MAPK信號轉導通路對炎癥反應的調控

1、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteink inase,MAPK是介導細胞反應的重要信號系統(tǒng),普遍存在于多種生物,包括酵母和哺乳動物細胞。自從1991年Sturgill 及其同事在哺乳動物細胞鑒定出細胞外信號調節(jié)激酶(extracellular-signal re gulatedprotein kinase,E RK,MAPK 信號轉導通路的研究取得了迅猛發(fā)展1,2。除ERK 外,還發(fā)現(xiàn)和克隆了c-Jun 氨基未端激酶(c-Jun amino-terminal kinase,JNK/267綜述MAPK 信號轉導通路對炎癥反應的調控姜勇 ,龔小衛(wèi)(第一軍醫(yī)大學病理生

2、理教研室暨全軍休克微循環(huán)重點實驗室,廣州510515摘要:絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK是生物體內重要的信號轉導系統(tǒng)之一,參與介導生長、發(fā)育、分裂、分化、死亡以及細胞間的功能同步等多種細胞過程。在哺乳動物細胞中已發(fā)現(xiàn)和克隆了ERK JNK/S APK 、p38/RK 、ERK5/B MK1四個MAPK 亞族。這些MAPK 能被多種炎性刺激所激活,并對炎癥的發(fā)生、發(fā)展起重要調控作用。研究感染和炎癥反應過程中這些MAPK 被激活的機制及其生物學效應,探討MAPK 特異性抑制劑的藥理學作用及分子基礎,對于感染的防治及炎癥反應的控制有著廣

3、泛的應用前景。關鍵詞:絲裂原活化蛋白激酶;信號轉導;炎癥反應學科分類號:Q288Regulation of inflammatory responses byMAPK signal transduction pathwaysJIANG Yong ,GONG Xiao-Wei(De parment o f Pathophysiology and Key Laboratoryr Shock and Microcirculation o f PLA ,First Military Medical University ,Guangzhou 510515Abstract:Mitogen-activat

4、ed protein kinase (MAPK,which is one of the important signal transductionsyste ms in organisms,is involved in many cellular processes,such as cell growth,development,division,differentia tion,death and coordination of cellular func tions,and etc.Four subfamilies of MAP kinases,i. e.ERK,JNK/SAPK,p38/

5、RK and E RK5/B MK1,have been identified and cloned in mammalia m cells.TheseMAP kinas es are activated by many proinfla mmatory stimuli and play an important role in the pathogenesis anddevelop ment of inflam mation.In this article recent advances in the study of the mechanisms underlyingactivation

6、of MAPKs in infection and inflammation and the molecular basis of specific inhibitors for MAPKs arerevie wed,in special reference with the perspective prevention and treatment of inflam mation by these kinases.Keywords:mitogen-activated protein kinase;signal transduction;inflammatory responses 生理學報,

7、Aug.2000,52(4:267271Acta Physiologica SinicaRecei ved 1999-11-01Accep ted 2000-03-30This stud y we s upp orted b y Nati onal Science Fu nd for Dis tin gui shed You ng Sch olars (No.39925014,Gran td of National Natural Science Fou ndation應激激活蛋白激酶(stress-activated protein knase, SAPK、p38和ERK5/B MK1(bi

8、g MAP kinase1等MAPK亞族13。MAPK信號轉導通路采用高度保守的三級激酶級聯(lián)傳遞信號;細胞外刺激通過某些環(huán)節(jié)使MKKK(MAP kinase kinase kinase激活,轉而激活MKK(MAP kinase kinase;然后通過對蘇氨酸(threonine,T和酪氨酸(tyrossine,Y雙位點磷酸化激活MAPK13。MAPK不同成員具有明顯的序列同源性,都是通過 T-X-Y 雙位點磷酸化達到最大激活46。細胞外刺激作用于細胞,通過多級激酶級聯(lián)使MAPK激活,激活的MAPK可通過磷酸化轉錄因子、細胞骨架相關蛋白、酶類等多種底物來調節(jié)多種細胞生理過程69。MAPK在介導炎

