jié)構(gòu)域連接，可識別并磷酸化特定序列。由于GSK-3β是β-catenin的降解因子，可以磷酸化β-catenin的氨基末端3個保守的絲氨酸/蘇氨酸殘基，進(jìn)而促進(jìn)β-catenin被泛素化降解，因此GSK-3β是Wnt/β-catenin信號途徑的關(guān)鍵因子，可以直接調(diào)控胞漿中β-catenin蛋白的穩(wěn)定性。有文獻(xiàn)證實，在體外，GSK-3β不能直接作用于β-catenin，還需要Axin和APC促進(jìn)其與βcatenin的相互作用［12-13］。

2.3 PI3K/Akt信號通路 對于多種細(xì)胞因子介導(dǎo)的細(xì)胞，PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對其生存發(fā)揮重要作用，是細(xì)胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路［14］。PI3K激活后，可以使磷肌醇類發(fā)生磷酸化，從而發(fā)揮生物活性，使Akt活化。Akt為一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，又稱蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）。當(dāng)PI3K被激活時，位于其D3位點的磷脂酰肌醇-3，4-二磷酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榱字＜〈?3，4，5-三磷酸鹽，發(fā)生轉(zhuǎn)變后，磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸鹽可以與信號蛋白Akt和磷脂酰肌醇依賴性激酶-1（phosphoinositide-dependent protein kinase，PDK-1）結(jié)合，促使PDK1磷酸化AKT蛋白，從而活化Akt，使細(xì)胞發(fā)生多種生理變化。Barnabé-Heider等［15］研究認(rèn)為，神經(jīng)營養(yǎng)因子通過自分泌或旁分泌調(diào)節(jié)PI3K/AKT途徑，維持神經(jīng)前體細(xì)胞的存活，通過LY294002等阻斷PI3K活化后，對于NSCs誘導(dǎo)分化為神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞并沒有顯著影響。用電針刺激新生大鼠曲池、外關(guān)、環(huán)跳、足三里穴位，電針組PI3K/Akt信號通路和Wnt/β-catenin信號通路分子表達(dá)明顯增加，BrdU指示數(shù)量顯著高于對照組，提示電針對NSCs增殖有益。運(yùn)動訓(xùn)練也能通過PI3K/Akt信號通路和Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)梗死邊緣區(qū)NSCs增殖、促進(jìn)抗凋亡蛋白表達(dá)，降低促凋亡蛋白表達(dá)來促進(jìn)卒中后神經(jīng)功能恢復(fù)［16］。Shioda等［17］研究發(fā)現(xiàn)，磷酸肌醇三磷酸激酶-絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白可以促進(jìn)腦缺血后NSCs增殖，表明通過加強(qiáng)PI3K-AKT-mTOR基因表達(dá)水平促進(jìn)NSCs的增殖。

3 小結(jié)

目前，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)展已成為多種神經(jīng)疾病的治療方向，而作為具有自我更新和多方向分化潛能的原始細(xì)胞，即內(nèi)源性NSCs，成為神經(jīng)系統(tǒng)治療的熱點。在細(xì)胞分子水平對內(nèi)源性NSCs詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)NSCs內(nèi)分子靶點來促進(jìn)神經(jīng)再生，對于神經(jīng)治療有重要意義。PI3K/Akt信號通路可調(diào)控胚胎干細(xì)胞的增殖分化，參與血管性癡呆及增殖分化過程。Akt作為下游分子，可以被bFGF磷酸化，在磷酸化的GSK-3β的Ser-9殘基作用下，磷酸化的Akt也可失活。同時，GSK復(fù)合物的活性受到抑制，阻礙β-catenin的降解，使其含量增加，大量累積進(jìn)入細(xì)胞核中，與Tcf-4結(jié)合，調(diào)控下游分子CyclinD1轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控NSCs的增殖分化。由此看出PI3K/Akt信號通路不僅關(guān)系細(xì)胞存活，同時影響β-catenin及下游分子，促進(jìn)NSCs增殖分化為成熟神經(jīng)元和發(fā)揮缺血乏氧的修復(fù)作用。所以，可以推斷，Akt和β-catenin在信號通路上發(fā)揮重要作用，極有可能是治療腦血管疾病的重要靶分子。

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（文敏編輯）

Research Progress of PI3K/Akt/GSK-3β/β-catenin Signaling Pathway in Promoting Nerve Cell Regeneration and Restoration

NIU Kaixuang1，LIU Siyang2，F(xiàn)ENG Meng1，LYU Weili3，XING Xuesong4*

（1.Grade 2014，Class 8，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Grade 2014，Class 17；3.Department of Pathology；4. Department of Anatomy）

PI3K/Akt and Wnt/β-catenin signaling pathways can promote cell proliferation mainly through the activation of a variety of molecules，and play an important role in cell survival，nerve cell regeneration and apoptosis inhibition.The critical moleculars of the two signaling pathways could be targets to treat cerebral ischemia injury and repair.

PI3K/Akt signaling pathway；Wnt/β-catenin signaling pathway；cerebral ischemic injury；neural stem cells

R338.1

A

1008-2344（2017）01-0069-03

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.01.022

2016-08-30

遼寧省科技廳科學(xué)技術(shù)計劃資助項目（No.201602729）

邢雪松（1973—），男（漢），博士，副教授，研究方向：神經(jīng)生物學(xué).E-mail：syyxyx@sina.com