MAPK信號通路

1、MAPK信號通路MAPK,絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinases，MAPKs）是細(xì)胞內(nèi)的一類絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶。研究證實，MAPKs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在于大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)，在將細(xì)胞外刺激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞及其核內(nèi)，并引起細(xì)胞生物學(xué)反應(yīng)（如細(xì)胞增殖、分化、轉(zhuǎn)化及凋亡等）的過程中具有至關(guān)重要的作用。研究表明，MAPKs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在細(xì)胞內(nèi)具有生物進(jìn)化的高度保守性，在低等原核細(xì)胞和高等哺乳類細(xì)胞內(nèi)，目前均已發(fā)現(xiàn)存在著多條并行的MAPKs信號通路，不同的細(xì)胞外刺激可使用不同的MAPKs信號通路，通過其相互調(diào)控而介導(dǎo)不同的細(xì)胞生物學(xué)反應(yīng)。 1并行MAPKs信號通路的組成

2、及其活化特點在哺乳類細(xì)胞目前已發(fā)現(xiàn)存在著下述三條并行的MAPKs信號通路1。11ERK（extracellularsignal-regulatedkinase）信號通路1986年由Sturgill等人首先報告的MAPK。最初其名稱十分混亂，曾根據(jù)底物蛋白稱之為MAP2K、ERK、MBPK、RSKK、ERTK等。此后，由于發(fā)現(xiàn)其具有共同的結(jié)構(gòu)和生化特征，而被命名為MAPK。近年來，隨著不同MAPK家族成員的發(fā)現(xiàn)，又重新改稱為ERK。在哺乳類動物細(xì)胞中，與ERK相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑被認(rèn)為是經(jīng)典MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，目前對其激活過程及生物學(xué)意義已有了較深入的認(rèn)識。研究證實，受體酪氨酸激酶、G蛋白

3、偶聯(lián)的受體和部分細(xì)胞因子受體均可激活ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。如：生長因子與細(xì)胞膜上的特異受體結(jié)合，可使受體形成二聚體，二聚化的受體使其自身酪氨酸激酶被激活；受體上磷酸化的酪氨酸又與位于胞膜上的生長因子受體結(jié)合蛋白2（Grb2）的SH2結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，而Grb2的SH3結(jié)構(gòu)域則同時與鳥苷酸交換因子SOS（SonofSevenless）結(jié)合，后者使小分子鳥苷酸結(jié)合蛋白Ras的GDP解離而結(jié)合GTP，從而激活Ras；激活的Ras進(jìn)一步與絲蘇氨酸蛋白激酶Raf-1的氨基端結(jié)合，通過未知機(jī)制激活Raf-1；Raf-1可磷酸化MEK1MEK2（MAPkinaseERKkinase）上的二個調(diào)節(jié)性絲氨酸，從而激活

4、MEKs；MEKs為雙特異性激酶，可以使絲蘇氨酸和酪氨酸發(fā)生磷酸化，最終高度選擇性地激活ERK1和ERK2（即p44MAPK和p42MAPK）。ERKs為脯氨酸導(dǎo)向的絲蘇氨酸激酶，可以磷酸化與脯氨酸相鄰的絲蘇氨酸。在絲裂原刺激后，ERKs接受上游的級聯(lián)反應(yīng)信號，可以轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核。因此，ERKs不僅可以磷酸化胞漿蛋白，而且可以磷酸化一些核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子如c-fos、c-Jun、Elk-1、c-myc和ATF2等，從而參與細(xì)胞增殖與分化的調(diào)控。另外，ERK還可以磷酸化ERKs通路的上游蛋白如NGF受體、SOS、Raf-1、MEK等，進(jìn)而對該通路進(jìn)行自身的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。還有研究發(fā)現(xiàn)，ERKs可磷酸化胞

5、漿內(nèi)的細(xì)胞骨架成份，如微管相關(guān)蛋白MAP-1、MAP-2和MAP-4，參與細(xì)胞形態(tài)的調(diào)節(jié)及細(xì)胞骨架的重分布。最近，國外學(xué)者又新克隆出ERK5及其上游激酶MEK5，這條MAPKs信號通路可被H2O2及高滲刺激活2，其底物為c-Myc。通過分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)還有ERK3 KinaseERK3及ERK4兩條通路存在，但目前對其激活信號、底物及生物學(xué)意義還不清楚。12JNKSAPK通路c-Jun氨基末端激酶（c-JunN-terminalkinase，JNK）又被稱為應(yīng)激活化蛋白激酶（stress-activatedproteinkinase，SAPK），是哺乳類細(xì)胞中MAPK的另一亞類。目前，從成熟

