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PI3K/AKT信号通路与心力衰竭

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作者:原作原创  来源:网络转载  发布时间:2015-09-17 16:59:00

   摘要:丝氨酸/苏氨酸激酶(serine/threoninekinase,AKT)是真核细胞中参与细胞信号转导的关键分子目前已经证实PI3K(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/AKT信号通路在人类肿瘤、代谢紊乱、肾脏疾病以及精神障碍等疾病中发挥着重要的作用。近年来的研究还发现P13K/AKT信号通路的激活会对心肌细胞的生长、代谢以及凋亡等活动产生影响,且该通路及其中的很多受体、激酶被证实与心力衰竭关系密切,这使该信号通路在心力衰竭的发病机制、诊断及治疗等方面的研究日益受到重视。总结PI3K/AKT的结构特点、相关信号转导机制及其与心力衰竭的关系将有利于更好地理解心力衰竭的发病机制。 
  关键词:心力衰竭;磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K);丝氨酸/苏氨酸激酶(AKT);信号通路 
  中图分类号:R541.61 文献标识码:A 文章编号:1007-7847(2015)01-0085-06 
  ThePI3K/AKTSignalingPathwayandHeartFailure 
  FANLiang-liang1,MALi-ning2,PENGYuan-liang1,XIANGRong1* 
  (1.DepartmentofCellBiology,SchoolofLifeSciences,CentralSouthUniversity,Changsha410013,Hunan,China;2.HainanGeneralHospital,Haikou570311,Hainan,China) 
  Abstract:Serine/threoninekinase(AKT)isakeymoleculewhichparticipatesinthecellularsignaltrans?ductionofeukaryoticcells.NowithasbeenconfirmedthatthePI3K(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/AKTsignalingpathwayplaysanimportantroleinhumandiseases,suchasswelling,metabolicdisorders,kidneydiseasesandmentaldisorders.ResearchinrecentyearshasalsodiscoveredthattheactivationofPI3K/AKTsignalpathwaywouldhaveeffectonthegrowth,metabolismandapoptosisofmyocardialcell.Be?sides,thissignalingpathway,togetherwithmanyofitsreceptorsandkinaseshasbeenprovedtohavecloserelationwithheartfailure.Becauseofallthesemechanisms,peoplearepayingmoreattentiontotheroleofthispathwayinresearchaboutthepathogenesis,diagnosisandtreatmentofheartfailure.TosummarizethestructurecharacteristicsandtherelatedsignaltransductionpathwayofPI3K/AKTwillhelpusunderstandthemechanismandrelationshipofPI3K/AKTpathwayandheartfailure.
  Keywords:heartfailure;PI3K(phosphatidylinositol-3-kinase);AKT(serine/threoninekinase);signalingpathway 
  (LifeScienceResearch,2015,19(1):085?090) 
