舒 怡(综述)，张 洪，章军建(审校)

(武汉大学中南医院神经科，武汉大学第二临床学院神经精神病学教研室，武汉430071)

磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt)信号通路广泛存在于各种神经细胞中，是膜受体信号向细胞内转导的重要途径，除具有调节细胞增殖、分化、代谢、抗细胞凋亡等细胞生物学作用外，还能调节学习记忆能力——神经系统高级认知功能之一。在神经系统疾病，如脑血管疾病、神经变性疾病、脱髓鞘疾病、运动障碍性疾病、癫痫和肌肉疾病中，PI3K/Akt信号通路的作用逐渐引起学者重视，目前多用于探讨发病机制、寻找诊断标记和研发治疗药物的研究。现就近年来有关PI3K/Akt信号通路在神经系统疾病中的研究进行综述。

1 PI3K/Akt信号通路及作用

1.1 PI3K/Akt信号通路的特性 PI3K/Akt信号通路主要由PI3K和Akt分子及其下游分子组成。PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，特异使肌醇环上的3'位羟基磷酸化。其产物为有磷酸根的多磷酸肌醇脂(phosphoinositide phosphate，PIP)，为质膜上的第二信使。正常情况下，在细胞内含量很少，在生长因子刺激下剧增。Akt是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，称之“蛋白激酶B”，在Akt病毒中被确定，被描述为一种反转录病毒癌基因［1］。Akt拥有多个下游靶点分子，调节细胞代谢和存活［2］。

PI3K的催化亚基在质膜内面催化磷脂酰肌醇磷酸化，产物为3，4-二磷酸磷脂酰肌醇和 3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇。3，4-二磷酸磷脂酰肌醇和3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇进而顺次激活Akt、血清糖皮质激素诱导激酶、核糖体S6激酶、非典型蛋白激酶C等多种丝氨酸-苏氨酸激酶［3］。Akt在非激活态时位于细胞质内。当 PI3K激活产生 3，4-二磷酸磷脂酰肌醇和3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇后，Akt的血小板-白细胞C激酶同源区域与PI3K的磷脂产物相互作用导致Akt在质膜内面聚集，Akt与磷酸肌醇依赖的蛋白激酶1聚集在磷脂双分子层内。磷酸化Akt不同位点，可以产生不同的作用，磷酸化Ser473激活Akt对突触可塑性的作用机制具有调节作用［4］。

1.2 PI3K/Akt通路的作用

1.2.1 细胞保护作用 PI3K/Akt通路可在很大范围内对神经细胞凋亡进行调节，对于神经细胞的存活有着特殊的重要性。营养因子促进神经细胞存活的作用不仅通过细胞胞体内PI3K/Akt通路，而且还通过神经细胞轴突远端与另一个神经细胞树突的相互作用，使轴突远端PI3K/Akt对另一个细胞的存活产生影响［5］。PI3K在发育中的中枢神经系统和成年脑不同区域的表达水平不同。Akt的底物包括去活化的前凋亡调节蛋白和活化的抗凋亡蛋白。PI3K/Akt通路不仅通过转录来调节细胞的生存和死亡，也直接参与调节细胞凋亡。

1.2.2 调节细胞代谢 PI3K/Akt通过调节葡萄糖转运体4y和1的吸收、表达和流动，调节细胞代谢。Akt增加易位到胞膜上的葡萄糖转运体4数目，增强葡萄糖转运;也通过胰岛素样生长因子1、白细胞介素3等因子激活TrKR后通过其信号通路影响葡萄糖代谢。PI3K/Akt表达增加可以避免由于营养因子撤退所引发的细胞改变，并通过增加葡萄糖和羟乙酸氧化酶体来保持细胞生物能量，避免影响细胞代谢和线粒体渗透压。因此，葡萄糖代谢、羟乙酸氧化酶体和线粒体功能的正常是生长因子和PI3K/Akt通路行使正常神经细胞保护功能所必需的［2］。