6、人腦細(xì)胞中已克隆了10個JNK異構(gòu)體，它們分別由JNK1、JNK2和JNK3基因編碼3，分子量46000的JNK1和分子量55000的JNK2在各種組織細(xì)胞中廣泛表達(dá)，而JNK3選擇性在腦細(xì)胞中表達(dá)。JNKSAPK信號通路可被應(yīng)激刺激（如紫外線、熱休克、高滲刺激及蛋白合成抑制劑等）、細(xì)胞因子（TNF，IL-1）、生長因子（EGF）及某些G蛋白偶聯(lián)的受體激活。外界刺激可通過Ras依賴或非Ras依賴的兩條途徑激活JNK，小分子G蛋白Ras超家族的成員之一Rho可能也是JNK激活的上游信號4，Rho蛋白Rac及cdc42的作用可能是與p21激活的絲蘇氨酸激酶PAK結(jié)合，使其自身磷酸化而被激活，而活化

7、的PAK進(jìn)一步使JNK激活。已有研究證實，雙特異性激酶JNKKinase（JNKK）是JNKSAPK的上游激活物，包括MKK4（JNKK1）、MKK7（JNKK2），其中MKK7JNKK2可特異性地激活JNK5，而MKK4則可同時激活JNK1和p38。JNKK的上游激活物為MEKK，MEKK1在體外過表達(dá)時可激活MEK，但MEKK1在體內(nèi)高度選擇性地磷酸化MKK4，從而激活JNK6。MEKK2也可通過MKK4激活JNK和p38。JNKSAPK接受上游信號被激活后，可以進(jìn)一步使核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子c-Jun氨基末端63及73位的絲氨酸殘基磷酸化，進(jìn)而激活c-Jun而增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性7。c-Jun氨基末端

8、的磷酸化還可以促進(jìn)c-Junc-Fos異二聚體及c-Jun同二聚體的形成，這些轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到許多基因啟動子區(qū)AP-1位點，增加特定基因的轉(zhuǎn)錄活性。此外，JNKSAPK激活后還可以使轉(zhuǎn)錄因子Elk-1和ATF2發(fā)生磷酸化，并使其轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)。13p38MAPK通路p38MAPK是1993年由Brewster等人在研究高滲環(huán)境對真菌的影響時發(fā)現(xiàn)的8。以后又發(fā)現(xiàn)它也存在于哺乳動物的細(xì)胞內(nèi)，也是MAPKs的亞類之一，其性質(zhì)與JNK相似，同屬應(yīng)激激活的蛋白激酶。目前已發(fā)現(xiàn)p38MAPK有5個異構(gòu)體，分別為p38（p38）、p381、p382、p38、p38。其分布具有組織特異性：p38、p381、p

9、382在各種組織細(xì)胞中廣泛存在，p38僅在骨骼肌細(xì)胞中存在，而p38主要存在于腺體組織。研究證實，p38MAPK通路的激活劑與JNK通路相似。一些能夠激活JNK的促炎因子（TNF、IL-1）、應(yīng)激刺激（UV、H2O2、熱休克、高滲與蛋白合成抑制劑）也可激活p38，此外，p38還可被脂多糖及G細(xì)菌細(xì)胞壁成分所激活。p38信號通路也由三級激酶鏈組成，其上游激活物為MKK3、MKK4及MKK6，與MKK4不同，MKK3、MKK6僅特異性激活p389。體外細(xì)胞轉(zhuǎn)染實驗表明，MEKK2。MEKK3可通過激活MKK4同時激活JNK和p38，而MEKK3通過激活MKK3特異性激活p38。不同的p38異構(gòu)體對

