多發性硬化癥信號傳導通路異常研究進展

鄭 娜，王 奇，尹琳琳

(1．首都醫科大學宣武醫院藥物研究室，北京市老年病醫療研究中心，北京 100053; 2．廣州中醫藥大學臨床藥理研究所，廣州 510405）

多發性硬化癥信號傳導通路異常研究進展

鄭 娜1，2，王 奇2，尹琳琳1

(1．首都醫科大學宣武醫院藥物研究室，北京市老年病醫療研究中心，北京 100053; 2．廣州中醫藥大學臨床藥理研究所，廣州 510405）

多發性硬化癥的病因涉及多種信號傳導途徑改變，這就為我們研發更加有效的治療藥物提出了更大挑戰。已知在多發性硬化癥中多種細胞因子及其受體信號傳導異常，根據其下游效應分子不同分為：Jak/Stat，NF－κB，ERK1/2，p38 or Jun/Fos通路等。目前僅有部分多發性硬化癥治療藥物靶向上述信號通路，本文將綜述系統生物學最新研究成果分別闡述多發性硬化癥發生發展過程中信號通路的異常，為今后靶向上述通路的新藥研發提供個體化或復合型治療策略。

多發性硬化癥;信號傳導通路;藥物研發

多發性硬化癥(multiple sclerosis，MS）是以中樞神經系統(central nervous system，CNS）炎癥性脫髓鞘為主要病理改變的自身免疫性疾病。目前MS的發病機制尚不明確，本文將借助系統生物學方法通過對臨床信息和數據的整合，并結合當前的生物學知識，關注如何從信號傳導通路的角度研究MS的發病機制和藥物作用的分子靶點，以提高我們對該病的認識了解、并有助于開辟新的療法。

1 MS中信號傳導通路的異常

1.1 JAK/STAT信號傳導通路異常與MS

Janus激酶/信號轉導與轉錄激活子(JAK/STAT）是一條由多種細胞因子和生長因子共同介導的信號通路，廣泛參與細胞的增殖、分化、凋亡及免疫調節等病理生理過程。該信號通路主要由酪氨酸激酶相關受體、JAK和STAT組成。至今已發現的JAK家族成員有JAK1、JAK2、JAK3、TYK2，其中JAK1、JAK2和TYK2廣泛存在于各種細胞和組織中，JAK3則僅存在于骨髓和淋巴系統中［1］。STAT蛋白長約800個氨基酸，相對分子量89～97kDa，STAT家族由STAT1，STAT2，STAT3，STAT4，STAT5A，STAT5B，and STAT6共7個成員組成［2］。JAK/STAT信號傳導通路是一種進化保守通路，它介導胞外信號向胞核的傳遞。細胞因子或生長因子與細胞膜上相應受體結合，形成同源或異源二聚體，使胞質內JAKs發生聚集，鄰近的JAKs相互磷酸化而被激活，激活后JAKs磷酸化受體上的酪氨酸位點，使受體產生與STATs結合的區域。STATs通過SH2結構域將STAT補位到受體復合物的酪氨酸磷酸化特異位點，此時JAKs接近STATs并使STATs的一個羥基酪氨酸磷酸化，從而激活STATs，活化后的STATs與受體分離，形成二聚體轉位至胞核，與特定的DNA片段結合調控基因轉錄，轉錄結束后，STAT在核內酪氨酸磷酸酶的作用下去磷酸化，核輸出因子將非磷酸化的二聚體轉運至胞質。JAK/STAT信號通路除了在各種細胞活動中起關鍵的作用外，還與幾種人類疾病的發病機制相關。

已證實JAK/STAT信號傳導通路異常與MS的發生發展密切相關［3］，在擬MS的實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）大鼠上發現：疾病高峰期動物腦組織中JAK/ STAT信號轉導通路關鍵蛋白磷酸化顯著增加;抑制JAK/STAT信號通路蛋白磷酸化能夠降低實驗動物的發病率、減輕發病的嚴重程度，并對模型動物的行為功能障礙有一定改善作用［4］。由此可見，抑制JAK/STAT信號傳導通路的異常活化對MS的治療十分有效，JAK/STAT有望做為MS治療的一個新靶點［5］。

