絲裂原活化蛋白激酶信號通路的研究進展*

安秋霞 蒙艷麗 呂丹丹 王英巖 王偉明

（黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院·哈爾濱 150036）

·綜述·

絲裂原活化蛋白激酶信號通路的研究進展*

安秋霞 蒙艷麗 呂丹丹 王英巖 王偉明**

（黑龍江省中醫(yī)藥科學(xué)院·哈爾濱 150036）

絲裂原活化蛋白激酶（MAPKs）是細胞內(nèi)一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，參與細胞的多種生物學(xué)和生理學(xué)行為過程，包括基因的轉(zhuǎn)錄、細胞的分化和增殖、細胞周期調(diào)控、細胞凋亡及炎性反應(yīng)等。三個主要的MAPK信號通路已知，細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（ERK1/2）信號通路、c-Jun氨基末端蛋白激酶/應(yīng)激活化蛋白激酶（JNK/SAPK）信號通路和p38-MAPK信號通路。本文的重點是簡要概述MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路分布在某些病理或生理過程中的生物學(xué)作用特性。

MAPKs ERK1/2 JNKs p38-MAPK 信號通路

細胞作為生物體的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，無時無刻不在受內(nèi)、外因素及內(nèi)外綜合因素的影響。應(yīng)對細胞內(nèi)外刺激，真核細胞通過發(fā)射細胞內(nèi)信號來協(xié)調(diào)，做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。蛋白質(zhì)磷酸化是一個主要的調(diào)控機制，通過第二信使系統(tǒng)傳導(dǎo)，即耦合到細胞表面受體或借助應(yīng)力刺激和致癌性轉(zhuǎn)化等誘導(dǎo)作用，把信號從細胞膜轉(zhuǎn)導(dǎo)到細胞核和其它細胞靶點。而真核生物信號傳遞網(wǎng)絡(luò)中，絲裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinases，MAPKs）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是該傳遞網(wǎng)絡(luò)中重要途徑之一，也是非常保守的信號通路。故以MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路分布在某些病理或生理過程中的生物學(xué)作用特性為重點進行簡要概述，以供交流學(xué)習(xí)。

1 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

自20世紀80年代發(fā)現(xiàn)以來，MAPKs已得到廣泛研究。傳統(tǒng)的MAPKs包括extracellular signal-regulated kinase 1 and 2（ERK1/2或p44/42）、c-Jun N-terminal kinase 1-3(JNK1-3)/stress activated protein kinases（SAPK1A,1B,1C）、p38 isoforms（p38α,β,γ,δ）和ERK5，而非典型性MAPKs包括NLK、ERK3/4、ERK7/8。據(jù)MAPKs種類，MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路分為Ras/ERK信號通路（又稱Ras或ERKs信號通路）、JNK信號通路、p38信號通路三種[1]。生長因子、細胞因子、炎癥及壓力等多種刺激可激活MAPK信號通路，通過連續(xù)的酶促反應(yīng)，即MAP4Ks-MAP3Ks-MAP2Ks-MAPKs（ERKs、JNK、p38），最后絲裂原激活下游基因，參與細胞的增殖、分化、轉(zhuǎn)移、凋亡、細胞周期、炎癥反應(yīng)等調(diào)控過程。不同的胞內(nèi)外刺激活化不同的MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，作用于不同的底物，而通過其相互調(diào)控進而介導(dǎo)不同的細胞生物學(xué)反應(yīng)。