10、同一刺激可有不同的反應(yīng)，IL-1對p38的激活明顯強(qiáng)于p38，TNF1-使p38活性達(dá)到高峰的時間明顯短于使p38達(dá)到高峰的時間10。不同的異構(gòu)體對底物的作用也具有選擇性，p38 2對ATF2的磷酸化作用明顯強(qiáng)于p38，p38可以磷酸化ATF2，但卻不能激活MAPKAP-K2和MAPKAP-K311；不同的異構(gòu)體與不同的上游激酶偶聯(lián)，MKK6可以激活p38、p382、p38，而MKK3僅能激活p38、p38。2并行的MAPKs 信號通路在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的協(xié)調(diào)作用在真菌中，并行的MAPKs信號通路在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中并無相互作用，其每一條MAPKs通路都是相對獨立的，通常不與其它通路發(fā)生交聯(lián)。能夠維

11、持這種相對獨立的機(jī)制是由于存在著支架蛋白（如STE5），它可將外界信號激活的細(xì)胞信號通路中的各個信號分子結(jié)合到一起，形成復(fù)合物，起到生理性隔室化的效應(yīng)，從而防止這條通路與其它通路發(fā)生交聯(lián)12。對真菌說來，不同的MAPKs通路調(diào)節(jié)不同的生理過程；對于同樣的刺激，幾條并行的通路并不同時被激活；其中一條通路若出現(xiàn)突變，也不影響其它通路的信號傳遞。研究表明，哺乳類細(xì)胞也可通過多種機(jī)制維持其每一條MAPKs信號通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的特異性。一條通路中的各信號分子可以直接形成復(fù)合物，如MEK1與Ras、Raf-113可形成復(fù)合物，每一信號分子的空間構(gòu)象通常是其相互識別的基礎(chǔ)，如Raf-1、MEK僅識別它們的天然底

12、物MEK及ERK，而變性的ERK則不能被識別。晚近，Schaeffer和Whitmarsh等人報告在哺乳類細(xì)胞中也存在著類似于真菌的支架蛋白，如MP1（MEKPartner1）可以特異性與MEK1和ERK1形成復(fù)合物并促進(jìn)其活化14，而JIP-1（JNKinteractingprotein-1）可以特異性與MKK7和JNK形成復(fù)合物并促進(jìn)其活化15。但是，在哺乳類細(xì)胞中并行的MAPKs信號通路對細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)具有更為復(fù)雜的協(xié)調(diào)作用。同一刺激，可同時激活幾條MAPKs通路，如應(yīng)激刺激可同時激活ERK、JNK和p38MAPK三條通路，而EGF可同時激活JNK及ERK二條通路，并行的MAPKs通路之間

13、通過復(fù)雜的機(jī)制既可相互區(qū)別、又能相互調(diào)節(jié)。有研究證實，在成纖維細(xì)胞中，激活SAPK的刺激可以誘導(dǎo)MKP-1基因的表達(dá)，但激活ERK的刺激并無此作用，由于MKP-1可使ERK去磷酸化活性降低，提示這二條通路之間具有相互調(diào)控，這一調(diào)節(jié)機(jī)制的存在可使細(xì)胞特異地對激活SAPK通路的刺激發(fā)生反應(yīng)16。此外還有學(xué)者報告，JNK及ERK均可磷酸化轉(zhuǎn)錄因子Elk-1，促進(jìn)TCF（ternarycomplexfactor）的形成、增加SRE（serumresponseelement）的轉(zhuǎn)錄活性，提示SRE是這二條通路的匯合點，表明細(xì)胞可對不同的細(xì)胞外刺激信號進(jìn)行整合，最終產(chǎn)生協(xié)調(diào)的生物學(xué)反應(yīng)17。由此可見，在哺

14、乳類動物細(xì)胞中，并行的MAPKs通路相互區(qū)別、相互聯(lián)系，確保了細(xì)胞反應(yīng)的精確性和準(zhǔn)確性。3MAPKs 的滅活研究體外培養(yǎng)的PC12細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，ERK被細(xì)胞外刺激激活后，其活性增高持續(xù)時間的長短決定著細(xì)胞對刺激的反應(yīng)形式：ERK的短暫激活可使細(xì)胞增殖，而ERK的持續(xù)激活可使細(xì)胞分化18。因此，MAPKs的滅活與其被激活同樣重要，而且也是受到嚴(yán)格調(diào)控的。MAPKs調(diào)節(jié)位點的蘇氨酸及酪氨酸殘基被其上級雙特異性激酶磷酸化激活，一組雙特異性蛋白磷酸酶可使同樣位點的蘇氨酸及酪氨酸殘基去磷酸化，從而滅活MAPKs。目前已知的雙特異性磷酸酶有：MKP-1（CL100）、MKP-2、hvH3、hvH5、PAC-1

