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PI3K_Akt信号转导通路与脑缺血后细胞凋亡

2024-04-12 来源:步旅网
垦匪魉鱼篷痘盘查!Q!!生!旦箍!!鲞筮Z期墅』Q堑麴堕!旦!:趔Y2Q!Q:№!:l§:坠b:2·553··综述·P13K/Akt信号转导通路与脑缺血后细胞凋亡何敏韩江全倪白云张险平李贞陈后勤张强【摘要】细胞凋亡为脑缺血时细胞死亡的重要形式之一。磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoimsitide一3killase,P13K)/丝氨酸一苏氨酸蛋白激酶(serine/threoninekinase,Akt)为重要的细胞存活信号通路,C—Jun氨基端激酶(c-jmN-termimlkin丛e,JNK)为重要的促进细胞凋亡信号通路。这两大通路转导信号的动态平衡维持着生理状态下的细胞生存与凋亡。脑缺血刺激打破了这一生理平衡,导致大量神经细胞凋亡。多种确切的神经保护因素都与增强细胞存活信号的放大或抑制凋亡信号的放大有关,从Ifli维持这2个通路信号的平衡。【关键词】l,磷脂酰肌醇.3激酶;原癌基因蛋白质c-AKT;脑缺血;细胞凋亡PBK/Aktsignaltransducfionpathwayandapoptosisaftercerebralischemia脏Minl,HANJiang-quan2,NIBai-yunl,ZHANGXian-pin91,LIZhenl,CHENHou-qinl,ZHANGQi锄91DeportmentofNeurology.WuhuNo.1People'sHospital,Wuhu241000.Chir职"2DepartmentofNeurology.tfle聊hAffiliatedHospitalofZunyiMedcdCollege,Zhuhai519100.ChinaCorrespondingauthor."HANJiang-quan,Email."gdshanjq@163.com【Abstract】Apoptosisisoneoftheimportantformsduringcerebralischemi乱Phosphoinositide-3kinase(PBK)/serine/threoninekimse(Ala)istheimportantcellsurviviisignalingpathway,whilec-junN—terminalkinase(JNK)istheimportantpro—aportoticsignalingpathway.qhedyllalqlicequilibriumofthetwosi孕1altransductionl嘲thwaysmaintainscellsurvivalandapoptosisunderthephysiologicalstate.Stimulationduringcerebralischemiabreaksthisphysiologicalbalanceandresultsintheapoptosisofmassiveneurons.Avarietyofprovedneuroprotectivefactorsareassociatedwiththeamplificationofenhancementofcellstrvivalsignalorinhibitionofapoptosissignal,andthusmaintainthebalancebetweenthetwosignalpathways.【Keywords】1一Phosphatidylinositol3-kimse;Proto·oncogeneproteimC-ala;Brainischemia;Apoptosis缺血性脑血管病的高致残率与脑缺血后大量神启动的前提。研究表明,脑缺血后,与细胞凋亡有关经细胞凋亡密切相关‘1』。细胞凋亡是一种高度精的信号转导通路主要包括丝裂原活化蛋白激酶密调书的过程,涉及信号转导、基因调控和凋亡效应(mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)和磷脂酰肌的执行等3个阶段,而信号转导的激活是细胞凋亡醇.3激酶(phosphoinositide一3kinase。