1.2.3 调节学习记忆 PI3K/Akt通路与突触可塑性、学习和记忆有关。目前公认的cAMP/蛋白激酶A/促分裂素原活化蛋白激酶/cAMP反应元件结合蛋白1通路参与新蛋白质的合成。除了cAMP蛋白激酶A通路外，PI3K/Akt是另一通路。利用PI3K特异的抑制剂LY294002注入大鼠脑室研究大鼠的学习记忆能力发现单个强直刺激下长时程增强恢复基线的时间缩短，不能维持有效的长时程增强。在此过程中是通过特异的磷酸化Akt Ser473位点产生作用。Akt下游部分，如与细胞生存有关的横纹肌肉瘤相关的果蝇叉头框同源蛋白1和蛋白质合成有关的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白参与其中［4］。抑制PI3K/Akt通路可阻止Aβ的聚合，进而阻断Aβ诱导的记忆缺失［6］。

2 脑梗死

Schäbitz等［7］在研究内源性神经保护剂时发现粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子具有抗细胞凋亡作用，单纯大脑中动脉闭塞和大脑中动脉闭塞联合颈总动脉或者大脑中动脉闭塞远端结扎后1 h给予粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子，Bcl-2、Bcl-xL、磷酸化信号转导和转录激活因子3、磷酸化信号转导和转录激活因子3、磷酸化细胞外信号调节蛋白激酶、磷酸化Akt表达均升高。研究者认为在神经元内被粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子激活的多种途径里，PI3K/Akt信号通路是作用最强、争议最少的抗凋亡途径。外源性雌激素对急性全脑缺血模型的神经元保护作用的研究中，Jover-Mengual等［8］发现，全脑缺血后立即脑室内注射外源性雌激素，可以通过激活PI3K/Akt通路磷酸化下游分子糖原合成酶激酶3β和FOXO3A(叉头蛋白O3A)，抑制caspase-3活性，发挥抗细胞凋亡作用，保护海马CA1区神经元不受损害。

Shehadah等［9］利用烟酸的成分烟酸缓释片研究大脑中动脉闭塞模型的神经保护作用，发现烟酸缓释片40 mg/kg剂量组的大鼠肿瘤坏死因子α、血管内皮生长因子、p-PI3K、p-Akt等各指标免疫组化结果均有升高，采用末端脱氧核苷酸转移酶介导的三磷酸脱氧尿苷缺口末端标记技术和cleaved caspase-3检测显示神经元凋亡减少，认为烟酸缓释片的神经保护作用是通过血管内皮生长因子作用于PI3K/Akt通路实现的。抑制Akt1磷酸化则消除了烟酰胺对海马神经元的神经保护作用［10］。

3 阿尔茨海默病

利用人SH-SY5Y细胞研究促红细胞生成素阻碍tau蛋白过度磷酸化的机制中发现，Aβ25～35可通过糖原合成酶激酶 3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)过度磷酸化tau的特异位点抑制PI3K/Akt-GSK-3β信号通路［11］。早老素1基因是家族性阿尔茨海默病的病因之一，是γ-分泌酶的催化核心。早老素1基因参与激活PI3K/Akt信号通路，并作为GSK-3β的作用底物抑制GSK-3β酶活性。阿尔茨海默病发生时PI3K/Akt信号通路是被抑制的，Aoyagi等［12］通过采用PI3K抑制剂LY294002和Akt抑制剂Ⅳ作用于美国癌症研究所胚胎小鼠初级大脑皮质神经细胞，发现γ-分泌酶的各种组成成分都有增加。在阿尔茨海默病患者中胰岛素的信号转导通路作用下调。胰岛素和胰岛素样生长因子1信号转导是通过PI3K/Akt通路向细胞内传递的，对于神经细胞和肌肉细胞的代谢和生存是非常重要的。在研究胰岛素/PI3K/Akt级联反应及细胞内Aβ对该通路的影响时，用免疫组化的方法第一次观察到在阿尔茨海默病尸检标本中额叶和颞叶的磷酸化Akt的浓度和活性减少，利用免疫沉淀技术观察到磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶和Akt之间的相互作用程度降低［13］。