1.1 ERKs信號通路

ERKs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，也稱為Ras-Raf-MEK-ERK信號通路，是較為經(jīng)典的MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，早在20世紀80年代就已經(jīng)被提出，被視為這些激酶級聯(lián)反應(yīng)的原型[2]。它主要參與由各類細胞因子、生長因子等因素刺激受體活化后的細胞生物學(xué)行為，而持續(xù)性活化的ERK1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有助于腫瘤細胞的生長、增強抗凋亡能力。ERK1/2的活化位于MEK超家族信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的下游，主要負責(zé)由MEK活化后調(diào)控的生物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，處于該通路的中心環(huán)節(jié)[3]。該轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，Raf和MEK均為Ser/Thr選擇性蛋白激酶，而ERKs是Ser/Tyr/Thr雙特異性蛋白激酶。當(dāng)受絲裂原刺激后，ERKs接受上游級聯(lián)反應(yīng)信號，可以將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進入核內(nèi)磷酸化一些核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子如c-fos、c-jun、Elk-1等。它能夠通過直接磷酸化作用穩(wěn)定c-fos蛋白，從而使c-fos與c-jun形成轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體AP-1。AP-1活性有助于細胞周期蛋白D1表達，從而促進細胞周期G1到S期的進展。此外，ERK1/2還可以磷酸化該通路上游蛋白如NGF受體、MEK、Raf-1等，進而完成自身的負反饋調(diào)節(jié)。

另外，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，ERK5通路亦稱BMK1通路，是一種非典型的MAPK通路，其級聯(lián)反應(yīng)也是由3個相應(yīng)順序激活，主要是Thr218/Tyr220基序受上游蛋白激酶MAPKK5調(diào)控使其磷酸化而激活該轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。ERK5在所有組織中存在差異性表達，而在腦、胸腺、脾中能夠高效表達。它可以被多種胞外刺激因素激活，包括高滲壓、低氧、氧化劑、流體切應(yīng)力等，且表皮生長因子也可以激活ERK5信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)細胞的增殖和分化。ERK5信號通路的活化對于細胞增殖和分化等生理過程是必需的[4]。程群等[5]的實驗表明，ERK5在成骨細胞內(nèi)作為信號分子介導(dǎo)了細胞內(nèi)外信息的交流，誘導(dǎo)了成骨細胞的增殖與分化。Sohn等[6]的研究表明，對胸腺細胞發(fā)育成熟起關(guān)鍵作用的是ERK5，而不是ERK1/2，揭示了ERK5有介導(dǎo)分化T淋巴細胞的作用。另有研究發(fā)現(xiàn)ERK5信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路還能夠通過多種機制參與糖尿病視網(wǎng)膜病變的病理學(xué)過程[7]。這些都證實ERK5是細胞增殖與分化、器官發(fā)生等生物學(xué)行為中不可缺少的信號蛋白。

1.2 JNK/SAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

JNKs（JNK1，JNK2，JNK3）是20世紀90年代被發(fā)現(xiàn)的一類絲裂原，又被稱為應(yīng)激活化蛋白激酶（stress activated kinase，SAPK），抑或c-Jun 氨基末端蛋白激酶。c-Jun氨基末端蛋白激酶命名是因它最初被發(fā)現(xiàn)是一種特異性磷酸化核轉(zhuǎn)錄因子c-jun的激酶，它可以和c-jun的氨基末端活性結(jié)構(gòu)域結(jié)合，在Ser63和Ser73兩個位點磷酸化而被激活[8]。JNKs異構(gòu)體中JNK1和JNK2具有廣泛的組織分布，而JNK3似乎主要局限于神經(jīng)元的組織，睪丸，和心肌細胞[9][10]。JNK1和JNK2已顯示在細胞增殖和細胞凋亡的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。JNKs的活化可多由生長因子，細胞因子和環(huán)境應(yīng)激等信號刺激所介導(dǎo)，很少被絲裂原所活化。而活化的JNK可以調(diào)控胚胎發(fā)育、癌基因的轉(zhuǎn)化、細胞的生長和分化、凋亡等多種生命活動。許多研究表明JNK信號通路與細胞凋亡有密切關(guān)系[11]。許多能夠激活p38MAPK的刺激物也能夠激活JNKs，主要由于二者具有相同的MAPKKs活化物識別的基序，由此具有許多相似性，在不同水平上存在交互作用。在某些種類細胞中JNK、p38MAPK的活化能夠促進炎癥性反應(yīng)而引發(fā)細胞凋亡，由此為契機，有待進一步從分子水平進行基于敲除試驗研究來確定JNK在疾病發(fā)展中作用。

