PTEN/PI3K/Akt信号转导通路在心肌缺血再灌注损伤中的研究进展

王萌，余再新，李唐志铭

(中南大学湘雅医院心内科，长沙 410000)

缺血性心脏病引起的心肌梗死是主要的致死原因之一，急性心肌缺血损伤后及时再灌注对降低致死率具有重要意义，冠状动脉再灌注治疗是挽救缺血心肌、保护心功能、挽救患者生命的最有效方法[1]。但有时再灌注治疗可能会导致心肌功能障碍，进而导致“缺血再灌注损伤”。分子、细胞和组织的改变(如钙离子超载、细胞凋亡、炎症、氧化应激和神经体液激活)与心肌缺血再灌注损伤的发展有关[1-2]。缺血再灌注损伤的病理反应会造成细胞和器官可逆性或不可逆性损伤。缺血过程中的组织损伤、再灌注过程中大量活性氧类(reactive oxygen species，ROS)进一步加剧损伤以及炎症反应的迅速启动均是急性心肌缺血再灌注损伤的机制；另外，再灌注后幸存的心肌组织启动一个适应性的过程以维持足够的器官功能，使心肌细胞纤维化、心室肥大，导致心脏收缩舒张功能障碍和心脏衰竭[3]。研究发现，人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten gene，PTEN)参与动脉粥样硬化、心肌梗死、心力衰竭以及心肌缺血再灌注损伤等多种心血管疾病的发病机制，尤其是缺血再灌注损伤[4-7]。而PTEN/磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protien kinase B，PKB/Akt)信号转导通路是PTEN经典的下游通路，该通路对缺血再灌注损伤的发生、发展具有重要的调控作用。现就PTEN/PI3K/Akt信号转导通路在心肌缺血再灌注损伤中的研究进展予以综述。

1 PTEN/PI3K/Akt信号转导通路概述

Steck等[8]于1997年首次发现PTEN是一种抑癌基因，其定位于染色体10q23.31。PTEN编码403个氨基酸，由N端磷酸酶催化结构域(残基7-185)和C端结构域(残基186-351)这两个主要结构域组成[9-10]。N端磷酸酶结构域含有磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸结构域，C端结构域含有在体外对磷脂膜有亲和力的脂质结合C2膜结构域，C2结构域被认为是PTEN正确定位在质膜上的必要条件，是PTEN脂质底物的位点[11]。三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol triphosphate，PIP3)是PTEN的主要底物，而PIP3是PI3K的产物。PI3K是一种源性二聚体结构，由p110和p85组成，p110有催化活性，p85主要起调节空间结构的作用，PI3K具有脂质激酶和蛋白激酶的双重生物学功能；Akt是PTEN/PI3K信号下游的丝氨酸、苏氨酸激酶，Akt由不同基因转录的3种亚型组成，即Akt1、Akt2和 Akt3，Akt1主要分布于大脑、心脏和肺；Akt2主要分布于骨骼肌、心脏、肝脏、肾脏和胚胎；Akt3主要分布于大脑、心脏和肾脏[12]。

2 PTEN对PI3K/Akt信号转导通路的调控

PTEN在调节胚胎发育以及细胞生长、分化、凋亡和迁移等方面具有重要作用[13]，其主要通过控制细胞信号转导通路发挥生物学功能。PTEN具有磷酸酯酶活性，可以通过磷酸化和去磷酸化调控下游通路。PI3K/Akt信号转导通路是PTEN调控的主要通路，PTEN通过去磷酸化PIP3至二磷酸磷脂酰肌醇，维持细胞内PIP3的低水平，从而负向调节PI3K/Akt信号转导通路[14]。PIP3是重要的第二信使，可招募Akt和磷酸肌醇依赖性激酶(phosphoinositide-dependent kinase，PDK)至胞膜内侧并激活PDK，Akt在PDK的作用下，经磷酸化作用后转变为磷酸化Akt，即Akt通路激活，然后通过多种转录因子调控包括细胞增殖、分化、凋亡等在内的多种细胞行为[15]。PI3K/Akt信号转导通路是调控细胞生长、增殖、存活和凋亡的重要信号通路，它能调节糖原合成和葡萄糖转化，与细胞增殖和凋亡减少密切相关，对心肌损伤起重要保护作用[16]。