4 帕金森病

咖啡因能够降低发生帕金森病的风险。Nakaso等［14］认为咖啡因对帕金森病细胞模型具有神经保护作用，而且这种作用是通过激活PI3K/Akt通路实现的。咖啡因呈剂量依赖抑制多种毒素诱导的细胞凋亡，降低caspase-3活性，并减少凋亡浓聚的核碎片的数量;给予咖啡因60 min后Akt发生呈剂量依赖性的磷酸化，PI3K抑制剂可抵消咖啡因的细胞保护作用。研究发现促红细胞生成素的抗凋亡作用是通过PI3K/Akt/GSK-3β/caspase-3信号通路实现的，而这种保护作用可以被PI3K抑制剂LY294002和GSK-3β抑制剂氯化锂抵消［15］。

Maeda等［16］发现神经小胶质细胞通过蛋白酶活化受体1/PI3K/Akt通路产生并分泌纤溶酶原/纤溶酶，调节神经营养因子转化生长因子β3的产生和分泌，对星形胶质细胞有神经营养作用，表明蛋白酶活化受体1/PI3K/Akt信号级联通路参与调节神经细胞营养因子的产生和释放。纤溶酶原能提高神经元的迁移，促进轴突在体外皮质向外生长，能够增强中脑多巴胺能神经元的幸存和成熟，促进星形胶质细胞增殖，并能够调节海马神经元细胞内的Ca2+水平。Arboleda等［2］发现 Parkin蛋白通过泛素化、TrkR 的细胞内吞速率及对生长激素的反应间接调节PI3K/Akt通路。帕金森病中Parkin蛋白的突变缺失功能可能影响生存通路，并对神经元变性产生易感性。

5 运动神经元病

运动神经元病是一组以上、下运动神经元改变为突出表现的慢性进行性神经系统变性疾病。发病原因可能与氧化应激、谷氨酸诱导的兴奋毒性、蛋白质降解机制损害、线粒体膜改变、呼吸链酶受损和炎性反应等有关［17］。利用腺病毒载体编码突变超氧化物歧化酶即G93A-超氧化物歧化酶1，建立转基因鼠肌萎缩性侧索硬化症体外模型使小鼠过度表达突变基因G93A-超氧化物歧化酶1。Lunn等［18］发现转染后的细胞发生轴索变性并激活caspase-3引发细胞凋亡的信号转导途径。若在运动神经元培养基中加入血管内皮生长因子，可以减轻G93A-超氧化物歧化酶1的毒性作用并通过PI3K/Akt通路增强血管内皮生长因子的神经保护作用。

6 多发性硬化

多发性硬化是一种以中枢神经系统白质脱髓鞘为主要病理特点的自身免疫性疾病。多在成年早期发病，女性多于男性。目前对于该病的确切病因和发病机制研究较多，但对于早期白质脱髓鞘斑块的形成目前尚不清楚。研究多发性硬化尸检大脑中正常白质组织的基因表达，采用微阵列方法发现PI3K/Akt信号通路有助于脑内内环境稳定和神经保护，下游分子缺氧诱导因子α和血管内皮生长因子受体基因表达上调，促进蛋白转录，加速血管再生，表明多发性硬化病变发生时经PI3K/Akt通路信号转导，缺血预处理参与细胞保护，抵抗氧化应激，为进一步研究特异性神经保护剂提出实验证据［19］。

7 癫痫

重组人红细胞生成素对大鼠癫痫持续状态诱导的神经元凋亡具有保护作用，而这种保护作用是通过PI3K/Akt通路实现的。大鼠在癫痫持续状态下海马神经元凋亡明显。红细胞生成素发挥神经保护作用，其机制可能是通过PI3K/Akt通路调控caspase-9和X-连锁凋亡抑制蛋白，进而介导线粒体凋亡［20］。同样，二氮嗪预处理对癫痫大鼠的抗氧化作用也与PI3K/Akt通路有关［21］。

8 多系统萎缩

在多系统萎缩的一些形态学特征就是少突胶质细胞凋亡。大量的证据表明，PI3K与细胞凋亡的调控密切相关［14］。免疫组化检测多系统萎缩的尸检样本的小脑和脑桥PI3K的变化，发现对照组PI3K阳性出现在一些神经元和少突胶质细胞数中，但多数PI3K阳性少突胶质细胞出现于脑桥和小脑。此外，一些多系统萎缩样本神经元出现强烈PI3K标记。研究结果表明，在多系统萎缩少突胶质细胞中PI3K的上调可能和某些神经元应对细胞凋亡信号有关［22］。

