pi3-kak信號通路與細胞凋亡

pi3-kak信號通路與細胞凋亡

細胞死亡，也稱為全體性細胞死亡，是在某些生理和病理條件下由細胞有序、自發(fā)和非炎癥性細胞死亡的。細胞凋亡的發(fā)生為高度精密調(diào)節(jié)過程,涉及信號轉(zhuǎn)導、基因調(diào)控和凋亡效應(yīng)的執(zhí)行三個階段。信號轉(zhuǎn)導過程的激活、存活和死亡調(diào)控基因之間的啟動和平衡,決定細胞的存亡。信號轉(zhuǎn)導過程的激活是啟動細胞凋亡的必要前提。研究認為,腦缺血后與細胞凋亡有關(guān)的信號轉(zhuǎn)導通路主要有有絲分裂原蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)和磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide-3kinase,PI3-K)/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(serine/threoninekinase,Akt)信號通路。目前認為MAPK信號通路在細胞凋亡過程中有雙重的作用,而PI3-K/Akt信號通路是重要的細胞存活信號通路。多種神經(jīng)營養(yǎng)因子通過激活PI3-K/Akt信號通路抑制細胞凋亡,發(fā)揮腦保護作用。1pi3-k激活PI3-K是一種可使肌醇環(huán)第三位羥基磷酸化的磷脂酰肌醇激酶。PI3-K激活后可磷酸化細胞膜上的肌醇,生成磷脂酰肌醇-3-磷酸(PI-3P)、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)。后兩者通過與Akt的PH區(qū)結(jié)合,部分激活Akt,并使Akt轉(zhuǎn)位于細胞膜的內(nèi)表面。PI-3,4,5-P3可被5’磷酸酶轉(zhuǎn)化為PI-3,4-P2,激活位于細胞膜內(nèi)表面的磷脂酰激酶依賴激酶1(phosphatidylinositoldependentkinase,PDK1)和磷脂酰激酶依賴激酶2(PDK2),兩者又進一步激活Akt。Akt又名蛋白激酶B(PKB),為分子量大約為60kD的蛋白激酶。Akt能使絲氨酸/蘇氨酸(Ser/Thr)磷酸化,故又稱為絲氨酸/蘇氨酸激酶。Akt能介導多種生物學效應(yīng),是重要的抗凋亡調(diào)節(jié)因子。Akt的激活需要磷酸化蘇氨酸308和絲氨酸473位點的氨基酸殘基,而此過程依賴于PI3-K的磷脂產(chǎn)物PI-3,4-P2和PI-3,4,5-P3。研究發(fā)現(xiàn)PI3-K有多種下游效應(yīng)分子,而Akt被認為是PI3-K的直接的下游作用靶點。PI3-K被激活后生成的磷脂產(chǎn)物進一步激活Akt及其下游的信號的級聯(lián)反應(yīng),參與生長、發(fā)育、分化和細胞的存活,其中,PI3-K的細胞保護作用越來越引起人們的關(guān)注。PI3-K激活的Akt可以介導胰島素、多種生長因子、凝血酶等誘發(fā)的細胞生長,能經(jīng)多種途徑促進細胞存活。2akt促進nf-b磷酸化的作用機制近年來研究表明,Akt活化后能經(jīng)多種途徑促進細胞存活,其機制主要有:①通過直接或間接影響三個轉(zhuǎn)錄因子家族(Forkhead、CREB、NF-κB)發(fā)揮細胞存活調(diào)控作用。Forkhead族成員被Akt磷酸化后負調(diào)死亡促進信號,而CREB和NF-κB激活存活途徑。