1.2 NF-κB信號傳導通路異常與MS

NF－κB是NF－κB/Rel蛋白家族成員之一，目前已發現5種NF－κB/Rel蛋白，包括p50(NF－κB1）、p52(NF－κB2）、RelA(p65）、RelB和c－Rel。每一個NF－κB/Rel蛋白家族成員的N端均含有一段由約300 個 氨 基 酸 組 成 的 Rel同 源 區 (Rel homologydomain，RHD），其中含有核定位信號序列、二聚化區域、DNA結合區和IκB結合位點，其中p65和p50組成的二聚體復合物存在最為廣泛［6］。細胞處于靜息態時，NF－κB以非活化狀態存在于細胞質中，且通常以無活性的p65/p50/NF－κB抑制因子α(inhibitor of NF－κB－α，IκB－α）三聚體復合物形式存在于細胞質中，三聚體復合物可以被多種因素激活，包括細胞因子如白細胞介素6(interleukin－6，IL－6）和 IL－17、腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor－α， TNF－α）、細 菌 內 毒 素 脂 多 糖(lipopolysaccharide，LPS）、蛋白激酶 C和理化因素(X射線、氧化劑及化療藥物制劑）等，NF－κB受兩個激酶IKKα和IKKβ調節，IKKβ特別重要，因為IκB的磷酸化、泛素化，并通過26S蛋白酶體降解，從而使NF－κB活化。

轉錄因子NF－κB介導了IL－17調節下游細胞信號通路的作用，抑制NF－κB信號通路使得由IL－17誘導的巨噬細胞炎性蛋白－1α(MIP－1α）表達顯著降低，而MIP－1α參與了包括MS在內的多種病理過程。例如，在EAE實驗動物的胼胝體中星形膠質細胞激活并伴有MIP－1α表達顯著增加，IL－17可調節星形膠質細胞中MIP－1α的表達;同時，NF－κB信號通路異常活化可導致MIP－1α表達的過度增加，抑制NF－κB信號通路可降低 MIP－1α的表達從而對MS起治療作用［7］。因此，NF－κB信號傳導通路亦可做為一個MS的潛在治療靶點。

1.3 ERK信號傳導通路異常與MS

細胞外信號調節激酶(extracellular signalregulated kinase，ERK）是有絲分裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinases，MAPKs）家族的一個重要亞族。ERK1和ERK2是其中的兩個重要成員，相對分子量分別為44×103和42×103。ERK通路主要由3個蛋白激酶級聯組成，即絲裂原活化的蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK）、絲裂原活化的蛋白激酶激酶(MAPKK）和細胞外信號調節激酶(ERK）［8］，ERK激酶家族屬于酪氨酸蛋白激酶，此類激酶在磷酸化以后才能發揮作用進行細胞信號的轉導。ERK信號傳導通路受多種因素刺激而被激活，其中Ras－Raf－MEK－ERK是激活ERK通路的主要途徑。ERK信號通路在生長因子分泌增多和氧化應激時被激活［9］，生長因子與受體結合后激活酪氨酸激酶，通過銜接蛋白將信號傳遞給Ras蛋白，Ras－GTP直接與Raf相結合，形成一個短暫的膜錨定結構。活化的Raf通過磷酸化促分裂原激活的蛋白激酶的激酶(MEK）激活環上的絲氨酸殘基。MEK再將促分裂原激活的蛋白激酶(ERK）激活，進而磷酸化許多與胞質和胞膜相連的底物。ERK具有控制細胞分化的功能，并與細胞的增殖、分化、遷移、侵襲、凋亡、癌性轉化等密切相關［10］。在炎癥過程中，MAPKs活性增加，并調節炎性介質生成，因此，MAPKs成為最重要的抗炎治療靶點之一［11］。ERK信號通路抑制劑能夠減輕EAE模型動物疾病發展期和緩解期的行為功能障礙，分析認為上述作用可能與ERK抑制劑具有特異性抑制Th17和Th1細胞的免疫應答有關［12］。抑制ERK信號轉導通路的過度活化有利于MS的治療。

