PI3K/AKT信号通路调控心肌细胞凋亡的研究进展

李玉华综述 赵敏审校

细胞凋亡，也称为程序性细胞死亡，是一种发生在生物体内、受多种基因调控的细胞自主、有序地程序性死亡。其与传统的细胞坏死不同，对生物的正常发育和组织细胞稳态至关重要。已有大量研究记录了细胞凋亡在多种疾病中的作用，包括癌症、传染病及神经系统疾病等。近年来，研究表明细胞凋亡在心脏发育及多种心血管疾病的发病机制中起着关键作用，与缺血性心脏病、心肌病和心肌肥厚等疾病发生进展过程密切相关。由此得出心肌细胞凋亡的增加是加快心肌梗死和心脏衰竭进展的重要原因，抑制心肌细胞凋亡可预防或治疗心脏衰竭，因此抗心肌细胞凋亡被认为是心血管疾病治疗的潜在靶点[1-2]。磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)信号通路，在细胞存活与凋亡、心电生理和能量代谢等方面发挥着重要作用，该通路通过直接或间接调控凋亡相关因子参与细胞凋亡的不同阶段，这一特性使其与心血管疾病发生发展过程中心肌细胞凋亡程度密切相关。近年来，PI3K/AKT信号通路被证实是控制心肌细胞存活和功能的最重要的促增殖及抗凋亡信号通路之一，在心肌细胞存活和程序性死亡的过程中发挥着关键的调控作用[3]。人为调节PI3K/AKT信号通路可调控心肌细胞凋亡程度，针对该通路的深入研究可为治疗和预防心脏疾病相关损伤提供新的思路。现就PI3K/AKT信号通路调控心肌细胞凋亡作用综述如下。

1 PI3K、AKT结构与功能

PI3K是一种可使肌醇环第三位羟基磷酸化的磷脂酰肌醇激酶，是肌醇与磷脂酰肌醇的重要激酶。正常情况下，由PI3K活化而产生的类脂质产物有3,4-二磷酸磷脂酰肌醇[PI(3,4)P2]、3,5-二磷酸磷脂酰肌醇PI(3,5)P2和3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)。PI3K在哺乳动物中有8种亚型，可分为ⅠA类、ⅠB类、Ⅱ类和Ⅲ类[4]。Ⅰ类PI3K是唯一产生PIP3的激酶,也是目前研究最广泛的亚型，其最常见的形式是由催化亚基p110和调节亚基p85组成的异二聚体[5]。

PI3K作为一种重要的细胞信号转导分子，可被细胞外多种信号刺激(如生长因子、细胞因子、激素等)而激活，进而催化PIP2产生PIP3。PIP3作为细胞内的第二信使可结合并活化PI3K下游的多种信号蛋白，如AKT[6]，从而调控细胞增殖、分化、存活等过程[7]。在生理条件下，PI3K通过两种方式激活：(1)与具有磷酸化酪氨酸残基的生长因子受体或连接蛋白相互作用，引起PI3K二聚体构象改变而被激活；(2)Ras与p110直接结合使PI3K活化[8]。通过此两种途径激活的PI3K在质膜上产生第二信使PIP3，PIP3与细胞内含有pleckstrin同源结构域的信号蛋白AKT和PDK1(osphoinositide dependent kinase-1)结合后，AKT转位至质膜并获得催化活性，一方面可催化自身的Ser124和Thr450位点磷酸化，另一方面， AKT的Thr308 、Ser473位点还可分别被PDK1和PDK2催化磷酸化，使AKT完全活化[9-10]，进而参与细胞存活、增殖、代谢等信号的转导过程。

AKT是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是PI3K控制细胞增殖、存活和细胞周期的主要下游靶标[11]。AKT激酶家族由AKT1(PKBα)、AKT2(PKBβ)和AKT3(PKBγ)3种亚型组成，它们均具有高度保守的氨基酸末端pleckstrin同源(PH)结构域、中央激酶结构域及包含疏水基序的羧基末端调节域。3种AKT亚型在各种组织中广泛表达，其中AKT1含量最丰富且研究最多，其在脑、心脏和肺中表达最为丰富[8]。PI3K产物PIP3将AKT转移到质膜表面后，被磷酸肌醇依赖激酶PDK1和PDK2激活，激活的AKT是重要的抗凋亡调节因子，可以通过磷酸化作用激活或抑制其下游靶蛋白如Bad、Caspase-9、NF-κB、Forkhead、mTOR等,从而介导胰岛素等多种生长因子调控细胞生长和存活[9,12-13]。