P/3K)/丝氨酸一苏氨酸蛋白激酶(serine/threonineldnase,Akt)信号通DOI:103760/cma.j.issn.1673-4165.2010.07.015路。其中,P13K/AIa为抑制细胞凋亡和促进细胞存作者单位:241000苊湖I订第·人K医院神经内科(何敏.倪白云、张险平、李贞、陈后勤、张强);519100珠海,遵义医学院第丘附属活的重要信号转导通路汪J,而c.Jun氨基端激酶医院神经内科(韩江全)(c-junN—terminalkimse,JNK)¨1为MAPK信号重要通信作者:韩江全,Email:gishatjq@163.corfl的通路之一,为促进细胞凋亡信号通路。细胞内不万方数据·554·①配体‘酪氨酸激酶/G蛋白耦联受体‘P13K图lPDK/Akt和JNK信号通路间的交互作用①:存活通路;②:凋亡通路:PTEN和BAD为交互作用点同信号通路之间存在相互作用和影响,即所谓的信号交互作用(CROSStall【),构成一个极其复杂的网络结构。同样,P13K/Akt和JNKI亿2大系统的信号在许多水平相互交错调节H刮(图1),在缺血性脑血管病病理生理学过程中的平衡点决定着受累神经细胞的存亡,进而最终决定梗死灶体积和神经功能缺损。IPDK/Akt信号转导通路的重要组件和功能1.1PBK及其功能PBK是一个复杂的大家族,其中Ia型PBK是由催化亚基pllo和调节亚基p85组成的二聚体蛋白,具有类脂激酶和蛋白激酶的双萤活性[2J。在静息细胞中,无活性的p85一p110复合物普遍存在于胞质中,等待适当的信号激活。PBK主要通过2种方式激活:第一,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,引起二聚体构象改变而被激活,即信号来自配体介导的位于细胞膜内表面的酪氨酸残基磷酸化,磷酸化的酪氨酸残基立即与p85的SH2结构域结合而将p85-pl10复合物聚集到细胞膜上并使之活化"‘;第二,通过Ras和p110直接结合,导致P13K活化旧J。PBK是一种町使肌醇环上的第3位羟基磷酸化的磷脂酰肌醇激酶一3。PBK活化后,可磷酸化细胞膜上的肌醇,生成磷脂酰肌醇-3一磷酸(phosphatidylinositol-3-phosphate,PBP)、磷脂酰肌醇-3,4-二磷酸(PI-3,4一P2)和磷脂酰肌醇一3,4,5-三磷酸(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PBK活化,它们即可迅速产生,然后万方数据结合并激活细胞内的靶蛋白。PDK是细胞内的一种重要分子,与细胞骨架重组、细胞存活、肿瘤发生、细胞凋亡等多种生物学事件有关。渥曼青霉素(wortmannin)和LY294002均是PBK家族的抑制剂,极低浓度即可抑制PDK的作用¨01。1.2AIR及其功能Akt是PBK/Akt信号转导通路中起关键作用的一种蛋白质,为相对分子质量为60×103(60∞)的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,与蛋白激酶A(proteinkinase八PKA)和蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)具有同源性,故也被称为蛋白激酶B(proteintdnaseB,PKS)¨¨。目前,已发现的一类具有同源性的基因组成AkI家族,它们在结构上具有高度的同源性和保守性,其分子由N一末端PH结构域、C-末端调节结构域和中间的激酶催化结构域组成,包含"1■r308和Ser473等2个高度保守的磷酸化调节位点,这些结构保守区具有重要的功能。在静息状态下,Akt位于细胞质内,其活性主要通过PDK正性调节,是P13K的重要下游效应分子,为三磷酸肌醇的作用底物¨2|。同时,Akt的活性还受第10号染色体同源丢失性磷酸酶一张力蛋白基因(phospbztasemadteminhomologdeletedonchromosometen,PTEN)的负性调节。