吳苗苗，苑玉和，陳乃宏

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所，北京 100050;2.天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，，天津 300193)

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是雷帕霉素在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)的靶點，是一種進(jìn)化上十分保守絲/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇激酶相關(guān)激酶(the phosphatidylinositol kinase-related kinase，PIKK)超家族。mTOR不僅可調(diào)控基因的翻譯，參與蛋白質(zhì)降解、核糖體合成等生理過程，而且與衰老、腫瘤的發(fā)生也有密切關(guān)系。近年國內(nèi)外研究顯示mTOR信號通路與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。

神經(jīng)退行性疾病是指以神經(jīng)功能退行性改變?yōu)樘卣鞯囊活惣膊〉目偡Q，包括阿爾采末病(Alzheimer's disease，AD)、帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷頓病(Huntington's disease，HD)等。病理性蛋白的大量聚集是此類疾病共同的病理改變之一。如在PD病人尸檢過程中發(fā)現(xiàn)有Lewy小體(α-synuclean蛋白聚集)的存在，AD患者腦中有大量的老年斑(Aβ蛋白沉淀)等。自噬是降解細(xì)胞內(nèi)聚集物的主要途徑，而mTOR激酶是自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)位點，抑制mTOR的活性可正向調(diào)節(jié)自噬。因此，闡明mTOR信號通路所調(diào)控的自噬與神經(jīng)退行性疾病之間的關(guān)系具有一定的理論和實際意義。

1 mTOR的生理特點

1.1 mTOR的分子結(jié)構(gòu) mTOR是一種保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，由2 549個氨基酸組成，其N端存在20個串聯(lián)重復(fù)序列，每個重復(fù)序列包含2個由40個氨基酸殘基組成的α螺旋，每個螺旋都有1個親水基團和1個疏水基團。這種重復(fù)結(jié)構(gòu)介導(dǎo)蛋白質(zhì)之間的相互作用，并有利于mTOR定位于漿膜。mTOR分子C端的中部是蛋白激酶域。其上游是FRB 域(FKBP12-Rapamycin binding)，為 FKBP12(FK506-binding protein，F(xiàn)K506結(jié)合蛋白)-雷帕霉素復(fù)合物與mTOR相互作用的區(qū)域，該區(qū)域發(fā)生突變后可以完全阻止雷帕霉素對mTOR的抑制，F(xiàn)RB下游大約500個氨基酸殘基處為FAT域(the focal adhesion targeting domain)，與mTOR分子末端的FATC域(the focal adhesion targeting domain of C-terminal)形成一個空間結(jié)構(gòu)，從而暴露出mTOR分子的催化域。FATC域和NRD域(negative regulatory domain)位于mTOR分子的羧基末端，NRD域位于 FATC域和激酶催化域之間，是mTOR 的負(fù)性調(diào)節(jié)域［1－4］。

1.2 mTOR的存在形式 在細(xì)胞內(nèi)mTOR存在兩種功能不同的復(fù)合體，分別為 mTORC1(mTOR Complex 1)和mTORC2(mTOR Complex 2)。mTORC1是雷帕霉素敏感型，雷帕霉素能夠特異性的抑制mTOR蛋白激酶的活性，使其喪失接近并磷酸化下游靶蛋白的能力。mTORC2復(fù)合體對雷帕霉素不敏感，主要參與了細(xì)胞極性和生長空間的調(diào)節(jié)，同時還可調(diào)控蛋白激酶 Akt的活化。而 Akt又可作用于mTORC1復(fù)合體，因此Akt可能是mTORC1和mTORC2之間相互作用的連接點［1－4］。

1.3 mTOR的信號通路 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，mTOR的功能受神經(jīng)元膜上很多受體或通道的調(diào)控，如N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA-R)、α-氨基羥甲基惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methy-4-isoxazolepropionic acid receptor，AMPA-R)、多巴胺能受體(dopamine receptor，DR)及代謝性谷氨酸能受體(metabotropic glutamate receptor，mGluR)等［3］。參與的信號通路主要有 PI3KAkt-mTOR信號通路和LKB1-AMPK-mTOR信號通路等。PI3K-Akt-mTOR信號通路與細(xì)胞生長、增殖密切相關(guān)，Akt有多種底物，其中與mTOR直接相關(guān)的是TSC2，它可與TSC1形成異源二聚體復(fù)合物，對mTOR功能起負(fù)調(diào)控作用。LKBI-AMPK-TSC1/2-mTOR信號通路主要調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量代謝，LKB1能夠磷酸化激活A(yù)MP激酶(AMPK)相關(guān)激酶家族蛋白。AMPK激活可引起細(xì)胞內(nèi)多種信號反應(yīng)，可使蛋白合成等消耗能量的反應(yīng)過程下降。因此，mTOR介導(dǎo)的信號通路可使細(xì)胞內(nèi)蛋白合成減少，細(xì)胞增殖受到抑制。