1.4 p38MAPK信號傳導通路異常與MS

p38是由360個氨基酸殘基組成的相對分子質量為38×103的鈣結合蛋白，與JNK同屬SAPK。是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinases，MAPK）家族成員之一。同時，p38MAPK是MAPK家族中的重要組成部分，并參與炎癥、增殖、凋亡等多種生理過程。p38MAPK家族中包括p38α、p38β、p38γ、p38δ 4種異構體亞型。Han等［13］研究發現，p38β、p38γ及p38δ在蛋白質一級結構上與p38α分別具有73%、63%和62%的序列同源性。p38不同亞型的分布具有組織特異性。p38α在白細胞、肝、脾、小腦、骨髓、甲狀腺及胎盤中廣泛表達且水平較高;p38β主要在心臟和大腦組織中高表達;p38γ主要在骨骼肌中高表達;p38δ主要在肺、腎、腸的表皮細胞和睪丸、卵巢、腎上腺和垂體中表達。p38MAPK信號通路與其他MAPK通路一樣，都是保守的三級酶促級聯反應：MAPK激酶(MAPKKK）－MAPK 激 酶 (MAPKK）－MAPK。p38MAPK的信號轉導途徑亦是細胞內磷酸化級聯反應的最后步驟：MEKKs/TAK－MKK6/MKK3－p38MAPK，其中p38通路的關鍵酶有MAPK激酶類的MKK3、MKK4、MKK6以及MAPK激酶類的TAK、ASK、MLK等，其中MKK3與MKK6是公認的p38上游激酶，他們能直接磷酸化酪氨酸、絲氨酸/蘇氨酸殘基激活 p38，MKK3只激活 p38α和 p38β，而MKK6則能夠強烈激活所有p38MAPK亞型。伴著細胞激活，p38從胞質進入細胞核，激活多種蛋白激酶和轉錄因子，在炎癥反應、細胞分化、細胞周期、細胞凋亡和發育等方面均發揮重要的調節作用。例如，環氧合酶(COX）－2、誘導型一氧化氮合酶(iNOS）、白介素10(IL－10）等炎癥因子的產生都依賴于p38信號通路的調節。p38 MAPK的激活除能促進單核巨噬細胞產生TNF－α、IL－1、IL4、IL－6、IL－8、IL－12等炎性因子外，還可顯著促進抑炎因子IL－10的產生。IL－10在MS中起重要作用，有文獻報道MS患者外周血B細胞分泌了少量的IL－10;IL－10在動物實驗中對 EAE的行為改善有一定調節作用［14］。p38MAPK信號通路激活能夠誘導IL－10的產生［15］，從而對MS所致損傷有保護作用。

1.5 Jun/Fos信號傳導通路異常與MS

Jun家族包括c－Jun、JunB和JunD。Jun家族各成員的基因結構相似，都是僅有一個外顯子，但是功能存在差異，c－Jun促進細胞增殖，與激活的ras基因一起可以使細胞轉化，而JunD的過表達可以減慢細胞生長，拮抗ras基因的細胞轉化作用。Fos蛋白作為細胞原癌基因，最初是在鼠的骨肉瘤細胞中發現的，有研究表明，表達該蛋白的基因屬一種原癌基因，在細胞的惡性轉化方面發揮了重要作用。Fos家族包括c－Fos、FosB、fra－1、fra－2。c－Fos及其他Fos家族成員常與Jun家族成員如c－Jun等形成異源二聚體以AP－1的形式發揮作用［16］，其中c－Fos和c－Jun組成的異源二聚體最穩定。AP－1中的Jun家族成員既可同源聚合，也可與Fos家族成員異源聚合;而Fos家族成員只能與Jun蛋白嵌合形成異源二聚體的 AP－1形式。激活蛋白(AP－1）參與了增生、炎癥、分化、凋亡、細胞遷移和傷口愈合等多個病理生理過程。因此，Fos蛋白涉及細胞的增殖、分化、和轉化。與對照組相比，在MS的白質中發現Fos蛋白 的RNA鏈增長了兩倍，提示Fos蛋白在MS發病中可能發揮中樞調控作用［17］。

2 信號傳導通路分析面臨的挑戰與問題

細胞內多條信號傳導通路間存在明顯的交叉感應，同一關鍵蛋白質也同時參與多個信號傳導通路的級聯反應中。因此，信號傳導通路的分析中仍然面臨著巨大挑戰。首先，同一細胞中各信號通路間的感應是復雜的，僅根據現有實踐經驗很難研究;其次，在系統層面間的感應如何轉化為特異細胞型反應;再次，由于MS主要影響身體中最為復雜的兩個組織/器官系統，即免疫系統和中樞神經系統，解釋分析現有MS數據非常困難;第四，基因功能信息仍不完善。由此可見，現有數據不足以提供一個可以完全模擬的機械模型，阻礙了對新的信號機制的預測。

