Akt与心血管疾病

  目前心脑血管疾病发病率及死亡率居全球首位，正严重威胁人类健康。由此心脏病学专家及临床工作者十分重视对心脑血管疾病的研究。近年来，从分子生物水平入手对心血管疾病发病机制研究已经取得很大成就。其中细胞信号转导通路备受关注，Akt作为信号网络的中枢环节，对细胞增殖、分化和存活起到重要作用，与动脉粥样硬化、糖尿病及癌症等疾病密切相关。本文就针对Akt在心血管疾病中的作用做一阐述。

    一、Akt信号通路

    1. Akt结构与分子基础：Akt是一种原癌基因，属丝氨酸/苏氨酸激酶，相对分子质量为60 kD。早在1977年，Staal及同事就在患自发性淋巴瘤的小鼠身上得到转化鼠白血病病毒Akt序列，此后研究人员又发现了人类同源Akt。目前在哺乳动物中有三种形式Akt，即Akt1、Akt2和Akt3，由于C-Akt和V-Akt 基因均能编码PKB（protein kinase B）蛋白，又称蛋白激酶B，即PKBα、PKBβ、PKBγ，它们有85%的序列相似性，属于AGC蛋白激酶家族。Akt蛋白约由480个氨基酸组成，从 N端到C端依次为PH结构域、催化结构域和调节结构域，参与Akt活化表达，如Akt1的PH结构域与位于质膜磷脂酰肌醇三磷酸（PIP3）结合募集到质膜上，继而催化结构域中Thr308和 Ser473位点发生磷酸化。Akt在各种组织中广泛表达，Akt1在大多数组织中表达，Akt2主要在肝、肾、心脏和骨骼肌等胰岛素效应组织中表达，而Akt3则在睾丸和脑组织中表达。Akt翻译后修饰亚细胞定位等方面也存在不同。C-Akt多在胞质表达，不具有致癌性；V-Akt 30%位于胞质，40%转位到胞膜，只有30%在胞核表达，具有致癌性。

    2. Akt信号通路途径及其调控：Akt活化主要有两种调控方式：其一是依赖PI3K方式，这是上游调控Akt的主要方式，也是目前研究较多Akt信号通路。PI3K能合成4种3′-磷酸肌醇：3-一磷酸肌醇[PI（3）P]、3，4-二磷酸肌醇[PI（3，4）P2]、3，5-二磷酸肌醇[PI（3，5）P2]和3，4，5-三磷酸肌醇[PI（3，4，5）P3]，其中PI（3，4）P2和PI（3，4，5）P3部分激活Akt。静止细胞Akt大多在胞浆，与膜上PIP3结合活化，继而在胞质和胞核中表达，起到调控作用。PI3K阻滞剂LY294002和Wortmannin可阻止此信号通道，下调Akt活性[2]。Akt抑制接受负性因子PTEN和SHIP调控，它们具有PI3K活性，分别将PI（3，4，5）P3去磷酸化为PI（4，5）P2和PI（3，4）P2，抑制Akt活化，阻断下游信号传导。另一种是非依赖PI3K方式，Akt不一定要转到膜上才能磷酸化，可以不依赖于PI3K磷酸化Akt Thr308和Ser473外的其他位点，这些独立位点的磷酸化对Akt的完全激活同样具有重要意义。如蛋白激酶CK2能不依赖PI3K磷酸化Akt的Ser129位点，上调Akt活性，并且该位点磷酸化对Akt完全活化起到重要作用。Akt底物较多，包括BAD、FOX家族、糖原合成酶激酶（GSK3）、Iκ-B激酶（IKK）、caspase 9等，调节血糖、脂肪、蛋白质等三大物质代谢，对细胞增殖、分化和存活起到重要作用（图1）。

    二、Akt通路对心血管系统的作用

    1. 介导细胞存活和凋亡：多项研究证实Akt在细胞周期调节、细胞存活、细胞代谢及转录调控等多种生物学反应中发挥作用。以PI3K/Akt通路为例，磷酸化Akt作用哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），可刺激细胞生长；Akt抑制BAD、caspase 9表达，而BAD和caspase 9是促细胞衰老凋亡的重要因子；同时Akt还可磷酸化一系列核因子如IKK诱导NF-κB释放，调控转录。糖原合成酶激酶（GSK3β）是发现的第一个Akt底物，Akt使GSK3β磷酸化转化成无活性形式，诱导糖原合成及cyclin D积聚，促进细胞增殖。细胞程序化死亡即为凋亡，近年来，多种动物模型基因分析已经从分子水平深入研究了其机制。如凋亡衰老细胞可能存在DNA损伤积聚，促使氧化应激产物（ROS）增加，线粒体功能障碍，端粒酶活性降低，而Akt基因突变均可使这一系列改变。Doshida等证实Akt通过P53/P21途径下调端粒酶活性致使端粒缩短，端粒缩短到一定程度导致细胞凋亡衰老。在胰岛素/胰岛素样生长因子（IGF-1）/Akt信号通路中，有报道认为Akt活化能诱导哺乳动物细胞的分化和存活，促使肿瘤发生。但是最近一些对线虫到大鼠多器官细胞寿命研究显示，Akt激活诱导细胞衰老，并且认为构成性激活Akt磷酸化下游Daf-16及FOXO3分子，使其钝化，进一步增加P53及P21表达，诱导细胞凋亡。

