PI3K/Akt/mTOR信号通路稳态与心血管疾病的研究进展

李悦，李梦杰，张蕾，周明学，李思耐，刘卫红

(首都医科大学附属北京中医医院北京市中医研究所，北京100010)

近年来，组织稳态失衡致病的作用与机制受到学者们的广泛关注。当人体处于健康状态时，机体免疫系统、循环系统、神经系统及各个器官协调运转，维持机体内环境相对稳定。当机体遭受各种内外致病因素的刺激与干扰时，多种信号通路产生过度应激或过度抑制，组织稳态失衡，进而导致各类疾病的发生，这也是多种人类疾病发生的共同病理基础，包括心血管疾病。目前，心血管疾病已成为全球重大的公共卫生问题，发病率及致死率极高，严重威胁人类生命健康。因此，深入研究心血管疾病的机制、提高心血管疾病的诊疗水平以及探索维持心血管系统稳态的调节方式成为学者们关注的焦点[1]。有研究证明，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号转导通路参与了多种生物学功能的调控，在人体各类疾病[2-5]，尤其是心血管疾病发展进程中发挥重要的调节作用[6]。现就PI3K/Akt/mTOR信号转导通路稳态与心血管疾病的研究进展予以综述。

1 PI3K/Akt/mTOR信号通路的组成与功能

1.1PI3K 作为PI3K/Akt/mTOR信号通路的始动因子，根据结构和功能不同PI3K可分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三类，其中最受关注的为Ⅰ类PI3K[7]。PI3K是由调节亚基(p85)和催化亚基(p110)组成的异二聚体脂质激酶，具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性和磷脂酰肌醇激酶双重活性[8-10]。其中，PIK3调节亚基(phosphoinositide-3-kinase regulatory subunit，PIK3R)1、PIK3R2和PIK3R3分别编码p85α、p85β和p85γ调节亚基；催化同工型p110α、p110β和p110δ分别是PIK3催化亚基(phosphoinositide-3-kinase,catalytic subunit，PIK3C)A、PIK3CB和PIK3CD的产物[11-12]。研究表明，联合敲除p85α、p50α和p55以及定点突变失活p110δ(p110δD910A)，可导致B细胞发育严重受阻[13-14]。当配体与膜受体结合后，受体激活p85并招募p110，进而催化膜内表面的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸，磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸作为第二信使，激活Akt和3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶(3-phosphoinositide-dependent protein kinase，PDK)1[15-16]，从而进行下一步的信号转导。

1.2Akt 作为PI3K/Akt/mTOR信号通路的信号转导枢纽和重要的下游靶蛋白，Akt是一种具有广泛底物的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[17-18]。Akt对细胞的生长、增殖、迁移、存活以及糖代谢等有重要的稳态调节作用[19]。Akt家族包括Akt1、Akt2和Akt3三个高度保守的亚型，三者虽具有高度的序列同源性，但功能各异[20-21]。其中，Akt1具有促进细胞增殖和存活的作用；Akt2主要参与胰岛素对糖类物质代谢的稳态调节；Akt3对细胞大小及数目起重要的调控作用[22-24]。Akt的PH结构域与PI3K的产物磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸结合可引起Akt构象变化，而细胞内的PDK1和PDK2可以结合到Akt上，使Akt苏氨酸308和丝氨酸473的磷酸化位点磷酸化，进而导致Akt的激活，其中苏氨酸308能被PDK1磷酸化，而丝氨酸473则被PDK2激酶磷酸化[25]。激活后的Akt再次被转移至细胞质或细胞核内，继续靶向调控下游信号分子，通过磷酸化多种酶、激酶和转录因子[如mTOR、细胞周期蛋白D1、核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)]等发挥细胞稳态调节功能[26-27]。

