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,1 基礎醫(yī)學院人體解剖學教研室,2 基礎醫(yī)學院神經(jīng)科學研究所,3 附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院,溫州 325035)
帕金森?。≒arkinson'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%。盡管當前對PD的干預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)細胞中表達的高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶,在細胞生長、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。
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、細胞骨架形成、細胞代謝、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合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物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,繼而促進細胞生長、mRNA生物合成和核糖體蛋白質(zhì)翻譯。相反,PRAS40作為負性調(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Akt的過程中必不可少,Protor-1則參與了mTORC2介導的血清/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復合體充當調(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,從而抑制mTORC1的活性。相反,抑制REDD1表達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。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。
近年來,已有證據(jù)表明PD進程中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,并降低細胞活力,而野生型mTOR的過度表達可部分預防PD毒素誘導的神經(jīng)元細胞丟失。
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,并在神經(jīng)毒素誘導的PD模型細胞中被上調(diào)。與這些發(fā)現(xiàn)一致,有報道在PD的模型細胞和動物中,REDD1表達的升高抑制了mTOR信號的轉(zhuǎn)導,而抑制REDD1的表達則具有神經(jīng)保護作用[9]。以往的研究表明,mTOR/Akt信號的激活會促進神經(jīng)毒素損傷的黑質(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模型細胞和動物中可能具有神經(jīng)保護作用[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mTOR產(chǎn)生的神經(jīng)保護作用似乎與抑制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)保護作用可能歸因于其只抑制mTOR的一部分功能。PD毒素會導致mTOR信號的下調(diào),但不能排除在其他與PD風險因子相關(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)保護作用。因此,需要辯證地分析mTOR信號通路對PD模型動物或細胞的雙重作用。
作為一種進行性神經(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。六羥多巴胺誘導的模型動物進一步支持了氧化應激與多巴胺能神經(jīng)元缺失之間的關(guān)系。因此,氧化應激可能是導致PD神經(jīng)元變性的主要機制之一。
氧化劑的過?;蚩寡趸瘎┑娜狈Χ伎蓪е卵趸瘧?,這可能是由于活性氧(reactive oxygen species,ROS)的過量生成或細胞抗氧化機制的失效。正常水平的ROS通??梢钥焖倥懦?,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),從而導致神經(jīng)元的死亡。mTOR在預防神經(jīng)元由于氧化應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)生的氧化應激可誘導神經(jīng)元的死亡,并抑制mTOR活性。有報道稱,mTOR活化蛋白可保護多巴胺能神經(jīng)元免受氧化應激損害。通過S6K1、4E-BP1或Akt激活mTOR后可抑制氧化應激導致的神經(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)元的氧化應激過程中,細胞存活可能需要mTOR活化,而mTOR活性的喪失可能導致神經(jīng)元變性[14]。但是也有研究表明,氧化應激時mTOR的激活可導致神經(jīng)元的凋亡。例如,鎘誘導的ROS促進了mTOR信號的激活,導致神經(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)導與鎘誘導的mTOR活化有關(guān)。這些結(jié)果表明,在氧化應激期間mTOR活化對神經(jīng)元細胞存活或凋亡的影響似乎取決于PD相關(guān)毒素的類型。
抑制mTOR信號會導致大多數(shù)組織自噬作用上調(diào)[15],作為自噬的負性調(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)象也可能導致蛋白質(zhì)(如突觸核蛋白)的積累和聚集,從而導致細胞毒性發(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的病理學標志[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胞內(nèi)蛋白聚集物的形成。在氧化應激下,自噬可以通過抑制mTOR信號來導致多巴胺神經(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)元細胞中Ser-129磷酸化α-突觸核蛋白水平,預防突觸核蛋白?。籧-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases,JNK)和mTOR/Akt的協(xié)同作用與MPTP誘導的PC12細胞自噬有關(guān);在病理性氧化應激條件下,Tnfaip8 l1/Oxi-b失調(diào)可能顯著影響多巴胺能神經(jīng)元的自噬;過表達人類E46K突變體α-突觸核蛋白可通過抑制JNK1/Bcl-2通路使細胞自噬功能受損。還有其他研究表明,使用增強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)模型細胞可以通過抑制mTOR/S6K1信號激活自噬保護神經(jīng)細胞[22];天然的自噬增強劑柯諾辛B通過mTOR/Akt通路促進α-突觸核蛋白的清除[23];柴胡酸可通過促進自噬使神經(jīng)元免受MPTP導致的毒性損害[24]。
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激酶2(leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)、磷酸性張力蛋白誘導的激酶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表達增加,表明REDD1是mTORC1的負性調(diào)節(jié)劑。除Parkin外,PINK1可通過誘導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mTORC2對Akt的活性。然而,也有報道UCHL1功能的喪失可能導致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是自噬的負性調(diào)節(jié)劑[28],抑制mTOR導致自噬激活,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,恢復受干擾的mTOR信號通路可能對治療PD具有重大意義。