废用性肌萎缩的细胞信号通路

废用性肌萎缩的细胞信号通路

废用性肌腱痉挛是指长期躺下、四肢固定、严重丧失或机械通气（i）下的一系列生理、生化、形态和功能变化。具体表现为肌纤维由慢肌纤维向快肌纤维转变、肌肉蛋白合成代谢减弱、分解代谢增强、肌蛋白丢失、肌质量减少、肌纤维横截面积减少、毛细血管容量下降、血液供应减少、肌收缩力下降等。肌肉萎缩对于肌力、运动、耐力以及日常生活都会产生较大的负面影响。因此对肌萎缩的预防和治疗就显得尤为重要。现在越来越多的研究重点集中在了解废用性肌萎缩的信号通路对防治这类肌萎缩、保持肌肉生理功能方面。已有不少研究者指出,活性氧自由基(reactiveoxygenspecies,ROS)引起的氧化应激是废用性肌萎缩的诱因。本文综述ROS在调节废用性肌萎缩蛋白质代谢中的信号通路作用。1氧化应激的提出1956年Xu等首次提出自由基衰老学说,该学说认为自由基(freeradical)攻击生命大分子造成组织细胞损伤,是引起机体衰老的根本原因,也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要起因。2002年美国衰老研究权威Sohal教授等指出了自由基衰老学说的种种缺陷,并首先提出氧化应激的概念。氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时,体内高活性分子如ROS产生过多,氧化程度超出氧化物的清除,氧化系统和抗氧化系统失衡,从而导致组织损伤。ROS家族的一个重要成员是过氧化物,ROS包括超氧阴离子(O2-)、羟自由基(-OH)和过氧化氢(H2O2)等。已有研究证明ROS和其他自由基在骨骼肌不活动和收缩时都可以生成。在骨骼肌内当自由基生成超过清除能力时,氧化应激发生了。ROS可以使大分子细胞发生脂质过氧化、氨基酸链的氧化(特别是半胱氨酸)、多肽骨架的氧化,使蛋白碎裂、蛋白-蛋白形成交联、DNA损伤和断裂,进而导致肌肉疲劳、线粒体功能下降及细胞DNA损伤。2ros对肿瘤细胞增殖和分化的作用先前的研究主要集中于中、高浓度的ROS通过细胞氧化应激反应诱导细胞凋亡甚至导致其坏死。随着自由基生物学的发展,逐渐认识到ROS可双向调控某些肿瘤细胞的凋亡和增殖,并发现了自由基与细胞信号转导之间的内在关联。最新研究发现,低浓度的自由基能够影响一系列信号转导途径。机体内的自由基通过其浓度调节着机体细胞的生死平衡,除了引起细胞凋亡、坏死的功能,低浓度的ROS更广泛的生理意义在于其对转录因子的激活以及对细胞增殖、分化的促进。氧化应激可能通过一条或多条细胞信号通路导致废用性肌萎缩。2.1活性醛对质膜钙-atp酶活性的影响已有研究表明骨骼肌不活动与胞浆钙水平升高相关。虽然这种不活动引起钙超载的机制还不清楚,但是细胞内生成的ROS可能在破坏钙稳态中起着重要作用。ROS介导形成活性醛能抑制质膜钙-ATP酶活性可能是将氧化应激与钙超载联系起来的生物化学机制,即氧化应激引起质膜钙-ATP酶活性下降妨碍了钙清除,促进细胞内钙积累。胞浆钙超载会导致许多信号通路活化,如激活钙蛋白酶和胱天蛋白酶,但目前还不清楚是否还有其他机制可以解释废用性肌萎缩内的这种细胞内钙超载。2.2mapk信号激酶基因表达氧化应激与骨骼肌萎缩之间的另一个信号通路是丝裂原活化蛋白激酶信号系统(mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)。MAPK信号系统是一组高度保守的丝氨酸/苏氨酸双重磷酸化蛋白激酶家族,它存在于大多数原核生物和所有真核生物中,在细胞生物信号传导中起着非常重要的作用。骨骼肌内有3种最具特征的MAPK亚家族是p38,c-Jun氨基末端激酶(c-JunN-terminalkinases,JNK)和细胞外信号调节激酶-1/2(extracellularsignal-regulatedkinase-1/2,ERK-1/2)。已证明这3种MAPK通路都可被氧化应激活化,影响肌肉蛋白质分解或肌核凋亡。ROS是个很好的P38激酶和ERK-1/2的激活者,直接补氧化剂和运动产生的ROS都能激活MAPK。其机制为ROS通过激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)在内的氧化还原敏感型信号通路,调节抗氧化酶基因等氧化还原敏感型基因的表达,使细胞产生预适应,以抵抗更严重的氧化应激,推测预适应的产生与MAPK信号激酶的活性,以及抗氧化酶基因的表达有关。JNK在氧化应激介导凋亡中起着重要作用。事实上,因为ROS本身并不能激活半胱天冬酶,所以ROS介导凋亡不需要另一种信号通路如JNK。但是目前还不清楚JNK激活是否负责废用性肌萎缩时发生的肌核凋亡。2.3nf-b转录因子核转录因子-κB(nucleartranscriptionfactor-κB,NF-κB)是指一个由5个转录因子组成的家族(p65,RelB,c-Rel,p52,p50),所有家族成员均在骨骼肌内表达。