不同修飾的Akt在阿爾茨海默病發(fā)病機制中的作用

王 卯宋軍營張振強*

(1.河南中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院,鄭州 450000;2.河南中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥科學院,鄭州 450046)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種慢性進行性神經(jīng)退行性疾病,占癡呆癥病例的70%～80%,以認知功能缺陷、行為異常和日常生活能力受損為其主要特征[1]。隨著人口老齡化加劇,目前全球約有4400萬人正在遭受AD困擾,預計到2050年,全世界癡呆癥患者將達到1.5億[2]。AD的病理學特征主要包括Aβ沉積形成的老年斑、tau蛋白異常磷酸化形成神經(jīng)纖維纏結以及神經(jīng)元-突觸損傷。盡管進行了30多年的深入研究,提出的可能的發(fā)病機制包括β淀粉樣蛋白級連假說、tau蛋白異常磷酸化學說、氧化應激學說、炎癥反應學說、自由基學說等[3-4],然而目前對于AD的發(fā)病機制仍尚未明確。近來研究發(fā)現(xiàn),人腦和動物模型的實驗研究一致表明,腦胰島素信號通路異?；蛞葝u素抵抗促進并加速認知功能障礙和AD的發(fā)生發(fā)展[5],參與胰島素信號通路的不同蛋白的表達變化在神經(jīng)變性和AD中起重要作用。Akt作為胰島素信號通路的關鍵靶點,在胰島素抵抗、調節(jié)細胞活性、促進細胞凋亡等方面發(fā)揮核心作用[6],因此,本文以Akt作為切入點,結合最新研究,綜述其不同的翻譯后修飾在AD發(fā)病的可能機制中的作用,以期為預防及治療阿爾茨海默病提供新的研究思路。

1 Akt磷酸化與AD

Akt,又稱為蛋白激酶B(protein kinase,PKB),30年前Stephen Staal從Akt8逆轉錄病毒的致癌細胞中獲得的致癌基因[7],作為一種57×103的絲氨酸-蘇氨酸(Ser/Thr)特異性蛋白激酶[8],其具有三種亞型,即Akt1、Akt2、Akt3[9]。其中Akt1主要分布在組織中,Akt2主要位于肌肉和脂肪細胞,而Akt3主要表達在腦細胞中[10]。Akt有兩個磷酸化調控修飾的活性位點Ser473和Thr308,分別位于催化結構域(pH結構域)和羧基末端調節(jié)結構域。磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide3-kinase,PI3K)的激活導致在質膜上產(chǎn)生第二信使磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate,PIP3),PIP3與細胞內(nèi)的Akt及3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphoinositide dependent kinase-1,PDK1)結合,使Akt轉移到細胞膜上,并且在PDK1的輔助下在Ser473和Thr308位點發(fā)生磷酸化,從而使其充分活化,活化后的Akt可通過其大量下游靶點促進細胞存活、增殖、生長及細胞代謝途徑的改變。Akt的下游主要有糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)、叉 頭 轉 錄 因 子(the forkhead box O,FoxO)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)三個經(jīng)典靶點,其中最重要的靶標Akt是糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)。

作為一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶的GSK-3,在許多細胞信號傳導過程中發(fā)揮作用[11]。它具有GSK-3α和GSK-3β兩種同工型[12],它們分別在其Ser21和Ser9位點磷酸化而失活。其中GSK-3β廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng),尤其是海馬區(qū),與記憶與認知密切相關。GSK-3β的失活可促進葡萄糖代謝,同時調節(jié)神經(jīng)細胞的代謝活性、轉錄因子等,有助于細胞發(fā)育以及神經(jīng)元細胞壽命的延長;相反,其激活將促進tau蛋白磷酸化和淀粉樣β斑沉積,促使小膠質細胞介導的神經(jīng)炎癥的發(fā)生,最終導致AD的發(fā)生發(fā)展。在AD中,Akt磷酸化減少、活性降低,削弱了下游GSK-3β的磷酸化失活,導致大量活化的GSK-3β存在,活化的GSK-3β使tau蛋白在Ser199、Tyr18、Thr231等處被磷酸化[13],磷酸化的tau蛋白錯位于樹突棘,這會在AD的早期誘導突觸功能障礙。反之,Akt的磷酸化會通過GSK-3β在Ser9磷酸化來抑制其活性,從而減少tau磷酸化。

