ERK5激酶及其與神經系統發生發展及疾病的關系

陳 巖（綜述） 朱雨嵐（審校）

絲裂原活化蛋白激酶 （mitogen－activated protein kinase，MAPK）是絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶的一個家族，可將細胞外刺激傳遞至細胞內，對生長因子和不同形式的壓力作出應答，是真核細胞中主要的激酶傳導通路［1］。MAPKs調節細胞許多功能，包括細胞增殖、分化、新陳代謝和凋亡。在MAPK通路中信號通過三層連續的激酶傳遞，MAPKKK，MAPKK和MAPK，后兩種激酶激活需雙重磷酸化［2］。在哺乳類動物中MAPK分為四個亞型，細胞外信號調節激酶1／2（extracellular signal－regula－ted kinase，ERK1／2）、c－Jun氨基末端激酶 （c－Jun N－terminal kinase，JNK）、p38絲裂原活 化 蛋 白 激 酶 （p38 mitogen－activated protein kinase，p38MAPK）和細胞外信號調節激酶5（extracellular－regulated kinase 5，ERK5）。近年ERK5已成為研究熱點，是多種疾病尤其癌癥新的治療靶點，它在細胞增殖、存活及血管生成中起關鍵的作用，在神經系統發生發展及疾病的研究也逐步深入。

1 ERK5的性質與特點

ERK5長度是其他MAPKs的2倍（人體ERK5含有816個氨基酸），因此也被稱為大絲裂原活化激酶1（big MAP kinase 1，BMK1）。與其他 MAPKs不同的是，ERK5有獨一無二的包含轉錄激活區的C羧基端尾［1］。ERK5能通過磷酸化轉錄因子激活轉錄，其本身作為轉錄輔激活物［1］。MAPK家族有不同的表面蛋白，使它們綁定不同的激活劑和底物［3］。促蛋白激酶激酶5（MEK5）是ERK5的特異激活劑，在活化循環中通過TEY的雙重磷酸化激活ERK5，而MEK5中PB1區主要調節ERK5的活性［3］。當生長因子、氧化或高滲透壓大范圍變化時ERK5被激活。Tatiana等［1］發現ERK5與熱休克蛋白90－細胞分裂循環37（Hsp90－Cdc37）相伴存在于靜息細胞中，ERK5的核轉運需要把Hsp90從ERK5－Cdc37復合體中分離出來，Cdc37過表達同樣可引起Hsp90的分離而激活轉錄。由于Cdc37與ERK5共同促進細胞增殖，癌細胞中Cdc37的過表達可能是ERK5調節腫瘤增殖的新機制。Djung等使用BIX02188分別對ERK5和ERK1／2磷酸化進行干預，濃度為9u M時開始對ERK5起抑制作用，且其抑制作用呈濃度依賴性，而對ERK1／2的抑制不明顯，表明BIX02188是ERK5的特異性抑制劑［4］。ERK5激酶在調控神經元存活、分化及心血管系統發生發展中起決定性作用［5］。

2 ERK5在神經系統發生發展中的作用

ERK5在神經形成、神經元分化與腦細胞保護中均起重要作用。神經元的存活依賴于轉錄因子中的基本螺旋結構（b HLH）的短暫反應，它包括神經元素1（N1）、神經元素2（N2）和Ascl1（Mash1神經母細胞特異性轉移因子抗體）。Paige等通過實驗研究發現N1的轉錄和神經形成均需內源性ERK5的激活，阻斷ERK5可抑制N1誘發的神經形成［6］。Tan等報道條件性損傷ERK5區可導致成年鼠嗅覺受損，又通過實驗敲除成年鼠神經干細胞的ERK5sh RNA，發現培養基中的神經生成減少；相反增加上游激活激酶MEK5的表達，則刺激了神經生成［7］。Junhui等靶向性敲除鼠生長中的神經干細胞的ERK5激酶發現嗅球中γ－氨基丁酸神經元的數量減少，損傷了γ－氨基丁酸中間神經元，使區分相似氣味的嗅覺行為受損［8］。這都說明ERK5參與調解成年嗅球神經形成，是調節嗅覺行為的新信號通路。Satako等通過敲除ERK5基因導致非洲爪蟾蜍頭部結構減少和神經元分化的抑制，強制性激活ERK5可引起神經元的分化，表明ERK5通路在神經元分化中起重要作用［9］。Changsu等通過實驗發現黃體酮是通過依賴ERK5通路的黃體酮膜受體增加了腦源性神經營養因子（BDNF）從神經膠質中釋放，從而對細胞起到保護作用［10］。