  心力衰竭(heartfailure,HF)是指各种原因造成的心肌受损,使心脏收缩和(或)舒张功能出现障碍,心脏泵血功能下降,在足够的充盈压下不能射出相应血量来满足机体需要而引发的一组临床综合征。 
  磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,P13K)是磷脂酰肌醇家族中一个重要成员,作为一种胞内磷脂酰肌醇激酶,它与v-src和v-ras等癌基因的产物有关,能特异性催化磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)的三位羟基憐酸化,产生具有第二信使作用的肌醇脂激酶,进而募集和激活下游的靶分子启动一系列信号联级反应。丝氨酸、苏氨酸激酶(serine/threoninekinase,AKT)又称蛋白激酶B(proteinkinaseB,PKB),是一种丝氧酸/苏氨酸蛋白激酶,是PI3K的下游靶点之一,能广泛调节细胞迁移、生长、增殖及凋亡等一系列生物反应,参与转录调节、蛋白合成以及营养代谢等生理过程[1]。 
  近年来的研究表明:P13K/AKT信号通路及通路中的众多受体和激酶与心力衰竭有着密切的联系,在心力衰竭病理过程中发挥着重要的作用。以下我们将总结PI3K/AKT信号通路与心力衰竭的近期研究,以期更全面地理解二者的关系。 
  1P13K/AKT信号通路结构及作用机制 
  1.1PI3K的结构与激活 
  PI3K由具有调节功能的亚基P85和具有催化功能的亚基p110组成,P85的氨基端含有SH3结构域和结合SH3结构域的脯氨酸富集区,其羧基端含有2个SH2结构域及1个与P110结合的区域;p110亚基与蛋白激酶具有同源性,它既具有丝氨酸/苏氨酸激酶的活性,又具有磷脂酰肌醇激酶的活性根据结构和底物的特异性,哺乳动物的P13K家族同工酶可分为三大类型,其中能被细胞表面受体激活的I型P13K根据p110结合亚基不同又分为IA亚类和IB亚类。IA亚类包括p110α,p110β,p110γ,能与p85形成二聚体.其中p110α和p110β在多种组织中广泛表达,而p110γ主要在白细胞中表达;IB亚类主要有p110γ,它不与p85结合,而是与一相对分子质量为101x103的接头蛋白结合,p110能在G蛋白(Gjlguaninenucleotidebindingprotein)的β、γ亚基的作用下发生活化。II型PI3K含有C2结构域,其主要与细胞膜结合,未活化的PI3K处于胞浆,活化后则主要结合于胞膜上。Ⅲ型PI3K是在哺乳动物细胞内发现的与酵母的VPS34分子结构同源的蛋白。3种类型PI3K的底物各不相同,其中Ⅲ型以PI为底物,Ⅱ型以PI及磷脂酰肌醇-4-磷酸(phosphatidylinositol-4-phosphate,PIP)为底物,I型以PLPIP及磷脂酰肌醇-4、5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-phosphate,PIP2)为底物,最终使底物的肌醇环D3位羟基磷酸化,生成3,4.5-5磷酸肌醇(PI-3,4、5-P3)和3,4-二磷酸肌醇(PI-3,4-P2),而PIP2和PIP3是细胞内重要的第二信使,它们能激活下游一系列的蛋白激酶如AKT/PKB(proteinkinaseB,蛋白激酶B)、PKC(proteinkinaseC,蛋白激酶C)和PKA(proteinkinaseA,蛋白激酶A)等而介导细胞信号转导[2]。

  3种亚型中I型PI3K的激活研究最为透彻,Ⅱ、Ⅲ型至今尚未明确。I型PI3K的激活途径主要有两条:一是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二聚体构象发生改变而被激活;二是通过Ras和pllO直接结合导致PI3K的活化。PI3K的P85调节亚基是许多胞浆和受体耦联酪氨酸激酶(receptortyrosinekinase,RTK)的磷脂蛋白底物,当细胞外的配体与相应生长因子受体(酪氨酸激酶受体、非酪氨酸激酶受体、胰岛素受体等)、G蛋白配对受体或衔接蛋白结合后,p85调节亚基上的SH2结构域(theSrchomlogy2,Src同源结构域2)被磷酸化,受体的磷酸化酪氨酸残基识别SH2域并与之结合,从而募集P13K复合物至胞膜。在一些情况下,P85调节亚基亦能通过胰岛素受体亚单位1(insulinreceptorsubstrate1,IRS1)和膜岛素受体亚单位2(insulinreceptorsubstrate2,IRS2)间接与酪氨酸残基的磷酸化位点结合[3]。通过这种结合,p110催化亚基和P85调节亚基复合体的构象发生改变,使p85对p110激酶的抑制作用解除,PI3K被活化而催化第二信使的产生。同时RTK也能激活Ras激酶,通过Ras激酶结合并激活p110催化亚基最终导致PI3K的活化[4]。 