2 mTOR信號通路與神經(jīng)退行性疾病

2.1 mTOR信號通路與阿爾采末病 AD是一種以進(jìn)行性癡呆為主要特征的神經(jīng)退行性疾病。最典型的病理特征為:神經(jīng)元外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)聚集形成老年斑(senile plaques，SP)、神經(jīng)元內(nèi)高度磷酸化的tau蛋白形成神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFTs)和神經(jīng)元的丟失，臨床上表現(xiàn)為學(xué)習(xí)與記憶功能的改變［2］。

mTOR與AD的關(guān)系目前尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，有研究調(diào)查顯示AD患者腦內(nèi)受損腦區(qū)與正常組織對比mTOR通路的活性明顯增加，且與tau成正相關(guān)性［4］。在AD動物模型中，Aβ聚集能增加mTOR的表達(dá)，反之，降低mTOR也能減少 Aβ 的表達(dá)［5］。Khurana等［6］在果蠅病理模型中，發(fā)現(xiàn)高度磷酸化的tau誘導(dǎo)mTOR激活，導(dǎo)致細(xì)胞周期調(diào)節(jié)器的激活，最終誘導(dǎo)神經(jīng)元的死亡。另一方面，在Aβ誘導(dǎo)培養(yǎng)神經(jīng)元和APP-PS1轉(zhuǎn)基因動物模型中，發(fā)現(xiàn)mTOR的活性受到抑制［7］。Ma 等［8］也發(fā)現(xiàn)，抑制 mTOR 信號與 Aβ1-42誘導(dǎo)的AD模型的突觸可塑性的損傷有關(guān)。通過增加mTOR信號活性，能夠復(fù)蘇AD大鼠模型的LTP，敲除FKBP12基因也能預(yù)防Aβ誘導(dǎo)的LTP的損傷。

最近有報道證明雷帕霉素對AD的小鼠模型是有效的。雖然AD的動物模型不能像人類那樣顯示普遍的神經(jīng)元丟失，但AD的三轉(zhuǎn)基因小鼠模型(包括突變的PS1、APP和tau)能模擬循序漸進(jìn)的神經(jīng)元丟失和產(chǎn)生細(xì)胞外的β-淀粉樣斑塊和tau纏結(jié)，產(chǎn)生海馬損傷的相關(guān)記憶。另外APP突變的AD小鼠模型和PDAPP轉(zhuǎn)基因模型也能產(chǎn)生β-淀粉樣斑塊和記憶缺陷。在這些模型中，給予雷帕霉素治療能夠減輕其癥狀，延長小鼠的壽命，增加神經(jīng)元自噬進(jìn)而改善Aβ及tau病理狀況。更重要的是，正常小鼠進(jìn)食雷帕霉素不會損傷記憶，提示雷帕霉素誘導(dǎo)自噬能改善AD模型的病理癥狀且不阻斷 mTOR 信號通路的活性［5，9－10］。

2.2 mTOR信號通路與帕金森病 帕金森病是中老年人常見的神經(jīng)退行性疾病，其主要病理特征是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元大量丟失和殘存的神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生以α-synuclein為主要成分的嗜酸性包涵體——路易小體。PD的癥狀包括動作徐緩(起動困難或持續(xù)運動)，強直，無意識的震顫等。

有研究發(fā)現(xiàn)，MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠模型和PD病人的黑質(zhì)中 REDD1(mTOR抑制蛋白)增加，REDD1能阻斷mTORC2 介導(dǎo) Akt的活化，促進(jìn)神經(jīng)元的死亡［11，13］。用PC12細(xì)胞制備PD模型時，6-OHDA能誘導(dǎo)REDD1的表達(dá)增加。通過siRNA治療能使REDD1對6-OHDA誘導(dǎo)PC12細(xì)胞的毒性變得遲鈍，增加mTORC1在這些細(xì)胞中的活性。此外，增加 mTORC1的活性可以減少6-OHDA的毒性［11］。更有趣的是，給予mTOR抑制劑——雷帕霉素可以減少6-OHDA對PC12細(xì)胞的毒性，并增加MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元的存活［12－13］。這些研究表明mTOR與PD關(guān)系復(fù)雜而密切。