FoxO家族轉錄因子由FoxO1、3、4、6組成,主要參與細胞凋亡、細胞周期組織、分解代謝和生長抑制以及組織特異性代謝變化[14],FoxO的不同亞型存在于大腦不同區(qū)域,調節(jié)神經(jīng)元存活、氧化應激、突觸傳遞和海馬體損傷,這些是與AD相關的主要病理學特征[15]。調節(jié)FoxO因子的核心是一個關閉系統(tǒng),它將FoxO因子限制在細胞核或細胞質中。磷酸化是FoxO因子有效地從細胞核轉移到細胞質的必備條件。在大多數(shù)情況下,FoxO6定位于細胞核內(nèi),而FoxO1和FoxO3被Akt激活后主要定位胞漿[16]。Akt磷酸化激活導致下游FoxO磷酸化,使其從細胞核轉移到細胞質,進而失去轉錄活性。Akt通過磷酸化抑制FoxO靶點的表達,從而抑制細胞凋亡,提高神經(jīng)元存活率,對神經(jīng)元起保護作用,減少AD的發(fā)生。Ryan等[17]研究發(fā)現(xiàn)FoxO3的磷酸化失活可改善小鼠認知功能;Cao等[18]研究發(fā)現(xiàn)下調FoxO3的表達可導致自噬抑制,從而減弱小膠質細胞介導的炎癥反應。而Webb等[19]研究發(fā)現(xiàn)FoxO可以促進AD中錯誤折疊的蛋白質的清除,提示其在神經(jīng)退行性變中發(fā)揮作用,表明FoxO可能存在多種途徑在AD的發(fā)病機制中發(fā)揮不同作用。

mTOR是細胞生長和增殖的重要調節(jié)因子。它由mTORC1和mTORC2兩個亞型組成。mTOR可被PI3K/Akt途徑激活,激活的mTOR可促進多種合成代謝過程,如蛋白質、脂質和核苷酸合成,同時抑制自噬的分解代謝過程。Akt的活化促進了mTOR磷酸化激活,進而導致tau在S214的磷酸化,tau的磷酸化增多是AD的病理學標志。據(jù)報道,中樞神經(jīng)系統(tǒng)中mTOR受損會導致葡萄糖代謝和能量生成受損,線粒體功能障礙、自噬、細胞存活失調等現(xiàn)象[20]。此外,PI3K/Akt/mTOR通路的過度激活還與AD中Aβ和tau的清除中斷、突觸丟失和認知功能下降有關。一方面,誘導PI3K/Akt/mTOR信號激活可促進神經(jīng)細胞的存活,并阻止導致神經(jīng)細胞死亡的過度自噬;另一方面,抑制mTORC1可能會刺激受損或有毒蛋白質的自噬,并通過上調AKT通路中的mTORC2活性來提高細胞存活率[21]。有許多研究表明受損的mTOR信號在AD發(fā)病機制中的作用[22],Li等[23]發(fā)現(xiàn)AD腦中磷酸化mTOR水平升高,并且與tau過度磷酸化呈正相關。Perluigi等[24]研究發(fā)現(xiàn)抑制mTOR活性可提高認知能力,延緩腦老化,并通過與葡萄糖代謝、自噬和線粒體功能相關的途徑抑制神經(jīng)退行性疾病的進展。然而PI3K/Akt/mTOR通路與自噬過程間的相互作用又充滿了復雜性,Lafay-Chebassier等[25]發(fā)現(xiàn)AD發(fā)病早期Aβ的出現(xiàn)阻斷了mTOR的磷酸化活性,增加了自噬過程,提示Aβ與mTOR下調之間可能存在正相關關系。這對PI3K/Akt/mTOR信號通路介導的AD的發(fā)生的不規(guī)律性作出了補充。

胰島素信號通路主要包括PI3K/Akt途徑和絲裂原激活的蛋白質激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)途徑。其中,PI3K/Akt途徑起主要作用,廣泛的參與細胞的存活、生長、增殖和蛋白質合成;而MAPK途徑則是以調節(jié)細胞分化為主[26-27]。研究發(fā)現(xiàn),PI3K/Akt途徑的活性減少將最終導致tau蛋白磷酸化增加以及淀粉樣β斑塊沉積增加,這是AD的兩個主要病理特征[28]。而PI3K/Akt途徑的激活可以改善AD的病理學特征[29]。此外,也有報道指出Akt基因過度表達可降低AD相關的tau蛋白過度磷酸化[30]。因此,具有磷酸化修飾Akt為主的PI3K/Akt途徑在AD的發(fā)病機制中有重要意義。

2 Akt乙酰化與AD

乙?；且环N可逆的翻譯后修飾,它不僅能中和氨基酸的正電荷,以不同的方式改變蛋白質的功能[31],還通過組蛋白乙酰轉移酶或組蛋白脫乙?；?histone deacetylases,HDACs)修飾核心組蛋白在基因表達調控中起著關鍵作用[32],控制組蛋白以外的許多蛋白質的活性,包括各種激酶[33],如Akt、Xklp2靶蛋白(targeting protein for xenopus kinesin-

