絲裂原活化蛋白激酶信號通路及其在細胞凋亡中的作用

劉 瑞 高維娟 (承德醫學院研究生部，河北 承德 067000)

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)是細胞內的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，存在于真核生物的大多數細胞內。從酵母到人類該信號通路非常保守，它能響應各種胞外和胞內刺激從而被激活，在多種細胞過程中發揮關鍵性作用，包括增殖、分化、轉化、炎癥以及凋亡等〔1〕。MAPK信號通路的異常激活與失活是許多外界刺激下細胞反應的機制之一。在有機體中，細胞凋亡〔2〕是細胞在一定條件下接受刺激信號并受基因調控的一種自主性、程序性死亡過程。近幾年，隨著對細胞凋亡相關基因及其凋亡信號轉導通路的進一步研究，發現MAPK信號途徑在誘導細胞凋亡的過程中發揮了極為重要的作用。

1 MAPK信號通路

MAPK信號轉導通路，是將細胞外刺激信號傳遞到細胞核，介導細胞產生反應的細胞信息傳遞的重要通路。在正常細胞中MAPK主要位于細胞質。從細胞外刺激作用于細胞至細胞出現相應的生物學效應，其間通過了MAPK信號轉導通路多級蛋白激酶的級聯反應，此級聯體系主要由保守的三級信號傳遞網絡構成〔3〕:MAPK 激酶激酶 (MAPKKK)、MAPK 激酶(MAPKK)、MAPK。MAPK的激活機制是通過磷酸化的三級酶促級聯反應傳遞:MAPKKK!MAPKK!MAPK，受到外界刺激后活化的MAPK既可以磷酸化胞質內的靶蛋白，又能迅速進入細胞核作用于對應的轉錄因子，調節基因表達，進而影響細胞生理活動。

MAPK激活是一個非常復雜的過程。首先細胞膜上的特定受體，如受體酪氨酸蛋白激酶(RTPK)、G蛋白耦聯受體等與胞膜外的生長因子、細胞因子(TNF-α)等相結合，引起受體二聚體化及構象改變，胞外信號通過這種方式進行跨膜傳遞。信號傳遞至細胞質后，耦聯膜受體與效應器的小G蛋白在信號傳遞過程中發揮“關卡”作用。小G蛋白屬于鳥嘌呤核苷酸結合蛋白，為單鏈小分子，是G蛋白超家族的一大類。小G蛋白家族的成員較多，依據同源性程度的高低，將其分為6個亞家族:Ras、Rho、Arf、Sar、Ran 和 Rab〔4〕。目前可知 Ras 亞家族的 Ras主要在ERK1/2的活化中、Rho亞家族Rho和Rac/cdc42主要在JNK、p38MAPK的活化中起介導MAPKKK磷酸化的作用。但不同MAPK激活途徑中的MAPKKK和MAPKK則不相同。MAPKKK和MAPK為只能催化Ser/Thr磷酸化的蛋白激酶，而MAPKK為既能磷酸化Thr，又能磷酸化Tyr的雙功能蛋白激酶。MAPK的激活依賴其第Ⅷ區存在的三肽序列Thr-Glu-Tyr、Thr-Pro-Tyr或 Thr-Gly-Tyr中 Thr和 Tyr的磷酸化。不同的MAPK可以被獨立激活，也可以被協同激活。

目前已發現存在著多條并行的MAPK信號轉導通路，不同的細胞外刺激可以激活不同的MAPK信號通路，許多生長因子、細胞因子、G蛋白耦聯受體、應激信號及有絲分裂原等均可激活MAPK信號轉導通路。哺乳動物的MAPK亞型超過20種，如細胞外信號調節激酶(Extra cellular Regulated Protein Kinase，ERK)1/2、c-jun 氨基末端激酶(c-Jun NH2Terminal Kinase，JN K)1/2/3又稱作應激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK)、p38MAPKα/β/γ/δ、ERK3/4、ERK5。其中研究最廣泛的成員包括ERK，JNK(C-Jun NH2teminal kinase)和p38蛋白激酶〔5〕。正常情況下，ERK、JNK和p38可促分化，而在應激狀態下，ERK起抗凋亡作用，JNK和p38則起促凋亡作用〔6，7〕。