AKT在体内和体外的激活都依赖于磷酸化。AKT1上存在4个磷酸化位点，分别为Ser124、Thr308，Thr450和Ser473。在果蝇和人类细胞中，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)及其相关蛋白质rictor是AKT磷酸化所必需的，rictor-mTOR复合物在体外可直接磷酸化AKT的Ser473位点。同时，rictor-mTOR复合物也可通过PDK1促进AKT的Thr308位点磷酸化，进而促进AKT的完全磷酸化[4]。磷酸化激活的AKT促进一系列凋亡调控蛋白的表达(如Bad、Caspase-9等)，发挥抑制细胞凋亡，促进细胞存活的作用[14]，

2 PI3K/AKT信号通路调控心肌细胞凋亡

细胞凋亡作为一种受多种基因调控的生理和病理过程，许多研究表明，其在心脏发育及多种心血管疾病的发病机制中起着关键作用，与缺血性心脏病、心肌病和心肌肥厚等疾病发生进展过程密切相关，因此，抗心肌细胞凋亡被认为是心血管疾病治疗的潜在靶点[2]。近年来，研究较多的PI3K/AKT通路被证实是控制心肌细胞存活和功能的、最重要的促增殖及抗凋亡信号通路之一，在心肌细胞存活和程序性死亡的过程中发挥着关键的调控作用[3]。

细胞凋亡的关键信号通路主要有3条，分别为内质网途径、死亡受体途径和线粒体途径[15]，而PI3K/AKT信号通路抗细胞凋亡的机制也主要有3种：(1)通过级联激活直接调控。Bcl-2家族参与细胞凋亡调控，该家族包括促凋亡成员(如Bad、Bax等)和抗凋亡成员(如Bcl-2、Bcl-XL等)。去磷酸化的Bad(激活态)可从细胞质中转移至线粒体，与抗凋亡蛋白Bcl-2或Bcl-XL形成异源二聚体，抑制Bcl-2或Bcl-XL的抗凋亡功能并导致线粒体功能障碍，促进细胞死亡。AKT是强有力的Bad激酶，活化的AKT可使Bad Ser112或Ser136位点磷酸化，磷酸化的Bad(失活态)在细胞质中与14-3-3蛋白结合，使Bcl-2或Bcl-XL游离，发挥抗凋亡作用。此外，活化的AKT还可使促凋亡相关因子如半胱天冬蛋白酶Caspase-9的Ser196位点磷酸化而导致其失活，从而抑制Caspase-3/8/9的级联活化，发挥抗凋亡作用[9，14,16-17]。(2)直接或间接地影响相关转录因子的活性。叉头转录因子(Forkhead)家族是AKT的重要下游靶点，其4种亚型均能被活化的AKT直接磷酸化。磷酸化的Forkhead能抑制促凋亡基因(如FasL)的表达，抗细胞凋亡，促进细胞存活。P53是介导DNA损伤修复的一个重要蛋白，可被MDM2泛素连接酶介导降解。活化的AKT能够磷酸化MDM2 Ser166和Ser186位点，上调MDM2的活性，使p53功能失活或降解，阻断p53介导的促凋亡反应[17-18]。(3)抑制线粒体凋亡因子的释放。线粒体可释放凋亡相关因子如细胞色素C等，PI3K/AKT信号通路的活化可阻止线粒体凋亡因子的释放从而起到抗细胞凋亡作用。