9、癥反應和細胞因子生成中起著重要的作用,近年來我們在這方面開展了一些工作,本文結合我們的一些發(fā)現(xiàn)和國內、外的研究進展,就MAPK信號系統(tǒng)在炎癥過程中的激活、與炎癥因子生成的調控關系以及MAPK 通路抑制劑在炎癥控制中的應用等問題重點展開討論。1MAPK在炎癥條件下的激活1.1ERK通路ERK亞族至少包括兩個亞型: ERK1和E RK2。ERK通路首先被證實在EGF (epithelia growth factor、NGF(neuronal gro wth factor和PDGF(platelet-derived growth factor等生長因子刺激引起的細胞反應中起重要調控作用1,2。然而,

10、研究發(fā)現(xiàn)ERK通路還參與應激刺激、細菌產物、炎癥介質等引起的細胞反應,表明ERK通路的激活與炎癥反應也有著密切關系1,2,10。Dziarski等報道,在MW264.7巨噬細胞中,可溶性葡萄球菌肽聚糖(solublpeptidoglycan,sPGN強烈激活ERK1和ERK2,中度激活JNK,僅輕微地激活p38;這與脂多糖(lipopolysaccharide,LPS的作用不同,LPS能強烈地激活所有這些MAPKs10。ERK通路在介導炎癥反應中的確切作用尚有待進一步研究。1.2JNK通路除了被生長因子激活外,JNK通路還能被LPS、腫瘤壞死因子 (TNF- 、白細胞介素1(IL-1、紫外線、

11、射線、熱休克、細胞外高滲及DNA變性劑等激活1,2。目前JNK亞族已克隆了3個基因:JNK1、JNK2和JNK3,共包含至少10種剪切亞型1,2。生長因子刺激激活JNK依賴于Ha-Ras,而TNF- 和IL-1等致炎細胞因子則通過Ha-Ras 非依賴性方式激活JNK。JNK被激活后,轉而磷酸化轉錄因子c-Jun的氨基末端的特定位點。c-Jun是序列特異性轉錄激活因子AP-1(activating protein1的成分之一1,2,5。磷酸化的c-Jun通過誘導同源或異源二聚體形成,與AP-1位點的順式作用元件結合而啟動某些效應基因的轉錄5,11。1.3p38通路p38最初被認為是一種能被LPS

12、激活的激酶12。Lee等人在篩選抑制炎癥因子生成的化合物(cytokine-suppressive anti-infla mmatory drugs,CSAID時,發(fā)現(xiàn)一族吡啶-異咪噠唑化合物能夠明顯抑制IL-1和TNF- 的生成13。該類化合物能夠與細胞內兩個非常相似的MAPK同源體結合,他們稱之為CSBP1/2(CSAID-binding protein1/ 2。CSAID通過與CSBP結合并抑制其激酶活性而顯著減少細胞因子的生成。測序證實C SBP1/2與小鼠p38MAPK為同一基因13。除了LPS之外,生血細胞因子,如促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO和白細胞介素3(

13、I L-3、致炎細胞因子、細菌成分、紫外線照射、細胞外高滲、H2O2、熱休克等刺激都能激活這條通路3,6。由于其他MAPK亞族存在不同亞型,我們對p38是否存在其他亞型進行了研究,相繼發(fā)現(xiàn)了3個新的p38亞型,即p38 ,p38 ,p38 7,8, 14。4種p38亞型在炎癥條件下的激活具有各自不同的特性。譬如,MKK3和MKK6能激活p38和p38 ,但膠內激酶分析顯示,p38 還能被某些未知的MKK所激活8.另外,Hale報道,在LPS刺激的巨噬細胞內,p38 被強烈激活,而p38 的激活程度較低;I L-1則能激活內皮細胞中的p38 和p38 15。這提示,在炎癥反應中,p38 可能起主

14、要作用。我們對細胞內p38的定位及其對刺激的反應進行了研究,發(fā)現(xiàn)在RAW264.7細胞、心肌細胞、內皮細胞等在靜息狀態(tài)下,主要散在分布于胞漿內, LIS、UV、高溫刺激后,p38被激活并移位入核16, 17。這提示轉錄因子可能是p38MAPK的重要作用目標。目前已發(fā)現(xiàn)p38能激活轉錄因子AW F2、C HOP10、MEF2C(myocyteenhancer factor2C等3,18。通過對轉錄因子磷酸化來調節(jié)參與細胞反應的基因的轉錄表達是MAPK的重要細胞功能。除了轉錄因子之外,p38還能激活細胞內的一些蛋白激酶,如MAPKAPK2/3(MAPKactivated protein kinas