1.1 細胞外信號調節激酶ERK ERK1/2信號通路是最早發現的Ras-Raf-MAPK經典的MAPK信號轉導途徑〔8〕，它包括5個亞組，ERK1/2，ERK3/4和ERK5，其中ERK1和ERK2是兩個高度同源的亞類，是MAPK家族中第一個被克隆的成員〔9〕。ERK1/2與細胞增殖最為密切，其上游激酶為MAPK激酶(MEK1/2)，以往研究認為MEK1與細胞分化有關，而MEK2與細胞增殖有關〔10〕。ERK1/2早期被認為是生長因子(EGF)刺激蛋白激酶磷酸化微管相關蛋白-2(MAP-2)和髓磷脂堿性蛋白(MBP)，分子量分別為44和42 kD，兩者具有83%的同源性，在細胞內廣泛表達。ERK1/2可被生長因子、血清、佛波酯和異三聚體G蛋白耦聯受體的配體、細胞因子、轉化生長因子、滲透壓和其他細胞應激以及微管解聚作用等激活。當生長因子與受體酪氨酸蛋白激酶的配體結構域結合后，引起受體二聚體化，二聚體的RTPK提高了催化區域的酪氨酸激酶活性，并且使受體自身酪氨酸殘基交互磷酸化，在RTPK膜內側部分出現具有磷酸化酪氨酸殘基的短肽序列。Ras家族和小G蛋白的結合體作用Raf-1氨基末端并將其磷酸化，活化的Raf-1又磷酸化下游的MEK1，隨后啟動ERK的酶促級聯反應〔11〕。

ERK1/2主要磷酸化蛋白激酶p90核糖體S6激酶(RSK)、分裂素、應急活化蛋白(MSK)、MAPK相互作用激酶(MNK)和參與細胞附著和遷移的蛋白包括樁蛋白、黏著斑激酶和鈣蛋白酶以及 Elk-1、c-Fos、c-Myc和 Ets等轉錄因子。活化后的ERK1/2參與細胞諸多的生理過程如細胞運動、增殖、分化與凋亡等〔12〕。ERK信號轉導通路至少通過3條途徑調節細胞的生長:①通過磷酸化氨甲酰基磷酸合成酶激發DNA合成;②通過MAPK活化的蛋白激酶(MAPK activated protein kinase，MAPKAPK)促進細胞周期的進展;③通過增強轉錄因子活性蛋白(activator protein-，AP)-1的活性間接促進細胞的生長。

1.2 c-Jun氨基末端激酶JNK/SAPK JNKs家族是1990年發現的MAPKs家族成員之一，屬于進化上保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶。JNK信號通路在細胞應激反應中起重要作用，可被細胞外應激如紫外線、熱休克、高滲、缺血再灌注、TNF-α、EGF及某些G蛋白耦聯受體激活，因而JNK也被稱為應激活化蛋白激酶(stress activated protein kinase，SAPK)，是 MAPK 中重要的通路之一。編碼 JNK 的基因包括 jnk1、jnk2 和 jnk3〔13，14〕，其相應的編碼產物 JNK1，JNK2的表達具有廣泛性，而JNK3僅局限于腦、心臟、睪丸等組織〔15〕。目前已知JNK蛋白激酶的底物有3種轉錄因子:c-Jun、Elk-1、活化轉錄因子(ATF)-2。JNK包含雙磷酸化功能區Thr-Pro-Tyr，與c-Jun氨基末端的活化區結合并使其第63、73位絲氨酸殘基磷酸化，JNK的活化是通過其氨基酸殘基磷酸化，一旦被激活，胞質中的JNK移位到細胞核。活化的JNK可以和轉錄因子Elk-1、ATF-2及c-Jun氨基末端區域結合，它們以同二聚體或異二聚體復合物的形式和許多基因啟動子上的AP-1樣位點結合，提高AP-1的轉錄活性，促進基因的表達和蛋白質的合成，研究證明MEKK1-JNKK-JUK通路在細胞凋亡信號轉導中起重要的作用。此外，實驗觀察到在腦缺血再灌注損傷中激活的JNK通路可調控凋亡相關基因家族成員的差異性表達:如Bad、Bax的表達上調和Bcl-2、Bcl-xl的表達下調。JNK也可通過激活胞質中的Caspase家族、誘導Fas配體的表達、磷酸化p53和 NF-κB 等途徑導致細胞凋亡〔16，17〕。