1.3mTOR mTOR不仅是PI3K/Akt/mTOR信号转导通路的稳态调节物质，还是该通路的能量代谢控制中心及免疫调节剂[28]。作为下游重要的调控分子，mTOR是所有真核生物中高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶[29]，属于PI3K相关激酶家族[30]。其C端的催化结构域与PI3K的催化结构域高度同源，这种高度同源性在一定程度上解释了靶向PI3K化合物对mTOR的交叉抑制作用，虽然具有这种序列同源性，但实际上mTOR仅作为蛋白激酶发挥作用[31]。mTOR存在两种不同的复合物，即mTOR复合物(mammalian target of rapamycin complex，mTORC)1和mTORC2。mTORC1由mTOR/Raptor/mLST8/RAS40/FKBP38组成，对雷帕霉素及其衍生物(雷帕洛斯)敏感；mTOR2包含mTOR/Rictor/mLST8/SIN/Protor，对雷帕霉素显示出耐受特性[32-33]。mTOR激活后可调节下游真核翻译起始因子4E结合蛋白和核糖体S6激酶1两种蛋白，起到监测外部环境变化、细胞能量水平、氧含量、有丝分裂信号等多种作用，同时调控细胞的生长、增殖，促进合成代谢和能量的储存利用[34]。

综上，PI3K/Akt/mTOR信号通路在多水平、多靶点共同调节细胞增殖、分化和凋亡，在组织稳态调控方面，尤其在心血管疾病生理过程中发挥重要作用[35]。人类经过亿万年的不断进化，之所以能够适应不断变换的外界环境而生存，机体的稳态调节起到了不可替代的作用。机体内各项理化因素保持动态平衡，各系统有序运行，并与外界环境保持正常的相互作用，组织形态、功能、能量代谢维持在相对稳定的状态，人体则可免受疾病困扰。在此复杂过程中，PI3K/Akt/mTOR信号转导通路的重要调控作用不容忽视，值得深入研究。

2 PI3K/Akt/mTOR信号通路与心血管疾病

心血管疾病是全球死亡的主要原因之一[36-37]。2013年，心血管疾病在全球造成约1 700万人死亡，且多集中于低收入和中等收入国家[38-39]。我国流行病学调查研究显示，心血管疾病居中国居民死亡原因的第一位，预计未来10年心血管疾病患病人数仍将快速增加[40]。目前，心血管疾病的直接经济负担日渐加重，已成为我国面临的重大公共卫生问题。因此，深入探索心血管疾病的发病机制，提高心血管疾病的诊疗水平显得尤为重要[41-42]。

PI3K/Akt/mTOR信号通路参与了多种心肌细胞的病理生理过程，在维持心血管稳态调节方面发挥重要作用。Wu等[43]利用网络药理学的方法，对47种靶向心力衰竭的相关蛋白进行了途径富集分析，结果显示，PI3K/Akt/mTOR信号通路通过氧输送、葡萄糖利用和线粒体生物发生等在心肌能量代谢过程中发挥重要作用，进而影响心脏功能。PI3K/Akt/mTOR信号通路的激活还可以减少炎症因子的释放和细胞凋亡，减轻大鼠心肌缺血再灌注导致的心肌损伤[44]。可见，PI3K/Akt/mTOR通路与心血管疾病的发生、发展密切相关。