Ale的活化需要Serl24、Thr450、1lⅡ308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Ser4732个高度保守位点磷酸化为Akt活化所必需。活化的Akt能磷酸化含有Arg-Xaa-Arg-Xaa[Ser/Thr]一Hyd(Xaa代表任意氨基酸,Hyd{4巴表亲水性氨基酸)结构的蛋白底物ll3|,直接和间接影响多种转录因子表达和促凋亡蛋白活性。即通过调控转录因子抑制凋亡基因的表达、增强抗凋亡基因的表达和抑制细胞凋亡蛋白活性,有效促进细胞存活。最近的研究表明,活化的Akt还可通过抑制JNKl/2促凋亡通路H4。抑制细胞凋亡和促进细胞存活。1.3P13K/Akt信号转导通路胰岛素和P13K依赖型的多种生长因子均能激活PBK,并在细胞内膜生成第二信使三磷酸肌醇。一方面,PI一3,4一P2和PI一3,4,5-P3与细胞内含有PH结构域的信号蛋白Akt和磷酸肌醇依赖性蛋白激酶(phosphoinositidedependentkinase,PDK)l同时结合,使Akt构象发生改变,充分暴露其"I'hr-308磷酸化位点并从胞质向胞膜易位,与PDKl靠近而被其在卤匿照鱼萱痘苤盔垫!Q至Z旦筮!!鲞笙!翅照』Q熊塑坚£堕§。!垡Y2Q!Q:№!:!§,垒坠:Z·555·Ih'308位点磷酸化;另一方面,PI-3’4’5-P3被5’磷酸酶转化为PI-3A—P2而激活PDK2,与PDKI结合为复合体,进一步磷酸化Akt的Ser473位点,从而使Ala活化¨引。在无外来刺激情况下,静止细胞的Ala大多位于胞质,当细胞受到刺激时,便通过激活P13K产生第二信使三磷酸肌醇,将刺激信号转导到细胞内,Akt易位到胞膜并活化,活化后转位至胞质和胞核¨6。发挥生物学作用,抑制细胞凋亡和促进细胞存活。1.4PTEN负性调节Akt活性PTEN基因是1997年由国际上3个研究小组分别发现并各自命名的同一抑癌基因,定位于染色体10q23。PTEN蛋白是第一个被发现具有蛋白与脂质磷酸酯酶活性的双特异性磷酸酯酶,其高度保守的磷酸酶区包含2个独特的赖氨酸残基,能特异性去除PI-3,4,5一P3的肌醇环D位磷酸根,抑制PBK/Akt信号转导通路,负性调节Akt活性,“关闭”PBK/Akt及其下游诸多通路,促进细胞凋亡。PTEN在调节PBl(/Ah和JNKI/2信号转导通路的交互作用中起着非常关键的作用‘17]。P'IEN可通过自身磷酸化和去磷酸化而调节活性。最近的研究表明,P'IE-N还能通过硫基亚硝基化这一新方式调节其自身活性J引。Wu等‘16。在研究原钒酸钠的神经保护机制时发现,LY294002能明确抑制原钒酸钠“增强脑缺血后P-Akt/p-PTEN/P-ASKl(Ser83)表达和减少P—ASKI(qhr854)表达”的作用,提示P13K/Akt能反向调节PTEN的活性,进而影响ASKI活性。其他研究结果亦支持此结论¨引。JNK信号转导通路的结构和功能JNK原来被称为应激激活的蛋白激酶(stress.activatedproteinkinase,SAPK)。JNK信号通路是重要的MAPK信号通路之一,是位于胞质的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶引。JNK自身包含双磷酸化功能区"lhr—Pro-Tyr,当酪氨酸和苏氨酸残基发生磷酸化后,JN列SAPK也可被激活。JNK能被各种细胞外刺激物或局部缺血等应激环境激活。典型的MAPK信号通路包括3个连续酶促反应,即MAP3K(MLK/ASKI等)一MAP2K(MKK4/MKK7)一MAPKMAP2K——删和MKK7,二者通过双磷酸化(JNK家族)。JNK的上游直接激酶包括2个JNK的苏氨酸和酪氨酸位点激活JNK,是JNK的特异性激酶。MKK7蛋白激酶主要由细胞因子激活,万方数据MKK4主要由应激环境激活。MKK4和MKK7是双特异性蛋白激酶,均能同时磷酸化JNK的苏氨酸和酪氨酸位点,但MKK4优先磷酸化酪氨酸,而MKK7则优先磷酸化苏氨酸。