MAPK信号转导通路对炎症反应的调控

1、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteink inase,MAPK是介导细胞反应的重要信号系统,普遍存在于多种生物,包括酵母和哺乳动物细胞。自从1991年Sturgill 及其同事在哺乳动物细胞鉴定出细胞外信号调节激酶(extracellular-signal re gulatedprotein kinase,E RK,MAPK 信号转导通路的研究取得了迅猛发展1,2。除ERK 外,还发现和克隆了c-Jun 氨基未端激酶(c-Jun amino-terminal kinase,JNK/267综述MAPK 信号转导通路对炎症反应的调控姜勇 ,龚小卫(第一军医大学病理生

2、理教研室暨全军休克微循环重点实验室,广州510515摘要:丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK是生物体内重要的信号转导系统之一,参与介导生长、发育、分裂、分化、死亡以及细胞间的功能同步等多种细胞过程。在哺乳动物细胞中已发现和克隆了ERK JNK/S APK 、p38/RK 、ERK5/B MK1四个MAPK 亚族。这些MAPK 能被多种炎性刺激所激活,并对炎症的发生、发展起重要调控作用。研究感染和炎症反应过程中这些MAPK 被激活的机制及其生物学效应,探讨MAPK 特异性抑制剂的药理学作用及分子基础,对于感染的防治及炎症反应的控制有着广

3、泛的应用前景。关键词:丝裂原活化蛋白激酶;信号转导;炎症反应学科分类号: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 生理学报,

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应激激活蛋白激酶(stress-activated protein knase, SAPK、p38和ERK5/B MK1(bi

8、g MAP kinase1等MAPK亚族13。MAPK信号转导通路采用高度保守的三级激酶级联传递信号;细胞外刺激通过某些环节使MKKK(MAP kinase kinase kinase激活,转而激活MKK(MAP kinase kinase;然后通过对苏氨酸(threonine,T和酪氨酸(tyrossine,Y双位点磷酸化激活MAPK13。MAPK不同成员具有明显的序列同源性,都是通过 T-X-Y 双位点磷酸化达到最大激活46。细胞外刺激作用于细胞,通过多级激酶级联使MAPK激活,激活的MAPK可通过磷酸化转录因子、细胞骨架相关蛋白、酶类等多种底物来调节多种细胞生理过程69。MAPK在介导炎

9、症反应和细胞因子生成中起着重要的作用,近年来我们在这方面开展了一些工作,本文结合我们的一些发现和国内、外的研究进展,就MAPK信号系统在炎症过程中的激活、与炎症因子生成的调控关系以及MAPK 通路抑制剂在炎症控制中的应用等问题重点展开讨论。1MAPK在炎症条件下的激活1.1ERK通路ERK亚族至少包括两个亚型: ERK1和E RK2。ERK通路首先被证实在EGF (epithelia growth factor、NGF(neuronal gro wth factor和PDGF(platelet-derived growth factor等生长因子刺激引起的细胞反应中起重要调控作用1,2。然而,

10、研究发现ERK通路还参与应激刺激、细菌产物、炎症介质等引起的细胞反应,表明ERK通路的激活与炎症反应也有着密切关系1,2,10。Dziarski等报道,在MW264.7巨噬细胞中,可溶性葡萄球菌肽聚糖(solublpeptidoglycan,sPGN强烈激活ERK1和ERK2,中度激活JNK,仅轻微地激活p38;这与脂多糖(lipopolysaccharide,LPS的作用不同,LPS能强烈地激活所有这些MAPKs10。ERK通路在介导炎症反应中的确切作用尚有待进一步研究。1.2JNK通路除了被生长因子激活外,JNK通路还能被LPS、肿瘤坏死因子 (TNF- 、白细胞介素1(IL-1、紫外线、

11、射线、热休克、细胞外高渗及DNA变性剂等激活1,2。目前JNK亚族已克隆了3个基因:JNK1、JNK2和JNK3,共包含至少10种剪切亚型1,2。生长因子刺激激活JNK依赖于Ha-Ras,而TNF- 和IL-1等致炎细胞因子则通过Ha-Ras 非依赖性方式激活JNK。JNK被激活后,转而磷酸化转录因子c-Jun的氨基末端的特定位点。c-Jun是序列特异性转录激活因子AP-1(activating protein1的成分之一1,2,5。磷酸化的c-Jun通过诱导同源或异源二聚体形成,与AP-1位点的顺式作用元件结合而启动某些效应基因的转录5,11。1.3p38通路p38最初被认为是一种能被LPS