2.1PI3K与心血管疾病的关系 PI3K作为脂质激酶家族一员，在细胞的生长、存活和运动中发挥重要作用[17,45]，其中Ⅰ型PI3Kα对心脏发育和成年心脏生理至关重要，可调控心肌细胞大小、心脏的生理性生长[46]以及整体心脏大小等[47]。在心肌细胞中，PI3K是响应胰岛素作用的主要调节因子，对胰岛素或胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1，IGF-1)反应最敏感。胰岛素可通过强烈激活PI3K及其下游效应因子Akt的表达，促使凋亡蛋白磷酸化、失活，保护心肌细胞免受氧化应激诱导的细胞凋亡[48]。胰岛素/PI3Kα信号通路激活可导致相关心肌细胞的病理生理变化，包括心肌肥厚以及心脏收缩力增加等[49]。心肌细胞收缩是由电压依赖性L型钙离子通道的内向钙离子电流启动，PI3K中的p110α可调控心肌细胞的L型钙离子通道[50]。研究证实，PI3Kα选择性参与了胰岛素的正性肌力作用，其活性增加可能通过维持心脏中的脂肪酸氧化和Akt活化，保护心脏免受慢性心肌梗死后功能障碍的影响；若PI3Kα基因敲除，则会损害成年小鼠心肌细胞胰岛素信号的正常传导，导致心肌收缩功能障碍和心功能恶化[51]。此外，p110α还可通过rAAV6-caPI3改善小鼠心肌重构功能，增强其抗氧化能力[52]，且p110α活性的增加对压力超负荷模型小鼠的心脏功能和抗心肌纤维化均具有良性调控作用[53]。以上研究表明，增强p110α活性可以延迟或预防心脏病的发展，同时这也可能是一种通过运动方式诱导心脏保护作用的调节机制。动脉粥样硬化作为一种慢性疾病，由于大量白细胞浸润、动脉壁增厚以及脂肪斑块形成，最终会引发血栓形成和心肌梗死等。研究证实，Ⅰ型PI3K的亚型PI3Kγ在心血管损伤相关的炎症反应中起重要作用，PI3Kγ的表达水平在动脉粥样硬化患者和小鼠模型中均上调[54]。此外，PI3Kγ引起的白细胞浸润还是压力超负荷引起心脏适应性不良重构的主要决定因素，表达无催化活性的PI3Kγ或接受PI3Kγ选择性抑制的小鼠，在横向主动脉缩窄术后16周内，心肌纤维化程度减轻并保留了部分心脏功能[55]。同时，心肌细胞中的PI3Kγ还可通过相关蛋白和脂质激酶功能影响β-肾上腺素能受体，进而抵消PI3Kα发挥的正性肌力作用[56]。由此认为，未来PI3K基因疗法或可应用于缓解心脏功能障碍、维持心血管稳态的治疗。

2.2Akt与心血管疾病的关系 作为PI3K/Akt/mTOR信号通路的信号转导中枢，Akt对下游靶标的调控作用决定了其在心血管疾病中的生理功能，包括细胞存活、生长、增殖、血管生成、血管舒张以及细胞代谢等[26,57-59]。血管平滑肌细胞凋亡可能会增加动脉粥样硬化斑块不稳定和破裂，进而导致心肌梗死、脑卒中和猝死等。研究证实，Akt可通过IGF-1受体信号转导在平滑肌细胞凋亡中起作用，IGF-1表达下调使Akt下游靶标中的叉头框蛋白3a和糖原合成酶激酶3磷酸化失调，进而引起血管平滑肌细胞凋亡[60]。在生长初期，Akt激活可增加心脏血管生成和心肌细胞凋亡，但随着机体生长、发育以及各种理化因素的诱导刺激，Akt活性增强可能引起心肌肥厚甚至心力衰竭等。有研究发现，在Akt转基因小鼠模型中，过表达的Akt可能会使心肌细胞体积变大，并在一定程度增加心肌细胞收缩性[61]。且上调心肌中还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4也可激活Akt-mTOR和NF-κB信号通路，引起心脏重构[62]。此外，心脏Akt也可由miRNA间接调控，上调miR-214的表达可降低PI3K/Akt/mTOR水平，进而缓解由缺氧引起的心肌细胞凋亡和自噬[31]。同时，Akt1也是肺血管重构和肺动脉高压发展的重要信号分子[63]。虽然目前关于Akt的大多数研究集中于癌症领域，但心血管疾病的某些病理状况与癌症相似，未来应开展更多的研究，进一步了解Akt在心血管疾病中的作用。

