在人口老龄化和生活方式变革的背景下,我国糖尿病患者数量也随之上升｡ 在各类型糖尿病中,2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是一种以血糖升高和胰岛素抵抗为特点的由遗传和(或)环境因素引起的代谢性疾病,并且会随着病程的发展引起多种并发症｡ 有研究表明糖尿病患者发生骨折的风险会随着疾病持续时间和血糖控制不佳而增加,并且还可能与其服用的治疗药物有关[1]｡ 而多种糖尿病治疗药物可通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号转导通路改善葡萄糖稳态以及脂肪生成和脂质稳态进而改善和治疗糖尿病[2]｡ 除此之外,mTOR信号通路还可通过抑制破骨细胞分化和活性来促进骨矿物质的增加以及激活Wnt家族成员7B(Wnt family member7B Gene,Wnt7b)进而上调成骨细胞功能促进骨形成与骨代谢密切相关[3]｡ 因此进一步探究mTOR信号通路在T2DM骨代谢中所发挥的作用,可能是改善T2DM所引起的骨量下降骨微结构受损的关键,本文通过归纳总结mTOR信号通路与T2DM及相关骨代谢疾病之间的关系,探究糖尿病治疗药物和运动改善糖尿病引起的骨代谢异常的可能原因,以及不同因子通过mTOR信号通路调节血糖代谢和骨代谢的相关途径,为进一步探究改善和治疗糖尿病骨病的相关研究提供新的思路｡

1、材料与方法

1. 1资料来源

检索时间范围为2003⁃01⁃01至2023⁃12⁃31｡ 检索数据库为中国知网､PubMed数据库｡ 检索词中文“mTOR､2型 糖 尿 病､ 骨 质 疏 松､ 运 动”,英 文“mTOR､Type 2 diabetes､Osteoporosis､Exercise”｡ 检索文献类型包括研究原著､综述､荟萃分析､述评､病例报 告｡ 以PubMed数 据 库 检 索 策 略 为 例:“((mTOR AND Type 2 diabetes) AND Osteoporosis)OR Exercise”｡ 初步检索到文献47 328篇,包括中国知网数据库3 439篇(中文文献),PubMed数据库43 889篇(英文文献)｡

1. 2入组标准纳入标准:

与mTOR､T2DM､骨质疏松相关的文献｡ 排除标准:不符合研究主题､重复､无参考意义的文献｡

1. 3质量评估

共检索到47 328篇参考文献,后人工筛选,排除与主题相关性低､研究质量差的文献,最终纳入72篇文献,详细阅读46篇｡

2、mTOR的分子结构､ 功能及信号转导途径

2. 1 mTOR的分子结构

mTOR发现于20世纪,是一种多效因子和普遍存在的蛋白质,由mTOR基因编码;mTOR是磷酸肌醇3⁃激酶(phosphoinositide 3⁃kinase,PI3K)相关家族非典型蛋白激酶之一,其催化结构域类似于脂质激酶的催化结构域[4]｡mTOR主要包括两种复合体,分别为雷帕霉素敏感型mTOR复合物1(mTORC1)和非雷帕霉素敏感型mTOR复合物2( mTORC2),在细胞增殖､存活､自噬､新陈代谢和免疫等多种生物过程中发挥着关键作用[5]｡mTORC1包括3个核心成 分, mTOR､ 哺 乳 动 物 致 死 的Sec13蛋 白8(Sec13 protein 8,mLST8)和与mTOR相关的调节蛋白(regulatory protein associated with mTOR,Raptor)｡同样,mTORC2也含有mTOR和mLST8,而mTORC2中没有Raptor,而是MTOR复合体2的RPTOR独立伙伴[6](RPTOR independent companion of MTORcomplex 2,Rictor)｡ 此外,在敲除mTOR后的小鼠中出现了胰岛素抵抗,这表明mTOR在胰岛素的调控过程中发挥着重要的作用[7]｡

