哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路在帕金森病中的作用*

边 维 李梦一 余心悦 周 鹏 崔怀瑞 戚双双 孙臣友△

（温州医科大学，1 基础医学院人体解剖学教研室，2 基础医学院神经科学研究所，3 附属第二医院育英儿童医院，温州 325035）

帕金森病（Parkinson's disease，PD）是一种与年龄相关的中枢神经系统退行性疾病，其典型病理特征是中脑黑质致密部多巴胺能神经元的缺失和一种叫做“路易小体”的胞质内包涵体的出现。衰老是PD的主要危险因素，据估计，65岁及以上人群患PD的概率为1%～2%。尽管当前对PD的干预性治疗可缓解其临床症状并改善患者的生活质量，但尚无完全治愈的方法，对PD病因和发病机制的研究将有助于找到PD的潜在治疗靶点。最近研究表明，PD的发病与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）失调有关[1]，mTOR是在哺乳动物大多数细胞中表达的高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，在细胞生长、增殖、存活、代谢、蛋白质合成和自噬中起着核心作用，在调节神经元的发育、存活和分化及突触可塑性中也具有至关重要的作用[2]。因此，现就mTOR信号通路在PD中的作用作一综述。

1 mTOR信号通路的组成和结构

mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，参与调控基因转录、蛋白质合成、细胞骨架形成、细胞代谢、存活和衰老等多种过程[3]。mTOR由哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2（mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2）组成[4]（图1）。控制蛋白质稳态和自噬的mTORC1包含mTOR、TOR调节相关蛋白（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结构域的mTOR 相互作用蛋白（DEP domain-containing mTOR-interacting protein，DEPTOR）、哺乳动物致死因子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作为正性调节剂，可以激活mTORC1激酶，继而促进细胞生长、mRNA生物合成和核糖体蛋白质翻译。相反，PRAS40作为负性调节剂可通过抑制mTORC1与Raptor的结合降低mTORC1的活性。此外，蛋白激酶B（Akt）可将PRAS40磷酸化，使其与Raptor分离，从而促进PRAS40与胞质对接蛋白14-3-3的结合并随后激活mTORC1。调节细胞存活和增殖的mTORC2包含雷帕霉素不敏感伴随物（rapamycin-insensitive companion of mammalian target of rapamycin，Rictor），哺乳动物应激激活蛋白激酶交互蛋白1（mammalian stress-activated map kinase-interacting protein 1，mSin1），Rictor蛋白结合蛋白-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的过程中必不可少，Protor-1则参与了mTORC2介导的血清/糖皮质激素调节激酶1（serum/glucocorticoid regulated kinase 1，SGK1）的激活。由此可见，mTORC1和mTORC2具有Tti1/Tel2、Deptor和 mLST8，其中Tti1/Tel2复合体充当调节mTORC1和mTORC2组装的支架蛋白；Deptor可以通过抑制mTOR的活性负向调节mTORC1和mTORC2，如果抑制Deptor的作用可使Akt、mTORC1和mTORC2的活性增加；mLST8则具有正向调节mTORC2活性的作用。此外，mTORC1和mTORC2中都存在mTOR催化亚基。mTOR位于胰岛素样生长因子-1受体（insulin-like growth factor-1 receptor，IGF1R）的下游。先前的研究表明，结节性硬化复合物1/2（tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2）是PI3K/Akt和mTORC1之间的重要调节剂。TSC1/2复合物可激活GDP酶使结合状态下的GDP失去活性，从而抑制mTORC1。此外，TSC1/2可以通过AMP活化蛋白激酶（adenosine 5-monophosphate activated protein kinase，AMPK）在能量缺乏的状况下被激活。而AMPK同样在细胞能量缺乏的情况下被丝氨酸/苏氨酸激酶-1（serine/threonine kinases-1，LKB1）磷酸化。AMPK还可以通过DNA损伤反应蛋白-1（REDD1）调节TSC1/2的活性。缺氧时，蛋白质14-3-3释放的TSC2可以作用于AMPK来增加REDD1的表达，从而抑制mTORC1的活性。相反，抑制REDD1表达可阻断由于缺氧引起的mTORC1抑制。与此同时，mTORC1主要通过调控下游底物核糖体蛋白S6激酶-1（S6 kinase beta-1，S6K1）和真核翻译起始因子4E结合蛋白-1（eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein-1，4E-BP1）来发挥其在蛋白质翻译中的作用[5]。mTORC1磷酸化并激活S6K1，S6K1进而磷酸化并激活S6蛋白（S40核糖体亚基的一个组成部分）。相反，活化的mTORC1通过抑制4E-BP1和真核翻译起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor- 4E，eIF-4E）之间的相互作用，使mRNA的阻遏物4E-BP1磷酸化，并使其失去活性。因此，mTORC1信号主要作用翻译的起始和延长以及核糖体的发生。

