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细胞生长中IGF/PI3K/AKT/mTOR（p70S6K）信号通路与肌萎缩的关系作者：马景亮 陈彩珍 卢 健 作者单位：华东师范大学体育与健康学院，上海 【关键词】 骨骼肌；肥大；肌萎缩；信号转导 肌肉质量及功能的维持需要蛋白合成与蛋白降解之间保持平衡，涉及到合成代谢与分解代谢之间保持适当的比例。肌萎缩在许多不同的条件下发生，在肌肥大过程中胰岛素样生长因子（IGF）/磷酸肌醇三激酶（PI3K）/苏氨酸激酶（AKT）/雷帕霉素靶蛋白（mTOR）（p70S6K）通路被激活，同时，能抑制转录起始因子（eIF2B）的糖原合成激酶3（GSK3）被抑制，及FOXO（Forkhead蛋白分子亚家族之一）的核排斥，使得骨骼肌环指蛋白（MuRF1）和肌内萎缩Fbox（atrogin/MAFbx）失活，从而引起蛋白合成的增加；而在肌萎缩过程中，FOXO被AKT磷酸化后便被排斥到细胞核外，若去磷酸化便移位至细胞核内，其去磷酸化和核移位是MuRF1和MAFbx上调所必需的，MuRF1和MAFbx能编码E3泛素连接酶，增加蛋白的降解，进而引起肌萎缩。此外，促细胞因子白介素（IL）、肿瘤坏死因子（TNF）、2肾上腺素受体对骨骼肌细胞的增殖与分化也能产生不同的影响。了解这些机制及这些机制之间的相互作用非常重要，因为严重的肌肉质量下降及功能的丧失可能会增加病人的死亡率。 1 生长激素（GH）和胰岛素样生长因子（IGF） GH与IGF的合成能力在许多伴有肌萎缩症状的疾病中占有重要的位置。在离体实验中胰岛素通过诱导肌原细胞的分化、融合形成具有多核肌管的途径促进骨骼肌的形成。Brunetti1等通过放射跟踪法发现在肌原细胞分化成肌管的过程中胰岛素受体的数量提高了510倍。与IGF效果相似，在离体实验中，补给胰岛素能诱导肌管内肌核扩增从而引起肌管的显著性肥大2。与肌原细胞相比，已分化的肌管中IGF受体结合却减少了50%1,这说明，尽管胰岛素与IGF在细胞内有着极其相似的信号级联，但二者对肌原细胞和肌管的影响并不完全相同。 1.1 GH对骨骼肌生长的调节 目前关于GH对骨骼肌生长调节的潜在机制虽然还不清楚。现已确定GH能刺激IGF的表达同时增加骨骼肌的质量。如，GH通过刺激骨骼肌中IGF的增加进而激活IGF受体介导的与骨骼肌肥大有关的通路，引起蛋白合成增加及蛋白降解减少3。但最近研究显示，GH通过增加活化T细胞核因子（NFAT）c2依赖肌原性前体细胞融合促进骨骼肌的生长，而不通过IGFI通路进行4。GH调节肌核扩增也不通过IL4，而IL4是NFATc2依赖性肌管内肌核扩增因子之一5。 1.2 IGFs对骨骼肌生长的调节 目前对IGFs的研究主要集中在其在离体情况下对骨骼肌形成的影响，IGFs与其他激素相似，可能依赖其浓度、不同细胞系对其利用程度及血清培养基组成成分对骨骼肌前体细胞进行刺激或抑制。 1.2.1 IGF和IGF在肌细胞形成中扮演的不同角色 IGF在肌细胞形成的过程中作为一种关键的存活因子影响肌细胞的增殖与分化。Bach等6在离体实验研究中发现，IGF能增加肌原细胞的增殖并伴有剂量上的依赖性。与IGF相比IGF是一个更有效的分化因子.其原因可能是由于IGF更侧重于有丝分裂，从而在一定程度上推迟了分化过程。IGF在肌原细胞形成的过程中降低了成纤维细胞生长因子受体1(FGFR1)的水平，而IGF却能刺激FGFR1的表达。FGFR1介导的信号通路能刺激肌原细胞的增殖而抑制其分化，IGF通过下调FGFR1可能是IGF和IGF对肌原细胞的增殖和分化的调节存在差别的机制之一。这一机制提示，通过成纤维细胞生长因子（FGF）和IGF的协同作用能增加肌原细胞的增殖，而IGF和IGF之间则无此种协同作用。 