2. 2 mTORC1的功能及信号转导途径

mTORC1具有调节细胞增长及蛋白合成的功能,mTORC1主 要 由mTORC､RAPTOR､DEPTOR､PRAS40､mLST8等部分组成[8]｡ 激活PI3K/丝氨酸苏氨酸蛋白激酶( serine / threonine kinase proteins,Akt) / mTORC1信号途径可诱导成骨细胞产生｡ 且PI3K可被胰岛素､低氧､能量消耗和生长因子等激活[9],通过活化富脯氨酸Akt激活mTORC1,从而促进糖尿病病人体内的糖脂代谢[10]｡mTORC1下游4个主要效应器分别为UNC⁃51样激酶1 ( UNC⁃51⁃like kinase 1,ULK1)､真核翻译起始因子4E结合蛋白1 (eukaryotic translation initiation factor 4E⁃bindingprotein 1, 4EBP1 )､ 核 糖 体S6激 酶1 ( mitogen⁃stimulated protein kinase p70 ribosomal protein S6kinase 1,S6K1)和胆固醇调节元件结合蛋白( sterol⁃regulatory element binding proteins,SREBP),其他转录因子或通路的活性可能由转录因子调控SREBP和过氧化物酶增殖剂等下游效应器调控[11]｡ 调节脂肪酸合成及缺氧诱导因子1 a ( hypoxia⁃induciblefactor 1α, HIF⁃1α)的活力,调节糖类及能量的代谢[12],见图1｡

图1 mTORC分子结构示意图

2. 3 mTORC2的功能及信号转导途径

mTORC2可以对Akt的活化和细胞骨架的再次合成产生影响｡mTORC2主要由mTOR､mLST8､RICTOR､DEPTOR组成[13]｡ 近年来发现mTORC2的上 游 调 节 因 子 主 要 为 脯 氨 酸 富 集 类 蛋 白5(proline rich protein 5,PRR5)和其同系物PRR5样蛋白｡Rictor是mTORC2的关键成分,对mTORC2功能 至 关 重 要,而mSin1和Protor1 / 2是 调 节 亚基[14]｡ 在Rictor或mSIN1的作用下,这些蛋白可与mTORC2结合｡PRR5缺失可降低Akt和4EBP1､S6K1的磷酸化,但PRR5样蛋白敲除对Akt以及S6K1的磷酸化不产生影响,却可诱导细胞凋亡发生[15]｡ 因此,目前认为Akt､ 蛋白激酶C ( proteinkinase C,PKC)､血清和糖皮质激素调节激酶(serumand glucocorticoid induced kinase,SGK)是mTORC2的下游激酶｡ 当mTORC2被激活时,可以使Akt的S473位点发生磷酸化,使得蛋白激酶CS657 / 660位点磷酸化,血清及糖皮质醇激素调控激酶T位点磷酸化,不同的细胞进程是通过调整下游的目标激酶的活性而进行的[16]｡mTORC2是一种胰岛素/ PI3K信号通路上的关键组成部分,通过抑制mTORC2实现的效果与胰岛素在生理学上的响应相似[17],见图2｡mTORC1的信号转导与在PI3K/ Akt / mTORC1信号通路密切相关,而mTORC2是胰岛素/ PI3K信号通路上的重要效应器,抑制mTORC2则会破坏胰岛素的生理反应｡ 两种mTOR介导的信号转导方案mTORC1⁃S6K1和mTORC2⁃AKT在胰岛素敏感性中起关键作用,并且它们的功能障碍有助于T2DM的发展[18]｡ 因此,mTOR信号在胰岛素的调控过程中扮演重要角色｡