9 亨廷顿病

基因表达的失调是亨廷顿病所涉及的病理生理机制之一。通过检测突变亨廷顿调节PH域和亮氨酸丰富重复蛋白磷酸酶1(PH domain and leucine rich repeat protein phosphatase，PHLPP1)，也就是去磷酸化Akt(Ser473)蛋白的磷酸酶。研究结果表明，剔除小鼠模型纹状体PHLPP1蛋白水平下降［23］。定量聚合酶链反应分析表明，纹状体PHLPP1 mRNA水平减少，磷酸化Akt(Ser473)水平增加。结果表明，突变亨廷顿纹状体PHLPP1表达下调有助于维持高水平的Akt，延缓细胞死亡。

10 进行性肌营养不良症

骨骼肌PI3K激酶通路的激活可诱导肌肉肥大。胰岛素样生长因子1诱导肌肉主要是通过激活PI3K/Akt信号通路实现的［24］。杜氏肌营养不良症是一种致命的神经肌肉疾病，目前还没有有效的治疗方法。研究发现丙戊酸(丙戊酸钠)可通过激活肌管Akt/mTOR/p70S6K途径，抑制细胞凋亡，提高整合素7水平，导致肌肉肥厚［25］。丙戊酸钠治疗可降低胶原蛋白水平和肝纤维化，减少后肢挛缩。丙戊酸钠治疗的小鼠出现细胞膜的完整性增加和损害减少，CD8阳性炎性细胞减少，肌肉中激活Akt水平增高。因此，丙戊酸钠具有重要的生物学效应，可能适用于肌肉营养不良的治疗。

11 小结

PI3K/Akt在不同的细胞与蛋白质中发生级联反应，产生不同的生理作用或病理作用，导致疾病发生。深入研究PI3K/Akt信号转导通路在神经系统疾病中的关键调节步骤，将有助于阐明脑血管疾病、神经变性疾病、脱髓鞘疾病、运动障碍性疾病、癫痫和肌肉疾病等的发病机制，对寻找新的治疗手段、探索新的诊断方法(如生物学标记、基因诊断)至关重要。

［1］Staal SP.Molecular cloning of the akt oncogene and its human homologues AKT1 and AKT2:amplif l cation of AKT1 in a primary human gastric adenocarcinoma［J］.PNAS，1987，84(14):5034-5037.

［2］Arboleda G，Morales LC，Benítez B，et al.Regulation of ceramideinduced neuronal death:cell metabolism meets neurodegeneration［J］.Brain Res Rev，2009，59(2):333-346.

［3］Brunet A，Datta SR，Greenberg ME.Transcription-dependent andindependent control of neuronal survival by the PI3K-Akt signaling pathway［J］.Curr Opin Neurobiol，2001，11(3):297-305.

［4］Horwood JM，Dufour F，Laroche S，et al.Signalling mechanisms mediated by the phosphoinositide 3-kinase/Akt cascade in synaptic plasticity and memory in the rat［J］.Eur J Neurosci，2006，23(12):3375-3384.

［5］Aberg ND，Brywe KG，Isgaard J.Aspects of growth hormone and insulin-like growth factor-I related to neuroprotection regeneration and functional plasticity in the adult brain［J］.Scientific World J，2008，6:53-80.

［6］Chiang HC，Wang L，Xie Z，et al.PI3 kinase signaling is involved in Aβ-induced memory loss in Drosophila［J］.PNAS，2010，107(15):7060-7065.

［7］Schäbitz WR，Krüger C，Pitzer C，et al.A neuroprotective function for the hematopoietic protein granulocyte-macrophage colony stimulating factor(GM-CSF)［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2008，28(1):29-43.

［8］Jover-Mengual T，Miyawaki T，Latuszeka A，et al.Acute estradiol protects CA1 neurons from ischemia-induced apoptotic cell death via the PI3K/Akt pathway［J］.Brain Res，2010，19(1321):1-12.

［9］Shehadah A，Chen J，Zacharek A，et al.Niaspan treatment induces neuroprotection after stroke［J］.Neurobiol Dis，2010，40(1):277-283.