  1.2AKT的结构与激活 
  目前已经证实有3种AKT亚型,即AKT1、AKT2、AKT3。它们具有相似的结构(图1):1)都有一个N-末端调节亚基(第1-147位),能特异性作用于底物(PIP2和PIP3)中丝氨酸/苏氨酸残基并磷酸化血小板-白细胞激酶底物同源结构域(pleckstrinhomology,PH);2)都有一个丝氨酸/苏氨酸特异性的激酶域(第148-411位);3)都有一个富含脯氨酸的疏水区C-末端(第412?480位),起诱导及保持激酶活性的作用。在小鼠组织中,AKT1、AKT2亚型广泛存在,但AKT3仅在脑和睾丸高度表达[5]。目前已经证实,敲除AKT1基因的小鼠生长缓慢并且极易发生自发和压力诱导的细胞凋亡;敲除AKT2基因的小鼠大小正常但有轻微的胰岛素抗性;而敲除AKT3基因的小鼠脑体积较小,包括脑细胞数量和体积的减小。AKT1和AKT2基因的组合敲除或AKT1和AKT3基因组合敲除会导致围产期死亡率升高和多种发育缺陷,这说明AKT的3个亚型之间有很大程度的功能重叠[6]。 
  AKT的激活需要磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶(phosphoinositidedependentkinase,PDK)参与,虽然许多刺激信号可以激活AKT,但Ser473和Thr308位点的磷酸化是AKT激活的必要条件,PDK-1只能使Thr308位点磷酸化,但AKT的PH区可与脂质产物结合,形成PDK-1/PDK-2复合体,使其可以磷酸化Ser473位点[7];此外AKT还能通过PDK2对其Ser473的磷酸化而被激活,活化的AKT进一步磷酸化激活或抑制其下游靶蛋白如糖原合成酶激酶-3(glycogensynthasekinase-3,GSK-3)、葡萄糖载体(glucosetransporter,GLUT)、哺乳动物雷帕霉素IE蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)、半脆氨酸天冬氨酸蛋白酶9(Caspase—9)以及核因子-kB(nucleartranscriptionfactor-kappaB,NF-kB)等,进而调节细胞的增殖、分化、调亡和迁移[8]。 
  2PI3K/AKT信号通路与心力衰竭 
  作为上游信号分子,PI3K的激活可以促使其下游的AKT发生磷酸化而被激活参与信号转导。在心血管系统,PI3K/AKT信号通路对于调节血管再生、心肌细胞凋亡及代谢等都具有重要作用,而这些生理过程和功能都与心力衰竭有着密切的联系。 
  2.1PI3K/AKT信号通路参与血管形成与心力衰竭 
  PI3K/AKT通路在血管的形成中发挥着重要作用。AKT磷酸化可影响内皮细胞的迁移和血管的生成。在内皮细胞中,AKT可磷酸化各种靶蛋白,从而调节细胞增殖、生存、渗透率、一氧化氮的释放和细胞迁移等。AKT在内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)介导的血管生成和调节内皮细胞的迁移中是必需的,而内皮细胞的迁移在血管生成时对血管的萌发、分支以及网络形成是必不可少的,它可通过Girdin蛋白(一种肌动蛋白结合蛋内)1416位丝氨酸的磷酸化来调节AKT在成纤维细胞中的亚细胞定位和细胞迁移[9];将腺病毒包裹的干扰Girdin表达的小RNA输送到小鼠的基底膜中,可以显著地抑制VEGF介导的血管生成靶向破坏小鼠的—基因能损害视网膜上的血管重塑和来自主动脉环的血管生成[10];这些发现表明,AKT/Girdin信号通路对由VEGF介导的血管生成是必须的。 
  在发生心力衰竭时,冠状动脉的生成会有一定的减少,从而影响心脏发挥正常的功能[11]。目前已经明确在压力超负荷情况下,VEGF的阻断将降低毛细血管密度并且造成心脏从代偿性肥大向心力衰竭的加速过渡。在病理肥大和心力衰竭中,心肌细胞与冠状血管系统之间的相互作用对于心肌收缩功能的维持起着重要的作用[12]。AKT的短期活化能诱导AKT1转基因小鼠诱发心脏生理肥大,似血管的密度维持稳定,冠状血管生成的速度也相应地增强以匹配心肌的增长速度。血管密度的稳定直接与VEGF和血管生成素-2(angiogenin-2)的增加有关[13]。而AKT的长期活化将导致心脏发生病理性肥大,VEGF和血管生成素-2被下调,毛细管密度相应地降低可见,对于PI3K/AKT的磷酸化进行调控,可以调控血管VEGF介导血管生成,还可以调控内皮细胞的迁移,从而缓解心脏发生哀竭的进程. 