    2. 心肌肥厚与重塑：在心肌损伤状态下，心肌细胞体积增大，细胞变性；间质增生，成纤维细胞及胶原纤维增生，最终导致心肌肥厚和重塑。Patrucco等在研究中发现，通过PI3K/Akt激活可导致心肌肥大，但是一种生理性的肥大。而最近研究显示，PI3K-α通过Akt/GSK3β及mTOR信号通路，可促进心肌代偿性肥厚；下调PI3K-α/Akt/GSK3β及NF-κB信号通路，可能逆转左室肥厚。儿茶酚胺系统和PAS系统对心肌肥厚和重塑起到重要作用。血管紧张素-Ⅱ（Ang-Ⅱ）能促进心肌细胞增殖和肥大，成纤维细胞增生，其中AT-1起重要作用，而Akt/GSK3β/mTOR可能是AT-1介导心肌肥厚的重要通路。儿茶酚胺促进心肌肥厚的发生、发展，α肾上腺素能受体协同RAS系统，依赖Akt/FOXO3磷酸化促进心肌重塑及心力衰竭演变。

    3. 心血管功能：充血性心力衰竭（CHF）是各种心脏疾病的终末阶段，心肌重塑是CHF的病理基础。早期心肌代偿性肥厚维持心脏收缩及舒张功能，但随着病情进展，肥厚心肌出现不同程度收缩和舒张功能障碍。有研究证实下调细胞外信号调节蛋白（ERK1/2）、Akt、GSK3β促进心肌凋亡，并且可能是促使心肌代偿性肥厚向心力衰竭转换的机制之一。NO和生长因子等可使舒张性心力衰竭进程衰减，改善心肌代偿性肥厚及纤维化，其作用可能与Akt磷酸化有关。Akt不仅作用于心脏，还在心血管形成和出生后血管发生过程中起重要作用。血管内皮细胞和平滑肌细胞（VSMC）功能直接影响血管收缩舒张功能。内皮细胞分泌许多血管活性物质作用于VSMC，VSMC收缩舒张调节血管的功能。病理情况下，Akt活化VSMC使收缩型转化成合成型，VSMC异常肥大、增殖、迁移导致血管纤维化及再狭窄。

    三、Akt信号通路与心血管疾病

    许多研究证实Akt及下游分子活性改变与一些心血管疾病有关。如高血压患者，由于长期处于压力超负荷，ERK1/2、Akt失磷酸化，Bcl-2表达降低，导致心肌细胞凋亡、纤维化及心肌肥厚，并且促进向心性肥厚向离心型肥厚及心功能失代偿的转变。内皮功能障碍是动脉粥样硬化形成的始动环节。Minamino等在动脉粥样斑块组织中（而不是在一般的动脉）检测到血管内皮细胞衰老表型。Miyauchi等研究结果与此一致，并在动脉粥样斑块中检测到磷酸化Akt。 Yazdanpanah等研究认为，抑制IGF-1/Akt/eNOS通路增加心血管疾病的危险，导致心肌梗死发生率增加。缺血性心肌病再灌注研究中，胰岛素又可同时激活PI3K/Akt及JNK信号通路，且通过后者进一步增加Akt活化，从而减轻心肌损伤作用。糖尿病心肌病中，Akt活性降低，心肌细胞线粒体能量代谢降低，细胞出现凋亡衰老现象。除上述疾病外，Akt还与肥厚性心肌病等发病有关。

    四、Akt信号调节与心血管疾病防止

    心脏病专家更多的关注Akt的心血管保护作用。研究结果显示他汀类通过激活Akt可改善内皮功能，减少心肌梗死早期的心肌重塑。血管紧张素转换酶抑制剂激活Akt，阻断RAS系统，可改善心肌和血管重塑。吡格列酮可通过活化Akt、 eNOS，降低心肌梗死面积；增加胰岛素敏感性，保护血管内皮功能，减轻高血压靶器官损害。雌激素上调PI3K/Akt改善急性缺血的心肌功能，增加胰岛素活性。由此说明，Akt作为预防心血管疾病防止靶点具有可行性。

    五、展望

    Akt作为信号通路中枢环节，接受上游分子调控，作用下游信号级联反应，其关系错综复杂。目前对其机制的研究还不甚明确，存在许多未知领域，需要深入研究。Akt信号通路的任何环节都可能与心血管疾病有关，因此，全面、系统研究其分子机制和功能对心血管疾病的防止意义重大。