1.3 p38信號通路

p38（p38α,β,γ,δ）是MAPK家族成員之一，最初被認為是由脂多糖（LPS，lipopolysaccharide）激活的一類激酶。由于其在炎癥反應(yīng)中的核心作用，隨后Lee JC[12]等研究發(fā)現(xiàn)炎癥反應(yīng)中一族吡啶-異咪咗化合物能夠明顯抑制IL-1、TNF-α的生成，且該化合物與細胞內(nèi)兩個相似的MAPK同源體結(jié)合，而后被證實與小鼠p38 MAPK為同一基因。除了LPS外，p38亞型還可由滲透壓、氧化應(yīng)激、紫外線照射、熱休克、缺氧、缺血、白細胞介素-1β（IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α），和轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）、神經(jīng)性疼痛等因素強烈激活[13][14]。p38 MAPK的激活需要同時雙磷酸化Thr和Tyr。p38MAPK的激活需要同時雙磷酸化Thr和Tyr。活化的p38亞族的不同激酶可將信號從細胞質(zhì)傳導(dǎo)至細胞核，或可以轉(zhuǎn)移到細胞的其他特定部位，進而激活下游的激酶或其他一些轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)揮不同的調(diào)節(jié)功能。譬如，p38MAPK不僅可以促進某些細胞凋亡同時還能夠促進一些細胞的生存、生長和分化等。而對于紫外線輻射等作出響應(yīng)的是p38α和p38β亞型，而非p38γ亞型。

2 非典型性蛋白激酶及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路間交互作用

MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路不僅僅是單獨發(fā)揮調(diào)控作用，而是各絲裂原或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑交互作用，共同構(gòu)建了一個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。非典型性蛋白激酶，有別于傳統(tǒng)的蛋白激酶保守的Thr-X-Tyr雙磷酸化結(jié)構(gòu)位點[15]。ERK3/4、NLK的Tyr被Gly/Glu取代，ERK7在活化環(huán)處包含Thr-Glu-Tyr基序，其自身發(fā)生催化磷酸化不需要上游MAPKK刺激。然而，傳統(tǒng)和非典型MAPKs磷酸化的靶點作用于絲氨酸或蘇氨酸的襯底上的Pro殘基，使其成為定向的激酶，因此一旦被激活，便使得它們具有共識限制性特異性磷酸化基序。

此外，ERK、JNK和p38發(fā)生在不同的層次和細胞狀態(tài)發(fā)生交互作用[16]。p38能直接下調(diào)ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，或通過具有去磷酸化MEK1/2特性的蛋白磷酸酶2A（PP2A）活性來調(diào)控。因此，p38的激活受磷酸化ERK減少的調(diào)控影響，反之則抑制p38活性[17]。ERK與JNK的激活在體外和體內(nèi)存在拮抗作用。如人肺泡巨噬細胞，它們之間的相互作用由MKP-7（亦稱dual special phosphatase 16，DUSP16，是一種JNK磷酸酶）介導(dǎo)[18]。當(dāng)ERK表達受抑制時，MKP-7的活性就會降低，從而使得磷酸化JNK增多。SD大鼠制造缺血模型后，會誘導(dǎo)海馬CA1區(qū)磷酸化ERK表達增加而磷酸化JNK表達降低，但用MEK抑制劑處理后JNK的活性增強[19]。由此，這一信號網(wǎng)絡(luò)中存在MAPKs或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑間的負調(diào)控等交互作用是可能的。

3 小結(jié)與展望

盡管對MAPK信號通路的研究取得了一些進展，但要完全揭示其作用機制仍需進行深入研究，如進一步闡明MAPK信號通路相關(guān)的生物學(xué)功能、與疾病的關(guān)系，以及對不同MAPK級聯(lián)通路之間交叉及整合作用機制的進一步研究等。結(jié)合近年來對小分子蛋白激酶抑制劑臨床研究取得的進展[13][14]相信隨著對MAPK通路的不斷研究和認識，臨床以MAPK為靶點的、更為有效的基因阻斷治療藥物的研制必將對一些疾病的防治領(lǐng)域研究工作產(chǎn)生巨大的推動作用。

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（2016-09-23 收稿）

國家自然基金面上項目(81374045)，黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目（PC13S09），哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目計劃(2014RFQYJ040)，國家自然基金青年基金（81603367）。

** 通訊作者