1.3 p38MAPK p38MAPK是在脂多糖(LPS)刺激巨噬細胞中作為一個酪氨酸磷酸化蛋白而發現的，由360個氨基酸組成的分子量為38 kD的蛋白，與JNK同屬應激活化的蛋白激酶。p38MAPK有4個異構體(α、β、γ和δ)，同其他MAPK比較只有40%的同源性，而其異構體之間也只有60%的同源性。p38MAPK家族成員對各式各樣的細胞外信號起反應，功能以特別針對細胞應激原如紫外線、滲透壓休克、缺氧、致炎性細胞因子以及少數生長因子〔18〕，對滲透壓休克的反應被看作是p38MAPK最早期的功能。p38MAPK的激活同JNK的激活類似，也分為小G蛋白依賴性途徑和小G蛋白非依賴性途徑，在p38MAPK的激活過程中，屬于MAPKKK層次的激酶還有TNF-β激活激酶(TAK)、凋亡信號調節激酶(ASK)等，其下游激酶是MEK3或MEK6，通過MEKK或MLK激活的MEK4和MEK7也可以激活p38MAPK。p38MAPK途徑通過磷酸化激活下游多種轉錄因子，控制其相應基因的表達活性，如ATH-1/2、CHOP/GADD153、ELK-1、ETS-1、MAX、MEF-2C、NF-κB、SAP-1 以及最新發現的p18等〔19〕，其中有些轉錄因子是 p38MAPK直接底物，而有些則是p38MAPK間接底物。p38MAPK通過磷酸化下游轉錄因子和直接磷酸化底物發揮生物學功能，但家族中各亞型的功能并不完全一致，其中p38α主要參與炎癥、增殖、分化和凋亡，而β、γ和δ生物學功能機制尚未能完全了解〔18〕。

2 MAPK信號通路與細胞凋亡的關系

MAPK信號轉導通路可以在轉錄前、轉錄后及翻譯三種不同水平調節基因的表達，通過對下游基因的調節MAPK信號轉導通路調節著幾乎所有的細胞過程，包括基因表達、細胞周期調控、細胞存活與死亡以及細胞運動等。MAPK進入細胞核后，可磷酸化許多轉錄因子，進而調節基因的表達，改變細胞的生理活動。近年來，研究MAPK在凋亡中的作用主要集中在MAPK調節凋亡相關基因的表達機制的研究。ERK信號通路與JNK/SAPK、p38 MAPK及其他細胞內信號傳遞途徑相互調節，共同決定細胞對外來刺激引起的最終生物學效應。早期研究認為ERK通路的激活主要促使細胞存活、抑制細胞凋亡，而JNK和p38MAPK通路的激活則主要是促進細胞的凋亡，最新的一部分實驗結果也支持早期結論〔20，21〕。

