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来源：职称驿站所属分类：康复医学论文 发布时间：2013-10-28浏览：156次
【关键词】 低氧诱导因子;磷脂酰肌醇-3激酶//丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶信号通路;中枢神经系统疾病
【摘要】 低氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)是一种特异性缺氧状态下发挥活性的转录因子，是机体维持氧自稳平衡的关键介质。大量研究显示，不论在低氧还是常氧状态下，磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide-3 kinase，PI3K)/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(serine/threonine kinase，Akt)信号通路在HIF-1α表达和活性调控过程中可能起重要作用。论文就近些年对两者的关系研究作一综述。
脑对缺氧十分敏感，炎症、缺血、癫痫等缺氧过程都可出现神经元的凋亡，而这一凋亡途径需要极其精密的信号调控。磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide-3 kinase，PI3K)/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(serine/threonine kinase，Akt)信号通路是目前已被证明的十分重要的细胞存活途径，低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)是感受细胞低氧的关键因子，有研究显示两者在神经系统疾病中对于神经元的凋亡及神经干细胞的增殖起着重要作用。
1 低氧诱导因子-1
自1992年Semenza等发现HIF-1以来,其生物活性已被越来越多的学者所关注。研究已发现它属于碱性多肽一螺旋一环-螺旋-(basic-helix-loop-helix,bHLH)-PAS(per-ARNT-AHR-Sim)超家族的α和β亚基组成的异源二聚体转录因子,其中β亚基属于结构亚基，一般不受其他因素调节，在细胞内稳定存在;α亚基为低氧调控的主要功能亚基，受氧浓度的调节，其调节机制为：HIF-1有一个位于C末端的氧依赖调节区(ODD)，两个分别位于C末端(TADC)和N末端(TADN)转录活性区(TAD)。正常氧分压条件下，ODD上的两个脯氨酸残基(P402和P564)被脯氨酸羟化酶羟化，导致HIF-1与抑癌蛋白VHL(von-Hippel-Lindau)结合，启动HIF-1的泛素化和蛋白水解过程。当细胞氧分压降低时，HIF-1α不能被羟化，而不能被VHL识别，因此HIF-1α不能被泛素化和被蛋白酶体降解，在胞浆中积聚并活化，转移到胞核与HIF-1β形成异源二聚体，结合相应的靶序列调节靶基因的表达，从而实现其功能，目前已明确HIF-1α表达可调控近100多个下游基因的表达参与胚胎形成、缺血、肿瘤、组织修复、炎症等生理病理过程[1-3]。
2 PI3K/Akt信号通路
自1980s被发现以来，PI3K家族已经被发现其在许多细胞水平如细胞存活、增殖和分化起到关键作用[4-6]。它是一种可使肌醇环上的第3位羟基磷酸化的磷脂酰肌醇激酶[7]。PI3K活化后，使细胞膜上的肌醇磷酸化，生成磷脂酰肌醇-3-磷酸(phosphatidylinositol-3-phosphate, PI3P)、磷脂酰肌醇-3，4-二磷酸( PI-3,4-P2)和磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸( PI-3，4，5-P3)等第二信使。在正常情况下，它们不存在于未受刺激的细胞中，一旦细胞受到刺激和 PI3K活化，它们即可迅速产生，然后结合并激活AKT及其他下游效应通路。Akt被认为是PI3K的直接的下游作用靶点，又称为PKB，以三种亚基出现， AKT1，AKt2，AKT3，分别被PKBα、β、γ基因所编码。这3个亚基都有相似的结构：N端结构域，一个主要的丝氨酸/苏氨酸催化区域，和一个小的C端调节域。在静息状态下，其位于细胞质内，其活性主要通过PI3K正性调节，为三磷酸肌醇的作用底物[8]。Akt的活化需要Serl24、Thr450、Thr308和Ser473等4个位点的磷酸化，其中Serl24和Thr450为基础磷酸化位点，而Thr308和Ser473 2个高度保守位点磷酸化为Akt活化所必需, PI3K即可特异性诱导[9]。活化的Akt直接或间接影响多种转录因子表达和促凋亡蛋白活性，如：bcl2家族蛋白和caspase9等，调控细胞生长和增殖、细胞运动和侵袭、细胞存活和凋亡，新生血管的生成等多种细胞活动和生物学效应，是重要的抗凋亡调节因子。目前许多研究已经发现PI3K/Akt为抑制细胞凋亡和促进细胞存活的重要信号转导通路[10]。
3 中枢神经系统疾病中PI3K/Akt信号通路与HIF-1α的关系
中枢神经系统疾病中慢性病占多数，往往迁延不愈，致残率高，目前有很多围绕抑制神经元的凋亡及探讨其修复机制开展研究，其中针对PI3K/Akt信号通路研究较多。作为对缺氧极其敏感的脑组织，HIF在中枢神经系统疾病的高表达，并可能参与了脑疾病的发生发展过程。然而对HIF产生的调节机制目前尚无确切的说法。现在初步已有研究证实，在缺氧、炎症、严重创伤等刺激下，PI3K/Akt信号通路可能参与HIF-1α的合成和稳定性的调节[11-13]。