3 ERK5與神經系統疾病

3.1 ERK5與腦血栓形成

動脈硬化性血栓形成是腦梗死的常見類型，近年來發現ERK5在腦血栓形成的多個環節中起作用。

3.1.1 ERK5與腦血管動脈硬化 動脈粥樣硬化是腦血栓形成的根本原因，硬化斑塊常在渦流處發生，保護區域位于平流處，可保護內皮細胞免于細胞凋亡和炎癥。Jae等發現ERK5以依賴于hsc70（相關蛋白泛素連接酶）C端的方式激活，調節內皮細胞完整性并保護它免于細胞凋亡與血管功能障礙［11］。

3.1.2 ERK5與細胞毒性作用 目前已明確一系列導致神經細胞損傷的分子生物學機制，如興奮性氨基酸細胞毒性作用。Dai等發現缺血后黃芩提取物通過激活抑制性神經遞質γ－氨基丁酸能信號與ERK，對神經系統起保護作用［12］。

3.1.3 ERK5與再灌注損傷 腦梗死患者閉塞的血管再通后（溶栓或自發再通），部分神經功能缺失反而加重，可見缺血引起的腦損傷亦可發生在灌注恢復期，這種現象稱為再灌注損傷。Wang等發現鼠海馬缺血再灌注后ERK5在CA3／DG區的表達強烈被激活，隨后通過N受體的激活從細胞質轉移至細胞核；再灌注后3 d使用抑制劑N－乙酰半胱氨酸（缺血后ERK5活性的劑量依賴性抑制劑），不僅使ERK5的蛋白表達降低了，也使CA3／DG區的神經元大量死亡，ERK5是否在缺血引起的CA3／DG區神經元細胞損害中起神經保護作用，有待研究［13］。

3.1.4 ERK5與氧化應激 氧化應激反應被認為是腦缺血和再灌注的重要調節者之一。氧化應激引起腦血管事件的原因部分為細胞內信號分子的變化，包括MAPK激酶。據報道ERK5對氧分壓敏感，Suzaki檢測了PC12細胞中H2O2對ERK5的激活，發現缺血后ERK5迅速并明顯被H2O2激活，呈濃度依賴性，激活被ERK5抑制劑PD98059和U0126抑制后細胞死亡數明顯增多，ERK5對缺血缺氧后細胞起保護作用［14］。

3.1.5 ERK5與細胞凋亡及神經保護 Qi等通過檢測缺血預處理后海馬CA1區的ERK5的活性和核轉運的效應，發現ERK5在鼠海馬CA1區不會立即被激活，其活性在缺血后3 h和3 d時有兩個高峰，后恢復至基線水平［15］。肌細胞增強結合因子2C（MEF2C）是腦缺血預處理后海馬CA1區p38激酶和ERK5共同的底物，Wang等通過免疫沉淀方法研究顯示在再灌注后3 d ERK5和MEF2C相互作用明顯增加，這種增加被ERK5反義寡核苷酸抑制后海馬CA1區細胞凋亡數增加［16］，這提示潛在的缺血耐受機制，表明ERK5－MEF2C通路在抗細胞凋亡與缺血預處理后的神經保護中起重要作用。

3.2 ERK5與癡呆

眾所周知阿爾茨海默病是一種以進行性認知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經系統退行性疾病。畢勝等通過蛋白質印跡分析得出，AD組與帕金森癡呆患者組及老年人組比較，ERK蛋白質印跡最深，表明其在AD發生中發揮重要作用［17］。

3.2.1 ERK5與海馬 海馬萎縮是AD的特征之一，海馬CA1區與整個海馬體積變化對AD的敏感性和特異性不同，前者對發現AD更加準確［18］，ERK5激活后選擇性表達于海馬CA1區，Yung等［19］報道ERK5蛋白激酶特異性表達于成年大鼠腦神經起源區域，記憶的建立需要ERK5激酶及正在發育的海馬神經是否可通過檢測ERK5的表達水平來發現癡呆前階段有待于進一步研究。近年來研究表明阿爾茨海默病的發病與糖代謝異常有關，如胰島素信號通路異常等，而胰島素受體在海馬區高表達［20］，ERK5激酶亦高表達于海馬，ERK5信號通路在調節胰島素的表達中起正性作用，因此激活ERK5信號通路調節胰島素表達可否作為治療神經退行性疾病的一種方法。