图1 mTOR 信号的组成元件及各因素对其调控

与mTORC1相似，mTORC2也通过PI3K信号通路对生长因子作出反应。与mTORC1相比，TSC1/2可能通过TSC2的N端区域和Rictor的C端区域来增强mTORC2的活性。而mTORC2可通过其底物Akt及PKCα的磷酸化来调节细胞骨架的重塑，并通过激活Rac鸟嘌呤核苷酸交换因子（Rac guanine nucleotide exchange factors）P-Rex1和P-Rex2来调节细胞迁移。另外，mTORC2通过激活和磷酸化蛋白激酶A/蛋白激酶G/蛋白激酶C（AGC）家族成员SGK1来调控离子的转运。

2 mTOR信号在PD模型动物或细胞中的变化及其作用

2.1 mTOR信号通路对PD模型动物或细胞的双重作用

近年来，已有证据表明PD进程中mTOR信号会发生改变[6]，但是，mTOR在PD中的作用一直存在争议，因为它在不同的PD模型动物中可能具有不同的作用，即或具有神经保护作用或具有神经毒性作用[7]。例如，有些研究表明PD毒素，如鱼藤酮、1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）、6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamine，6-OHDA）等均会抑制mTOR信号转导，并降低细胞活力，而野生型mTOR的过度表达可部分预防PD毒素诱导的神经元细胞丢失。

此外，Domanskyi等[8]报道了编码脂质磷酸酶的PTEN基因缺失可以激活mTOR，并保护多巴胺能神经元免受PD小鼠模型中神经毒素的侵害。REDD1作为mTORC1的抑制剂在PD患者的脑中高度表达，并在神经毒素诱导的PD模型细胞中被上调。与这些发现一致，有报道在PD的模型细胞和动物中，REDD1表达的升高抑制了mTOR信号的转导，而抑制REDD1的表达则具有神经保护作用[9]。以往的研究表明，mTOR/Akt信号的激活会促进神经毒素损伤的黑质多巴胺能神经元轴突的再生[10]。这些研究表明，激活mTOR信号在某些PD模型中可能具有神经保护作用。

另外，在PD患者大脑中也发现了mTOR蛋白水平的升高。在PD的 En1（engrailed 1）+/-小鼠模型中，En1（对中脑多巴胺能神经元存活起关键作用的转录因子）杂合子缺失会导致多巴胺能神经元中mTOR信号的上调。越来越多的证据也表明，雷帕霉素或其衍生物对mTOR的抑制在PD模型细胞和动物中可能具有神经保护作用[11]。常见的抗帕金森病药物左旋多巴（levodopa，L-DOPA）通过激活PD模型小鼠纹状体中的mTOR信号转导引起运动障碍。雷帕霉素或其衍生物对mTOR的抑制作用对阻止L-DOPA诱导的运动障碍的发展具有一定的改善作用，这些结果表明，抑制PD中mTOR信号也可能是有益的。

促进mTOR产生的神经保护作用似乎与抑制PD中mTOR的信号相矛盾。然而，关于PD模型中mTOR的这些实验数据的解释，必须注意2个事项：首先，雷帕霉素短期治疗仅部分抑制mTORC1的活性，而对mTORC2活性的作用有限。但是，雷帕霉素长期治疗会以细胞类型依赖的方式减弱mTORC2的活性，而不减弱mTORC1的活性。因此，雷帕霉素的神经保护作用可能归因于其只抑制mTOR的一部分功能。PD毒素会导致mTOR信号的下调，但不能排除在其他与PD风险因子相关的模型中mTOR信号保持不变或更活跃的可能性。在这些PD模型中用雷帕霉素抑制过度活跃的mTOR可能具有神经保护作用。因此，需要辩证地分析mTOR信号通路对PD模型动物或细胞的双重作用。

2.2 mTOR在氧化应激所致的PD中的变化及其作用

作为一种进行性神经退行性疾病，PD的特征是黑质-纹状体多巴胺能神经元的选择性缺失。越来越多的实验证据表明，持续的氧化应激是黑质-纹状体多巴胺能神经元变性的主要因素。六羟多巴胺诱导的模型动物进一步支持了氧化应激与多巴胺能神经元缺失之间的关系。因此，氧化应激可能是导致PD神经元变性的主要机制之一。

氧化剂的过剩或抗氧化剂的缺乏都可导致氧化应激，这可能是由于活性氧（reactive oxygen species，ROS）的过量生成或细胞抗氧化机制的失效。正常水平的ROS通常可以快速排出，但ROS的过量生成会破坏蛋白质的功能并激活或抑制信号通路（例如mTOR），从而导致神经元的死亡。mTOR在预防神经元由于氧化应激而致死亡的过程中可能起到重要作用。例如，Chen等[12]报道过氧化氢（H2O2）产生的氧化应激可诱导神经元的死亡，并抑制mTOR活性。有报道称，mTOR活化蛋白可保护多巴胺能神经元免受氧化应激损害。通过S6K1、4E-BP1或Akt激活mTOR后可抑制氧化应激导致的神经元的凋亡，而H2O2或鱼藤酮则会使mTOR的活性降低，并抑制S6K1和4EBP1的磷酸化，从而导致神经元的死亡。另外，mTOR信号通路对神经元死亡的抑制作用也依赖于Akt激活[13]。这些研究表明，在多巴胺能神经元的氧化应激过程中，细胞存活可能需要mTOR活化，而mTOR活性的丧失可能导致神经元变性[14]。但是也有研究表明，氧化应激时mTOR的激活可导致神经元的凋亡。例如，镉诱导的ROS促进了mTOR信号的激活，导致神经元死亡。此外，也有研究表明，钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）和钙信号转导与镉诱导的mTOR活化有关。这些结果表明，在氧化应激期间mTOR活化对神经元细胞存活或凋亡的影响似乎取决于PD相关毒素的类型。

