MAPK信号通路对脂肪细胞分化的调控

1、MAPK信号通路对脂肪细胞分化的调控动物医学进展,2012,33(3):1i0一l14ProgressinVeterinaryMedicine.蔷口瞩专论与讲座%长MAPK信号通路对脂肪细胞分化的调控吕雯,芦荣胜,李捷,杨永青(山西师范大学生命科学学院,山西临汾041000)摘要:促分裂原活化的蛋白激酶(MAPK)通路主要包括胞外信号调控激酶(ERK),p38MAPK和氨基末端蛋白激酶(JNK)三条途径,参与调节细胞增殖,分化,凋亡及细胞间的功能同步等过程,是细胞信号转导方面最为活跃的研究领域之一.研究显示MAPK也参与脂肪细胞的分化调节并发挥重要作用.ERK和p38MAPK信号通路对脂肪细胞

2、分化的调节在不同的实验模型中表现为正调控和负调控两种不同形式;而另一成员JNK能使胰岛素受体底物1的丝氨酸发生磷酸化,进而干扰胰岛素信号,从而抑制骨髓间充质干细胞(BMSCs)的成脂分化,即对脂肪细胞分化发挥负调控作用.论文就MAPK信号通路在脂肪细胞分化中的功能进行综述,为脂类代谢性疾病的诊断和治疗提供参考.关键词:MAPK信号通路;ERK;p38MAPK;JNK;脂肪细胞分化中图分类号:$852.33文献标识码:A文章编号:10075038(2012)03011005脂肪细胞的分化首先是由多能干细胞或脂肪组织中的脂源性干细胞分化为不含脂滴的成纤维样前体脂肪细胞,前体脂肪细胞再进一步积聚脂滴

3、,分化为充满脂滴的成熟脂肪细胞l】.脂肪细胞分化过程与脂肪细胞特异性功能基因的表达调控密切相关,涉及多种脂肪特异性转录因子的激活,如过氧化物酶体增殖物激活受体-7(peroxisomeproliferatoractivatedreceptor一7,PPART)和CAAT/增强子结合蛋白一0=(CCAATenhancerbindingproteina,c/EBP),并伴随着脂肪代谢相关基因,如脂蛋白脂酶(1ipoproteinlipase,LPL),葡萄糖转运蛋白4(insu-linsensitiveglucosetransporter一4,GLUT4),脂肪酸合酶(fattyacidsynth

4、ase,FAS),脂肪酸结合蛋白一2(adiposespecificfattyacidbindingprotein一2,aP2)等的时序表达2.脂肪细胞分化受到体内,外多种因素的影响,这些因素通过复杂的信号通路,激活PPAR和C/EBP等转录因子,调节脂肪代谢相关基因的表达,进而影响脂肪细胞的分化过程.当外界因素使生脂基因的表达上调或使脂解基因的表达下调时,会促进脂肪细胞的分化;反之,则会抑制脂肪细胞的分化.脂肪细胞过度分化可能导致细胞肥大,并使机体脂肪堆积过多,产生肥胖,还可能进一步诱发胰岛素抵抗,糖尿病,心脑血管疾病等代谢性疾病.最新研究表明,促分裂原活化的蛋白激酶(mitogenacti

5、vatedproteinkinase,MAPK)通路在脂肪细胞的分化过程中发挥着重要的作用_4.因此,全面理解MAPK通路对脂肪细胞分化的调节作用,将进一步揭示脂肪细胞分化的分子机制,可为调控动物的体脂沉积,防治人类肥胖及代谢相关疾病提供参考.1MAPK信号通路概述MAPK属于丝/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶,可使多种核转录因子和蛋白激酶磷酸化.MAPK信号通路是真核细胞的重要信号系统,能将胞外信号转到胞内,并引起细胞反应.目前,在哺乳动物细胞中已克隆和鉴定出了MAPK家族的3个成员,即细胞外信号调节蛋白激酶(extra-cellularsignalregulatedproteinkina

6、se,ERK),cJun氨基末端激酶(CJunaminoterminalkinase,JNK)和p38MAPK.这3个成员分别介导三条并行的MAPKs信号通路.外界刺激通过激活ERK,JNK和p38MAPK信号通路调节细胞内相关基因的转录,参与细胞的增殖,分化,凋亡及细胞间的功能同步等一系列生理过程,在动物的生长发育,炎性反应等多种生命活动中发挥重要作用j.收稿日期:2011一O9一O7基金项目:国家自然科学基金项目(30972091);山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划;2009校自然科学基金项目(872008)作者简介:吕雯(1987一),女,山西晋中人,硕士研究生,主要从事脂肪代谢