like protein 2,TPX2)、目的細胞周期蛋白激酶6(cyclin-dependent kinases 6,CDK6)等[34]。研究發(fā)現(xiàn)Akt的pH域乙?；痆35],其乙酰化可抑制其磷酸化過程。Akt的激活過程需要Akt與PIP3結合,后者通過上游激酶PDK1促進Akt的膜定位和磷酸化。Akt和PDK1在其pH結構域的賴氨酸殘基處乙?；?導致它們與PIP3結合受到抑制。乙酰化阻斷了Akt和PDK1與PIP3的結合,從而阻止Akt的膜定位和磷酸化,最終使Akt活性下降。Ding等[36]研究發(fā)現(xiàn)Akt乙酰化抑制其磷酸化活性;Xu等[37]研究發(fā)現(xiàn)Akt在K14位點乙?；瘜DNA沉默和衰老有重要作用。作為第三類HDACs的沉默信息調節(jié)因子1(slient information regulator 1,SIRT1)可脫乙?；喾N蛋白底物[38],SIRT1的脫乙?；饔迷鰪娏薃kt和PDK1與PIP3的結合,并促進了它們的活化,進而提高胰島素敏感性,改變神經(jīng)內(nèi)分泌功能,刺激神經(jīng)發(fā)生和增強突觸可塑性,提高大腦抵抗認知衰退的能力。Cao等[39]檢測到AD患者大腦中SIRT1水平的下降,且與Aβ斑塊沉積具有負相關性;Gomes等[40]研究發(fā)現(xiàn)SIRT1的增多可通過抑制淀粉樣蛋白生成而改善AD;而Milne等[41]驗證了SIRT1激活劑治療以Akt信號缺陷為特征的代謝紊亂的有效性,進一步證實乙酰化作用通過作用于Akt,調節(jié)胰島素信號通路,對AD的治療新靶點有啟示作用。

3 Akt硫酸化與AD

硫化氫(H2S)是一種氣體遞質,可通過蛋白質的硫酸化激活細胞內(nèi)信號傳導途徑。研究發(fā)現(xiàn)促炎細胞因子IL-1β可以通過增加胱硫醚β-合酶的表達來誘導細胞內(nèi)H2S的水平,從而催化H2S的形成[42]。當來自H2S的硫附著到蛋白質的半胱氨酸殘基(-SH)并將其轉化為-SSH時,就會發(fā)生硫酸化修飾[43]。細胞內(nèi)H2S誘導使總Akt和磷酸化的Akt在C77處被硫酸化,從而抑制其磷酸化,導致GSK-3β不被磷酸化失活。大量活性的GSK-3β促使tau異常磷酸化,構成AD的主要病理學特征。一旦解除了Akt硫酸化,其與GSK-3β間的相互作用便得以恢復,GSK-3β磷酸化隨之恢復;隨著GSK-3β磷酸化的恢復,GSK-3β失活,tau磷酸化得到改善。Akt在炎癥條件下被硫酸化,這在所有的神經(jīng)退行性疾病中都存在,包括AD、帕金森氏癥、創(chuàng)傷性腦損傷和多發(fā)性硬化癥[44-45]。Mir等[46]發(fā)現(xiàn)H2S介導的硫酸化作用與神經(jīng)系統(tǒng)疾病和腦損傷相關的記憶障礙有關。Ji等[47]研究發(fā)現(xiàn)H2S可通過誘導PI3K/Akt途徑預防小鼠神經(jīng)構功能異常以及炎癥和氧化損傷導致的認知障礙。Sen等[48]在AD患者的死后大腦中檢測到硫酸化Akt,且進一步研究發(fā)現(xiàn)Akt的硫酸化主要導致AD的突觸功能障礙。然而,Shao等[49]研究發(fā)現(xiàn)H2S通過介導PI3K/Akt途徑抑制海馬神經(jīng)元凋亡并保護神經(jīng)元細胞。因此,Akt的硫酸化在AD的具體作用機制還需要進一步研究。

4 Akt的其他修飾與AD

Akt還存在其他的翻譯后修飾,包括泛素化、糖基化、甲基化、氧化等。Wei等[50]發(fā)現(xiàn)Akt的泛素化是其磷酸化激活的重要步驟,而去磷酸化可通過泛素-蛋白酶體途徑增加其泛素化水平,進而加速其自身降解。蛋白質泛素化在清除Aβ沉積[51]、降低tau磷酸化水平[52]方面都起到關鍵作用,但目前關于Akt泛素化對AD的影響還沒有明確報道。Wang等[53]認為抑制Akt糖基化水平將導致Akt磷酸化水平減少、活性降低,Akt/mTOR信號通路受阻,自噬作用增強。而自噬可改善AD小鼠模型的認知能力和病理學改變[54]。此外,Akt的甲基化可促進其激活[55],Akt的氧化在其質膜的募集和激活中發(fā)揮重要作用[56],但兩者在AD發(fā)病機制中的作用鮮有報道。因此,Akt不同的翻譯后修飾都可能從不同角度導致Akt激活或失活,進而影響下游靶蛋白,從而在AD的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用,其具體作用機制尚有待進一步研究。

5 總結與展望

許多研究揭示了Akt在調節(jié)細胞生長、能量利用、線粒體功能、自噬、氧化應激、突觸可塑性及認知功能等方面發(fā)揮重要作用,Akt翻譯后的不同修飾在調整其激活、失活、細胞定位等方面起不同作用,并通過影響Akt通路上下游因子發(fā)揮調節(jié)作用。但被不同翻譯后修飾的Akt如何與其上游及下游因子發(fā)揮作用的潛在機制尚待進一步研究。靶向Akt的不同翻譯后修飾為AD的發(fā)病機制及可能的治療策略提供了獨特的新思路。同時,Akt的不同翻譯后修飾的檢測也可以為其他相關的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病機制研究提供新的見解。