JNK定位于细胞质和细胞核,一旦被激活,胞质中的JNK即移位入细胞核,通过对转录因子c.JUN、ATF-2、EIK-1等的磷酸化,促进基因表达和新蛋白质合成,进而促进或引起细胞凋亡。另外,活化的JNK能通过激活内源性通路,使Bad、Bcl-2和Bcl—xl参与细胞色素c等促凋亡分子从线粒体释放,从而导致胱冬酶(caspase)激活和细胞凋亡¨J。3P13肜Akt通路与脑缺血后神经元凋亡脑缺血刺激会打破生理状态下PBK/Akt【20o和JNK通路转导信号的平衡,导致神经元凋亡。3.1PBK/Akt通路与短暂性脑缺血PB眦通路可被激活。随后,大量研究表明,短暂1999年,KJtagawa等矗¨首次发现,脑缺血时性脑缺血后Ala被激活,Akt/GSK3B等信号具有抑制迟发性神经细胞凋亡和促进细胞存活的作用‘2M4|。大鼠四血管闭塞模型研究表明,p-Akt(Ser473)在脑缺血15rain时显著降低,再灌注30min一3h达高峰,其后3d内逐渐降至正常,总的Akt表达和P—Akt("Ihr308)元显著变化;P.JNKl/2分别在再灌注后30min和3d出现2个峰,P-c_JUN、P.Bcl-2(Ser87)等JNKl/2底物磷酸化和胱冬酶.3活化分别在再灌注后3h和3d达峰值’2引。LY294002可显著抑制P—Akt活化峰,增强2个P—JNKl/2活化峰,促进C—JUN活化、Bcl-2磷酸化和胱冬酶一3活化,加重缺血性脑损伤;相反,作为PBK激动剂,胰岛素能增高P—Akt峰,降低P-JNKl/2峰,减少c-JUN活化、Bcl-2磷酸化和胱冬酶一3活化,有效增强脑缺血耐受性。由此可见,P13K/Akt和JNK信号转导通路激活均参与了短暂性缺血性脑损伤,胰岛素的脑保护机制与其增强P13K/Akt信号转导通路的激活和抑制JNK通路信号有关。LY294002的作用提示,JNK自身可能是PBK/Akt信号通路的磷酸化底物,有可能通过增强P13K/Akt通路信号而降低JNK信号,进而增强脑缺血耐受性。另一项研究显示,缺血再灌注实验动物脑内P.Akt(Ser473)和P—Bad(Serl36)在再灌注后30min~6h表达同步显著上调,然后逐渐下降,到再灌注3d时基本恢复至正常水平,整个过程中Bad2·556·垦区魑鱼壁痘盘查垫!Q生!旦笠!!鲞筮!翅塾』璧型塾坚墅垡坠!M垃垫!Q,№!:!!,垒坠:Z图2P13K/Akt与JNK信号通路间的平衡与Bad水平上的交互作用‘41和Akt表达无显著变化;P-JNKl/2和P·Bad(Serl28)在再灌注30min和3d时均显著上调。LY294002可使各时间点P—Akt(Ser473)和P-Bad(Serl36)表达下调,P—JNKI/2和P—BAD(Serl28)表达上调;PⅡN特异性抑制剂pic能上调各时间点P.Akt(Ser473)和P—Bad(Serl36)表达,下调P.JNKI/2和P—BAD(serl28)表达;JNK特异性抑制剂sP可使P.JNKI/2和P-Bad(Serl28)表达下调∞J。这些结果证实,PBK/Akt和JNK信号转导通路的平衡决定着细胞的存活,而脑缺血刺激可打破这一生理平衡。PTEN可负性和PBK正性调节Akt的活性,进而影响肿(的活性;Bad是短暂性局灶性腩缺血后JNK和PBK/Ala通路的共同靶分子,直接受JNK和PBK/Akt通路的调节,在细胞存活或凋亡中起着关键作用。Kamada等H1认为,在缺血性脑损伤发展过程中,早期以PBK/Akt细胞存活信号通路占优势,后期则以JNK凋亡信号通路占优势,而Bad是PB.K/Akt介导的细胞存活信号和JNK介导细胞凋亡信号的集成关卡(integratedcheclqaoint)(图2),决定着脑缺血半暗带细胞的命运。Zhang等¨列认为,PTEN在缺血性脑损伤过程中P13K/Akt和JNKl/2这2大信号转导通路活性调节中起着关键作用,有可能成为干预缺血性脑损伤预后的新靶点;PTEN的表达、降解和酪氨酸磷酸化水平,均能反向影响P—Akt(Ser473)和P—JNK的水平,且这种影响可被LY294002抑制,提示PTEN增强JNK的促细胞凋亡作用机制与Akt的活化有关。