12、激活的激酶12。Lee等人在筛选抑制炎症因子生成的化合物(cytokine-suppressive anti-infla mmatory drugs,CSAID时,发现一族吡啶-异咪哒唑化合物能够明显抑制IL-1和TNF- 的生成13。该类化合物能够与细胞内两个非常相似的MAPK同源体结合,他们称之为CSBP1/2(CSAID-binding protein1/ 2。CSAID通过与CSBP结合并抑制其激酶活性而显著减少细胞因子的生成。测序证实C SBP1/2与小鼠p38MAPK为同一基因13。除了LPS之外,生血细胞因子,如促红细胞生成素(erythropoietin,EPO和白细胞介素3(

13、I L-3、致炎细胞因子、细菌成分、紫外线照射、细胞外高渗、H2O2、热休克等刺激都能激活这条通路3,6。由于其他MAPK亚族存在不同亚型,我们对p38是否存在其他亚型进行了研究,相继发现了3个新的p38亚型,即p38 ,p38 ,p38 7,8, 14。4种p38亚型在炎症条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 ,但胶内激酶分析显示,p38 还能被某些未知的MKK所激活8.另外,Hale报道,在LPS刺激的巨噬细胞内,p38 被强烈激活,而p38 的激活程度较低;I L-1则能激活内皮细胞中的p38 和p38 15。这提示,在炎症反应中,p38 可能起主

14、要作用。我们对细胞内p38的定位及其对刺激的反应进行了研究,发现在RAW264.7细胞、心肌细胞、内皮细胞等在静息状态下,主要散在分布于胞浆内, LIS、UV、高温刺激后,p38被激活并移位入核16, 17。这提示转录因子可能是p38MAPK的重要作用目标。目前已发现p38能激活转录因子AW F2、C HOP10、MEF2C(myocyteenhancer factor2C等3,18。通过对转录因子磷酸化来调节参与细胞反应的基因的转录表达是MAPK的重要细胞功能。除了转录因子之外,p38还能激活细胞内的一些蛋白激酶,如MAPKAPK2/3(MAPKactivated protein kinas

15、e2/3和PRAK(p38regulated/activated protein kinase3,9。这些丝氨酸/苏氨酸家族的成员被磷酸化激活后,转而激活低分子量热休克蛋白(small heat-shock proteinHSP27,从而介导细胞骨架重构,参与细胞应激反应9。p38亚族的不同激酶可转移到特定的细胞内部位,作用到细胞内相应的目标,从而发挥不同的调节功能3,6。1.4E RK5通路至今只发现一个ERK5/B MK1亚型能被TNF- 、H2O2、细胞外高渗等刺激激活,说明该通路可能也参与某些条件下的炎症反应调19,20。最近,我们对p38MAPK和B MK1在TNF- 诱导c-jun

16、表达中的调控作用进行了研究,发现p38和B MK1在TNF- 诱导c-jun转录的调控中具有协同作用。p38和B MK1可分别上调MEF2和MEF2D的转录活性。TNF- 通过激活p38和B MK1,使MEF2A和MEF2D磷酸化,从而诱导ME T2A/MEF2D异源二聚体形成,这在TNF- 诱导的c-jun基因转录表达调控中起着重要的作用20。2MA PK与炎症因子生成的调控关系LPS介导的细胞炎症反应是一个典型的病原体与机体相互作用的过程3,6。LPS刺激细胞能够激活ERK、JNK和p38,然后作用于各自的底物,影响多种转录因子的活性,从而调节包括TNF、IL-1、IL-6、I L-8等多

17、种细胞因子在内的基因的表达。而TNF- 、I L-1、花生四烯酸(arachdonic acid,AA产物、内皮素等多种炎症介质能激活不同MAPK,通过促进或抑制基因的转录来调控其它炎症介质的生成。2.1TMF- TNF- 是导致内毒素休克的关键介质17。LPS刺激单核/巨噬细胞可引起TNF- 合成和释放,后者再诱导其它细胞因子和血小板激活因子(platelet-activated factor,PAF等的释放。极低浓度的PAF就可刺激中性粒细胞和血管内皮细胞释放大量的TNF- 和IL-1,而TNF- 、IL-1又可刺激巨噬细胞和血管内皮细胞产生和释放P AF。这些细胞因子协同作用,导致炎症反

18、应失控,甚至引起致死性休克。我们发现LPS可激活RAW264.3细胞p38,使其移位入核;p38激活入核后参与了LPS诱导的TNF- 基因转录表达的调控16,17。E RK、JNK和p38通路都能被TNF- 强烈激活,通过对转录因子的作用而影响TNF- 的产生和生物学效应20。2.2IL-1IL-1也是参与炎症反应的重要介质。它在炎症中的主要作用包括刺激其它炎症介质,如TNF- 、IL-6、I L-8、P M和PGs等的释放、激活T和B淋巴细胞。增加粘附分子的表达、刺激急性期蛋白(可能是内生性致热原的主要成分的生成和释放等。Guan等最近报道,IL-1 能通过激活p38而上调PGE2和下调NO