Lewy小體的主要成分α-synuclein基因突變與PD的遺傳相關(guān)。雷帕霉素可以通過激活自噬降低α-synuclein聚集體在α-synuclein轉(zhuǎn)基因小鼠中的表達(dá)［14］。在細(xì)胞培養(yǎng)中，當(dāng)自噬受到抑制，A53T突變型α-synuclein濃度比野生型αsynuclein增加的多，提示病理突變的α-synuclein比野生型聚集傾向更大，更需要自噬的清除。而雷帕霉素能夠促進(jìn)野生型和突變型α-synuclein聚集體的清除［15］。雷帕霉素對PD有效的其他機制可能是通過降低翻譯起始水平。在Pink1和Pank2突變果蠅的PD模型中，通過雷帕霉素治療能緩解果蠅的病理表現(xiàn)，包括肌肉的衰退和多巴胺能神經(jīng)元的死亡［16］。有報道顯示雷帕霉素可以有效的減輕治療PD的常用藥—左旋多巴的副作用［17］，減少左旋多巴治療PD小鼠運動障礙的發(fā)生。這些結(jié)果顯示，雷帕霉素可以通過多種途徑改善PD病理癥狀，具有治療PD的價值。

2.3 mTOR信號通路與亨廷頓病 亨廷頓病是一種以影響運動功能為主的神經(jīng)退行性疾病，屬常染色體顯性遺傳性疾病。其癥狀包括無意識的動作和漸進(jìn)的認(rèn)知功能障礙。該病是由一個編碼亨廷頓蛋白(Huntingtin，Htt)的基因突變引起的。Htt氨基端有一段重復(fù)的谷氨酰胺序列，它的長度在正常人少于35個，而在HD患者則超過37個。Htt聚合體和核內(nèi)包涵體是HD神經(jīng)組織學(xué)中一種標(biāo)志性的特征。

在亨廷頓病動物模型與病人組織的受損細(xì)胞中，標(biāo)記的mTORC1活性減少;在體外的細(xì)胞培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因動物模型中mTOR活性也減退。且在HD患者和小鼠模型組織的包涵體中發(fā)現(xiàn) mTOR，提示可能是mTOR結(jié)合包涵體而阻礙mTOR活性，增加自噬，減少多聚谷氨酰胺蛋白的含量［18］。在HD小鼠模型中，利用CCI-779(雷帕霉素類似物)能抑制mTOR的活性，促進(jìn)自噬，減少亨廷丁聚集體的形成［19］。Williams等［20］通過研究與HD相關(guān)的哺乳動物，果蠅和斑馬魚模型，提出在mTOR信號通路上有多個潛在的位點可以誘導(dǎo)自噬，具有治療HD的潛能。在多個疾病模型中，經(jīng)雷帕霉素治療都可以降低多谷氨酰胺神經(jīng)毒性。Ross/Borchelt小鼠——表達(dá)有82個谷氨酰胺重復(fù)的亨廷頓病小鼠模型，在未出現(xiàn)疾病癥狀之前通過攝食給予雷帕霉素治療。發(fā)現(xiàn)這種方法可以誘導(dǎo)神經(jīng)元的自噬，減少組織中包涵體的數(shù)量。更重要的是，雷帕霉素治療可以改善與疾病相關(guān)的運動障礙［18］。在亨廷頓細(xì)胞模型中顯示減少翻譯起始也可以說是雷帕霉素的保護(hù)效應(yīng)促成的［21］。這些研究提示雷帕霉素對多聚谷氨酰胺疾病模型的作用是通過清除和降低致病蛋白物質(zhì)實現(xiàn)的。

3 結(jié)語

近年的研究顯示抑制mTOR可能是治療神經(jīng)退行性疾病的一個對策。這些疾病的共同特征是病理蛋白如Aβ和高度磷酸化的 tau、α-synuclein、Htt，分別在 AD、PD、HD 聚集。通過抑制mTOR增加自噬程度可以促進(jìn)細(xì)胞聚集物的清除過程。因此，mTOR抑制劑已經(jīng)被列為神經(jīng)退行疾病治療的選用藥。然而，關(guān)于mTOR通路活性的矛盾也必須被解決，相信，隨著對mTOR信號通路的深入研究，必將為神經(jīng)退行性疾病的治療提供更多可靠的依據(jù)。

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