15、e2/3和PRAK(p38regulated/activated protein kinase3,9。這些絲氨酸/蘇氨酸家族的成員被磷酸化激活后,轉而激活低分子量熱休克蛋白(small heat-shock proteinHSP27,從而介導細胞骨架重構,參與細胞應激反應9。p38亞族的不同激酶可轉移到特定的細胞內部位,作用到細胞內相應的目標,從而發(fā)揮不同的調節(jié)功能3,6。1.4E RK5通路至今只發(fā)現(xiàn)一個ERK5/B MK1亞型能被TNF- 、H2O2、細胞外高滲等刺激激活,說明該通路可能也參與某些條件下的炎癥反應調19,20。最近,我們對p38MAPK和B MK1在TNF- 誘導c-jun

16、表達中的調控作用進行了研究,發(fā)現(xiàn)p38和B MK1在TNF- 誘導c-jun轉錄的調控中具有協(xié)同作用。p38和B MK1可分別上調MEF2和MEF2D的轉錄活性。TNF- 通過激活p38和B MK1,使MEF2A和MEF2D磷酸化,從而誘導ME T2A/MEF2D異源二聚體形成,這在TNF- 誘導的c-jun基因轉錄表達調控中起著重要的作用20。2MA PK與炎癥因子生成的調控關系LPS介導的細胞炎癥反應是一個典型的病原體與機體相互作用的過程3,6。LPS刺激細胞能夠激活ERK、JNK和p38,然后作用于各自的底物,影響多種轉錄因子的活性,從而調節(jié)包括TNF、IL-1、IL-6、I L-8等多

17、種細胞因子在內的基因的表達。而TNF- 、I L-1、花生四烯酸(arachdonic acid,AA產物、內皮素等多種炎癥介質能激活不同MAPK,通過促進或抑制基因的轉錄來調控其它炎癥介質的生成。2.1TMF- TNF- 是導致內毒素休克的關鍵介質17。LPS刺激單核/巨噬細胞可引起TNF- 合成和釋放,后者再誘導其它細胞因子和血小板激活因子(platelet-activated factor,PAF等的釋放。極低濃度的PAF就可刺激中性粒細胞和血管內皮細胞釋放大量的TNF- 和IL-1,而TNF- 、IL-1又可刺激巨噬細胞和血管內皮細胞產生和釋放P AF。這些細胞因子協(xié)同作用,導致炎癥反

18、應失控,甚至引起致死性休克。我們發(fā)現(xiàn)LPS可激活RAW264.3細胞p38,使其移位入核;p38激活入核后參與了LPS誘導的TNF- 基因轉錄表達的調控16,17。E RK、JNK和p38通路都能被TNF- 強烈激活,通過對轉錄因子的作用而影響TNF- 的產生和生物學效應20。2.2IL-1IL-1也是參與炎癥反應的重要介質。它在炎癥中的主要作用包括刺激其它炎癥介質,如TNF- 、IL-6、I L-8、P M和PGs等的釋放、激活T和B淋巴細胞。增加粘附分子的表達、刺激急性期蛋白(可能是內生性致熱原的主要成分的生成和釋放等。Guan等最近報道,IL-1 能通過激活p38而上調PGE2和下調NO

19、的合成21。2.3AA代謝產物AA代謝產物前列腺素(PGs和白三烯類(LTs在促進炎癥的過程中起重要作用。ERK1/2激活可誘導環(huán)加氧酶2(cyclooxygenase2, C OX2生成,限制氧化應激對心肌細胞的損傷22。C OX是PG合成的限速酶,經典抗炎藥水楊酸類通過抑制其活性而減少PG的產生,抑制炎癥反應。p38通路和JNK通路激活后能上調IL-1 誘導的C OX 表達,使PGE2合成增加,利用p38抑制劑SC68376能完全抑制這種作用23。2.4粘附分子炎癥反應所生成的炎癥介質可通過激活MAPK通路增加細胞表面多種粘附分子的表達,促進細胞間粘附和炎癥的進展。內皮細胞表達E-選擇素(