Kirk等7在离体实验研究中发现IGF推迟了肌细胞形成的早期阶段，却提高了后期阶段（分化阶段），同时伴有肌管横截面积的增加。研究发现在毒素损伤后12 d，IGF对肌细胞形成早期阶段的推迟是通过减少生肌细胞决定因子（MyoD）和肌细胞生成素的表达实现的7。同时组织学显示，IGF补给伴随较少的肌原性前体细胞和较大比例的吞噬细胞7。 1.2.2 IGF在肌细胞形成中的信号通路 新肌纤维形成过程中IGF显著增加。IGF也能增加卫星细胞死亡增殖与分化，并适时改变肌原性调节因子（MRF）及其他肌细胞形成有关的细胞循环中的蛋白质4。在肌肥大过程中，IGF受体/PI3K/AKT（PKB）/mTOR通路被激活。同时，GSK3被抑制4。IGF受体能激活PI3K/AKT/FOXO及骨骼肌中特殊的泛素连接酶。 从PI3K到p70S6K为蛋白转录的正向调节。推测，PI3K通过磷酸化膜上的磷脂酰肌醇4，5二磷酸盐产生丝氨酸/AKT1所需的脂质结合位点。AKT1被膜上的3磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDK1)激活，被激活的AKT1便会磷酸化与细胞增殖有关的许多蛋白质。此外AKT1能激活mTOR通路，并最终增加蛋白转录正向调节者p70S6K，同时抑制真核转录起始因子4E（eIF4E）的负调节者eIF4E结合蛋白（4EBP1）。活化的p70S6K磷酸化40S核糖体的S6蛋白，最终上调核糖体蛋白mRNA转录及延伸因子的水平。 1.2.3 IGF在抗肌萎缩中的信号通路 其他经PI3K/AKT磷酸化的通路包括GSK3和膜上的FOXO。活化的GSK3能抑制转录起始因子（eIF2B），而GSK3能被AKT磷酸化失活，这可能有助于转录的起始及蛋白的合成5。AKT信号通路不仅能促进与肌肥大有关通路，而且能抑制肌萎缩有关的信号通路。经AKT磷酸化FOXO 的失活后产生核排斥及叉头转录程序的执行，叉头转录的执行是诱导骨骼肌环指蛋白（MuRF1） 和肌内萎缩Fbox(atrogin/MAFbx)所必需的。MuRF1 和atrogin/MAFbx参与泛素蛋白体的降解，在许多动物模型中均发现MuRF1 和atrogin/MAFbx的上调8。 刺激骨骼肌IGF通路能消弱或减缓肌萎缩，如sarcopenia（肌肉耗失）的发生。IGF能抵抗与衰老相关的骨骼肌改变，如质量下降、绝对力量及相对力量的减少和运动单位的重塑。滤过性病毒引起的IGF过表达能逆转与衰老相关的小鼠骨骼肌质量和力量的下降9。进一步的研究发现，转基因大鼠IGF的过表达能逆转短趾屈肌肌力量的下降及由衰老导致的细胞内Ca2+暂时性活化能力的下降，这有助于内质网（ER）偶联组件的恢复10。衰老引起二氢吡啶受体（DHPR）的下降及DHPR/雷诺定受体（RyRs）比例的下降11。转基因小鼠IGF的过表达导致趾长伸肌（EDL）中DHPRs明显增加11。IGF通过诱导钙调蛋白激酶/神经钙蛋白介导的信号级联增加DHPR1亚单位的转录。钙调蛋白激酶/神经钙蛋白介导的信号级联的终点是cAMP反应原件结合蛋白（CREB）结合到DHPR1亚单位启动子部位，从而提高转录效率。以上研究结果提示，IGF通过对运动负荷时ER偶联特殊组件的改善及细胞内Ca2+摄取的增加抑制衰老引起的肌力下降。同时IGF也参与了运动单位的重塑。转基因小鼠IGF的过表达能改善由衰老引起运动单位的弱化。脊髓中IGF的运动神经元靶能逆转由衰老引起的大鼠单纤维力量的下降12。这些发现说明IGF通过多种途径改善由衰老引起肌萎缩。 1.2.4 促炎症因子介导的IGF抵抗 尽管刺激IGF通路能明显的抵抗肌萎缩，但在特定条件下尤其是伴随促炎症因子增加的疾病中，外源性的IGF（或胰岛素）可能无此效果。