晋升所需论文举例_临床类(50)

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1、细胞生长中细胞生长中 IGF/PI3K/AKT/mTOR（p70S6K）信号通路与肌萎缩的关系）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 F

2、OXO（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

3、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

4、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

5、 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

6、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

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

8、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（eIF2

9、B） ，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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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。