  2.2 PI3K/AKT信号通路调控细胞凋亡自噬与心力衰竭

  在心力衰竭过程中,心肌细胞的损失主要是通过细胞凋亡和自噬的形式进行的,在一定程度上这可能导致心脏收缩功能的恶化和左心室重塑。 
  心力衰竭的主要特征是心肌细胞发生凋亡,在此过程中,多种凋亡因子共同发挥着作用,而PI3K/AKT信号通路可以通过直接或间接的方法抑制凋亡因子发挥效应:1)AKT磷酸化抑制促凋亡分子Bcl-2/Bcl-XL相关的死亡启动因子(Bcl-2/Bel-XL associated death promoter,BAD)活性。当BAD未被磷酸化时,其Bcl-2同源域可以直接与Bcl-XL和其他Bcl-2家族成员的疏水槽结合而抑制它们的功能。一旦BAD被磷酸化,其磷酸化丝氨酸残基能与细胞质的抗凋亡蛋白14-3-3分子高亲和力结合,从而使Bcl-2从Bcl-2/BAD复合物中释放产生抗凋亡效应[14];2)AKT磷酸化调节促调亡基因转录的叉头转录因子(forkhead transcription factor)在没有AKT作用时,叉头转录因子主要定位于核内,通过与特异性顺式作用元件结合促进FasL LIGFBPI和Bim等凋亡相关基因的转录。3个经典的叉头转录因子家族成员AFX、FKHR、FKHRLI均含有能被AKT直接磷酸化的序列:研究证实,不同生长因子刺激后,AKT磷酸化叉头转录因子。FKHRLI从核内移出与14-3-3蛋白结合,被后者阻止在细胞质并堆积,无法进入细胞核,不能启动凋亡基因,从而抑制凋亡[15];3) AKT通过维持线粒体完整性将细胞色素C及其他促凋亡因子隔绝在线粒体内,AKT的激活也减轻细胞色素C释放入细胞质后的细胞凋亡4)半胱天冬酶(caspase)是细胞凋亡的启动者和效应器,AKT可磷酸化Caspase-9,使其失去蛋白水解酶的活性而抑制凋亡[17];5)AKT通过干涉应激激活的蛋内激酶/分裂原激活的蛋白激酶(SAPK/MAPK)信号来抑制凋亡,SAPKs如c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)在放射线、热休克或渗透压作用下可诱导凋亡,凋亡信号调节激酶1(apoptosis signal-regulating kinaseI,ASKI)含有一个AKT特异性磷酸化位点并可被AKT调节,AKT磷酸化抑制ASKI活性,转导应激信号到JNK和P38MAPK激酶通路[18];6)AKT还可以激活核转录因子kB(nuclear factor kB,1NF-kB)和环磷腺苷反应元件连接蛋白(cAMPresponseelementbindingprotein,CKEB),促进抗调亡基因转录,从而激活抗凋亡通路研究表明,AKT的短期活化通过抑制细胞凋亡产生有益的作用。Matsui等表明通过腺病毒转入活性AKT1基因后,能有效地防止体外心肌细胞在低氧环境发生凋亡[20]。此外,在心脏中,通过腺病毒介导的AKT1基因转移能有效地减少心肌细胞凋亡,限制缺血/再灌注损伤后心肌梗死范围,改善阿霉素诱导收缩功能障碍[21]。因此,有效激活P13K/AKT通路有利于心肌细胞的存活,减少心肌细胞的凋亡,进而缓解心力衰竭。 