促炎症因子介导的IGF抵抗可能消弱骨骼肌中IGF介导的代谢通路，尤其是TNF和IL1能诱导肌原细胞增殖过程中的IGF抵抗并抑制蛋白的合成13。即使在极低的浓度下，TNF也能破坏初级肌原细胞及C2C12细胞中IGF介导的蛋白合成13。同样的，IL1能抑制IGF介导的蛋白合成13。TNF和IL1也能抑制肌细胞生成素的蛋白水平达到降低降低肌原细胞的分化。通过对诱导肌细胞特异性基因转录（MyoD）及肌细胞生成素的抑制可能是促炎症因子抑制肌形成过程中增值与分化的关键。 TNF和IL1诱导的IGF抵抗不被IGF受体酪氨酸磷酸化通路介导。TNF和IL1通过减少胰岛素受体底物IRS1和IRS2蛋白酪氨酸磷酸化达到改变IGF受体磷酸化状态13。促炎症因子介导的IGF抵抗的细胞内级联反应要求新生的和神经磷脂酶依赖途径14。肌细胞中jun氨基酸末端激酶（JNK）在TNF诱导的IGF抵抗起到关键的作用，这与II型糖尿病及肥胖症中的胰岛素抵抗相似，这可能是由于IGF与胰岛素有极高的同源性，二者都是通过IRS1和IRS2泊蛋白进入下一级的信号级15。因此目前较多的研究侧重于骨骼肌中促炎症因子诱导的胰岛素抵抗，这在一定程度上揭示了IGF抵抗、生长停滞、及肌萎缩等机制。此外有关通路还包括，长时间高水平的自由脂肪酸（FFA）的影响，即FFA信号级联。FFA进入细胞转化为甘油二酯进一步激活蛋白激酶C（PCK）从而达到改变IRS1的磷酸化状态抑制IGF的功能。线粒体产生的ROS激活JNK，JNK一方面改变IRS1的磷酸化状态；另一方面激活活化蛋白因子1(AP1)引起凋亡，同时ROS引起内质网应激从而激活IKK促进NFB的核转录15。 2 泛素蛋白酶体途径（UPS） UPS途径由泛素（Ub）、泛素活化酶(E1)、泛素偶联酶(E2)、泛素蛋白连接酶（E3）、26S蛋白酶体等组成。Ub蛋白体途径对蛋白质的降解可分为两个连续的步骤：多个Ub分子与底物蛋白结合，从而标记底物蛋白；标记了的底物蛋白被26S蛋白酶体降解，释放并重新利用Ub。E1把激活的Ub传递给E2，E2与Ub以高能硫酯键结合，E3催化Ub的C末端与蛋白底物结合从而Ub化的蛋白底物。Ub化的蛋白底物被26S蛋白酶体降解，降解后Ub被重新利用。其中最重要的酶是E3，目前已发现数以千计的E3，它是识别各种蛋白的关键酶16。UPS降解特殊的蛋白依赖E3的活化。如，在骨骼肌中已发现Ub连接酶atrogin1(MAFBx)和MuRF1，在分解代谢的状态下它们的表达急剧的增加820倍，进而引起肌肉蛋白的减少16。缺失atrogin1或MuRF1基因的小鼠骨骼肌正常的生长。 引起肌萎缩的主要机制包括UPS的活化，因为在这些机制中多存在编码UPS某个组件mRNA水平的升高，同时伴随与肌萎缩相关的100多个基因的增加和减少16。肌萎缩相关基因的变化，包括不同的与生长相关基因的减少及UPS组件表达的增加。来自患有与肌萎缩症状的不同疾病的病人都相似的出现了编码UPS组件mRNA表达水平的增加。基因表达的变化极有可能是由于转录水平的调节，因为胰岛素反应的异常增加了Ub和蛋白酶体亚单位的转录。进一步的研究发现，使用蛋白酶体的抑制剂能阻止患肌萎缩症状小鼠的蛋白降解17。 UPS的激活能引起不同的伴有肌萎缩症状的疾病，正向调节骨骼肌不同分解代谢状态下的各种基因。这一现象说明，分解代谢状态下激活了一条通用的信号通路。其中的一条是PI3K磷酸化减少而导致UPS失活，因为在浓血症、酸中毒、尿毒症及糖尿病等不同的代谢性疾病中均发现了胰岛素抵抗这一特征18。骨骼肌在正常状态下，通过胰岛素或IGF与其受体的结合能激活PI3K及下游的靶基因AKT。而在胰岛素抵抗或IGF不足的情况下，这条信号通路被抑制19。