哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1在心肌缺血再灌注损伤中作用的研究进展

范文斯，黄 炜，曹 丰

第四军医大学西京医院 心脏内科，陕西西安 710032

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1在心肌缺血再灌注损伤中作用的研究进展

范文斯，黄 炜，曹 丰

第四军医大学西京医院 心脏内科，陕西西安 710032

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一种保守、非典型的丝氨酸/氨酸蛋白激酶，其主要通过复合体1(mTOR complex 1，mTORC1)和复合体2(mTOR complex 2，mTORC2)发挥作用。有研究证实，复合体1在心肌缺血期和再灌注期分别起到了不同的重要作用，通过调控复合体1可以影响细胞自噬水平、线粒体通透性转换孔的开放、抗氧化基因的上调等机制起到保护心肌的作用。本文对mTOR复合体的结构，以及mTORC1信号分别在心肌缺血期和再灌注期的作用机制进行综述。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1；心肌；缺血再灌注损伤；自噬

经皮冠状动脉介入术(percutaneous coronary intervention，PCI)和冠状动脉旁路移植术(coronary artery bypass grafting，CABG)自问世以来，已成为临床普遍应用的血管再通疗法[1-2]，挽救了大量患者的生命。然而仍有25%左右的患者经PCI治疗后由于缺血再灌注损伤导致预后不良[3]。缺血再灌注损伤是指缺血的心肌在恢复血液灌注后引起超微结构、功能、代谢及电生理方面的进一步损伤。目前研究认为，这一过程与心肌能量代谢障碍、自由基生成增多、钙离子超载及炎症反应等有关[4-5]。因此，我们很有必要进一步研究其发生的具体机制，以期寻找有效的防治靶点。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一种磷酸肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)相关激酶家族的一员，也是一种非典型、保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[6-7]。mTOR是雷帕霉素或西罗莫司的作用靶点，主要通过两种复合体即mTOR复合体1(mTOR complex 1，mTORC1)和mTOR复合体2(mTOR complex 2，mTORC2)发挥作用。其中mTORC1对雷帕霉素敏感，可以被雷帕霉素所抑制。与复合体1相比，复合体2对雷帕霉素及其类似物的敏感性较差。但有研究表明，延长雷帕霉素的作用时间亦可以抑制mTORC2[8]。mTOR信号在调节细胞稳态和应激过程中起到了关键作用。其中mTORC1主要在蛋白合成，细胞生长、增殖，线粒体、核糖体生物合成，细胞自噬以及代谢中起到重要作用[9-10]。近来多项研究以及我们的前期结果均提示，mTORC1在缺血和再灌注过程中发挥重要的作用[11-12]。

1 mTORC1的结构

mTORC1是较大的复合体[13]。由6个部分组成：共同的mTOR亚单位、哺乳动物致死性蛋白8(mammalian lethal with Sect13 protein 8，mLST8也被称作GβL)、含有mTOR相互作用蛋白的DEP结构域(DEP domain containing mTOR-interacting protein，Deptor)、Tti/Tel2、mTORC1特有的mTOR调节相关蛋白(regulatory-associated protein of mamma-lian target of rapamycin，Raptor)和富含脯氨酸的蛋白激酶底物(proline-rich Akt substrate 40 kU，PRAS40)[13]。每个复合体功能各异，mTOR作为丝氨酸/苏氨酸激酶发挥作用；Raptor参与募集底物并与底物结合以及支架蛋白的组装和定位；而Deptor与PRAS40则是mTORC1的内源性抑制物[14-15]；Tti/Tel2具有稳定mTORC1结构的作用，同时也具有支架蛋白组装的功能[16]；mLST8目前尚不知晓其主要功能，它的缺失并不影响mTOR与现阶段发现的mTORC1主要底物的结合[17]。

mTORC1可以调控丝氨酸/苏氨酸激酶核糖体蛋白(p70S6K)和真核起始因子4E结合蛋白1(4EBP1)的活性。去磷酸化状态下的4EBP1能够阻断蛋白质翻译，eIF4G作为4EBP1的下游分子，是一种可以诱导mRNA与核糖体结合的蛋白。在mTORC1的作用下促使4EBP1磷酸化，导致4EBP1从eIF4E上分离下来，进而在eIF4G作用下开始翻译。mTORC1的磷酸化也可以增加p70S6K激酶的活性，而磷酸化的p70S6K可以促进RNA的合成、核糖体蛋白的翻译以及细胞生长。此外，PRAS40还能够阻断p70S6K和4EBP1与Raptor结合[18-19]。