3 PTEN/PI3K/Akt信号转导通路在心肌缺血再灌注损伤中的作用

3.1PTEN/PI3K/Akt与氧化应激 氧化应激在心肌缺血再灌注损伤中占据重要地位，细胞在缺血再灌注后可检测到ROS的增加和细胞代谢的典型改变，减少ROS产生对缺血再灌注损伤起保护作用[17-18]。缺血时，组织受到损伤，ROS产生，再灌注期ROS和活性氮大量爆发，进一步加剧了损伤[19]。过度ROS导致氧化应激，促进内皮功能障碍、脂质过氧化、DNA和蛋白质损伤[20-21]。缺血再灌注损伤相关氧化剂由几种不同的酶系统产生，包括黄嘌呤氧化酶、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、非偶联内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)和线粒体转运链。再灌注时ROS激活炎症细胞，释放白细胞介素(interleukin，IL)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)等炎症因子，促进细胞凋亡，增加组织损伤[22]。

一氧化氮(nitric oxide,NO)是高细胞毒性活性氮，主要由诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)产生[23]。心肌缺血再灌注损伤时，长期过量的NO会对心肌产生不利影响，加重心肌损伤，而抑制缺血再灌注诱导的iNOS可减轻心肌损伤[24]。Pei等[20]发现，心肌缺血再灌注时iNOS表达显著增加，下调Notch1则PTEN的表达增加，降低Akt和eNOS的磷酸化，进而增加iNOS和gp91phox的表达，最终导致NO和超氧阴离子及其细胞毒性反应产物过氧亚硝酸根(ONOO-)产生增加，上调Notch1信号可负向调控PTEN/Akt通路，而抑制iNOS和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶的表达可对心肌缺血再灌注损伤产生保护作用。在正常心脏中，eNOS定位于腔静脉，控制心率、收缩压和舒张压，而iNOS在正常心脏中不存在；在缺血、高血糖和炎症等病理条件下，iNOS活性较高，在缺血再灌注损伤心肌中，eNOS/iNOS表达失衡，表现为eNOS磷酸化降低，iNOS表达增加[4]。Yu等[4]发现，多达汀可保护心肌免受缺血再灌注损伤，其潜在的机制是抑制PTEN表达，激活PI3K/Akt信号转导通路，逆转eNOS/iNOS表达失衡，减少NO和超氧阴离子的产生。有研究表明，牛膝多肽可靶向抑制心肌细胞PTEN表达，进而活化PI3K/Akt信号转导通路，增加超氧化物歧化酶在心肌细胞内的表达及抗氧化活性，减轻氧化应激，保护心肌免受缺血再灌注损伤[25]。另有研究显示，淫羊藿黄素可抑制心肌细胞PTEN表达，活化PI3K/Akt信号转导通路，进而降低心肌超氧化物和丙二醛的生成，最终减轻心肌细胞缺血再灌注损伤[26]。上述研究表明，PTEN表达下调，激活PI3K/Akt信号转导通路，可减少氧化应激，保护心肌免受缺血再灌注损伤。