7、及其调控研究.*通讯作者吕雯等:MAPK信号通路对脂肪细胞分化的调控2ERKs信号通路对脂肪细胞分化的调控在哺乳类细胞中,ERK亚家族包括5个成员,即ERK1,ERK2,ERK3,ERK4和ERK5/BMK1(bigmitogenactivatedproteinkinase1).目前,人们对ERK1/2(p44MAPK和p42MAPK)信号转导途径的激活过程和生物学意义已有了较为深入的了解.该信号通路在细胞因子介导的细胞增殖,细胞分化过程中发挥重要作用.ERK3,ERK4和ERK5信号通路的研究才刚刚起步,其信号激活,底物及作用尚不十分清楚.而关于ERK1/2通路对脂肪细胞分化的调节作用的研究

8、目前有正调控和负调控两种不同结果.2.1ERK1/2通路对脂肪细胞分化的正调控作用有研究证实ERK是脂肪细胞分化关键因子PPAR7,C/EBPcc基因转录必需的,并且ERK1/2通路激活可加速前体脂肪细胞克隆化扩增,促进其分化;用ERK特异性的抑制剂U0126处理克隆化扩增阶段的前体脂肪细胞后,其分化被抑制.BostF等_6在试验中观察到ERK1基因敲除的小鼠脂肪细胞数量明显少于野生型小鼠,脂肪生成受到抑制,而ERK2(-/一)小鼠表现为胚胎致死性;与对照组相比,高脂饲料喂养的ERK1(一/一)小鼠不易患胰岛素抵抗和肥胖症,并且ERK1/2抑制剂PD98059对ERK1(一/一)小鼠前体脂肪细

9、胞向成熟脂肪细胞分化毫无影响.由此推测,ERK2并不参与调控脂肪细胞分化的过程,脂肪细胞分化仅与ERK1有关,表明肥胖症靶向治疗的目标应定位于ERK1基因以及ERK1/2通路.研究显示,在小鼠的骨髓间充质干细胞(bonemarrowderivedmesenchymalstemcells,BMSCs)的成脂分化期间,ERK的活性增强,当ERK信号通路阻断后,经过油红O染色发现脂肪细胞数量明显减少,并伴随有脂肪细胞分化标志基因PPAR,C/EBPa,ap2的表达下降.近年来PachakkilPAH等_8发现香草精通过激活ERK1/2通路,上调了3T3一L1前体脂肪细胞中PPAR7与GLUT4的表达

10、,增加了细胞葡萄糖的摄取量,促进了成脂分化.2.2ERK1/2通路对脂肪细胞分化的负调控作用前脂肪细胞因子一1(preadipocytefactor1,Pref一1)是在前脂肪细胞中大量表达的特异性基因,其表达水平在前体脂肪细胞分化过程中逐渐下降,最后在成熟脂肪细胞中消失.有学者认为,Pref一1抑制3T3一L1前体脂肪细胞分化的作用是通过磷酸化激活MEK/ERK通路实现的,且MEK/ERK的磷酸化水平与Pref一1的表达水平呈时间和剂量依赖性口.同椎,也有研究证实Pref-1与纤连蛋白(fibronectin)相互作用激活MEK/ERK信号通路后,导致PPAR7与C/EBPa的表达水平下降,

11、进而抑制3T3一L1前体脂肪细胞分化口.此外,激活ERK1/2信号通路可以诱导炎性细胞因子白细胞介素一6(IL一6)的表达,当IL一6的表达水平升高后,会通过其受体系统再激活ERK1/2信号通路,使其下游的PPAR7被磷酸化,导致PPAR7下游生脂相关的靶基因如LPL,脂肪酸合酶(fattyacidsynthase,FAS),aP2,和脂滴包被蛋白(perilipin)等表达水平降低,从而抑制了脂肪细胞分化Ll.上述结果表明,在脂肪形成过程中,从脂肪充间质干细胞到前体脂肪细胞再到成熟脂肪细胞的分化均受到ERK1/2信号通路调控,并且其调控作用可能是通过调节PPAR7与C/EBP的活化状态来实现

12、的.针对ERK1/2通路调控脂肪细胞分化的不同研究结果,可能与不同的刺激因素,细胞所处的不同分化阶段等因素有关.3p38MAPK信号通路对脂肪细胞分化的调控p38MAPK信号通路是MAPK通路的另一重要分支,目前已确定的5种亚型包括p38a,p381,p3812,p387和p38.他们可被其上游不同的激酶MEK3,MEK4或MEK6活化,作用于相应的靶标,在炎症,应激,细胞凋亡,细胞周期等多种生理和病理过程中发挥重要作用1.近年来,有学者指出的研究表明,p38MAPK信号对脂肪细胞的分化也具有重要的调控作用.3.1p38MAPK信号通路对脂肪细胞分化的正调控作用HuangH等口研究表明BMP2