2 mTORC1在心肌缺血中的信号通路及其作用

已有的证据表明，心肌缺血和能量缺乏的状态下，mTOR信号通路参与了心肌保护性应答的过程，缺血缺氧的状态抑制了mTORC1的活性，而mTORC1下调可以激活细胞自噬[20]。组织器官能量缺乏时，细胞自噬是细胞最初的分解和降解过程，它在维持细胞最基本的能量和营养需求上起到重要作用[21]。在mTORC1抑制剂的作用下，通过减少细胞能量消耗和激活细胞自噬可以起到保护心肌细胞的作用。这一过程目前被认为是心肌缺血期的心肌自身保护性机制[22]。

2.1 TSC/Rheb/mTORC1信号通路 结节性硬化症复合体(tuberous sclerosis complex，TSC)是一类GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein，GAP)，作用于小的GTP酶(RAS homologue enriched in brain，Rheb)，通过Rheb-GTP的水解作用，使Rheb转化为与GDP结合的抑制状态，从而起到负性调节mTORC1的作用[23-24]。研究证明，在能量缺乏和缺血的状态下，可以通过激活TSC使Rheb转化为GDP结合抑制状态，进而起到抑制mTORC1的作用，引起上调心肌细胞自噬水平，减少心肌细胞死亡，最终起到心肌保护的作用。而当mTORC1再次被激活时，离体和在体实验中均被证实出现自噬水平下调、心肌细胞死亡增加的现象[20]。这一结果表明，Rheb是主要的mTORC1调节分子，是心肌细胞能量应激、心肌缺血等不良状态下的适应性机制，通过上调细胞自噬水平促进心肌细胞存活。

2.2 AMPK-mTORC1-自噬信号通路 一磷酸腺苷依赖的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)作为mTOR信号通路中最具代表性的通路之一，可以直接或间接调节mTORC1。在能量缺乏的状态下，AMPK可以直接磷酸化Raptor，起到负性调节mTORC1的作用[25]。同时，AMPK也可以通过磷酸化作用激活TSC，由TSC/Rheb/mTORC1通路发挥抑制mTORC1的作用[26]。这两种直接和间接的方式最终均引起心肌细胞自噬水平的上调，从而起到心肌保护的作用。此外，AMPK也参与了不依赖于mTORC1的细胞自噬调节，即AMPK/ULK1的自噬途径[27]。在能量缺乏的状态下，AMPK通过磷酸化Unc51样激酶1(Unc51-like kinase 1，ULK1)进而激活细胞自噬。因此，我们可以认为，AMPK途径既可以在缺血状态下直接对mTORC1起到调控作用，也可以间接调节mTORC1，最终引起细胞自噬水平上调，保护心肌。

2.3 GSK-3β/TSC/mTORC1信号通路 糖原合成激酶-3β (glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶[28]。GSK-3β在心肌缺血和再灌注的过程中扮演着不同的角色。研究证实，在使用特异性抑制GSK-3β的转基因鼠的实验中，心肌缺血时，GSK-3β处于去磷酸化激活状态，活化状态下的GSK-3β激活下游的TSC，进而通过TSC/Rheb/mTORC1激活mTOR，上调自噬，发挥心肌保护的作用[28-29]；而在再灌注的过程中GSK-3β是磷酸化的抑制状态。但这两种状态在心肌缺血和再灌注过程中都是心脏的保护性机制，且都是通过mTORC1发挥作用。有趣的是，通过抑制线粒体的GSK-3β可以抑制通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的开放，这一机制是多种心肌保护性作用的最终通路，使得这可能成为治疗心肌缺血再灌注损伤中作为潜在的药物靶点发挥作用[30]。另有研究表明，Wnt信号通路在GSK-3β和mTORC1之间存在着环状的联系，Wnt信号起到抑制GSK-3β的作用[31]。

3 mTORC1信号通路在心肌再灌注期的作用

3.1 再灌注期激活mTORC1信号存在心肌保护性作用mTOR在心肌再灌注损伤中的作用仍然存在争议。实验中观察到，与缺血期截然相反，激活状态下的mTORC1在再灌注过程中具有保护性；负性抑制GSK-3β的转基因小鼠的实验中观察到，间接激活mTORC1，出现了梗死面积减小的现象，而在心肌再灌注前使用雷帕霉素抑制了mTORC1，这一现象消失[28]。尽管也有研究表明雷帕霉素在心肌缺血期，可能是通过不依赖于mTOR的酪氨酸激酶2信号通路和转录因子3发挥其保护性的作用[32]，因此在再灌注期不发挥作用。但是在其他实验中，如使用他汀类药物亦可以通过抑制mTORC1信号调节自噬，进一步起到心肌保护的作用[33]。