3.1 脑缺血 Ertugrul[14]等通过转基因鼠脑组织表达人血管内皮生长因子(VEGF)，证明VEGF在局灶性脑缺血中的保护作用和诱导血脑屏障的通透性作用是通过PI3K/Akt信号通路实现的。同时作为HIF调控的重要靶基因之一，促红细胞生成素(EPO)，在中枢神经系统也有表达，而且具有较强的神经营养和保护作用。Karsten Ruscher等[15]通过体外脑缺血模型，研究证实EPO是缺血预处理中重要的旁分泌神经保护介质，并认为星形胶质细胞在低氧情况下HIF-1被快速激活后，释放EPO，EPO激活神经元的EPO受体，随后即激活JAK-2，进而激活PI3K。PI3K通过Akt介导的磷酸化作用阻断Bad的激活，抑制了低氧诱导的神经元凋亡，从而起到神经保护作用[16]。当然，EPO的神经保护作用，PI3K/Akt信号通路只是其中一部分，有证实NF-κB也参与了其过程[17]。Pore N等[11]]利用PI3K特异性阻断剂LY294002处理U87MG恶性胶质瘤细胞，发现HIF-1α对缺氧不是那么敏感了，进而通过测定其靶基因VEGF 和glut1的mRNA，它们的表达量也有减少，他们更进一步地利用siRNA和mTOR的抑制剂，得出Akt1经PI3K/Akt/mTOR途径通过增加HIF-1α的蛋白翻译来提高其表达量。所以，从上面可推测，PI3K/Akt信号通路既能调控HIF的产生，也能调控HIF靶基因的生物学功能，也就是说PI3K/Akt信号通路在调控HIF发挥功能途径的上下游均有参与，那么两者的关系似乎更加密切。
3.2 脑肿瘤 随着胶质瘤的分级递增，HIF-1α的表达呈现上升趋势[18]。同时PI3K/Akt信号通路也通常被激活，有研究显示几乎接近55%的胶质瘤与Akt的活化有关[19]，其中可能是通过人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因(Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10 ，PTEN)的突变，也可能通过表皮生长因子受体的过度表达或突变激活[20-21]。PTEN和Akt分别是PI3K/Akt信号通路中的负调节因子和效应因子。PTEN是具有蛋白、脂类双特异性的磷酸酶,通过使PIP3去磷酸化抑制PI3K的活化信号向Akt传递,下调PI3K/Akt信号通路活性。研究发现它主要通过PI3K/Akt通路的调节使细胞的增殖和凋亡维持在相对的平衡状态。Wayne Zundel等[22]研究结果表明在胶质瘤中PTEN在低氧下完全抑制了HIF-1α蛋白的稳定性，且PTEN肿瘤抑制功能的缺失有利于HIF-1介导的基因表达，调节发生在 HIF-1α蛋白水平，对 HIF-1αmRNA无影响，而HIF-1α稳定性的增加是通过Akt依赖的途径实现的。邓如明[23]等采用免疫组化 Envision 二步法测定对42 例不同级别脑胶质瘤、10 例正常脑组织分别测定PTEN 与 PI3K、Akt的表达，PI3K、Akt蛋白在脑胶质瘤的表达明显高于正常组，且表达量与胶质瘤恶性程度正相关，而PTEN蛋白表达与之相反，得出在胶质瘤的发生发展中 PTEN 与 PI3K/Akt可能存在互相拮抗作用。在低氧环境下，HIF-1α的稳定性是通过一个未知机制，这个机制对其转化、异源二聚化和激活所必需。因此我们设想在PTEN通过PI3K/Akt通路对细胞增殖、凋亡的平衡调节中，HIF-1α的稳定性增减可能是个关键点，值得进一步研究。
3.3 其他 有研究[24]证实在未成年鼠患肺炎双球菌脑膜炎时，可见较多凋亡的神经元，且主要分布在皮质及海马。后来就有学者发现PI3K信号通路在肺炎双球菌脑膜炎急性期的海马新生神经元的凋亡及存活起重要作用[25]。结节性硬化(Tuberous sclerosis，TSC)是由TSC1或TSC2变异所致的综合症，是一种常染色体显性遗传病。TSC1或TSC2的变异出现TSC1或TSC2蛋白的功能紊乱，从而导致PI3K/Akt/mTOR通路的上调[26]。有研究显示皮质发育不良中也有PI3K/Akt/mTOR通路参与，并证明哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)活性在TSC中肥大的神经元和神经胶质细胞中是异常的[27-28]。PTEN编码一种脂类和蛋白磷酸酶通过抑制PI3K活性来调控细胞生长。脑神经元特异性Pten缺失所导致的共济失调、惊厥和巨头畸形，与突变神经元中Akt和mTOR的磷酸化有关[29-31。mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，从属于PI3K家族，其活性受PI3K/Akt的影响，也是目前在癫痫以及癫痫发生方面研究最多的信号通路之一，这主要归因于其在细胞增殖和生长以及神经退行性变、神经发生、突触可塑性起着的关键作用。有研究显示mTOR调控HIF的表达[32]。周保健[33]等已证实戊四氮诱导大鼠癫痫持续状态后有HIF-1α的产生，并且对神经干细胞的增殖可能存在调控作用。那么，PI3K/Akt/mTOR是否参与癫痫、结节性硬化等疾病后的HIF-1α的产生，且是否调控HIF-1α的抗神经毒性作用，现在已成为研究热点之一。
4 小结
PI3K/Akt信号通路是经典的抗凋亡通路，不论在低氧还是常氧状态下，都有参与HIF的调节，但两种情况下其诱导的机制尚且不同，前者可能是通过增加HIF-1α的蛋白合成，而后者可能是通过抑制HIF-1α的降解而实现。所以，PI3K/Akt信号通路调节HIF的具体机制仍需进一步研究。
参 考 文 献
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《中枢神经系统疾病中PI3K/Akt信号通路与HIF-1α关系研究综述》
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