［10］Chong ZZ，Lin SH，Maiese K，et al.The NAD+precursor nicotinamide governs neuronal survivalduring oxidative stress through protein kinase B coupled to FOXO3a and mitochondrial membrane potential［J］.J Cereb Blood Flow Metab，2004，24(7):728-743.

［11］Sun ZK，Yang HQ，Pan J，et al.Protective effects of erythropoietin on tau phosphorylation induced by beta-amyloid［J］.J Neurosci Res，2008，86(13):3018-3027.

［12］Aoyagi N，Uemura K，Kuzuya A，et al.PI3K inhibition causes the accumulation of ubiquitinated presenilin 1 without affecting the proteasome activity［J］.Biochem Biophys Res Commun，2010，391(2):1240-1245.

［13］Lee HK，Kumar P，Fu Q，et al.The insulin/Akt signaling pathway is targeted by intracellular beta-amyloid［J］.Mol Biol Cell，2009，20(5):1533-1544.

［14］Nakaso K，Ito S，Nakashima K.Caffeine activates the PI3K/Akt pathway and prevents apoptotic cell death in a Parkinson's disease model of SH-SY5Y cells［J］.Neurosci Lett，2008，432(2):146-150.

［15］Wu Y，Shang Y，Sun S，et al.Erythropoietin prevents PC12 cells from 1-methyl-4-phenylpyridinium ion-induced apoptosis via the Akt/GSK-3β/caspase-3 mediated signaling pathway［J］.Apoptosis，2007，12(8):1365-1375.

［16］Maeda S，Nakajima K，Tohyama Y，et al.Characteristic response of astrocytes to plasminogen/plasmin to upregulate transforming growth factor beta 3(TGFβ3)production/secretion through proteinase-activated receptor-1(PAR-1)and the downstream phosphatidylinositol 3-kinase(PI3K)-Akt/PKB signaling cascade［J］.Brain Res，2009，11(1305):1-13.

［17］Peviani M，Cheroni C，Troglio F，et al.Lack of changes in the PI3K/AKT survival pathway in the spinal cord motor neurons of a mouse model of familial amyotrophic lateral sclerosis［J］.Mol Cell Neurosci，2007，34(4):592-602.

［18］Lunn JS，Sakowski SA，Kim B，et al.Vascular endothelial growth factor prevents G93A-SOD1-induced motor neuron degeneration［J］.Dev Neurobiol，2009，69(13):871-884.

［19］Graumann U，Reynolds R，Steck AJ.Molecular changes in normal appearing white matter in multiple sclerosis are characteristic of neuroprotective mechanisms against hypoxic insult［J］.Brain Pathol，2003，13(4):554-573.

［20］Nadam J，Navarro F，Sanchez P，et al.Neuroprotective effects of erythropoietin in the rat hippocampus after pilocarpine-induced status epilepticus［J］.Neurobiol Dis，2007，25(2):412-426.

［21］Xue Y，Xie N，Cao L，et al.Diazoxide preconditioning against seizure-induced oxidative injury is via the PI3K/Akt pathway in epileptic rat［J］.Neurosci Lett，2011.［Epub ahead of print］

［22］Nakamura S，Kawamoto Y，Kitajima K，et al.Immunohistochemical localization of phosphoinositide 3-kinase in brains with multiple system atrophy［J］.Clin Neuropathol，2001，20(6):243-247.

［23］Saavedra A，García-Martínez JM，Xifró X，et al.PH domain leucine-rich repeat protein phosphatase 1 contributes to maintain the activation of the PI3K/Akt pro-survival pathway in Huntington's disease striatum［J］.Cell Death Differ，2010，17(2):324-335.

［24］Glass DJ.PI3kinase regulation of skeletal muscle hypertrophy and atrophy［J］.Curr Top Microbiol Immunol，2010，346:267-278.

［25］Gurpur PB，Liu J，Burkin DJ，et al.Valproic acid activates the PI3K/Akt/mTOR pathway in muscle and ameliorates pathology in a mouse model of Duchenne muscular dystrophy［J］.Am J Pathol，2009，174(3):999-1008.