图2 mTORC1､mTORC2主 要 结 构 及PI3K⁃AKT⁃mTOR信号转导通路的主要功能

3、mTOR信号通路对2型糖尿病的影响

T2DM的核心病理是胰岛素抵抗,mTOR信号通路可参与调控胰岛β细胞存活､增殖,促进胰岛素分泌,维持胰岛β细胞功能稳态｡ 若这种稳态被打破,肥胖､糖尿病乃至肿瘤往往会频发,高血糖和脂代谢紊乱会进一步降低胰岛素敏感性并损伤胰岛素β细胞功能,这些发病特征均能使mTOR信号通路活化｡mTORC1被称为能量的传感器,主要通过调 控 腺 苷 酸 活 化 蛋 白 激 酶( adenosinemonophosphate⁃activated protein kinase,AMPK)的细胞能量(ATP / AMP)｡ 当细胞能保持基本需要后,AMPK的活化促进了结节性硬化症蛋白复合体(tuberous sclerosis complex,TSC)1 / TSC2功能,进而控制了mTORC1的活动｡ 在细胞保持高能耗状况下,对AMPK功能的抑制影响了TSC1 / TSC2功能,进而活化mTOR｡ 激活AMPK可以促进葡萄糖转运,促进能量代谢,提高相关组织胰岛素敏感性,改善胰 岛 素 抵 抗,从 而 实 现 糖 代 谢 的 综 合 调 控｡Fabian等[19]证实雷帕霉素虽然不能显著地降低小鼠胰岛的胰岛素分泌,但是长期使用会降低其释放｡因此,mTORC2在控制糖原的生成过程中起着一定的调节和调节糖原的合成的功能,从而使其发生糖耐量的平衡失调｡ 过量的营养素摄取后,大量的血糖会对身体造成一定程度的刺激,从而导致其在体内分 泌 出 胰 岛 素 受 体 底 物1 ( insulin receptorsubstrate 1,IRS1)⁃Ser312和IRS1高水平的Ser636 /639和IRS1⁃Ser307能阻止胰岛素的信号传递和诱发胰岛素的耐受性[20]｡ 童楠等[21]研究表明,补肾冲剂能通过PI3K/ Akt / mTORC1的信号途径调控血糖､减轻肾脏疾病的作用｡ 此外,崔佳等[22]研究竹节参皂苷IVa对高糖诱导的胰岛β细胞损伤的保护作用及机制,发现竹节参皂苷IVa可以对抗胰岛β细胞的糖毒性,降低胰岛INS⁃1细胞凋亡,增加胰岛素释放水平,其作用机制可能与激活Akt / mTOR信号通 路 发 挥 抗 凋 亡 作 用 有 关｡ 运 动 能 够 提 升Sestrins的表达,进而通过激活AMPK､调节GATOR复合物､结合Rag复合物以及感知氨基酸水平等途径降 低mTORC1的 活 性｡ 此 外,运 动 还 可 上 调mTORC2⁃AKT通路的活性改善胰岛素抵抗和葡萄糖摄 取,提 示 在 运 动 改 善 机 体 糖 代 谢 过 程 中Sestrins⁃mTOR通路具有重要调节作用[23]｡

4、药物､因子和运动介导mTOR信号通路

对糖尿病骨病的影响骨骼是复杂且活跃的器官,在正常情况下,骨骼内骨形成和骨吸收处于动态平衡之中,即成骨细胞负责新骨的形成,破骨细胞负责旧骨的吸收｡ 最近小鼠遗传学研究表明mTOR通路在调节骨骼发育和体内平衡的多个方面发挥着重要作用[24]｡ 另有研究表明,在持续高糖环境下体内mTOR通路会被抑制,打破mTOR的下游分子信号Bax / Bcl⁃2间的平衡,加快细胞凋亡[25],并且在高糖环境影响下成骨细胞会发生过度氧化,降低其分化能力,而破骨细胞的骨吸收能力则会增强,极易造成骨质流失｡