其实,在缺血性脑损伤过程中,PBK/Akt和JNKl/2这2大信号转导通路之间各个层面存在交互作用;(1)PTEN抑制PBK/Akt信号和Akt活性,进而增强JNK活性【51;(2)活化的Akt反向调节万方数据PTEN活性,进而影响JNK信号转导通路上游元件ASKl的活性¨71;(3)活化的Akt直接抑制MLK3一MKK4/7-JNKl/2信号;(4)Bad为Akt和JNK的共同下游调节效应分子[4刮;(5)Akt与Racl作用,进而抑制MLK3/JNK3信号∽钊(图1)。3.2PB刚A虹通路与永久性脑缺血PBK/Akt通路在永久性脑缺血中的作用的研究相对较少。大鼠永久性大脑中动脉闭塞(middlecerebralarteryocclusion,MCAO)后,缺血半暗带内P—Akt(Ser473)表达呈双相变化,缺血后0.5h显著下调,1.5~5h显著上调,9~24h再次下调,48h时基本恢复至基线;总的Akt表达逐渐下调直至损伤后48h;P-Akt(qhr308)始终无显著变化。同时,Akt下游磷酸化底物P—PDKl(Ser241)、P—PTEN(Ser380)、P-FKHR(Ser256)和P-GSK313(Ser9)含昔均迅速下降,除P-PDKl在缺血1.5h有一较小的高峰外,其余均为单相改变嵋7|。由此叮见,永久性脑缺血和缺血再灌注后的信号转导存在显著差异。P.Akt(Ser473)在缺血后立即短暂而显著下调,然后迅速应激性达高峰。此时若迅速再灌注,则Akt活化峰提前,且在3d内维持在高于正常的水平,拈抗激活的凋亡信号放大,即应激性P.Ala(Ser473)高峰参与了短暂性脑缺血耐受;若不能尽早实现再灌注(永久性脑缺血),因应激性P—Akt(Ser473)高峰本身是一个耗能过程,可加剧缺血半暗带的能量消耗。一方面,应激性Akt的Ser473磷酸化峰不能有效地进一步磷酸化其下游底物,实现其生物学功能;另一方面,数小时内其活性锐减至极低水平,出现大量细胞凋亡,缺血半暗带可逆性损伤逐渐向不可逆性损伤转变。这可能是缺血后48h时P—Akt(Ser473)基本恢复正常的原因,而不是半暗带对缺血性损伤产生了耐受。短暂性脑缺血再灌注后,PBK/Akt和JNK信号转导通路的交互作用是否也存在于永久性脑缺血时的缺血半暗带,值得继续探讨。4神经保护干预因素的作用机制与P13K/Akt信号转导通路研究表明,多种确切的神经保护干预因素机制均与PBK/Akt和JNK信号转导通路有关。雌激素与其细胞膜受体结合可激活PBK/Akt通路,一方面磷酸化Akt下游分子Bad、FKHR和Fl(脉I,1,上调P-Akt、P—Bad、P-FKHR和P-FKHRLI垦隧堕鱼暨痘苤壶垫!Q生!旦筮!!鲞笠!魍地』堡塑塑燮堕§,』迥Y垫!Q:№!:!§:垒坠:Z·557·的表达,增强Bad.14-3.3与P—n<脉I,1-14-3_3的相互作用;另一方面抑制MLK3一MKK4/7·JNKl/2通路活性,下调JNK通路下游核(Fas配体)及非核元件(P-JUN/P-Bcl-2),抑制细胞凋亡信号,促进细胞存活心8.30]。wu等¨61报道,原钒酸钠通过激活PBK/Akt信号通路,可上调脑内P—Akt、P—PTEN和P-ASKl(Ser93)的表达,下调P—ASKl(1bJr854)的表达,增强脑对缺血的耐受能力。胰岛素的神经保护机制,27,311也与上调PBK/Akt信号和抑制JNK通路信号有关。PBK/Akt信号转导通路还参与了血管内皮生长因子、亚硒酸盐、阿托伐他汀和丙泊酚等对各种缺血性脑损伤的作用机制‘1922-34]。另外,亚硒酸盐还可通过激活PBK/Akt通路负性调节ASKI/JNK通路信号,从而抑制短暂性脑缺血后的细胞凋亡-l引。动物实验表明,亚低温保护永久性MCAO模型大鼠¨’7o的机制与其抑制神经元对缺血性损害所致的应激反应,维持PBK/Akt转导通路信号的稳定(抑制早期PBK/Akt过度激活和后期过分抑制的双向调节),减轻P—Akt(Ser473)、P—PDKl、P—PTEN、P—FKHR和P-GSK3B等的变化,缩小脑梗死体积和改善最终的神经功能有关。而亚低温在缺血再灌注模型动物门51中的神经保护机制则为增强PBK/Akt转导通路的激活信号,从而促进细胞存活。5结语由于短暂性脑缺血和永久性腑缺血的细胞信号转导激活规律存在差异,神经保护措施的机制也有所小同。