  从其发病效果看,AKT1可以通过其磷酸化过程抑制细胞自噬,从而抑制叉头转录因子(FOXO)家族从细胞质到细胞核的转移[22],尤其是ROXO3a的转移,进而抑制FOXO3a效应蛋白-BNIP3的促凋亡作用。然而,在应激的心肌细胞中,短期内AKT可通过JNKs信号调节自噬活动,用3-甲基腺嘌呤对心肌细胞进行应激处理,增加了JNK的磷酸化作用,进而使AKT磷酸化增强其与下游效应蛋内FOXO3a的相互作用,从而抑制自噬活动[23、24]。JNK抑制剂如SP600125,能阻断3-甲基腺嘌呤对自噬活动的抑制,增强心肌细胞的自噬作用[25],而JNKS具有调节AKT的再激活以及调整体外和/或体内心肌细胞缺氧损伤后的存活状态的作用[26]。AKT在缺氧损伤后的再激活是受JNKs调节的,这可能是关于JNKs对心肌细胞的保护作用的核心机制。 
  2.3PI3K/AKT信号通路调节代谢与心力衰竭 
  衰竭心肌的另一个特征是能量缺乏[27],心脏的舒张收缩是一个需要消耗大量能量的过程,当心肌细胞的能量供应发生紊乱时,也会导致心力衰竭的发生,在Barth综合征中线粒体的异常会导致心功能的异常[28],而PI3K/AKT通路在调节能量代谢方面也发挥着重要的作用。 
  AKT1能调节葡萄糖和脂肪酸代谢,它可以通过增强葡萄糖摄取来促进葡萄糖氧化,也可以下调过氧化物酶体增殖物激活受体-a共激活剂-1(peroxisome proliferator-activated receptor(PPARa)coactivator-1,PGC-1)的表达减弱脂肪酸氧化,而PGC-1能参与激活脂肪酸氧化的相关基因[29]。 
  AKT保护早期缺血心肌的另一个机理是通过抑制GSK-3,促进糖酵解,以保证心肌缺氧期间的最低能量供应[30]。PT3K/AKT信号通路的激活,可以抑制下游的GSK-3,从而防止线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)开放,发挥抑制凋亡或促进增殖等效应保护心肌[31]。然而长期的AKT信号激活,对心肌的存活以及心功能可能有害。晚期心衰病人的心肌AKT磷酸化升高,经左室辅助装置治疗,心功能得到改善后,AKT磷酸化显著下降[32]。敲除ApoE和SR-BI双基因的小鼠也自发发生动脉粥样硬化和心肌梗塞,在5?8周死于心衰。对这种自发心肌梗塞动物模型的研究发现,衰竭心肌的AKT磷酸化水平明显升高[33]。敲除AKT1基因则能使这种自发性心梗小鼠发病延迟,寿命延长[34]。这些结果提示长期上调AKT能够促进心功能损害。 
  2.4PI3K/AKT信号通路影响钙离子循环蛋白与心力衰竭 
  当心脏发生衰竭时,最直接的表现是心脏的舒张和收缩发生紊乱,心肌细胞胞质中的钙离子浓度起着决定性的作用,而PT3K/AKT通路可以调节钙离子在肌浆网与胞质之间的运输,进而调节心脏的搏动。

  在心肌细胞兴奋时,少量的钙离子通过L型钙离子通道(LTCC)涌入胞浆中,导致内质网中的,钙离子通过肌浆网钙离子受体(ryanodine receptors)大规模释放,即钙离子诱导的钙释放[35]。而细胞质钙离子浓度的减少是心肌细胞发生心力衰竭的显著特征之一:细胞内钙离子的增加导致心肌细胞的收缩和肌浆网Ca2+-ATP酶(sairoplasmic-reticulum Ca2+-ATPase,SERCA2a)的活化,SER-CA2a能把细胞质中的钙离子泵到肌浆网中,其活性能被磷脂酶B(phospholipaseB,PLB)抑制[36]。