13、通过激活p38MAPK促进分化多能性的基质细胞系C3H10T1/2向脂肪细胞方向分化,同时还增加了脂肪细胞标志蛋白ap2的表达.p38MAPK能通过激活转录因子一2(activatingtranscriptionfactor一2,ATF-2)促进脂肪细胞中PPAR72的表达,并诱导脂肪细胞分化.用p38MAPK特异性抑制剂FR167653处理高脂饮食诱导的肥胖小鼠,其肥胖程度显着降低,并且脂肪细胞分化相关的关键基因ATF一2,PPAR72和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvatecarboxykinase,PCK)的表达水平降低,抑制了脂肪细胞的分化r1.人前体脂肪细胞分

14、化过程中,p38MAPK的活性逐渐增强;当细胞被p38MAPK特异112动物医学进展2012年第33卷第3期(总第225期)性抑制剂PD169316处理后,调节脂肪细胞分化的关键转录因子CAAT/增强子结合蛋白一J3(CCAATenhancerbindingproteinJ3,C/EBP)和PPART的表达量显着降低,同时甘油三酯的积聚量也显着下降,脂肪细胞的分化受到抑制.C/EBP是脂肪细胞分化早期的关键转录因子之一,对另外两个重要的转录因子C/EBP和PPAR7具有显着的正调控作用,敲除该基因可显着抑制前体脂肪细胞向成熟细胞脂肪细胞分化.据此我们认为,p38MAPK可能是通过调节C/EBP

15、的表达和活化状态来实现其对脂肪细胞分化的正调控作用.3.2p38MAPK信号通路对脂肪细胞分化的负调控作用ZhangM等l_】研究表明,p38MAPK在3T3一L1前体脂肪细胞生长,融合过程中呈高表达,而予MDI(由3一异丁甲基嘌呤,地塞米松,胰岛素组成的成脂刺激剂)刺激剂促进细胞分化时,其表达量减少;同时降低脂肪酸的合成,脂肪细胞分化受阻.p38MAPK还能够使C/EBP的一种显性负突变体CHOP磷酸化,通过活化的CHOP发挥它在脂肪细胞分化中的抑制作用.AouadiM等口.在对鼠和鼠细胞模型研究中发现,p38MAPK的活性在前体脂肪细胞分化过程中逐渐降低;并且p38MAPK的抑制剂PD16

16、9316可促进脂肪细胞分化标志基因c/EBPJ3和PPAR7的表达.该结果与人脂肪细胞的研究结果完全不同口,原因可能是p38MAPK对人和鼠脂肪细胞分化调节机制不同有关.另有研究指出,p38MAPK通路可能通过调节细胞内Ca.浓度来调控前体脂肪细胞的分化和脂质蓄积.在前体脂肪细胞分化的早期,增加细胞内Ca浓度可以明显抑制细胞分化,使细胞内甘油三酯蓄积量降低口.用p38MAPK的特异性抑制剂SB203580处理小鼠胚胎干细胞,能够抑制胰岛素诱发的Ca内流,使细胞内Ca浓度迅速降低,从而抑制了胚胎干细胞向脂肪细胞分化.然而,这一机制在哺乳动物中是否有普遍性,在脂肪细胞分化中的作用目前尚不十分清楚.

17、4JNK信号通路对脂肪细胞分化的调控在脊椎动物中,JNK由JNK1,JNK2和JNK3共3个亚型组成,其中JNK1和JNK2在全身广泛表达,而JNK3呈限制性表达,常见于脑,心.JNK1/2被其上游的JNK激酶1,2(MKK4,MKK7)激活,作用于下游不同的转录因子并使其磷酸化,进而调节相应靶基因的表达和生物学作用_2.有研究表明,在同样高脂饲料饲喂的情况下,JIPl一/一小鼠的血浆甘油三酯水平,游离脂肪酸的浓度,胰岛素敏感性和葡萄糖耐受性均高于野生型鼠,表明JIpl能改善饮食引起的肥胖症和胰岛素抵抗;JNK能够使胰岛素受体底物1(insulinreceptorsubstrate一1,IRS