2.3mTOR与心血管疾病的关系 在心血管系统中，mTOR同样参与了心脏的多种生理、病理过程。目前的研究显示，mTOR已成为心血管胚胎发育、体内稳态以及适应压力的重要调节剂，其中mTORC1和mTORC2对早期心脏结构的维持、心血管的生长以及血管完整性至关重要[64-65]。同时，mTORC1和mTORC2也是使心脏适应机械压力、促进代偿性肥大以及限制心肌细胞死亡所必需的调控因子。研究表明，心脏特异性mTOR基因缺失的小鼠患有扩张型心肌病、心力衰竭和代谢紊乱等疾病[66]，具体表现为肌节紊乱、凋亡、自噬以及线粒体功能障碍等[67]。Mazelin等[68]发现，心脏生长早期mTOR基因缺失的小鼠具有心肌细胞生长缺陷、心脏扩张、纤维化、细胞凋亡和心力衰竭等病理表现，并于3周后死亡，而凋亡与p53及锚蛋白重复域1积累有关；另外，这些小鼠还表现出c-Jun氨基端激酶激活、缺氧诱导因子1α下调和心脏肌红蛋白水平降低等，这些均表明产后早期心肌中的mTOR是心肌细胞生长以及维持氧气供应必需的因子。但心肌mTOR在慢性应激过程中的活化也显示出多种不良作用，如促进病理性肥大、错误折叠蛋白质积累以及能量应激[69]。抑制mTOR活化，在各种促肥厚性疾病中均显示出有益作用[70]。在横向主动脉缩窄术后心肌肥大的小鼠模型中，mTOR特异性抑制剂雷帕霉素可改善失代偿性心肌肥大小鼠的左心室收缩末期尺寸和射血分数；同时，雷帕霉素还改变了某些胎儿基因的表达，部分逆转了α-肌球蛋白重链和肌质网钙离子-腺苷三磷酸酶的改变[71]。另外，Akt-mTOR轴在离心性肥大中起关键作用，mTOR活性定量地确定了离心性肥大进展的速率[72]。越来越多的证据表明，mTOR还可调节心脏能量缺乏以及对缺血的适应，介导心肌缺血期间的心肌细胞反应，这是细胞存活的重要决定因素[67,73-74]。同时，心脏mTORC1活化也会加速由代谢紊乱(如糖尿病和肥胖症)引起的心脏疾病的发展进程。在肥胖小鼠中，mTOR激活、自噬体形成减少、心功能降低，而给予雷帕霉素可以在一定程度上减轻对应的心肌损伤[75]。不仅如此，多种不同的纤维化刺激也会导致心脏成纤维细胞中的mTOR活化，在这种情况下，mTOR表达上调与胶原蛋白合成、成纤维细胞增殖以及成纤维细胞转化为成肌纤维细胞等过程密切相关[76]。Lian等[77]发现，mTOR具有介导肝素结合性表皮生长因子诱导心肌纤维化的作用，在过表达肝素结合性表皮生长因子转基因小鼠的心脏中，心脏成纤维细胞中Akt和mTOR的磷酸化水平均被上调，小鼠出现心脏收缩功能障碍、心肌纤维化以及射血分数降低等病理表现；此外，在肝素结合性表皮生长因子培养的心脏成纤维细胞中，Akt-mTOR活化与胶原蛋白合成及成纤维细胞增殖相关。总之，mTOR同时发挥适应性和适应不良性的功能。因此，探索双重功能的潜在机制，找到高度选择性和安全的mTOR调节剂，并应用于心血管疾病的治疗可能成为未来的研究热点。