当PI3K活性降低时，PIP3的生成便会减少，导致下游的AKT的磷酸化减少其活性降低。这是较为关键的一步，因为通过活化的AKT通过磷酸化下游与生长相关酶如，GSK1、mTOR/S6激酶等酶过程将其激活，从而刺激蛋白合成。相反，PI3K/AKT通路的抑制如胰岛素抵抗，一方面能使FOXO因未被AKT磷酸化而活化，进而入核导致atrogin1和MuRF的表达增加。UPS通过降解核转录B使得核因子B(NFB)入核也能诱导atrogin1和MuRF的表达增加，另一方面AKT磷酸化的减少使细胞凋亡蛋白酶(caspase3)的表达增加。最终加速骨骼肌蛋白的降解18。骨骼肌蛋白的降解包括两个过程：首先，被激活的caspase3降解骨骼肌结构性蛋白；最终，E3、atrogin1和MuRF的表达增加，进一步将蛋白降解成氨基酸。 3 白介素 3.1 IL6 IL6能调节骨骼肌的再生。在受伤骨骼肌的再生部位发现LI6，睫状神经营养因子（CNTF）及其他受体转录水平的上调。IL6在离体实验中能刺激肌原细胞的增殖,而与白血病抑制因子不同的是，外源性的IL6并不能促进骨骼肌再生20。最近研究表明，在C2C12肌原细细胞分化的过程中IL6通过p38和NFB依赖的方式被诱导21。更进一步的研究表明，使用siRNA抑制剂降低骨骼肌分化的过程中出现IL6的下调尤其是肌细胞生成素 和肌动蛋白21。IGFs与IL6之间的相互作用目前还不清楚，但是它们之间的通路可能是非常重要的。IL6作为一个促细胞因子被级联化与其他的细胞因子相似如TNF，IL1。已有报道称，离体实验中IL6能够提高IGF的抑制剂IGFBP1的水平，因此说，在肌细胞形成和骨骼肌再生过程中IL6能限制IGF的信号转导。尽管，相似于其他促炎症因子如TNF，IL1的作用能产生胰岛素抵抗，但就目前的研究，IL6在肌萎缩过程中的角色还不清楚。 3.2 IL15 IL15能与IL2受体的亚单位 和相互作用，并且在骨骼肌中有很高的表达。最初的细胞培养实验中并没有发现IL15能够改变肌原细胞的增殖或分化，但在肌原细胞分化阶段能明显的增加蛋白的生长(如，MyHC)。IL15能够诱导无性细胞的分化，而在C2肌原细胞系中无性细胞通过过表达IGFBP1明显的抑制IGF诱导的细胞分化。IL15可能在其他因子如IGF缺泛的情况下影响细胞的分化。在离体实验中，IL15通过增加蛋白的合成减少蛋白的降解的方式促进C2肌管的肥大，而不经过肌原细胞的增殖与分化过程。补给外源性IL15蛋白在骨骼肌再生的早期阶段能增加肌纤维的横截面积22。在特定的条件下IL15通过作用Ub蛋白酶的通路内特殊组件以及抑制DNA的片段化途径降低蛋白的水解。 4 2肾上腺素受体 2肾上腺素受体是谷氨酸核肽绑联G蛋白受体（GPCR）家族成员。GPCR家族最重要成员是能诱导多巴胺、阿糖腺苷、组胺、 和 肾上腺素能受体的视紫质受体，视紫质受体由七个转膜单环结构组成，单环可以偶联到异源三聚体鸟苷酸结合调节蛋白（Gs）。肾上腺素能受体在骨骼肌中有较高的比例，尤其是2亚型，1型约占7%10%、肾上腺能素能受体的含量较少。而且慢肌纤维中的肾上腺素能受体的密度较快肌纤维中的大。2肾上腺素受体主要是结合并激活Gs，但有研究显示，在心脏和骨骼肌中是抑制作用23。2肾上腺素受体通过其跨膜区域3rd5th的活性结合位点与激动剂结合。在活性位点，2肾上腺素受体上的一个天冬氨酸残基与激动剂上的一个N分子结合。2肾上腺素受体的激活引起异三聚体Gs与2肾上腺素受体的胞内区域的第三个环发生作用。三磷酸鸟苷（GTP）到二磷酸鸟苷（GDP）的水解引起Gs发生构造改变，并将源异三聚体裂解为G、G亚单位。 腺苷酸环化酶（AC）受Gs信号转导影响，GTP到GDP的水解允许Gas增加AC的活性。AC有九种不同的类型分别被命名为19。