18、-1)的丝氨酸(Ser307)发生磷酸化_2,表明JNK可以通过干扰胰岛素信号抑制BMSCs的成脂分化.TominagaS等3证实JNK对多潜能的人间充质干细胞(hMSCs)的成脂分化具有负调控作用;用JNK1/2特异性抑制剂SP600125处理hMSCs细胞可诱导其向成脂方向分化,并抑制成骨分化;同时细胞中成脂转录因子C/EBP,c/EBPj3和PPAR72的表达上调.这些研究表明,JNK抑制hMSCs成脂肪分化的作用可能是通过抑制CRE(cAMPresponseelement,CRE)结合蛋白的转录激活作用来实现的.在BMSCs向脂肪细胞分化过程中,JNK1/2的活性降低;当JNK1/2信

19、号被激活时,CEBPa和PPAR7的转录活性及其靶基因ap2的表达显着下调,抑制了BMSCs细胞的成脂分化_2.因此,JNK对脂肪细胞分化发挥的是负调控作用,但其具体作用机制尚有待进一步研究.5展望肥胖,型糖尿病等代谢性疾病已经越来越成为危害人类健康的杀手,其病理过程与脂肪细胞分化失调及脂代谢紊乱密切相关.MAPK信号对脂肪细胞的分化发挥着复杂而重要的调控作用.如TNF可以同时激活ERK和p38MAPK信号通路,值得注意的是,p38MAPK通路促进了脂肪的生成,而ERK通路却抑制了脂肪的生成_2引.近来发现在BMSCs的分化过程中,ERK与JNK信号通路被同时激活,但是ERK促进了其成脂分化,

20、而JNK却抑制了其成脂分化_2.研究指出,人的MicroRNA(miRNA)生成复合物是ERK通路的一个重要靶标,MAPK/ERK信号通路通过使miRNA复合物磷酸化调控脂肪细胞的分化过程.这些研究表明,脂肪细胞分化的信号机制涉及多种信号分子及其靶基因之间的相互作用,进而形成复杂的网络关系.这些信号途径交叉性如何,特定胞外信号与成脂细胞标志物的对应关系怎样等均有待阐明.揭示脂肪细胞分化的信号机制,特别是MAPK信号通路对脂肪细胞分化的调控机制,将有望为调控动物的体脂沉积,防治人类肥胖及其相关疾病提供新的途径.参考文献:r1赵程程,范东燕,叶海青.大鼠胰腺间充质干细胞的分离鉴定吕雯等:MAPK信

21、号通路对脂肪细胞分化的调控1132I-34E53678391O311121314及体外诱导成脂和成骨研究J.动物医学进展,2010,31(8):1116.MacDougald0A.LaneMD.Transcriptionalregulationofgeneexpressionduringadipocyted|fferentiationJ.AnnuRevBiochem.1995,64(1):345373.黄英俏,杨连玉.脂蛋白脂酶研究进展J.动物医学进展,201O,31(3):8689.BostF.AouadiM,CaronL,eta1.TheroleofMAPKsinadipocytediff

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34、因子在启动细胞重编程,维持ESC多能性和决定其是否走向分化方面具有关键作用.它通过与靶基因调控区结合,选择性地抑制分化基因或者激活多能性基因的表达而达到调控目的.干细胞共激活复合物(SCC)是0ct4和Sox2在Nanog基因协同激活时所需要的,它直接与0ct4和Sox2相互作用并集中在Nanog和Oct4启动子部位以及大部分被Oct4和Sox2占据的基因组区域,在维持ES细胞多能性和保持基因组完整性方面发挥着重要功能.因此,对Oct4,Sox2这两个关键性细胞因子作用机制深入了解,有助于细胞重编程分子机制的进一步阐明,为干细胞的相关研究奠定基础.关键词:干细胞;细胞因子;Oct4;Sox2中

35、图分类号:Q813文献标识码:A干细胞(stemcell,SC)是具有自我更新,高度增殖和多向分化潜能的细胞群体.依据其分化潜能的宽窄可分为全能干细胞和三胚层多能干细胞;根据其来源可分为成体干细胞,胎儿干细胞,胚胎干细胞(embryonicstemcell,ESC),核移植干细胞和诱导多能干细胞.ESC作为一种高度未分化的典型多文章编号:10075038(2012)03011406能干细胞在近年来受到了学者的广泛研究.它是从囊胚期的内细胞团(innercellmass,ICM)和早期胚胎的原始生殖细胞(primordialgermcell,PGC)中分离得到的.ESC具有发育的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞.将诱导因子转入分化的体细胞,通过基因重编程的方法获收稿日期:201lI11一.3作者简介:饶家辉(1974一),男,四川仪陇人,博士研究生,主要从事动物生殖调控相关研究.*通讯作者岽券米爿=豢米岽来杀米米岽粜张岽RegulationofMAPKSignalingPathwayinAdipocyteDifferentiationLUWen,LURongsheng,LIJie,YANGYongqing(CollegeofLifeScience,ShanxiN