4. 1药物介导

mTOR信号通路对糖尿病骨病的影响1995年的一份报告表明二甲双胍(Metformin,MF)能够降低血糖水平,在随后的几十年里,MF在糖尿病中的新作用被发现｡MF是使用较多的降糖药物之一,可刺激成骨细胞生长与分化,促进细胞外基质的矿化｡MF可促进骨髓间充质干细胞( bonemarrow⁃derived mesenchymal stem cells,BM⁃MSCs)骨向分化,促进成骨相关基因Runt相关转录因子2(runt⁃related transcription factor 2,Runx2)和碱性磷酸酶( alkaline phosphatase,ALP)等的表达;抑制其成脂分化和成脂基因PPARγ和C / EBP等的表达,并激活AMPK信号通路[26]｡AMPK是所有真核生物中发现的细胞能量状态的传感器,在营养缺乏或缺氧等应激后细胞内ATP低的条件下被激活｡AMPK在骨稳态中起着关键作用,其活化可促进骨生成,减少破骨细胞分化[27]｡AMPK调控的主要下游信 号 通 路 之 一 是mTOR通 路｡AMPK抑 制mTORC1活性｡ 在能量应激条件下,AMPK磷酸化TSC2和Raptor,抑制mTORC1通路｡ 大量研究和临床试验表明,MF单药治疗或与其他降糖药物联合治疗对治疗T2DM有效｡ 李晓艳等[28]研究MF单独治疗或与钙剂联合治疗对T2DM老年患者骨代谢,发现经24周联合治疗后骨钙素( osteocalcin,OCN)和血钙水平显著升高,说明MF和钙剂联合治疗可能通过增加骨形成和抑制骨吸收来降低T2DM致骨质疏松的发生率｡ 张新涛等[29]通过向大鼠跟腱干细胞中加入不同浓度的骨碎补总黄酮( totalflavonoids of rhizome drynariae,TFRD),检测其14 d后的成骨相关基因表达情况,结果显示TFRD可在体外有效地刺激肌腱干细胞中ALP､Runx2､OCN等成骨分化标志物的表达,提示可以有效提高成骨分化｡ 此外Kim等[30]通过mTOR抑制剂和维生素D3抑制PI3K/ mTOTR信号通路影响破骨细胞的生成｡

4. 2因子介导

mTOR信号通路对糖尿病骨病的影响骨重建受到多种局部调节因子以旁分泌､内分泌､自分泌方式的交互网络调控｡ 其中胰岛素样生长因子1(insulin⁃like growth factor⁃1,IGF⁃1)､转化生长因子β(transforming growth factor⁃β1,TGF⁃β1)､脂肪因子等是近年来的研究热点｡生长因子可通过自分泌或旁分泌方式促进骨生长｡IGF⁃1是一种具有促进细胞分化和骨骼生成的成骨因子｡IGF⁃1的缺失导致成骨潜能降低,骨密度降低,并提高了断裂的危险｡ 方颖等[31]研究表明,IGF⁃1具有促进成骨细胞生成和骨矿化过程的能力｡IGF⁃1通过激活mTOR信号传导途径,加速成骨细胞源干细胞向成骨细胞的分化,以维持骨骼组织的正常形态和重量[32]｡ 此外IGF⁃1可通过多条通路调节细胞的生长分化,其中一条就是PI3K/Akt / mTOR通路｡TGF⁃β1能促进成骨细胞增殖分化并刺激骨痂的钙化来促进骨修复,此外TGF⁃β1能促进细胞外基质合成作用,抑制破骨细胞成熟,并促使成熟的破骨细胞凋亡[33]｡ 李颖等[33]发现150例老年男性骨密度(bone mineral density,BMD)和性激素的下降与IGF⁃1､TGF⁃β1减少,白介素⁃6增加等密切相关｡Kósa等[34]发现绝经后女性比绝经前女性TGF⁃β基因表达明显下调｡ 尽管在骨代谢中TGF⁃β 起着重要的作用,但其机制还需深入研究｡脂肪因子是一类小分子多肽,由脂肪细胞､骨骼肌细胞､骨髓组织等分泌,可以调控骨形成和骨吸收过程,参与骨质疏松症的整个发展过程｡Apelin是一种具有抗炎､调节体液平衡､抑制细胞增殖､促进新生的细胞生长的新的细胞激素｡ 倪菁等[35]发现在患有重度骨骼损害的糖尿病患者中,Apelin⁃13水平明显下降｡ 结果表明, Pelin⁃13与各个实验点BMD值之间存在显著的相关性,说明了与骨骼代谢有关的脂质细胞素｡Chemerin及其受体凯莫瑞趋化因子样受体1 ( chemerin chemokine⁃like receptor1,CMKLR1)信号通路的激活可以调节BM⁃MSCs分化,促进破骨细胞生成,从而影响骨重建[36]｡有关TGF⁃β1､脂肪因子介导mTOR信号通路对糖尿病骨病的研究尚未报导,深入研究可以进一步了解糖尿病骨病的发生机制｡