AC被Gas活化后便催化三磷酸腺苷（ATP） 成反应原件结合蛋白（cAMP）,cAMP激活cAMP依赖性蛋白激酶（PKA），PKA通过磷酸化调节许多蛋白，包括钙蛋白酶抑素、和可能的肌织网（SR)调节蛋白24。通过对钙蛋白酶抑素、SR蛋白的调节能抑制钙蛋白酶引起的蛋白降解及钙依赖性蛋白的水解。钙蛋白酶集中于Z膜，涉及到肌纤维的降解25。 有建议称2肾上腺素受体可能通过多种信号通路促进蛋白的合成26。其中一通路涉及cAMP通过改变PKA的构造，如其催化亚单位结合PKA，活化的PKA进入细胞核，在核内将转录因子（CRER）上的保守性的丝氨酸残基磷酸化（ser13）,进而促进cAMP反应元件（CRE）的活化。在研究GscAMP信号通路的同时，也有其他的有关G亚单位在细胞信号通路中的作用。尽管早期的研究涉及受体的选择性方面，而Gby激活PI3K/AKT1的通路也是可能的27。支持性的报道称，通过三天咳喘素治疗，肾上腺能受体的导致蛋白合成增加的同时发现真核转录起始因子（4FBP1）的磷酸化及p70s6k活性的增加28。4EBP1和p70s6k的变化可能是通过短暂的激动剂的增加对IGF和IGF的结果28。进一步的研究需要确定激动剂介导蛋白合成或降解的准确机制。 5 结语与展望 本文从GH、IGFs、UPS、白介素、2肾上腺素受体等方面介绍了其对骨骼肌质量及功能的影响。随着年龄的增加，常伴有缓慢的渐进性的骨骼肌数量的减少，及骼肌脆弱性增加和功能的独立性丧失，严重增加了社会及家庭的负担。通过对介导肌形成和肌萎缩相关信号通路的研究，希望在患有肌萎缩症状的治疗方面起到一个靶向作用。因为，轻微的肌萎缩可以通过运动或营养的途径进行治疗，而严重的肌萎缩尤其是由疾病引起的肌萎缩则需药物的治疗。晋升网（）设有论文学院、考试学院、在线投稿等，本网站致力于成为医务工作者晋升职称心灵导师；是目前国内收录医学期刊、医学杂志最多最权威的医学学术平台；提供免费医学期刊在线阅读；网罗和甄选海量优秀医学论文检索，独立研发医学在线资源分享库和医学在线模拟考试库；整合刊类、标题、关键词检索及全文检索，并独家研发刊社管理和刊社加盟系统、在线投稿、在线查稿、在线阅读、远程审稿、在线下载等系统；聚刊社力量，建服务平台，让晋升网通过“专业”走入每一个医务人员的身边是我们不懈的追求目标【参考文献】1 Brunetti A，Maddux BA.Wong KY,et al.Muscle cell differentiation is associated with increased insulin receptor biosynthesis and messenger RNA levelsJ.J Clin Invest,1989；83（1）:1928.2 Vandenburgh HH，Karlisch P，Shansky J,et al.Insulin and IGF induce pronounced hypertrophy of skeletal myofibers in tissue cultureJ.Am J Physiol Cell Physiol,1991；260:47584.3 Rommel C，Bodine SC，Clarke BA,et al.Mediation of IGF induced skeletal myotube hypertrophy by PI(3)K/Akt/mTOR and PI(3)K/Akt/GSK3 pathwaysJ.Nat Cell Biol,2001；3:100913.4 Sotiropoulos A，Ohanna M，Kedzia 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