磷酸化Forkhead的家族轉(zhuǎn)錄因子能抑制其基因轉(zhuǎn)錄功能,降低Fas配體的表達,從而減少細胞死亡。Akt使NF-κB磷酸化后,激活它的轉(zhuǎn)錄功能,使促進細胞存活的Bcl-2家族成員表達增強,從而促進細胞存活。Akt同時能使NF-kB的抑制酶IkBa(IkappaBalpha)磷酸化,使NF-κB進入核內(nèi)調(diào)節(jié)抗凋亡基因的轉(zhuǎn)錄。②通過磷酸化Bcl-2家族成員Bad實現(xiàn)其促進生長的作用。Bad是否磷酸化關(guān)系到細胞的成活和死亡,是神經(jīng)存活因子控制神經(jīng)細胞凋亡的重要環(huán)節(jié)。Bad的功能受它的Ser-112和Ser-136位點磷酸化所調(diào)節(jié)。磷酸化的Bad能與伴侶蛋白(Chaperone)14-3-3蛋白相互作用,Bad-14-3-3結(jié)合物可釋放Bcl-2和/或Bcl-xl,發(fā)揮抗細胞凋亡效應(yīng)。Akt是強有力的Bad-Ser-136激酶,活化的Akt可以使Bad的Ser-136位點磷酸化,有效阻斷Bad誘導的細胞死亡。當用特異的PI3-K抑制劑wortmannin和LY294002處理后,Akt引起的Bad磷酸化受阻。③促使凋亡相關(guān)因子如半胱天冬酶caspase-3和caspase-9磷酸化而失活,抑制其促凋亡作用。④抑制糖原合成酶激酶-3(GSK3)活性,使GSK3失活而阻止凋亡發(fā)生。⑤防止線粒體釋放凋亡因子。線粒體可釋放細胞色素C及凋亡誘導因子,Akt可阻止其釋放從而起到防止細胞凋亡的作用。3心肌缺血患者p-akt信號通路參與誘導大鼠腦缺血近年研究表明,PI3-K/Akt信號通路與腦缺血損傷有關(guān)。1999年Kitagawa等首次發(fā)現(xiàn)了Akt在腦缺血時被激活。大鼠中動脈閉塞后3h和8h,在缺血灶周邊區(qū)的神經(jīng)元內(nèi)可測到磷酸化的Akt,缺血灶中心區(qū)僅有輕微表達,提示PI3-K/Akt信號通路參與了腦缺血的病理過程,且與腦缺血損傷程度有關(guān)。Ouyang等建立15min局灶腦缺血模型,Westernblot檢測發(fā)現(xiàn)缺血后24h海馬神經(jīng)元Akt-Ser-473位點磷酸化水平達高峰,36~48h后細胞色素C和Caspase-3表達才達高峰,其表達高峰存在時間前后順序,說明Akt可能參與抗細胞凋亡作用。Choi等用免疫組化方法觀察大鼠短暫前腦缺血后p-Akt在海馬星形膠質(zhì)細胞中表達情況,發(fā)現(xiàn)在缺血1d后即有p-Akt表達,其免疫反應(yīng)性可維持2周。Li等研究大鼠大腦中動脈閉塞90min后p-Akt與p-ERK在神經(jīng)元中的表達情況,免疫熒光方法結(jié)果顯示,對照組中有p-Akt陽性細胞的弱表達,而模型組在缺血再灌注后1~3h表達增加,1h為高峰,且缺血周圍區(qū)明顯多于缺血中央?yún)^(qū)。p-ERK單陽性細胞和p-Akt與p-ERK雙陽性細胞也在1h后達高峰。說明在缺血再灌注早期Akt與ERK信號通路都參與了腦缺血誘導的應(yīng)激反應(yīng),且該二者并非獨立發(fā)揮作用的。Jiang等通過體外細胞培養(yǎng),研究星形膠質(zhì)細胞在缺血條件下發(fā)生的細胞凋亡與p-Akt、p-ERK之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)TUNEL陽性細胞在缺血后6h開始出現(xiàn),12h增加,而p-Akt、p-ERK均在缺血后6~12h表達增多,說明p-Akt和p-ERK都與缺血誘導的細胞凋亡之間有很好的相關(guān)性。