3.2 GSK-3β/mTORC1在心肌再灌注期的作用 在特异性抑制GSK-3β的转基因鼠的实验中观察到，通过GSK-3β的抑制，过度激活了mTORC1，进而减轻了心肌再灌注的损伤[28]。进一步的实验研究中发现，通过GSK-3β激活mTORC1的心肌保护性作用，可能是通过限制过度的细胞自噬的激活，而在这一期间，过度的细胞自噬是被认为有害的[34]。另一方面，再灌注时抑制GSK-3β可以直接或通过mTORC1间接调节线粒体通透性转换孔的开放。关闭状态下的mPTP可以保存细胞内抗氧化物质，减少活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生，防止线粒体和胞质内的钙超载，从而起到保护心肌细胞作用[35]。

3.3 mTORC1相关其他保护性机制 mTORC1在心肌再灌注时的激活状态还可以促进线粒体的生物合成，这一过程有利于心肌在缺血后的恢复。同时，mTORC1可以通过激活过氧化物酶增殖依赖受体γ共激活剂1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator 1α，PGC-1α)-雌激素相关受体α(estrogen-related receptorα，ERRα)上调线粒体抗氧化基因的表达[36-37]。另有研究证明，过表达的mTOR可以减少心肌细胞凋亡、减轻心肌炎症反应，但是缺乏相应的在体实验证据，这一过程除mTORC1的激活外，可能与mTORC2的激活有关，mTORC2在心肌缺血时可能起到保护心肌细胞、减轻慢性心肌缺血时的心肌重塑作用[38]。

最近在一些实验室研究中发现了一些潜在的、可能成为药物治疗的新靶点，例如通过药物或者慢病毒转染，抑制p53可以激活mTOR，进而减轻了细胞在氧糖缺乏模型中的损伤[39]。但是这一过程缺乏在体实验的证据支持。微小RNA(microRNA)和RNA结合蛋白(RNA-binding protein)在心血管发育和疾病中起到至关重要的作用，Lin28作为一种调节发育的RNA结合蛋白，它过表达状态可以上调mTOR，进而缩小梗死面积，改善左心室功能，减少心肌细胞凋亡[40]。

4 结语

在心肌缺血再灌注损伤的过程中，理想的状态应该是在心肌缺血期抑制mTORC1信号，而在再灌注期激活mTORC1信号。但是在临床中，一些急性冠状动脉综合征患者，要经历较长时间的缺血期后才能恢复血液灌流，甚至可能存在无法恢复灌流的情况。所以，在缺血期抑制mTORC1信号的实际应用意义可能大于在再灌注期的激活作用[41]。

近些年关于mTORC1在心肌缺血再灌注损伤方面的研究，为今后可能的临床应用提供了一定的理论基础。如何合理调控mTORC1信号分别在心肌缺血期和再灌注期的作用，尽可能减少心肌损伤、促进心功能恢复，寻找可能的药物靶点，这些都将是今后研究的主要方向。同时，进一步阐明mTOR信号通路具体的作用机制也将是下一步研究的主要内容。

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Advances in mTORC1 in myocardium ischemia/reperfusion injury

FAN Wensi, HUANG Wei, CAO Feng
Department of Cardiology, Xijing Hospital, The Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China

CAO Feng. Email: fengcao8828@163.com

The mammalian target of rapamycin (mTOR) is a conservative and atypical serine/threonine kinase which exerts its main functions through 2 different multi-protein complexes, named mTOR complex 1 (mTORC1) and mTOR complex 2 (mTORC2) respectively. Recent studies have demonstrated that mTORC1 plays a pivotal cardioprotective role in phase of myocardial ischemia as well as reperfusion through modulating autophagy, activation of mitochondrial permeability transition pore (mPTP) and upregulation of antioxidant genes. This article reviews the structure of mTOR complexes and the pivotal role of mTORC1 signaling during the injury process of myocardial ischemia and reperfusion respectively.

mammalian target of rapamycin complex 1; myocardium; ischemia-reperfusion injury; autophagy

R 541

A

2095-5227(2015)10-1048-04 DOI：10.3969/j.issn.2095-5227.2015.10.023

时间：2015-05-20 09:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20150520.0946.001.html

2015-03-09

国家杰出青年科学基金(81325009)；国家973基础研发计划(2012CB518101)

Supported by the National Science Found for Distinguished Young Scholars (81325009); National “973” Program for Basic Research of China(2012C B518101)

范文斯，男，在读硕士。研究方向：心肌缺血再灌注损伤。Email: fanwensi1989@126.com

曹丰，女，博士，教授，博士生导师。Email: fengcao88 28@163.com