15、、MKP-3、Pst-1、Pst-2。在COS細(xì)胞或大鼠胚胎成纖維細(xì)胞中表達(dá)的MKP-1不僅可阻斷血清或TPA對ERK的激活，而且可以阻斷激活的Ras及Raf對ERK的激活，在血管平滑肌細(xì)胞，MKP-1的反義寡核苷酸可以延長ERK的激活，但對激活的MEK1無影響，COS細(xì)胞及T淋巴細(xì)胞中，PAC-1的表達(dá)可阻斷EGF、TPA及T細(xì)胞激活劑引起的ERK的激活。當(dāng)MKP-1，MKP-2及PAC-1分別在COS細(xì)胞、NIH3T3細(xì)胞及Hela細(xì)胞中表達(dá)后，MKP-1可滅活JNK、ERK及p38，MKP-2可滅活ERK及JNK，PAC-1可滅活ERK及p38，當(dāng)這些蛋白質(zhì)過度表達(dá)時，其對底物的選擇性喪

16、失19。MKP-1、PAC-1均存在于細(xì)胞核中，為早期即刻反應(yīng)基因，可以被生長因子及細(xì)胞應(yīng)激所誘導(dǎo)。Pst-1、Pst-2是CL100樣雙特異性磷酸酶，在人皮膚成纖維細(xì)胞中為組成型表達(dá)，不為應(yīng)激所誘導(dǎo)，在胞漿中高度選擇性滅活ERK20MKP-3（hvH6）及M36是新發(fā)現(xiàn)的2個雙特異性磷酸酶，MKP-3在胞漿中選擇性滅活ERK，而M36高度選擇性滅活JNK及p38。有時，MAPKs的滅活并不依賴于雙特異性磷酸酶。在PC12細(xì)胞，蛋白磷酸酶2A（PP2A）是ERK滅活的限速酶，同時可下調(diào)MEK的活性21。由于PP2A主要位于胞漿中，因此，它主要滅活胞漿中的MAPKs。MAPKs的滅活隨其在細(xì)胞中

17、的位置不同，由不同的磷酸酶滅活。PP2A、Pst-1、Pst-2可迅速滅活胞漿中的MAPKs，持續(xù)的MAPKs的激活，常伴有MAPKs轉(zhuǎn)位到核，此時核中的MAPKs由位于細(xì)胞核中的雙特異性磷酸酶MKP-1、PAC-1等滅活。此外，不同的MAPKs為不同的雙特異性磷酸酶選擇性滅活。4MAPK 信號通路激活的生物學(xué)意義ERK信號通路在生長因子介導(dǎo)的細(xì)胞增殖過程中發(fā)揮重要作用已經(jīng)為人們所公認(rèn)。因為顯性失活（dominant-negative）Ras、Raf-1突變體可以抑制細(xì)胞增殖，而持續(xù)激活的Raf-1可介導(dǎo)細(xì)胞增殖；同樣，顯性失活MEK突變體或持續(xù)激活的MEK分別抑制或促進(jìn)NIH3T3細(xì)胞的增殖

18、；突變的ERK或其反義cDNA可抑制細(xì)胞增殖22。此外，ERK通路也參予細(xì)胞分化。JNKSAPK及P38MAPK多在應(yīng)激條件下激活，二者激活后的生物學(xué)意義，尚未完全澄清，但研究表明，這兩條通路的激活可能與細(xì)胞凋亡及應(yīng)激時的多種病理生理過程有關(guān)。細(xì)胞凋亡在多細(xì)胞生物體的發(fā)育、穩(wěn)態(tài)的維持及嚴(yán)重受損細(xì)胞的清除中發(fā)揮著重要的作用。多項研究表明，JNK的激活與多種細(xì)胞的細(xì)胞凋亡調(diào)控有關(guān)。神經(jīng)生長因子（NGF）可使PC12細(xì)胞發(fā)生分化，當(dāng)NGF從培養(yǎng)基中被去除后，JNK被激活，出現(xiàn)細(xì)胞凋亡；當(dāng)PC12細(xì)胞被轉(zhuǎn)染了JNK上游激酶MEKK1的顯性失活突變體后，NGF撤除誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡可被阻斷23。Jurkat