而Yano等研究認為Akt參與了缺血預適應(yīng)對腦缺血神經(jīng)元的保護作用,腦缺血的損傷程度的不同與Akt的激活程度有關(guān)。缺血預適應(yīng)可以保護嚴重缺血條件下的神經(jīng)細胞死亡。為了進一步研究其機理,Nakajima等使用免疫印跡和免疫組化方法,發(fā)現(xiàn)在缺血后1h,缺血預適應(yīng)組和對照組中Akt均被活化,但預適應(yīng)組中活化持續(xù)的時間延長,提示缺血預適應(yīng)使Akt持續(xù)活化在腦缺血耐受中起重要的作用。目前,Akt被作為通過信號通路治療腦缺血的分子靶點,進行了大量的藥物干預性研究。Kawano等在沙鼠局灶腦缺血后,經(jīng)腦室內(nèi)注射胰島素生長因子-1(IGF-1),發(fā)現(xiàn)IGF-1能阻斷Akt-473磷酸化水平的降解,減少細胞凋亡。Crowder等經(jīng)體外細胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),經(jīng)神經(jīng)生長因子(NGF)處理的神經(jīng)細胞能活化內(nèi)源性Akt蛋白激酶,而特異的PI3-K激酶抑制劑LY294002和wortmannin能阻斷NGF誘導的交感神經(jīng)元的存活。說明PI3-K/Akt信號通路在NGF誘導的交感神經(jīng)元的存活中有重要的作用。正釩酸鹽(orthovanadate)是一種胰島素樣作用擬似劑,能競爭性抑制酪氨酸磷酸酶,活化Akt和ERK。Hasegawa等在大鼠大腦中動脈閉塞后經(jīng)腹腔給予正釩酸鹽,發(fā)現(xiàn)Akt和ERK的活性能維持至第28天,且在皮質(zhì)的作用較缺血中央?yún)^(qū)明顯。說明正釩酸鹽能通過Akt和ERK參與腦缺血損傷的神經(jīng)保護作用。雌二醇可以通過抑制死亡信號,促進存活信號活化,阻止神經(jīng)細胞死亡。Won等為研究雌二醇神經(jīng)保護作用的機理,他們將切除卵巢的成年雌鼠經(jīng)雌二醇預處理后,行大腦中動脈閉塞術(shù),24h后進行TUNEL染色和Akt-Ser-473位點磷酸化的免疫印跡分析,結(jié)果顯示,雌二醇阻止了p-Akt的減少,說明雌二醇通過調(diào)節(jié)Akt的磷酸化水平發(fā)揮其神經(jīng)保護作用。4用gat為療法，抗腦缺血誘導的肝細胞壞死4.1內(nèi)源性igf-1系統(tǒng)神經(jīng)營養(yǎng)因子是一類對神經(jīng)元存活、生長有維持作用的多肽類生長因子,包括腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、轉(zhuǎn)化神經(jīng)營養(yǎng)因子(TGF)、IGF-1等20多種。這些神經(jīng)營養(yǎng)因子不僅在生理條件下能維持神經(jīng)細胞的生長、發(fā)育,而且在神經(jīng)細胞受損時能保護其存活,促進其生長。神經(jīng)營養(yǎng)因子大多能以AKT為作用靶點,發(fā)揮腦保護作用。IGF-1能作用于酪氨酸受體,激活酪氨酸激酶,啟動細胞存活信號,阻止神經(jīng)細胞凋亡。正常腦組織中有IGF-1及其受體的表達。Hwang等研究發(fā)現(xiàn)腦缺血缺氧損傷后,內(nèi)源性IGF-1系統(tǒng)表達上調(diào),提示IGF-1作為一種內(nèi)源性保護因子參與腦缺血后的病理變化過程。