2.1 PI3K/AKT在缺血性心脏病中调控细胞凋亡 心肌梗死(MI)是一种严重的缺血性心脏疾病，其基础病变主要是冠状动脉粥样硬化，特点为心肌持续的血液供应不足，激发炎性反应、纤维化等病理过程，引起心肌细胞凋亡和坏死，进而导致心室重构、心力衰竭和死亡[19-20]。越来越多的证据表明，PI3K/AKT信号通路在心肌梗死中调控心肌细胞存活和凋亡中起着重要作用。Zhao等[21]研究证实，microRNA-146b可抑制MI引起的心肌细胞炎性反应和凋亡，这一抑制作用与激活PI3K/AKT/NF-κB通路有关。Liu等[22]的研究进一步证实PI3K/AKT途径对MI致心肌细胞凋亡的抑制作用，敲除LINC00961基因后，缺氧模拟心肌梗死的H9C2心肌细胞损伤可减轻，这一保护作用是由于敲除LINC00961基因后，激活了 PI3K/AKT/GSK3β途径，发挥抗心肌细胞凋亡的作用。

心肌缺血再灌注损伤(MIRI)与心肌梗死不同，它是指心肌缺血持续一段时间，血液供应恢复即再灌注后，心肌发生的额外损伤[23]。MIRI是一种涉及到多种病理过程的复杂现象，一系列反应可最终造成心肌细胞损伤[24]。心肌细胞凋亡是MIRI的重要病理基础，大量研究表明，抑制心肌细胞凋亡可减轻MIRI。PI3K/AKT信号通路是一种经典的促增殖抗凋亡的信号调节通路，该通路的激活对细胞存活有多种积极作用。Wu等[25]研究报道，去甲乌药碱能激活β2-肾上腺素能受体(β2-AR)减轻缺血再灌注心肌损伤，这一保护作用依赖于β2-AR通过磷酸化的方式激活PI3K/AKT，从而发挥抗心肌细胞凋亡，改善心肌结构和功能损伤的作用。Zhang等[26]也在研究血管内皮素-1对MIRI的保护作用及其机制中表明，外源性内皮素-1通过激活PI3K/AKT/GSK-3β 信号通路来发挥心脏保护作用。Li等[27]也进一步证实PI3K/AKT途径对心脏的保护作用，用他克莫司干预接受MIRI的心肌细胞，激活了PPARγ/PI3K/AKT信号通路，抑制了心肌细胞氧化应激及心肌细胞凋亡。

在缺血性心脏病中，PI3K/AKT通路可通过调控心肌细胞凋亡来实现对心肌的保护作用，因此，对PI3K/AKT信号通路的调节可成为临床中治疗或改善缺血性心脏病患者的一种潜在的治疗靶点。

2.2 PI3K/AKT在心肌病中调控细胞凋亡 心肌病是一组异质性心肌疾病，由不同病因引起心脏机械和电活动异常，表现为心室不适当的肥厚或扩张，严重心肌病则会引起进展性心力衰竭甚至心源性猝死。各种类型心肌病患者心肌细胞凋亡增加，终末分化心肌细胞数量减少，损害心肌功能。PI3K/AKT途径被证实在心肌病进展中发挥重要作用，调控此通路可改善或延缓心肌病的进展。

扩张型心肌病(DCM)是一种原发性心肌病，是导致心力衰竭的主要原因之一，特征表现为收缩功能受损[28]。近年大量研究探索针对扩张型心肌病病理生理过程的预防或治疗策略，Zhang等[29]的研究表明，miR-132通过抑制PTEN而激活PI3K/AKT通路，从而促进心肌细胞的增殖，抑制心肌细胞的凋亡和纤维化。其他研究也证实了PI3K/AKT在扩张型心肌病中的抗凋亡作用，过表达24-脱氢胆固醇还原酶可通过激活PI3K/AKT通路而抑制Bax从胞浆向线粒体的易位，进而抑制心肌细胞凋亡，改善心肌功能[30]。