3.2.2 ERK5與學習記憶能力的改善 研究表明ERK5一個決定性的作用是調節區分圖案的神經形成，一種依賴于齒狀回空間學習和記憶的形式［21］。Li等發現腦卒中后30 d海馬長程增強效應減少，這種損害被γ－氨基丁酸受體抑制，同時ERK5的活性也降低，說明腦卒中后記憶和學習能力進行性下降與海馬區長程增強效應減少、γ－氨基丁酸能神經傳遞的提升和ERK5活性的抑制有關［22］。侯德仁等通過免疫組織化學染色檢測大鼠腦組織ERK的表達水平，結果與對照組比較，模型組大鼠學習記憶能力下降，其皮層ERK表達減少，與模型組比較，丁苯酞組大鼠皮層ERK表達增多［23］。表明丁苯酞改善阿爾茨海默病大鼠學習記憶能力可能與其增加ERK的表達有關。

3.3 ERK5與神經痛

神經痛通常在周圍神經受損后發生，目前治療方法有限，給患者帶來痛苦。研究發現MAPK在神經痛方面起重要作用。正常情況下p－ERK免疫反應在周圍神經呈節段樣分布，神經被剪斷5 h后該分布消失，至24 h重新出現，3 d后恢復正常，這是神經損傷造成的急性反應變化［24］。神經受損增加了背根神經節p－ERK5活性，ERK5激活后引起痛覺過敏。CX3CL在神經元細胞核與膠質細胞之間傳遞痛覺信號，Lu等發現CX3CL是通過ERK5通路調節神經損傷引起的痛覺過敏［25］。肖純等研究發現使用反義寡核苷酸后ERK5表達受抑制，而p－CREB表達上調，證明ERK5是通過激活轉錄因子CREB參與的神經源性疼痛［26］。敲除ERK5可抑制神經損傷引起的疼痛并減少小神經膠質細胞的活性。

4 結束語

神經系統疾病如缺血性腦卒中、癡呆、神經痛等是世界范圍內常見疾病，雖治療方法層出不窮，但尚缺乏有效治療藥物，尋找新的治療靶點仍是我們不斷前進的方向。ERK5通路是近年來人們新發現的細胞外信號傳導通路，對它與多種疾病的研究也逐漸增多，但在神經系統疾病中的探索尚有限，值得繼續深入研究，以利于指導對疾病的認識及診療，為患者解除病痛。

1 Tatiana Erazo，Ana Moreno，Gerard Ruiz－Babot，et al.Canonical and kinase activity－independent mechanisms for extracellular signal－regulated kinase 5 （ERK5）nuclear translocation require dissociation of Hsp90 from the ERK5－Cdc37 complex.Mol Cell Biol，2013，33（8）：1671－1686.

2 Pawe K，James R，Tomasz L.The interplay of double phosphorylation and scaffolding in MAPK pathways.J Theor Biol，2012，295：116－124.

3 Gábor Glatz，Gerg Gógl，Anita Alexa，et al.Structural Mechanism for the Specific Assembly and Activation of the Extracellular Signal Regulated Kinase 5（ERK5）Module.J Biol Chem，2013，288（12）：8596－8609.

4 Satoko Nishimoto1，Eisuke Nishida.MAPK signalling：ERK5 versus ERK1／2.EMBO Rep，2006，Aug7（8）：782－786.

5 Djung Lilya Wati，Xie Peng.Effect of fluoxetine along MEK／ERK5 Pathway Inhibited by Novel MEK5 Inhibitor in embryonic rat neuronal stem cells.

6 Paige Cundiff，Lidong Liu，Yupeng Wang.ERK5 MAP kinase regulates neurogenin1 during cortical neurogenesis.PLoS ONE，2009，4（4）：e5204.