在心舒期,心肌细胞内通过PLB上两个不同位点的磷酸化来抑制其功能,从而促进和加强SEKCA2a的活动[37];两个位点中一个被β肾上腺素作用下的蛋白激酶A(PKA)激活,另一个被钙离子和钙离子调蛋白激活,影响SERCA2a功能的蛋白是蛋白磷酸酶1(protein phosphatase1,PP1)及其抑制剂1(pmtein phosphatase inhibitors1,1-1)[38]。磷酸酶1是一种丝氨酸/苏氨酸磷酸酶,定位在肌浆网上其活性能被磷酸酶抑制剂I-1抑制;当PLB蛋白的35位苏氨酸被PKA磷酸化后,I-1将被活化,导致PP1活性被抑制,从而增强PLB的PKA介导的磷酸化过程,进而放大了心脏对肾上腺素的反应[39];AKT1可增加由LTCC涌入的钙离子,增加SERCA2a蛋白含量,进而增加PLB的磷酸化,下调PP1等。但AKT1是否直接参与了LTCC,PLB的磷酸化或涉及I-1的激活等还有待进一步研究。 
  2.5PI3K/AKT信号通路激活炎症与心力衰竭 
  过度的炎症反应会防碍心肌梗塞的愈合并促进心脏重构,PI3K/AKT信号通路可以调节氧自由基的产生进而影响炎症反应。 
  氧自由基对心脏重构具有重要作用,心衰患者氧自由基的失衡会导致心肌凋亡、内皮功能损伤、心脏重塑、心律失常[40]。慢性心力衰竭病人常伴有氧化应激性增高和抗氧化性减低,活性氧簇能加速心力衰竭的发展。氧自由基(reactiveox-idativespecies,KOS)作用于心肌细胞膜的不饱和脂肪酸,引起细胞膜的流动性、通透性和液态性发生变化以及离子转运功能障碍,导致细胞膜的结构和功能破坏;此外,ROS能够破坏细胞内的溶酶体膜,使心肌细胞自溶:KOS还影响肌浆网和线粒体,造成心脏能量代谢障碍而心肌细胞模型的研究证明,运用去甲肾上腺素刺激心肌细胞,可以通过激活PI3K/AKT与p66Shc促进ROS的产生[41]。当心脏出现缺血缺氧,容量负荷及压力负荷增加或促炎因子如:肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白细胞介素1(interleukin-1,IL-1)、白细胞介素6(interleukin-1,IL-6)等释放增加,就会引起白细胞呼吸爆发(即白细胞耗氧量大幅度增加并有磷酸己糖支路活化导致葡萄糖代谢增加的过程),氧自由基产生增多,引起氧化应激反应[42]。 
  3展望 
  AKT的短期活化对早期心力衰竭患者或体外培养的心肌细胞有利,主要通过增强血管生成,抑制细胞凋亡因子的作用,调节钙离子在心肌细胞胞质中的浓度,促进心肌细胞能量的代谢以及抑制炎症反应的进行等过程完成。但是,AKT的这些影响是短暂的,如果心肌细胞压力依然存在,其影响可能会被其他信号通路所覆盖和修改,从而导致心脏功能发生恶化,甚至导致肿瘤的形成和扩散。 
  因此,为了维持其对心肌的防护作用,AKT的活性应该处于平衡状态,不久以后或许可以通过基因干预或者小分子药物抑制PI3K/AKT及相关基因,阻断其对下游相关基因的调控,以此来探索AKT的活性应处于的平衡状态,从而为临床开发相关治疗心力衰竭的药物提供理论依据 
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