3 結合已知信號通路的新藥研發

盡管近年來科技飛速發展為MS治療提供了大量相關數據，但MS藥物研發仍步履維艱。究其原因，主要歸咎于生物信息如何轉化為適當的疾病模型的問題沒有得到解決。新藥研發主要受制于以下幾個方面：來自于人體/患者的定量和動力數據的有效性;個體的異質性和基因背景的整合對界定治療的反應;需要建立方法來整合和模擬的既包括細胞，還有組織的復雜網絡。

此外，多種藥物協調、聯合應用以同時調節多條信號傳導通路亦是一個有效治療策略。不同作用機制的藥物協同效應可提高療效、安全性和耐受性。臨床、生物體和醫藥等數據可通過計算模型的整合來評估藥物的療效和協同效應。最后，提高藥物研發效率的另一個關鍵問題是預測該藥物治療的副作用。信號通路和藥物蛋白網絡可以使用機器學習的方法來重新定位現有藥物，推斷藥物新的適應癥或預測毒性。

4 結論與展望

多發性硬化癥的發病機制十分復雜，涉及多條信號傳導通路的數百個基因和蛋白，并且這些基因和蛋白隨著時間和疾病的進展不斷變化，不同療法對這些基因和蛋白的影響在不同個體上也呈現出不同反應。系統生物學整合了遺傳易感性的作用，其是按風險等位基因輕微的調控參數來管理通路的功能。因此，單一的等位基因對給定的通路并沒有顯著的影響，但所有風險等位基因聚集在給定的個體中可能影響免疫通路對產生自身免疫激活水平的功能。這些因素可能有助于提高自身免疫反應在個體層面的預測。同樣，沒有針對任何單一風險等位基因的藥物分層，如果有新的治療策略能夠靶向多發性硬化癥相關基因和調控藥物的生物效能，上述情況則有可能改變。一些數學建模方法在系統生物學領域已成功建立，它們將能夠廣泛應用于從邏輯到物理化學模型范圍的信號通路的研究中［18］。一旦數據從數據庫中檢索，生物信息學工具允許識別可以作為假設的基因、蛋白質和細胞之間的相互作用。系統生物學整合現有的知識、實驗結果和醫學數據，結合與MS發生發展相關的信號傳導通路，構建模擬MS發病的綜合模型，有利于我們發現MS新的作用機制，預測MS治療的方向和最優治療藥物組合。

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Progress of signaling pathways abnormal in multiple sclerosis

ZHENG Na1，2，WANG Qi1，YIN Lin－lin2
(1．Xuan－Wu Hospital of Capital Medical University，Beijing Geriatrics Medical Research Center，Beijing 100053，China; 2．Institute of Clinical Pharmacology，Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China）

The pathogenesis of multiple sclerosis(MS）involves alterations to multiple pathways and processes，which represent a significant challenge for developing more－effective therapies．In MS，abnormalities have been identified in several cytokine－signaling pathways，as well as those of other immune receptors．Among the downstream molecules implicated are Jak/Stat，NF－κb，ERK1/2，p38 or Jun/Fos，current MS drugs target some of these pathways．This article will with the aid of the latest research results of systems biology approaches that study pathway dysregulation in the process of MS development，targeting these relevant MS－signaling pathways，offers the opportunity to accelerate the development of novel individual or combination therapies for the future of new drug research．

Multiple sclerosis;Signaling pathways;Drug research and development

R－332

A

1671－7856(2015）07－0077－04

10．3969．j．issn．1671．7856．2015．007．017

國家自然科學基金項目(81341088;81273817）;北京市科技新星計劃(Z12111000250000）。

鄭娜(1989－），女，碩士生，研究方向：中藥治療神經系統疾病。E－mail：371747985@qq．com。

尹琳琳(1977－），女，副研究員，研究方向：中樞神經炎癥的中藥干預策略。E－mail：yinll913@126．com。

2015－06－25

教育與科普