AMPK和mTOR信号传导的相互拮抗在缺血性脑损伤中的作用

AMPK和mTOR信号传导的相互拮抗在缺血性脑损伤中的作用
缺血性脑损伤的病理生理机制研究进展很快，近年来自噬在缺血性脑损伤中的作用逐渐受到重视，而通过对AMPK和mTOR信号传导的相互拮抗对自噬影响的研究，有望为缺血性脑损伤疾病提供一种新的治疗靶点。

本文就AMPK和mTOR信号传导的相互拮抗在缺血性脑损伤的作用加以简要综述。

1 缺血性脑损伤中的细胞凋亡和自噬性死亡
脑的耗氧量约为总耗氧量的20%，且相对周围组织对缺血缺氧的耐受性差，缺血缺氧4 min 即可造成神经元死亡，而其病理生理机制尚未完全阐明，可能涉及到继发于能量代谢障碍的酸中毒、氧自由基形成、钙超载、兴奋性氨基酸毒性作用[1]、炎症因子、细胞程序性死亡等方面。

大量的实验资料显示，脑卒中的病理变化主要是程序性的细胞死亡，其中包括细胞凋亡（Ⅰ型程序性细胞死亡）和自噬（Ⅱ型程序性细胞死亡）[2-3]。

1.1 细胞凋亡
细胞凋亡是由Caspases （半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶家族）为主体的蛋白水解过程，并由此而引起的细胞反应。

细胞凋亡可由内源性和外源性因素引起。

内源性因素使得细胞线粒体细胞色素C（cytochrome C）释放到细胞浆中，导致特征性的Caspase 9 的激活。

内质网应急（endoplasmic reticulum stress）引起的不规则（misfold）、无折叠（unfold）蛋白也可导致内源性的细胞凋亡，这一过程可能为急性脑缺血引起的病理反应[4-5]。

外源性因子通常需要与膜受体结合，通过信号传导激活特征性的Caspase 8或10。

无论外源性和内源性的因素，最终都要导致效应蛋白酶Caspase 3和7的激活[6]，水解一系列的特异性底物，以造成其结构改变、修复过程的失活、核小体间DNA的切割、吞噬吸收信号传递、线粒体通透性增加等一系列变化。

1.2 自噬性死亡
细胞的自噬性是合成和分解代谢平衡的过程[2]，是指细胞通过单层或双层膜包裹自身受损的细胞器和大分子物质形成自噬体，再转运到溶酶体形成自噬溶酶体降解利用过程。

它具有高度保守性，是真核细胞所特有的自我保护机制。

在正常情况下，这一过程维持在低水平；在营养缺乏、低氧状态下，它得到加强。

其降解的分子和细胞器可为细胞内提供能量和合成蛋白质的氨基酸，故被视为营养缺乏状态下的一种保护机制。

但是，持续性增强的自噬呈现特征性的细胞病理学变化，它与神经源性细胞死亡、急性脑损伤等病变有关。

因此，与细胞自噬相关联的死亡称作自噬性细胞死亡。

1.3 自噬对神经系统的作用
在一些慢性神经退行疾病中，自噬的激活对神经元具保护作用[7]；而在急性神经疾患如缺血缺氧性脑损伤，自噬加剧病变，造成脑细胞死亡。

Ness等[8]研究显示海马是对缺血打击最为脆弱的区域。

在缺血缺氧造成的海马区损伤的动物模型中，大约35%的椎体神经元表现为Caspase 3 染色阳性的细胞死亡，即凋亡，而其余的损伤为其它类型的死亡，主要为自噬性死亡[9-11]。

在急性脑缺血/缺氧的动物模型实验中，使用自噬抑制剂或用RNA干扰技术抑制自噬基因的表达，可以降低脑损害[9，12-15]。

2 能量代谢感应器AMPK和mTOR对自噬的调节作用
2.1 AMPK
磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated potein kinase，AMPK），是由催化亚基α亚基（α1、α2）、调节亚基β（β1、β2）和调节亚基γ（γ1、γ2、γ3）组成的异源三聚体蛋白激酶复合物[16]。

α亚基含有一个催化核心部位N端激酶结构域和C端结构域，后者第172位丝氨酸磷酸化位点可被AMPK上游激酶磷酸化。

β亚基起桥梁作用，主要是起连接α和γ亚基的作用。

γ亚基含有AMP和ATP结合位点。

在能量充足时，它与ATP结合，使三聚体的全酶处于封闭的抑制状态。

当机体内处于能量危机时，如缺血、缺氧、饥饿、运动、应激时，体内的ATP 水平下降或新合成的ATP不能补偿它的消耗，致使细胞内游离AMP水平或AMP/ATP比率升高，AMP结合在γ亚基上，引起全酶构像的改变，从而引起酶的激活。

同时，AMP的结合还可以抵制磷酸酶对AMPK的去磷酸化作用，保护酶不被失活。

AMP作为一种变构分子，只能引起3～5倍的酶活性增加，酶的完全激活需要上游酶对其催化中心位点第172位的苏氨酸（threonine 172）进行磷酸化。

近年来，学界对这些上游酶进行了深入的研究，其中，一致认同的酶包括LKB1/STK11和钙调素活化蛋白激酶之激酶（Calmodulin activated protein kinase kinase，CaMKK）。

LKB1/STK11为肿瘤抑制因子，它的失活突变可引起胃肠道的良性滤泡增生，并增加恶性化演变的风险。

另外，LKB1的失活突变在肺非小型细胞癌类的腺癌中较为常见，约为50%，还散在其它的癌症中。

因此，AMPK 作为LKB1的重要效應子，也被认为是抑癌基因，其主要功能是抑制细胞增长，引起细胞凋亡和自噬性死亡[17]。

AMPK通常被认为是一种应激反应酶，在能量缺乏或应急状况时，AMPK被激活，产生急性效应，抑制需要大量ATP的合成代谢，以节约能量，使之用于应付应急、维持生存的细胞行为；同时，AMPK 的激活可诱导细胞自噬[18-19]，降低细胞对外来营养物的依赖，启动消化自身结构物质的机制来获取能量。