3.2PTEN/PI3K/Akt与炎症 缺血再灌注损伤中炎症反应是另一重要因素，炎症反应在再灌注后迅速启动，进一步加重缺血再灌注损伤。缺血再灌注时炎症反应显著增强，促炎细胞因子IL-1、IL-6、TNF-α的水平升高，抗炎细胞因子IL-10水平降低[27-28]。Zhang等[26]研究发现，心肌缺血再灌注后促炎细胞因子TNF-α的表达显著升高，通过降低心脏PTEN的表达，增加Akt的磷酸化，可抑制促炎细胞因子TNF-α的表达，上调抗炎细胞因子IL-10水平，从而缓解心肌缺血再灌注损伤。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是介导炎症因子释放的关键细胞因子，主要分布在血管内皮细胞、血管平滑肌细胞和心肌细胞中，参与动脉粥样硬化、急性心肌梗死、心力衰竭等多种心血管疾病的发生发展[13]。NF-κB通过磷酸化激活并转移到细胞核，与特定的靶基因结合，调节免疫与炎症相关的细胞因子和炎症递质之间的级联反应，释放相关的炎症细胞因子(如IL-6、TNF-α)、趋化性粒细胞和巨噬细胞[29-30]。Zhao等[13]研究表明，PTEN/PI3K/Akt信号转导通路可调控NF-κB表达，而下调PTEN可抑制NF-κB蛋白表达，减少炎症细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6以及IL-18的释放，减轻心肌炎症反应。巨噬细胞是心肌细胞内参与炎症应答的主要炎症细胞之一，巨噬细胞活化后参与吞噬心肌组织内坏死的细胞和组织碎片，并参与受损心肌组织的修复。巨噬细胞分为M1与M2两种亚型，其中M1型是经典活化的巨噬细胞，通常促进初始炎症反应及杀菌、杀瘤活性，M2型是替代活化巨噬细胞，参与辅助性T细胞2型反应及炎症的解决，促进组织修复与重构[31-32]。研究发现，PTEN/PI3K/Akt信号转导通路参与巨噬细胞分化及表型转化，在单核细胞极化后M1/M2的比值可反映炎症性疾病的严重程度和进展[33]。另有研究表明，在缺血再灌注损伤中，抑制PTEN表达调控下游通路，可促进巨噬细胞M2表型的表达，抑制炎症因子表达，从而抑制炎症[34-35]。

3.3PTEN/PI3K/Akt与细胞凋亡 细胞凋亡是一种程序性细胞死亡，通常表现为细胞萎缩、核碎裂和染色体DNA断裂。有证据表明，缺血再灌注损伤引起的心肌细胞凋亡是在心肌缺血再灌注损伤中细胞死亡的主要方式之一[36]。PTEN作为PI3K/Akt通路的天然抑制剂，可抑制Akt的磷酸化，从而对肿瘤细胞凋亡起调控作用[37-38]。同时，PI3K/Akt信号转导通路对再灌注损伤中心肌细胞的凋亡也有重要的调控作用。胱天蛋白酶(caspase)家族是重要的细胞凋亡调控因子家族，caspase-3、caspase-7、caspase-8的激活被认为是细胞凋亡的特异性标志，caspase-3的活化可引起心肌细胞凋亡，而PI3K信号转导通路的激活可抑制caspase-3的激活[13]。Bad是一种促凋亡蛋白，主要通过影响凋亡抑制蛋白Bcl-2和Bcl-X的抗凋亡作用诱导细胞凋亡；另外，Bad还可诱导促凋亡蛋白Bax和Bak聚集，并诱导细胞色素C释放，激活caspase介导的凋亡信号[36]。然而，Akt的激活可使Bad磷酸化，阻止Bad与Bcl-2、Bcl-X的相互作用，从而阻止细胞凋亡[36,39]。Wang等[36]发现，在缺血再灌注损伤时，通过抑制心肌细胞内PTEN的表达，可激活PI3K/Akt信号转导通路，诱导Bad磷酸化，从而抑制caspase-3、caspase-7和caspase-8的活性以保护心肌细胞免于凋亡损伤。Sun等[40]发现，骨髓基质细胞中的外泌体可减轻低氧/复氧诱导的心肌细胞凋亡，保护心肌细胞以避免缺血再灌注损伤，其潜在机制是下调PTEN表达，激活PI3K/Akt信号转导通路，抑制Bax和caspase-3的表达，促进Bcl-2的表达。Cheng等[41]发现，长期的他汀类药物治疗可以下调PTEN的表达，激活Akt/eNOS信号转导通路，抑制心肌细胞凋亡，在缺血再灌注中保护心肌细胞。Ke等[39]研究证明，Bcl-2/Bax比值在心肌缺血再灌注期间降低，而miR-93通过调控心肌细胞的PTEN/Akt信号轴，可显著提高Bcl-2/Bax比值，并同时下调caspase-3的表达水平，减少心肌缺血再灌注损伤所致的心肌细胞凋亡。这些证据表明，抑制PTEN表达，激活PI3K/Akt信号转导通路后，可抑制心肌细胞凋亡，保护心肌细胞，减轻心肌缺血再灌注损伤的影响。