前者可通过单纯激活Akt信号转导通路、上调脑内P—Ak(Ser473)表达或抑制JNK转导通路信号来保护神经细胞;而永久性腑缺血时,抑制早期应激、维持PBK/Akt转导通路信号的稳定、双相调节P—Akt(Ser473)含量,维持其抑制细胞凋亡和促进细胞存活的生理功能,才能起到最大效应的神经保护作用。参考文献[1]吴伟,刘学伍.缺血性卒中的病理牛理研究进展.凌锋:脑血管病理论与实践2007.北京:人民I!生m版礼,2007:75.80.[2]Dior面evicS,DriscollPC.SmmlrAirai曰xintosubstratespecificityandre刚atorymecl-目nismsof#10s#oinositide3-kimses.TrendsBiodmnSci,2002,27:426-432.[3]钟显色,蒋明德.C.Jtm氨基末端激酶信号转导通路在细胞凋亡中的作用.第四军跃大学学报,2005,26:1533-1536.[4]KamadaH,NitoC,EndoH’eta1.BadCOB'de哂ngsignalingmoleculebetweenstrvivalPB—K/AktanddeathJNKinaftertmtsientfocalcerebralischemiainrats.JCerebBloodFlowMetab,2007,27:521-533.[5]WangX-I',PeiDs,XuJ,ela1.哪i唱effectsofBadpbosl妇,ryl撕on万方数据attwodistirlelsitesbyAktlaad肿(1/2ischen五cbrain硼try.伽Sigrd.2007.19:1844.1856.[6]FrebelKWieseS.Signallingmoleculesessentialforneuronalsurvi,日landdifferertiation.BiochemSocTr/wE.2006.34:1287一1290.7VanhaesebroeckB,LeeversSJ,A}ⅡT砌Kela1.Synthesisandflllelionof3-p|DspID州砷cdinositollipids.AnrllRevBiodlel地200l,70:535-602.8WardSG,Fi娜P.1soform-specificphosphoinositide3.kirlaseinhibitorstherapetnicages.CurrOpinPhmnac01.2003,3:426·434.9『Katso&OkkenhaugkAhmadiKeta1.Cellularfunctionof!chosphoinositide3-kinasa:implicationsfordevelopment,homeostasis,andc珊蹦.AinuRevCellDevBi01.2001.17:615-675.[10]BondevaT'PirolaL,Bulgarelli-LevaG,eta1.BifurcationoflipidandproteinkirlasesignalsofPBK'ytotheproteinkiilasO¥PKBandMAPK.Scienc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作者:作者单位:

何敏, 韩江全, 倪白云, 张险平, 李贞, 陈后勤, 张强, HE Min, HAN Jiang-quan, NI Bai-yun, ZHANG Xian-ping, LI Zhen, CHEN Hou-qin, ZHANG Qiang何敏,倪白云,张险平,李贞,陈后勤,张强,HE Min,NI Bai-yun,ZHANG Xian-ping,LI

Zhen,CHEN Hou-qin,ZHANG Qiang(芜湖市第一人民医院神经内科,241000), 韩江全,HANJiang-quan(遵义医学院第五附属医院神经内科,珠海,519100)国际脑血管病杂志

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