Kawano等研究沙鼠局灶腦缺血后IGF-1抗細胞凋亡的機制,經(jīng)腦室內(nèi)注射50ugIGF-1后,發(fā)現(xiàn)AKT磷酸化增加。且發(fā)現(xiàn)IGF-1可阻斷腦缺血后MAPK活性的短暫降低,提示IGF-1的神經(jīng)保護作用是通過同時激活Akt和MAPK信號通路進行的。Zhu等研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化神經(jīng)營養(yǎng)因子β2(TGFβ2)能使P65/NF-κB進入細胞核內(nèi),使其轉(zhuǎn)錄活性增加,達到抗細胞凋亡的作用。而使用特異的PI3K/Akt抑制劑wortmannin和MAPK抑制劑U0126能阻斷TGFβ2誘導的NF-kB活性增加,提示TGFβ2也是通過同時激活Akt和MAPK兩條信號通路起作用的。Saito等認為NGF也能以AKT為作用靶點對腦缺血損傷起保護作用?？傊?神經(jīng)營養(yǎng)因子是PI3K/Akt信號通路的主要激活劑,在腦缺血損傷的神經(jīng)保護作用中有重要意義。4.2正釩酸鹽系統(tǒng)的性質(zhì)正釩酸鹽是蛋白酪氨酸磷酸酶的競爭性抑制劑,其特性類似胰島素,是PI3K/Akt和ERK信號通路的活化劑。Kawano等在沙鼠前腦缺血后經(jīng)側(cè)腦室給正釩酸鹽,發(fā)現(xiàn)15min后Akt-473磷酸化水平增加并轉(zhuǎn)入細胞核內(nèi),阻止了細胞凋亡。而缺血前以特異的MAPK抑制劑U0126預處理,則完全抑制了正釩酸鹽誘導的神經(jīng)保護作用,提示正釩酸鹽是同時通過PI3K/Akt和MAPK信號通路發(fā)揮神經(jīng)保護作用的。而正釩酸鹽的下游作用機制還不是很清楚。有研究顯示,腦缺血后FKHR脫磷酸化與Akt活性下降密切相關(guān)。FKHR在Ser-256位點的磷酸化在再灌注后立即減少,而腦室內(nèi)給正釩酸鹽后,能阻止其脫磷酸化,防止了遲發(fā)性神經(jīng)細胞死亡。再灌注后2d,Fas配體表達增高,給予正釩酸鹽后,可完全消除FKHR脫磷酸化,抑制Fas配體表達。認為正釩酸鹽是阻止Akt失活發(fā)揮腦缺血神經(jīng)保護的潛在的藥物。4.3碳酸鋰對nmda受體的誘導碳酸鋰主要是用來治療躁狂抑郁癥的藥物,已知碳酸鋰能抑制谷氨酸誘導的興奮性毒性損傷和抑制神經(jīng)細胞凋亡。Ma等使用四血管結(jié)扎腦缺血模型研究碳酸鋰對腦缺血損傷的神經(jīng)保護作用,發(fā)現(xiàn)碳酸鋰能夠下調(diào)NMDA受體誘導的興奮性毒性損傷,減少細胞凋亡。它的神經(jīng)保護機理可能與NMDA受體失活、凋亡蛋白p53、Bax表達減少以及Bcl-2表達增多有關(guān)。碳酸鋰也能通過抑制糖原合成酶GSK-3,活化Akt,發(fā)揮抗神經(jīng)細胞凋亡的作用。4.4epo的免疫調(diào)節(jié)作用已有研究表明腦內(nèi)有EPO和它的受體表達。EPO除了有造血功能外,還對腦缺血缺氧損傷有神經(jīng)保護作用。研究證實經(jīng)外周給予EPO也能減少腦梗死的體積。Kili等研究發(fā)現(xiàn)EPO減少缺血缺氧性損傷的機制與其活化JAK-2、ERK和PI3-K/AKT信號途徑,發(fā)揮的抗氧化損傷、抗細胞凋亡作用有關(guān)。EPO受體活化亦能阻止NMDA受體、氮氧合酶系統(tǒng)以及NF-κB誘導的神經(jīng)細胞凋亡。5pi3k/akt信號通路細胞凋亡是腦缺血后細胞程序性死亡的重要形式。信號轉(zhuǎn)導