19、細(xì)胞經(jīng)射線處理后JNK可被激活，出現(xiàn)細(xì)胞凋亡，而當(dāng)細(xì)胞被轉(zhuǎn)染了顯性失活JNK突變體后，射線誘導(dǎo)的凋亡可以被阻斷，同樣，激活的JNK過度表達(dá)可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡24。以上研究均表明，JNK的激活可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。但是，有些細(xì)胞僅有JNK激活不足以引起細(xì)胞凋亡，IL-1可強(qiáng)烈地激活JNK，但在某些條件下也不引起凋亡，提示JNK激活作用可能具有細(xì)胞和刺激物的特異性。此外，JNK激活方式的不同也可產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)，射線照射JurkatT細(xì)胞后，JNK被持續(xù)激活，細(xì)胞發(fā)生凋亡；而CD28單抗加PMA處理后，JNK被迅速而短暫的激活，細(xì)胞并不出現(xiàn)凋亡，而是被活化和增殖25。在PC12細(xì)胞中，NGF撤除誘導(dǎo)

20、的凋亡不僅伴有JNK的激活、同時還伴有ERK活性的降低；ERK的持續(xù)激活可以阻止細(xì)胞凋亡的發(fā)生23。T細(xì)胞的激活需要來自TCR及CD28的雙重刺激，TCR與配體結(jié)合后可激活ERK，而CD28與配體結(jié)合后可激活JNK，僅有ERK的激活，T細(xì)胞將成為無反應(yīng)性T細(xì)胞，只有ERK及JNK兩條通路均被激活后，T細(xì)胞才被激活，可發(fā)生增殖，產(chǎn)生IL-226。CD40為B細(xì)胞表面的跨膜糖蛋白，其交聯(lián)在B細(xì)胞的激活、增殖、分化過程中發(fā)揮著重要的作用，研究表明CD40的交聯(lián)選擇性激活JNK，而不是ERK。因此，B細(xì)胞JNK的激活可促進(jìn)其增殖、分化27，由此可見，JNK通路也可以為細(xì)胞增殖提供信號，JNK及ERK兩

21、條信號通路信號的整合與協(xié)調(diào)決定著細(xì)胞的最終反應(yīng)。除此之外，JNK的激活還與病理條件下心肌細(xì)胞的代償性肥大28、細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化29、肥大細(xì)胞脫顆粒、引起速發(fā)型變態(tài)反應(yīng)有關(guān)。吡啶咪唑類衍生物（SB202190、SB203580）可特異性抑制p38的激活，因此為研究p38在體內(nèi)的作用提供了有力工具。p38可通過激活一些轉(zhuǎn)錄因子和其它的蛋白酶而產(chǎn)生一定的生物學(xué)效應(yīng)。目前認(rèn)為，p38MAPK信號通路主要參與應(yīng)激條件下細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡過程。如：特異性阻斷P38 MAPK通路，可抑制脂多糖誘導(dǎo)的IL-1及TNF的產(chǎn)生30；SB203580可以使TNF誘導(dǎo)的IL-6表達(dá)減少，還可抑制CD28依賴性T細(xì)胞增殖和IL-2表達(dá)。還有學(xué)者報告，在HIV感染的淋巴細(xì)胞中p38 MAPK活性增高，應(yīng)用特異性抑制劑或p38 MAPK反義寡核苷酸可特異性抑制病毒的復(fù)制31。在腎小球系膜細(xì)胞中，p38 MAPK激活可能參與IL-1誘導(dǎo)的前列腺素和一氧化氮合成調(diào)控32。在B淋巴細(xì)胞和PC12細(xì)胞中，p38 MAPK激活參與細(xì)胞凋亡的調(diào)控，與JNK可能有協(xié)同作用33。研究還發(fā)現(xiàn)，谷氨酸與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的NMDA受體結(jié)合后可激活p38 MAPK，導(dǎo)致腦顆粒細(xì)胞發(fā)生凋亡；高滲可激活腎髓質(zhì)小管上皮MDCK