NF-κB调控着众多细胞的基因表达,在免疫、炎症和凋亡中起着重要作用。NF-κB对细胞凋亡的调控具有两种截然不同的作用,即抗凋亡或者促凋亡,这最终取决于细胞类型和刺激的类型、凋亡诱导因素的不同导致NF-κB发挥的作用不同。NF-κB转录因子参与废用和恶液质引起的肌萎缩,但是所涉及到的特异性家族成员不同。由于这两种类型萎缩的信号转导有着差异,因此,在开发治疗方法时有更多特异性分子靶。Kandarian等证明了肌肉废用会导致NF-κB转录活性增强,而且p50和Bcl-3是去负荷引起的肌萎缩所需要的。因为p65在去负荷萎缩时并不进行核转运,所以在去负荷时活化的NF-κB通路不同于经典通路。NF-κB转录活化涉及p50同源二聚体结合Bcl-3。最近研究进一步证明特异性NF-κB通路是废用性肌萎缩所必需的。研究证明细胞内ROS水平调控NF-κB的激活,但ROS如何调节NF-κB转录活性仍然存在异议。ROS调节NF-κB转录活性可能取决于细胞内ROS含量及细胞的氧化还原状态,当ROS含量较高时可能促进NF-κB转录活化,而ROS含量较低时则可能促进NF-κB转录抑制。在废用性肌萎缩时,ROS如何调节NF-κB转录活性还有待进一步研究。3质构系统见表1废用性肌萎缩时蛋白质流失直接与3种蛋白质水解系统有关,即溶酶体蛋白酶、钙活化蛋白酶(如钙蛋白酶)和蛋白酶体系统。而且,最近证据指出,另一种蛋白酶caspase-3也有助于废用性肌萎缩的形成。3.1断溶酶体氧化酶因子有几项研究表明废用性肌萎缩时溶酶体组织蛋白酶mRNA的几种异构体显著升高。也有研究表明去负荷时组织蛋白酶蛋白质或活性水平增强。但是,当废用性肌萎缩被阻断溶酶体酸化因子或直接抑制组织蛋白酶的因子处理时,肌原纤维蛋白质降解速率没有受到显著影响,而且总的蛋白质降解速率也只略有下降。组织蛋白酶并不会降解像肌原纤维一样的胞浆蛋白质,其主要作用是降解膜蛋白(包括受体、配体、通道和运输蛋白)。这些被降解的膜蛋白可能是导致萎缩肌肉表型的重要功能蛋白质,但是占肌纤维蛋白质总量比例不大,不会显著影响肌蛋白质总含量。因为溶酶体蛋白酶并不参与肌原纤维蛋白质降解,组织蛋白酶不可能在骨骼肌废用萎缩时蛋白质水解中起着主导作用。3.2se-12与钙蛋白酶最近有研究指出,caspase-3有助于蛋白质降解和肌萎缩。在这一点上,活化caspase-3可促进肌动球蛋白复合物降解,而抑制caspase-3活性则降低糖尿病恶病质的蛋白质水解总速率和机械通气引起的废用肌纤维萎缩。细胞对caspase-3活性的控制是复杂的,涉及到许多相互联系的信号通路。以糖尿病恶病质肌萎缩为例,caspase-3可以被caspase-12(经钙释放通路)和/或caspase-9(经线粒体通路)活化。这些caspase-3活化通路之间的可能相互作用是它们都可以被ROS激活。而且,钙蛋白酶抑制蛋白(calpastatin)是caspase-3和钙蛋白酶的共同底物。增强caspase-3或钙蛋白酶活性会降低细胞内calpastatin水平,促进钙蛋白酶活化。另外,增强钙蛋白酶活性能导致caspase-3活化。因此,caspase-3和钙蛋白酶之间的交互作用在废用性骨骼肌内调节肌丝释放中起着一定作用。废用性肌萎缩时,肌丝蛋白质水解释放是很重要的,因为大量肌肉蛋白质(50%~70%)是以肌动球蛋白形式存在的。虽然蛋白酶体系统能降解收缩蛋白质单体(如actin,myosin),但是不能分解完整的肌动球蛋白复合物。那么肌丝必需以单体形式从肌节内释放,然后才会被蛋白酶体系统降解。这一事实指出释放肌丝可能是肌肉蛋白质降解的降速步骤。还有研究指出caspase-3和钙蛋白酶都能使肌动球蛋白解离。那么激活这些蛋白酶中的一种或两种是肌萎缩时肌丝蛋白质水解所必需的条件。总的来说,上述研究均支持钙蛋白酶(calpain)和caspase介导蛋白质水解是肌萎缩时肌原纤维蛋白质水解的早期限速步骤。3.3泛素蛋白质连接酶肌萎缩时大部分肌原纤维蛋白质降解是由ATP依赖性泛素-蛋白酶体通路完成的。在废用时,泛素化过程中的成分和许多蛋白酶体亚基的表达显著增强。最近非常关注废用时泛素蛋白质连接酶的表达增强,因为在所有参与底物泛素化的蛋白质中,这类蛋白质组织和底物特异性是最大的。例如有2个研究小组同时证实了含有肌特异性F-box的泛素蛋白质连接酶,并且发现废用引起肌萎缩时该连接酶(atrogin/MAFbx)显著上调。当MAFbx敲除小鼠遭受去神经支配时,腓肠肌萎缩程度在14d时减弱了56%。在废用引起肌萎缩时[去负荷、固定不动或(和)去神经支配]另一种泛素蛋白质连接酶(E3)表达增强,这是一种含有环指结构域的连接酶,被称作MuRF1,MuRF1敲除小鼠在腓肠肌去神经支配14d后肌萎缩减弱了36%。4人体废用性肌涣缩综上所述,可以认为,骨骼肌处在长期废用状态下ROS生成增多,ROS通过激活细胞内信号传