7 Tan Li，Yung Wei Pan，Wenbin Wang，et al.Targeted deletion of the ERK5 MAP Kinase impairs neuronal differentiation，migration，and survival during adult neurogenesis in the olfactory bulb.PLoS One，2013，8（4）：e61948.Pub

8 Junhui Zou，Yung Wei Pan，Zhenshan Wang，et al.Targeted deletion of ERK5 MAP kinase in the developing nervous system impairs development of GABAergic interneurons in the main olfactory bulb and behavioral discrimination between structurally similar odorants.J Neurosci，2012，32（12）：4118－4132.

9 Satoko Nishimoto，Morioh Kusakabe，Eisuke Nishida.Requirement of the MEK5－ERK5 pathway for neural differentiation in Xenopus embryonic development.EMBO Rep，2005，6（11）：1064－1069.

10 Chang Su，Rebecca L.Cunningham，nataliya rybalchenko.progesterone increases the release of brain－derived neurotrophic factor from glia via progesterone receptor membrane component 1（Pgrmc1）－dependent ERK5 signaling.Endocrinology，2012，153（9）：4389－4400.

12 Dai J，Chen L，Qiu YM，et al.Activations of GABAergic signaling，HSP70 and MAPK cascades are involved in baicalin＇s neuroprotection against gerbil global ischemia／reperfusion injury.Brain Res Bull，2013，90：1－9.

13 Wang RM，Zhang QG，Li CH，et al.Activation of extracellular signal－regulated kinase 5 may play a neuroprotective role in hippocampal CA3／DG region after cerebral ischemia.J Neurosci Res，2005，80（3）：391－399.

14 Suzaki Y，Yoshizumi M，Kagami S，et al.Hydrogen peroxide stimulates c－Src－mediated big mitogen－activated protein kinase 1（BMK1）and the MEF2C signaling pathway in PC12 cells：potential role in cell survival following oxidative insults.J Biol Chem，2002，277（11）：9614－9621.

15 Qi SH，Guan QH，Wang M，et al.Action of ERK5 in ischemic tolerance suggests its probable participation in the signaling mechanism.J Recept Signal Transduct Res，2009，29（1）：38－43.

16 Wang RM，Zhang QG，Li J，et al.The ERK5－MEF2C transcription factor pathway contributes to anti－apoptotic effect of cerebral ischemia preconditioning in the hippocampal CA1 region of rats.Brain Res，2009，1255：32－41.

17 畢 勝，趙維娜，李 毅，等.Ras／Raf／MEK／ERK信號傳導通路在阿爾茨海默病中作用的初步研究.現代生物醫學進展，2009，9（3）：508－510，485.

18 La Joie R，Perrotin A，de La Sayette V，et al.Hippocampal subfield volumetry in mild cognitive impairment，Alzheimer＇s disease and semantic dementia.Neuroimage（Amst），2013，3：155－162.

19 Yung Wei Pan，Guy CK，Chay T.Inhibition of adult neurogenesis by inducible and targeted deletion of ERK5 MAP kinase specifically in adult neurogenic regions impairs contextual fear memory extinction and remote fear memory.J Neurosci，2012，32（19）：6444－6455.

20 吳 鑫，賀 婷.阿爾茨海默病胰島素信號通路的研究進展.科技信息，2013，24：49－50

21 Yung Wei Pan，Daniel RS，Zhengui Xia.The Maintenance of established remote contextual fear memory requires ERK5 MAP kinase and ongoing adult neurogenesis in the hippocampus.PLoS One，2012，7（11）：e50455.

22 Li W，Huang R，Shetty RA，et al.Transient focal cerebral ischemia induces long－term cognitive function deficit in an experimental ischemic stroke model.Neurobiol Dis，2013，59：18－25.

23 侯德仁，田 怡，周 軍，等.丁苯酞對阿爾茨海默病模型大鼠P38及ERK表達的影響及意義.南方醫科大學學報，2009，29（8）：1592－1595.

24 杭 超，陳樹林.臂叢損傷后脊神經和脊髓中炎性細胞浸潤、ERK通路激活和c－Fos表達的實驗研究.西北農林科技大學，

25 Lu B，Yao J，Lei W，et al.Role of the CX3CR1／ERK5 pathway in spinal microglia for the development of neuropathic pain.Zhonghua Yi Xue Za Zhi，2013，93（25）：1997－2000.

26 肖 純，孫建良，盧 波，等.大鼠背根神經節ERK5／CREB信號通路在神經病理性疼痛中的作用.浙江中西醫結合雜志，2013，2013，23（3）：179－183.