4. 3运动介导

mTOR信号通路对糖尿病骨病的影响T2DM患者骨代谢不仅会受到药物和各种细胞因子的影响,运动作为一种机械刺激也会对其骨平衡产生影响｡ 研究表明,运动过程需要消耗大量能量,在 这 个 过 程 中AMP / ATP的 比 值 迅 速 提 高,AMPK通路被激活,造成TSC2磷酸化,激活其复合物GTP酶活化蛋白,从而抑制mTORC1,减少蛋白质合成[37]｡Bolotta等[38]根据对65~70岁接受了至少30年的高水平训练,并且每周进行3次以上运动的运动员和仅限于执行最低水平的日常活动的久坐人群股外侧肌活检和测序发现,习惯性运动影响大量的代谢和信号通路其中AMPK和AKT⁃mTOR信号通路活跃且相互平衡,抵抗衰老带来的负向作用｡马延超 等[39]观 察 一 次 性 高 强 度 耐 力 运 动 引 起AMPK活性的变化,进而影响Akt⁃mTOR信号通路｡运动后经过1､2 h和6 h的组中,mTOR Ser2448的磷酸化明显降低,同时增强了AMPK的活性｡ 这可以导致AktSer473的磷酸化水平降低,从而对Akt⁃mTOR信号通路产生影响｡ 实验结果表明,高强度的运动可以刺激AMPK⁃2水平,进而抑制TSC2水平,过量或高强度锻炼可能导 致AMPKα / TSC2 /mTORC1的活性降低,进而影响机体的糖代谢,促进骨骼的吸收[40]｡Chen等[41]敲除小鼠胚胎肢体骨源性间充质中mTORC2的重要成分Rictor,发现Rictor的缺失导致胚胎和出生后小鼠的骨骼更短､更窄,并且Rictor的缺乏导致骨骼在机械负荷下表现出较弱的合成代谢反应｡ 此外,研究表明mTOR/ MMPs(金属基质蛋白酶)可在适当的牵张力(6%,4 h)下被激活,促进MSCs向成骨细胞迁移[42]｡ 另有通过自噬发生 机 制 的 研 究 表 明,作 为 自 噬 的 诱 导 剂 的mTORC1作用于成骨细胞时,可促进成骨细胞分化｡而运动可通过抑制mTORC1达到改变自噬发生的目的来调控T2DM骨代谢｡ 当运动造成细胞能量代谢下降时,AMPK会在丝氨酸317( Ser⁃317)位点被激活并发生磷酸化,从而激活ULK1自噬激酶,防止骨质流失;此外,AMPK还会促使Raptor､TSC2磷酸化,进而降低mTORC1活性,改变自噬和破骨细胞分化[43]｡ 在运动医学领域内有关自噬与T2DM骨代谢失衡有关的研究目前还较少,因此运动究竟是如何影响自噬对T2DM骨代谢的调控还要进一步研究｡运动已被证明对预防和治疗代谢紊乱如肥胖､T2DM和心血管疾病有效｡ 不同的运动强度和运动习惯都会对FSH产生不同的影响｡ 由于休息和运动状态之间能量需求的剧烈变化,AMPK也会显著变化｡ 不同的运动强度和持续时间也会对AMPK活性产生不同的影响｡ 若无运动习惯人群在进行短时间低强度运动时对机体内AMPK活性并无影响,但若长时间低强度运动则会增强AMPK活性;若其进行偶尔一次中等强度的运动时,机体内AMPK活性会成明显增加趋势,进而抑制mTORC1活性[44]｡Wang等[45]研究一次力竭跑台运动对小鼠体内腓肠肌AMPK和自噬激活的影响,结果表明小鼠的一次力竭性跑台运动延长了AMPK的激活时间,提高了腓肠肌的自噬能力｡AMPKα在进行超负荷或者急性运动时可被激活,造成骨代谢紊乱,增强骨吸收,并且不适宜的运动还会降低mTORC1活性,损害糖脂代谢;而强度适当或已经形成习惯性运动可激活AKT⁃mTOR信号通路促进蛋白质和成骨相关因子的表达,所以,在运动控制治疗中,要注意合理的锻炼,以减少高强度和高负荷的锻炼｡ 但是,对于运动量和运动时间与mTOR信号通路在糖尿病骨病中的相关研究,仍然缺乏研究｡