2.1 ERK信號通路與細胞凋亡 Jung等〔20〕研究發現曲格列酮可誘導多種類型的細胞發生凋亡，其機制可能是曲格列酮誘導線粒體膜電位去極化，通過增加活性氧(ROS)、抑制ERK的活性、刺激 p38MAPK磷酸化進而誘導下游轉錄因子以及Caspase-3的表達引起凋亡，在給予ERK抑制劑U0126及p38抑制劑SB203580后發現，U0126可促進凋亡而SB203580則發揮抑制凋亡的功效。在大鼠腦缺血再灌注損傷的中心區域以神經元中ERK的早期激活為主，而未受損腦區以星形膠質細胞中ERK的早期激活為主，促進了星形膠質細胞的存活。由此可見ERK通路在保護缺血區神經元和抑制未受損腦區細胞凋亡的過程中起到重要的作用。而Zhuang等〔22〕則發現活化的ERK1/2也有助于細胞凋亡，ERK1/2在神經細胞和腎上皮細胞中因氧化應激、毒物及生長因子的缺乏等刺激而激活，并進一步誘發細胞凋亡，而這一作用也可被ERK抑制所阻斷。國外一些學者也認為ERK1/2通過下游轉錄因子調節凋亡事件中的上游因子，誘導細胞色素C的釋放，通過磷酸化促凋亡蛋白Bim等下調抗凋亡蛋白Bcl-2，上調促凋亡蛋白Bax，激活并上調凋亡基因 Caspase-3、8、9 的表達，進而誘導凋亡〔23～25〕。

2.2 JNK/SAPK信號通路與細胞凋亡 JNK信號通路也能通過磷酸化Bcl-2家族中的成員，如磷酸化Bim65位絲氨酸，破壞凋亡與抗凋亡的平衡以及通過內源性途徑(又稱線粒體凋亡途徑)和外源性途徑(又稱死亡受體途徑)誘導細胞凋亡〔26〕。Kim等〔21〕研究發現JNK通過磷酸化Bcl-2家族中Bax第167位蘇氨酸，使Bax在線粒體內發生易位，進而誘導凋亡的發生。另外通過TUNEL染色及凋亡相關DNA片段分析，發現JNK特異性抑制劑SP600125可有效地抑制細胞的凋亡。也有報道，JNK通路在抗凋亡過程中起到了重要作用，其機制與激活蛋白酶活化受體-1(protease-activated receptor-1，PAR-1)有關〔27〕。MAPK各家族發揮凋亡信號的傳遞可能依據細胞的類型、細胞所處狀態以及刺激信號的種類不同而呈現出不同的結果。

2.3 p38MAPK信號通路與細胞凋亡 即使MAPK可在外界毒物的刺激下激活，誘導細胞凋亡的發生，但MAPK各途徑具體的功能仍有差異，如在Anandamide致人成骨細胞凋亡的劑量范圍內，ERK、JNK和p38MAPK都被激活，其機制可能是通過激活細胞內鈣水平誘導鈣離子內流和持續鈣釋放有關，通過阻斷p38MAPK途徑可對抗細胞的凋亡〔28〕。

近期研究表明p38MAPK在細胞凋亡中起重要作用，抑制p38通路的同時可加強ERK的激活，導致細胞凋亡延遲。在腫瘤細胞中，p38MAPK活性升高，并參與調控凋亡〔29〕。誘導細胞凋亡的因素如紫外線、高滲環境、熱休克、H2O2、細胞因子、細菌成分和生理應激等能啟動細胞內的一系列反應，最終導致雙位點特異激酶MEK/MKK磷酸化鄰近的酪氨酸與蘇氨酸，激活p38MAPK通路，之后移位于相應的轉錄因子，啟動基因轉錄，進而誘導細胞凋亡。目前，p38MAPK在凋亡中的作用眾說紛紜，p38MAPK至少通過以下途徑調控凋亡:增強c-myc表達;磷酸化p53;參與Fas/Fasl介導的凋亡;激活c-jun和c-fos;誘導Bax轉位等。p38MAPK亦可增強TNF-α表達，進而TNF-α活化 p38MAPK，誘導凋亡〔29〕。

3 結語

MAPK信號通路各家族成員各有特點，能夠介導許多不同的生物學效應，但它們所具有的生物學作用又不是一成不變的，在不同的刺激因素或細胞種類差異等因素的作用下，通過MAPK各亞類間的相互協調和作用，又可以產生不同甚至相反的生物學效應。但毋庸置疑，MAPK信號通路在各種原因引起的細胞凋亡的機制中起著重要作用，因此，MAPK信號通路的組成及調控機制的研究將為相關疾病的預防及治療開辟新的領域。

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