3.4PTEN/PI3K/Akt与纤维化 心肌组织纤维化是造成心室重构、心功能不全的重要原因，也是心肌遭受再灌注损伤的晚期反应之一。PTEN是心脏成纤维细胞的直接靶点，在心肌组织纤维化过程中起重要作用[42]。心肌成纤维细胞是引起心肌纤维化的重要细胞类型，心脏成纤维细胞的增殖、迁移和活化在心肌纤维化的发生、发展中起重要作用。PTEN可介导多种参与心肌纤维化病变过程的信号通路，如p53和c-Jun氨基端激酶等[43]。研究表明，抑制PTEN表达可促进心脏成纤维细胞的增殖和迁移，进而促进心肌纤维化[42,44]。有研究表明，在缺血再灌注损伤中，PTEN活性受抑制可促进PI3K/Akt信号转导通路，从而导致炎症细胞因子迁移、成纤维细胞增生[43]。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-2是一种蛋白水解酶，可降解胶原以及其他细胞外基质蛋白，在心脏中MMP-2可见于多种细胞类型，包括血管内皮细胞、成纤维细胞和心肌细胞，抑制MMP-2可保护心脏免受心肌缺血再灌注损伤[45]。Roy等[42]发现，缺血再灌注诱导的miR-21可抑制PTEN的表达，导致Akt通路激活，增加了梗死区心肌成纤维细胞中MMP-2的表达，导致心肌纤维化。这些研究表明，在心肌缺血再灌注晚期，抑制PTEN可促进心肌纤维化进程，由此推测，上调PTEN表达可抑制心肌纤维化。

3.5PTEN/PI3K/Akt与血管生成 有研究表明，缺血可诱导血管生成[46-47]。缺血/缺氧诱导的血管生成在缺血损伤修复中具有重要的临床意义，因为它能帮助受影响心肌组织恢复正常的环境。Seok等[48]研究发现，PTEN可抑制血管内皮生长因子介导的血管生成，而靶向抑制PTEN表达，可激活Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号转导通路，促进血管生成。研究表明，通过抑制PTEN表达，激活PI3K/Akt信号转导通路，可促进心肌梗死后血管生成，发挥心肌保护作用[49]。上述研究表明，PTEN在血管生成中发挥重要作用，抑制PTEN表达可促进血管生成，但在心肌缺血再灌注损伤中PTEN调控血管生成的机制尚不明确，还需进一步研究。

4 小 结

PTEN/PI3K/Akt信号转导通路通过氧化应激、炎症、细胞凋亡、纤维化等多种不同的机制参与心肌缺血再灌注损伤。PTEN可能是他汀类、牛膝多肽及淫羊藿黄素等药物的靶点，抑制PTEN表达可激活下游的PI3K/Akt信号转导通路，减轻氧化应激，抑制心肌细胞凋亡，减轻再灌注损伤。在心肌再灌注早期阶段，抑制PTEN表达，激活PI3K/Akt信号转导通路可减少ROS的释放，抑制炎症反应和细胞凋亡，但对于心肌再灌注晚期反应(如纤维化)，抑制PTEN表达，激活PI3K/Akt信号转通路，可促进缺血再灌注后心肌组织器官纤维化进程。因此，心肌缺血再灌注损伤早期阶段抑制PTEN表达，晚期阶段上调PTEN表达，可能成为心肌免受再灌注损伤的重要保护靶点。