5、结论

综上所述,mTOR活性异常在糖尿病并发的骨质疏松中起重要作用｡ 然而对于mTOR信号通路怎样调节糖脂代谢继而影响骨代谢还知之甚少;同时mTOR信号通路作为糖尿病骨病治疗的靶点还需进一步研究证实｡ 本文聚焦于mTOR信号通路与2型糖尿病及相关骨代谢疾病之间的关系,探讨药物､因子和运动介导mTOR信号通路对2型糖尿病及骨代谢疾病的影响,希望为糖尿病及并发症骨质疏松的治疗提供新的理论基础,旨在开发用于对抗糖尿病骨病的mTOR靶向疗法｡

参考文献:

[12]姚睿原,魏鸿渊,雷金叶,等. mTOR信号通路在疾病中的作用与调控机制[J].生命科学,2019, 31(2): 135⁃142.

[15]许戈阳,刘芬婷,沈哲民,等. mTOR信号通路在糖代谢中作用[J].生理科学进展,2015, 46(2): 94⁃98.

[20]苑红,王晓娟,李存保,等.胰岛素抵抗小鼠中mTOR的表达[J].内蒙古医学杂志,2016, 48(4): 394⁃396.

[21]童楠,张宁.中药益肾颗粒通过PI3k / Akt / mTOR和LKB1 /AMPK/ Sirt1信号通路对糖尿病肾病大鼠的干预作用研究[J].中华中医药杂志,2018, 33(5): 1853⁃1857.

[22]崔佳,段佳林,王磊,等.竹节参皂苷Ⅳa通过Akt / mTOR通路保护胰岛β细胞损伤[ J].现代生物医学进展,2018, 18(17): 3224⁃3229,3244.

[23]黄嵩,傅力. Sestrin⁃mTOR信号通路在有氧运动改善机体糖代谢过程中的作用研究进展[ J].中国运动医学杂志, 2018,37(6): 524⁃527.

[26]马朝霞,刘滇.二甲双胍治疗骨质疏松症的机制及研究进展[J].昆明学院学报,2019, 41(3): 104⁃107.

[27]谭清梅,杨诚,廖坚文,等.二甲双胍通过AMPK信号通路对小鼠骨关节炎保护作用的研究[ J]中国临床解剖学杂志,2017, 35(4): 413⁃418.

[28]李晓艳,何蓉,姜友昭.二甲双胍联合钙剂对老年2型糖尿病患者骨代谢的影响[J].实用药物与临床, 2014, 17( 12):1638⁃1641.

基金资助:国家自然科学基金面上项目(82272608);上海市人类运动能力开发与保障重点实验室资助项目(11DZ2261100);

文章来源:袁鑫,赵钟涵,张玲莉,等.mTOR信号通路在2型糖尿病骨代谢中的研究进展[J].中国骨质疏松杂志,2025,31(04):586-591.