19、的合成21。2.3AA代谢产物AA代谢产物前列腺素(PGs和白三烯类(LTs在促进炎症的过程中起重要作用。ERK1/2激活可诱导环加氧酶2(cyclooxygenase2, C OX2生成,限制氧化应激对心肌细胞的损伤22。C OX是PG合成的限速酶,经典抗炎药水杨酸类通过抑制其活性而减少PG的产生,抑制炎症反应。p38通路和JNK通路激活后能上调IL-1 诱导的C OX 表达,使PGE2合成增加,利用p38抑制剂SC68376能完全抑制这种作用23。2.4粘附分子炎症反应所生成的炎症介质可通过激活MAPK通路增加细胞表面多种粘附分子的表达,促进细胞间粘附和炎症的进展。内皮细胞表达E-选择素(

20、E-selectin对于炎症反应中白细胞的聚集至关重要。JNK和p38通过增加E-选择素的启动子转录活性而促进E-选择素的大量表达24。2.5其它体液因子还有一些体液因子在炎症中的作用也是通过MAPK介导的。Bruder等报道,腺病毒感染通过激活ERK通路使细胞产生趋化因子IL-825.3MAPK亚族间的协同作用在多细胞生物,尤其是哺乳动物细胞,要准确完成某种细胞功能,往往需要多条信号通道协同作用3。MPAK通路的协同作用可发生在信号转导级联的各个水平,也可采用不同的协同作用方式和/或机制1,3,5。p38MAPK对炎性分子的表达有明显影响,在感染引起的细胞反应中具有重要的调控作用。我们用酵母

21、双杂交技术(two-hybrid system首次报道了p38转导通路和心肌细胞增强因子(myocyte-enhancer factor2,MEF2转录因子家族的成员ME T2C之间的功能联系18。在单核细胞受到LPS的刺激时,p38和JNK发生双位点磷酸化而被同时激活。p38的激活使ME T2C磷酸化;使c-jun转录增加,从而增加c-Jun蛋白表达;而另外一条与应激有关的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蛋白表达补充。在多种细胞因子的启动子区都存在AP1位点,磷酸化的c-Jun可以和AP1位点结合,从而使炎症相关

22、基因表达增加18。通过激活一条MAPK通路使某种转录因子表达增加,从而为另外一条通路MAPK磷酸化作用提供底物,以促进炎症反应基因表达,这是MAPK通路间协同作用的一种重要形式(图1。4MAPK通路抑制剂在抑制炎症反应中的作用4.1MAPK通路抑制剂对p38特异性抑制剂的研究较多,包括SK&F86002、SB206718、SB220025、SB202190和SB203580等13,26。我们发现磷酸化环状结构是决定下游底物的关键结构,而与上游激酶选择无明显关系27。由于结构的差异,不同的p38亚型对特异性抑制剂的反应不同。例如,与其它三种亚型不同,p38 的活性不被SB202190所抑

23、4期姜勇等:MAPK信号转导通路对炎症反应的调控269制8,14。p38特异性抑制剂并不阻断上游激酶对p38的激活,而是作用于p38本身。根据蛋白质一级结构、分子构型和X线晶体衍射结构确定p38特异性抑制剂主要作用于ATP结合活性位点T106,且M109能增加这些特异性抑制剂与p38的亲和力28。这些特异性抑制剂使p38失去了与ATP 结合的能力,从而使其失去激酶活性。作为E RK通路的特异性抑制剂,PD98059通过特异性地抑制其上游激酶ME K1/2,而阻断E RK通路的激活。PD98059能抑制CD3/PMA或C D3/C D28共刺激T细胞时产生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。目前有关JNK的特异性抑制剂尚未见报道。4.2MAPK通路抑制剂的抑炎效应及临床应用前景利用MAPK通路抑制剂阻断其作用,可抑制炎症反应的进一步发展。Guan等报道,一种能选择性抑制系膜细胞内p38通路的药物SC68376,能抑制肾小球系膜细胞内I L-15对p38的激活,从而增加NO的合成并抑制前列腺素的释放21。动物实验表明,SB203580能降低鼠内毒素性休克模型的死亡率30;SB220025能抑制血管形成,对慢性增殖性炎症有效。MAPK通路抑制剂能抑制多种炎症因子的产生,阻断炎症反应,并且具有特异性好、作

25、用强等特点。因此,这些药物一旦通过临床试验,必将面临广阔的应用前景3,6。参考文献1Jians Y(姜勇,Liu AH(刘爱华,Zhao KS(赵克森.Thesignal transduction pathways of mitogen-activated proteinki nase.J First Mil Med Univ(第一军医大学学报1999,19(1:5962(in Chinese.2Zhang L(张璐,JiansY(姜勇,Zhang L(张琳et al.Progress of study on mitogen_activated protein kinase.Foreign M

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