2.3 自噬与mTOR和α-突触核蛋白之间的关系以及对PD的影响

抑制mTOR信号会导致大多数组织自噬作用上调[15]，作为自噬的负性调节剂，mTOR似乎通过自噬相关基因（Atg）来调节自噬。据报道，Atg5或Atg7的缺失会引起神经元内蛋白质异常积累或聚集，从而导致神经退行性疾病[16]。同时越来越多的数据表明，衰老过程中产生的自噬抑制现象也可能导致蛋白质（如突触核蛋白）的积累和聚集，从而导致细胞毒性发生，并最终引起神经退行性变。相反，自噬的激活则可促进胞质蛋白聚集体（如α-突触核蛋白）的清除[17]。因此，自噬成为包括PD在内的神经退行性疾病中神经元基本生存的关键因素。

α-突触核蛋白的积累和路易小体的形成是PD的病理学标志[18]，据报道，PD的病因和病程与α-突触核蛋白的突变（如A53T、A30P和E46K）以及多巴胺能神经元中α-突触核蛋白的浓度增加有关。另外，在死后PD患者的脑中观察到了溶酶体缺陷和自噬体积累，自噬功能受到抑制可能有助于蛋白质的积累和聚集，并最终导致神经元变性[19]。相反，通过抑制mTOR信号通路继而激活自噬可阻止细胞内蛋白聚集物的形成。在氧化应激下，自噬可以通过抑制mTOR信号来导致多巴胺神经元的死亡[20]。

有许多研究表明，通过调控mTOR可影响自噬，例如，拮抗神经元调节受体2通过抑制mTOR激活自噬[21]，降低神经元细胞中Ser-129磷酸化α-突触核蛋白水平，预防突触核蛋白病；c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinases，JNK）和mTOR/Akt的协同作用与MPTP诱导的PC12细胞自噬有关；在病理性氧化应激条件下，Tnfaip8 l1/Oxi-b失调可能显著影响多巴胺能神经元的自噬；过表达人类E46K突变体α-突触核蛋白可通过抑制JNK1/Bcl-2通路使细胞自噬功能受损。还有其他研究表明，使用增强自噬活性的药物可能是PD的有效治疗方式。例如，姜黄素在PD的A53T非核苷相关模型细胞可以通过抑制mTOR/S6K1信号激活自噬保护神经细胞[22]；天然的自噬增强剂柯诺辛B通过mTOR/Akt通路促进α-突触核蛋白的清除[23]；柴胡酸可通过促进自噬使神经元免受MPTP导致的毒性损害[24]。

2.4 mTOR与PD其他遗传风险因素之间的联系

除α-突触核蛋白外，至少还有另外5个与PD相关的基因，包括富含亮氨酸的重复激酶2（leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2）、磷酸性张力蛋白诱导的激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）、含环形结构域的E3泛素连接酶（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）。据报道REDD1是Parkin的底物[25]，敲除Parkin基因后神经元中REDD1表达增加，表明REDD1是mTORC1的负性调节剂。除Parkin外，PINK1可通过诱导mTORC2中重要元件Rictor的磷酸化激活mTORC2。而UCHL1则可调节2种mTOR复合物的活性。目前已经证明，UCHL1可以减弱mTORC1对S6K1和4E-BP1的激酶活性，并增强mTORC2对Akt的活性。然而，也有报道UCHL1功能的丧失可能导致α-突触核蛋白的清除[26]。尽管尚未报道LRRK2与mTOR的直接联系，但LRRK2是PD的最常见的遗传危险因素，它可以使mTORC1的底物4E-BP1磷酸化，从而导致果蝇蛋白质翻译失调和多巴胺能神经元变性死亡。

与mTORC1相比，在PD中对mTORC2的研究相对较少。由于mTORC2可以通过Akt调节mTORC1的活性[27]，因此mTORC2在PD中的作用也非常重要。mTOR是自噬的负性调节剂[28]，抑制mTOR导致自噬激活，从而减少α-突触核蛋白的积累。但是，mTOR在PD中的作用可能不仅限于自噬-溶酶体途径，也包括其他细胞过程，如蛋白质合成和能量代谢。除了α-突触核蛋白外，PD的其他3个遗传危险因素Parkin、PINK1和UCHL1也可以直接或间接调节mTORC1和mTORC2的活性。总之，mTOR信号通路的激活和失活之间的平衡对于多巴胺能神经元的存活至关重要，恢复受干扰的mTOR信号通路可能对治疗PD具有重大意义。