3 PI3K/Akt/mTOR信号通路与临床药物应用

3.1抑制剂 近年来，PI3K/Akt/mTOR抑制剂已被证明在心血管疾病治疗方面具有良好的应用前景和潜力[78-80]。虽然PI3K第一代化合物(如Wortmannin和LY294002)因某些不良脱靶作用，在使用上受到限制，但研究从未停止[81]。Jin等[82]比较了在栓塞性脑卒中自发性高血压大鼠模型中单独应用PI3Kγ选择性抑制剂AS605240与AS605240联合溶栓治疗对神经血管的保护作用，结果发现，AS605240联合溶栓治疗可将溶栓治疗窗口延长至缺血性脑卒中后6 h；AS605240通过抑制PI3Kγ活性显著抑制了大脑中动脉闭塞引起的循环血小板活化和血小板白细胞(如中性粒细胞、单核细胞)聚集，进而减轻了微血管损伤程度。其他PI3K抑制剂(TGX-221[10]、AZD6482[83]、TG100-115[84]等)也显示出一定的有益作用。Akt活性在细胞存活中起着至关重要的作用，MK-2206作为Akt变构抑制剂，已在临床试验中用作抗癌药物[85-86]，但具体作用机制目前尚不明确。研究表明，向细胞培养基中添加MK-2206可导致细胞增殖和细胞活力的降低[87-89]。Bjune等[90]发现，Akt抑制剂MK-2206可诱导固醇调节元件结合蛋白水解，促进低密度脂蛋白受体的表达和低密度脂蛋白的摄取，同时增强他汀类药物对低密度脂蛋白受体和低密度脂蛋白的吸收作用。这说明在心血管疾病治疗方面，Akt抑制剂可能作为一种潜在的降低胆固醇药物应用于临床实践。此外，雷帕霉素作为一种有效的特异性mTOR抑制剂[91]，在心血管疾病治疗方面也具有重要的调控作用[92]，尤其在抗动脉粥样硬化方面，在一定程度上可以改善血脂异常的情况[93]。另有研究表明，雷帕霉素还可以有效促进小鼠胚胎干细胞分化[94]，减轻肾移植患者的左心室肥大程度[95]，并通过诱导和促进细胞自噬[96]，减少衰老相关标志物表达，维持细胞内稳态，进而提高健康水平[97]。以上研究表明，虽然靶点抑制剂的作用机制以及临床依据尚不明确，但以PI3K/Akt/mTOR为靶点的药物可能代表了一种心脏保护的治疗策略。

3.2中医中药 随着自然科学的不断发展和中西文化的进一步交流，中医与西医的结合已成必然。越来越多的证据表明，中医药在治疗心血管疾病方面具有独特优势[98-99]。近年研究发现，红景天苷可以抑制一氧化氮合酶、环加氧酶2、NF-κB和PI3K/Akt/mTOR信号通路的激活，进而改善脂多糖诱导的内毒素血症大鼠的心脏功能；同时，在脂多糖刺激的H9c2细胞中使用活性氧类清除剂——乙酰基-L-半胱氨酸发现，红景天苷可以阻断活性氧类介导的PI3K/Akt/mTOR通路磷酸化，并抑制该通路表达上调，故红景天苷的心脏保护作用可能与其在体内和体外抑制心肌脂质过氧化反应以及抑制炎症细胞因子的能力有关[100]。Qin等[101]发现，人参皂苷可通过激活PI3K/Akt/mTOR通路上调缺氧诱导因子1α水平，保护心肌细胞免受缺氧诱导的细胞损伤。另外，PI3K/Akt/mTOR信号转导通路还与败血症的心肌损伤过程有关，有研究证明，白藜芦醇可以通过激活PI3K/Akt/mTOR通路，并抑制NF-κB以及肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6、白细胞介素-1β等相关炎症因子，保护败血症的心肌细胞[102]。此外，丹皮酚[103]、黄芪总苷[104]以及中药复方芪苈强心[105]、复心汤[106]等也可通过PI3K/Akt/mTOR通路发挥一定的治疗作用。

4 小 结

稳态是生命最重要的特质，从宏观到微观包括个体稳态、组织稳态、细胞稳态、分子稳态等多个方面。任何稳态失衡均会导致多种人类疾病的发生。通过研究PI3K/Akt/mTOR信号转导通路在心血管疾病稳态中的调控作用，可以深刻认识PI3K/Akt/mTOR通路失衡致病的现状及重要性。未来，需更加深入地研究和探讨PI3K/Akt/mTOR通路的作用机制，进一步认识疾病发生、发展及治疗中存在的问题，为新药的研发提供新思路。同时，结合多种医学干预手段，多层次、多靶点地调节复杂信号网络，使机体恢复相对稳定的状态，提高患者生活质量，延长寿命。