糖尿病心肌病是一种继发性心肌病，是糖尿病的主要心脏并发症之一，也是糖尿病患者发病和死亡的主要原因之一。多项研究证实，调控PI3K/AKT可改善糖尿病心肌病的进展。Qi等[31]首次报道了长链非编码RNA同源框转录物反义RNA(HOTAIR)在糖尿病心肌病中的作用，发现过表达的HOTAIR可通过激活PI3K/AKT信号通路来提高AC16人心肌细胞活力，同时，使用PI3K/AKT抑制剂处理后可抑制HOTAIR对心肌细胞的保护作用。Ma等[32]也证实PI3K/AKT信号通路激活后对糖尿病心肌病心肌细胞凋亡的抑制作用，黄芩素通过激活PI3K/AKT信号通路，抑制氧化应激与炎性反应，进而抗心肌细胞凋亡，改善和维持心肌功能。

2.3 PI3K/AKT在心肌肥厚中调控细胞凋亡 心肌肥厚是心脏对高血压、缺血性心肌病等心脏压力或体积超负荷的一种适应性反应，特点为心室壁肥厚、细胞体积增大、代谢和生化紊乱[33-34]，持续的心肌肥厚会引起心肌细胞凋亡，导致心脏重塑，进而诱发心律失常、心力衰竭，甚至猝死[36]。

大量研究发现PI3K/AKT参与了病理性心肌肥厚中细胞凋亡的调控[36]。据报道，PI3K/AKT的短期激活可发挥对心肌的保护作用及促进心肌的生理性肥大，而长期激活则可引起病理性肥厚和心力衰竭[37]。目前研究报道的PI3K/AKT参与对心肌肥厚心肌细胞保护的作用机制有2种不同的观点：(1)通过激活PI3K/AKT信号通路抑制心肌细胞凋亡从而改善心肌肥厚的心脏重构。Sun等[38]研究表明，蜂胶黄酮类化合物(FP)对异丙肾上腺素诱导的病理性心肌肥厚具有较强的心脏保护作用，这种保护作用与FP对PI3K/AKT信号通路的激活，显著减轻心肌细胞凋亡和心肌重构密切相关。Peng等[39]的研究也发现，PPARγ/PI3K/AKT信号通路的激活对高糖和胰岛素诱导的心肌肥厚同样具有保护作用。主动脉缩窄术(TAC)可引起压力负荷增加，诱发活性氧持续生成和线粒体功能紊乱，引起心肌细胞凋亡，Lu等[40]的研究证实，抗氧化肽SS31保护TAC诱导的心肌肥厚的重要机制之一是激活PI3K/AKT信号通路，实现抑制心肌细胞凋亡，改善心脏功能的作用。(2)通过抑制PI3K/AKT通路减轻心肌肥厚。Yuan等[41]报道，葛根素通过抑制PI3K/AKT信号通路，抑制压力超负荷诱导的心肌肥厚中促凋亡因子Bax的表达，进而延缓心肌肥大和心肌细胞凋亡。另有相似的研究发现，柚皮素对PI3K/AKT信号通路的抑制作用可减轻压力超负荷引起的心肌肥厚及心脏结构重塑[42]。

PI3K/AKT在心肌肥厚中发挥着复杂的作用，可能是由于不同原因导致的心肌肥厚发病机制也不尽相同，并且涉及多种信号通路，但通过调控PI3K/AKT通路可改善肥厚引起的心肌细胞凋亡及损伤，延缓心脏重构，为临床减轻心肌肥厚损伤、改善心肌肥厚心力衰竭患者生活质量提供了潜在的治疗靶点。

3 结语与展望

PI3K/AKT信号通路作为心血管疾病发生发展中至关重要的调控通路，其与心肌细胞的增殖、坏死、自噬和凋亡等过程密切相关。目前对PI3K/AKT信号通路与心血管疾病心肌细胞凋亡的研究越来越多，但对其作用的详细途径仍未完全清楚，可能还存在其他通路与PI3K/AKT的协同或拮抗，且PI3K/AKT的下游可能还存在其他底物在心肌细胞凋亡中发挥作用，需要进一步深入探索PI3K/AKT信号通路的作用机制。随着研究的继续进展，PI3K/AKT信号通路与心肌细胞凋亡的关系也更加深入透彻，针对PI3K/AKT作用底物的研究及以PI3K/AKT为靶点的药物研发，此通路将成为各种心血管疾病的潜在治疗靶点，为心血管疾病的治疗提供新的方向。