20、E-selectin對于炎癥反應中白細胞的聚集至關重要。JNK和p38通過增加E-選擇素的啟動子轉錄活性而促進E-選擇素的大量表達24。2.5其它體液因子還有一些體液因子在炎癥中的作用也是通過MAPK介導的。Bruder等報道,腺病毒感染通過激活ERK通路使細胞產生趨化因子IL-825.3MAPK亞族間的協(xié)同作用在多細胞生物,尤其是哺乳動物細胞,要準確完成某種細胞功能,往往需要多條信號通道協(xié)同作用3。MPAK通路的協(xié)同作用可發(fā)生在信號轉導級聯(lián)的各個水平,也可采用不同的協(xié)同作用方式和/或機制1,3,5。p38MAPK對炎性分子的表達有明顯影響,在感染引起的細胞反應中具有重要的調控作用。我們用酵母

21、雙雜交技術(two-hybrid system首次報道了p38轉導通路和心肌細胞增強因子(myocyte-enhancer factor2,MEF2轉錄因子家族的成員ME T2C之間的功能聯(lián)系18。在單核細胞受到LPS的刺激時,p38和JNK發(fā)生雙位點磷酸化而被同時激活。p38的激活使ME T2C磷酸化;使c-jun轉錄增加,從而增加c-Jun蛋白表達;而另外一條與應激有關的MAPK通路?JNK通路的激活使c-Jun磷酸化。磷酸化消耗的c-jun可由ME F2C活性增加引起的c-Jun蛋白表達補充。在多種細胞因子的啟動子區(qū)都存在AP1位點,磷酸化的c-Jun可以和AP1位點結合,從而使炎癥相關

22、基因表達增加18。通過激活一條MAPK通路使某種轉錄因子表達增加,從而為另外一條通路MAPK磷酸化作用提供底物,以促進炎癥反應基因表達,這是MAPK通路間協(xié)同作用的一種重要形式(圖1。4MAPK通路抑制劑在抑制炎癥反應中的作用4.1MAPK通路抑制劑對p38特異性抑制劑的研究較多,包括SK&F86002、SB206718、SB220025、SB202190和SB203580等13,26。我們發(fā)現(xiàn)磷酸化環(huán)狀結構是決定下游底物的關鍵結構,而與上游激酶選擇無明顯關系27。由于結構的差異,不同的p38亞型對特異性抑制劑的反應不同。例如,與其它三種亞型不同,p38 的活性不被SB202190所抑

23、4期姜勇等:MAPK信號轉導通路對炎癥反應的調控269制8,14。p38特異性抑制劑并不阻斷上游激酶對p38的激活,而是作用于p38本身。根據(jù)蛋白質一級結構、分子構型和X線晶體衍射結構確定p38特異性抑制劑主要作用于ATP結合活性位點T106,且M109能增加這些特異性抑制劑與p38的親和力28。這些特異性抑制劑使p38失去了與ATP 結合的能力,從而使其失去激酶活性。作為E RK通路的特異性抑制劑,PD98059通過特異性地抑制其上游激酶ME K1/2,而阻斷E RK通路的激活。PD98059能抑制CD3/PMA或C D3/C D28共刺激T細胞時產生TNF- 、I L-3、GM-CSF、I

24、FN- 、IL-6及IL-1,但能使IL-4、IL-5及I L-3的生成增加29。目前有關JNK的特異性抑制劑尚未見報道。4.2MAPK通路抑制劑的抑炎效應及臨床應用前景利用MAPK通路抑制劑阻斷其作用,可抑制炎癥反應的進一步發(fā)展。Guan等報道,一種能選擇性抑制系膜細胞內p38通路的藥物SC68376,能抑制腎小球系膜細胞內I L-15對p38的激活,從而增加NO的合成并抑制前列腺素的釋放21。動物實驗表明,SB203580能降低鼠內毒素性休克模型的死亡率30;SB220025能抑制血管形成,對慢性增殖性炎癥有效。MAPK通路抑制劑能抑制多種炎癥因子的產生,阻斷炎癥反應,并且具有特異性好、作

25、用強等特點。因此,這些藥物一旦通過臨床試驗,必將面臨廣闊的應用前景3,6。參考文獻1Jians Y(姜勇,Liu AH(劉愛華,Zhao KS(趙克森.Thesignal transduction pathways of mitogen-activated proteinki nase.J First Mil Med Univ(第一軍醫(yī)大學學報1999,19(1:5962(in Chinese.2Zhang L(張璐,JiansY(姜勇,Zhang L(張琳et al.Progress of study on mitogen_activated protein kinase.Foreign M

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