另外，刺激脂肪酸的氧化，以产生更多的ATP，补充细胞代谢所需的能量，维持正常生命。

因此，在多数情况下，AMPK在应急时的激活，对细胞具有保护作用。

2.2 mTOR
雷帕霉素靶体（mammalian target of rapamycin，mTOR）是与AMPK相反的能量感应器[20]。

它在能量缺乏时被抑制，充足时被激活。

它处于生长因子和促合成代谢因子和激素的下游[21]，以胰岛素为例，在该激素与受体结合后，使后者的络氨酸蛋白激酶活化，磷酸化底物，底物上的磷酸化的络氨酸基团作为信号传导分子的停靠位点，将它们带到细胞的内膜，使之发挥功能。

比如，磷脂酰肌醇3磷酸激酶（PI3K）被转运到细胞膜，靠近它的底物磷脂酰肌醇4，5磷酸，使其在戊糖第三碳羟基位磷酸化，而后激活底物蛋白激酶PDK和Akt，后者再通过磷酸化mTOR的抑制蛋白TSC2（tuberous sclerosis complex，TSC2），使之失活。

TSC2和TSC1形成的复合物为一种GTPase酶的激活蛋白，它能提高Ras 家族蛋白Rheb（Ras homolog enriched in brain）的GTPase酶活性，使GTP水解成GDP，RhebGDP是无活性的形式。

因此，激活的Akt能增加RhebGTP的含量，而后者能参与mTOR的激活。

mTOR是蛋白复合物（mTORC1）中的核心酶。

复合物中的不同成分都可以被不同蛋白激酶磷酸化从而影响mTORC1的活性。

激活的mTORC1能直接或间接地参与蛋白质的磷酸化过程。

除了细胞外因子，mTORC1的激活还需要氨基酸的参与[22]。

mTOR被激活后参与细胞内的许多过程，如蛋白质合成、免疫调控、细胞生长、自噬、凋亡等过程。

因此它的调节异常与许多疾病有关[21，23]。

mTOR能通过不同的途经抑制自噬。

[24-25]2.3 AMPK和mTOR在自噬中的相反调节作用
在营养充足的情况下，ATP的合成增加，mTOR被激活，磷酸化一系列蛋白质底物，刺激细胞利用外来营养物，以保障蛋白质、脂肪的合成[20]。

mTOR 可以磷酸化自噬过程中的关键蛋白激酶Ulk1/2 和桥梁蛋白Atg13，从而抑制细胞自噬反应[19-20，26]。

相反，在能量缺乏或应激时，mTOR受到抑制，其机制主要是通过AMPK的激活[20]。

AMPK可通过三种途径来抑制mTOR：①AMPK 磷酸化并激活TSC2；②AMPK磷酸化联接蛋白Raptor，增加14-3-3蛋白的结合，从而阻碍Raptor与mTOR或mTOR与底物的结合；③AMPK可以通过直接磷酸化mTOR并导致AMPK自身磷酸化下降，这可能代表一种新的调节途径[27]。

此外，在应激状态下，AMPK还可以磷酸化Ulk1/2使之激活[19]，诱导细胞自噬。

并且，AMPK和mTOR对细胞自噬的相反调节作用从酵母到哺乳动物界存在高度保守[20，26]。

3 AMPK和mTOR信号传导相互拮抗在缺血性脑损伤中的作用
AMPK和mTOR在缺血性脑损伤中的作用与外周组织相反。

在外周组织如心脏缺血缺氧和细胞缺少葡萄糖时，AMPK的激活可降低代谢水平，使细胞得到保护，伴随而来的自噬对细胞也有保护作用，此时mTOR的抑制是AMPK的作用机制之一[20]。

如果mTOR得不到有效的抑制，过量的合成代谢消耗ATP 时，产生大量的AMP对细胞具毒性作用[28]。

另外，细胞内有限的ATP不能专用于急性期的生存活动。

再者，在外部供给危机时，如果mTOR持续抑制细胞自噬，导致通过自噬消化细胞内物质产生的能量供给缺乏，这些综合效应可导致细胞凋亡。

而在急性脑缺血时，AMPK和mTOR在不同的时向都会被激活，但对受损脑组织造成的后果与它们在外周组织的截然不同。

在敲除AMPK催化亚单位的alpha2异构体或用AMPK的化学抑制剂Compound C灌注脑主动脉时，脑缺血造成的损伤明显降低[29-33]，而在实验前短期使用metformin（抑制mTOR活性）会加剧脑损伤[29]。

与此相反，mTOR的激活对脑组织具有保护作用[34-35]。

一些对脑组织有保护性的因子如雌激素、褪黑激素在用于急性脑缺血时，能防止mTOR的失活，从而对脑细胞有保护作用[36-37]；抑制PTEN （PI3K的拮抗蛋白分子），能提高Akt/mTOR的活性，提高脑组织对急性缺血的耐受性[38]；敲除小鼠中mTOR的下游蛋白S6K或实验时使用mTOR的抑制剂Rapamycin，可加速脑组织的损伤[35]。

造成这种与外周组织不同作用的原因尚不清楚，可能與细胞对持续性的自噬的敏感度不同有关，脑细胞可能较为敏感，容易引起自噬性死亡。

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（
（本文編辑：何小军）
中华急诊医学杂志2012年12月第21卷第12期Chin J Emerg Med，November
2012，V ol.21，No.12 P1398-P1400。