Epac信號分子與哮喘關系研究進展

黃革，高亞東

(武漢大學中南醫院呼吸內科，湖北武漢430071)

Epac信號分子與哮喘關系研究進展

黃革，高亞東

(武漢大學中南醫院呼吸內科，湖北武漢430071)

支氣管哮喘是臨床常見的氣道慢性炎癥性疾病，以氣道高反應性、慢性氣道炎癥和氣道重塑為病理生理特征，其發病機制目前尚未完全闡明。環磷酸腺苷(cAMP)是體內重要的第二信使，參與調控機體新陳代謝、細胞鈣信號傳導、細胞生長與分化、凋亡等多種病理生理過程。長期以來，蛋白激酶A(PKA)被認為是介導cAMP生物學效應的唯一下游信號分子。但新近發現的新型cAMP靶分子——cAMP直接激活的交換蛋白(Epac)的發現打破了這一說法。大量研究證實，Epac可單獨或協同PKA介導cAMP的多種生物學效應。本文就Epac在支氣管哮喘發病中的作用及其可能機制作一綜述，為尋找哮喘治療新靶點奠定基礎。

支氣管哮喘；環磷酸腺苷；cAMP直接激活的交換蛋白；蛋白激酶A

支氣管哮喘(簡稱哮喘)是臨床常見的氣道慢性炎癥性疾病，以氣道高反應性、炎癥及重塑為重要特征[1]，且發病率呈逐年上升趨勢[2]。目前，哮喘的治療以緩解癥狀和控制急性發作為主。β2受體激動劑、磷酸二酯酶抑制劑等作為哮喘治療的一線藥物，其療效已被廣泛認同，作用機制主要是通過升高細胞內cAMP水平。PKA一直被認為是cAMP下游唯一的效應分子，介導cAMP的多種生物學效應，直到1998年分別發表在Nature和Science的兩項研究發現cAMP直接激活的交換蛋白(Exchange protein directly activated by cAMP，Epac)分子才改變了這一觀念[3-4]。Epac作為新型cAMP靶分子，可單獨或協同PKA介導cAMP的多種生物學效應。本文將主要介紹Epac在哮喘發病中的作用及其可能的機制。

1 新型cAMP靶分子——Epac

Epac主要功能是作為小G蛋白Rap1的特異性鳥嘌呤核苷酸交換因子(Guanine nucleotide exchange factor，GEF)，將Rap1結合的GDP(無活性)置換為GTP(有活性)，活化后的Rap1進一步對各項生理活動起調控作用。Epac被證實存在兩種亞型：Epac1和Epac2，兩者在包括肺在內的許多組織器官均有表達[3-4]，且在不同器官及器官的不同發育階段的表達量存在明顯差異[5]。Epac在結構上包括調節區和催化區，前者含有高親和力的cAMP結合位點，后者含有一特異性的CDC25同源結構域(CDC25 homology domain，CDC25-HD)，CDC25-HD具有GEF活性，可活化一系列信號分子，如Rap1、Rap2、PKB/Akt、Rho、R-Ras等，進一步調控細胞生長、分化、粘附及凋亡等多種細胞生命活動[6]。Epac作為一個多功能信號分子，對免疫、呼吸、神經、心血管及內分泌等多個系統功能有其獨特的調控作用[7-8]。

2 Epac與哮喘

哮喘是多種細胞、細胞組分及炎癥介質引起的氣道慢性炎癥性疾病，伴隨氣道阻塞和氣道結構改變(即氣道重塑)。大量研究表明，Epac參與哮喘氣道高反應性、炎癥及重塑進程，在哮喘的發病中發揮重要作用。

2.1 Epac調控氣道反應性氣道高反應性(Airway hyperresponsibility，AHR)是哮喘基本特征之一。盡管關于AHR發生機制的研究已取得較大進展，但其確切機制目前尚未完全闡明，參與的機制包括：Th細胞作用失衡；平滑肌細胞增生與肥大；黏液過度分泌；嗜酸粒細胞等多種炎癥細胞、炎癥介質和細胞因子的作用等。雖然AHR形成機制復雜多樣，但氣道平滑肌(Airway smooth muscle，ASM)在其中所起作用是毋庸置疑的。cAMP激動劑如β2受體激動劑緩解哮喘支氣管痙攣的作用已被廣泛認同，大多數觀點認為PKA介導了這一效應[9]。但也有研究表明，cAMP激動劑產生的舒張支氣管作用非PKA依賴性[10]。不乏證據表明Epac參與其中，有研究證實Epac可將RhoA/Rac1平衡點向Rac1偏移，從而降低ASM肌球蛋白輕鏈(Myosin light chain，MLC)磷酸化水平，介導ASM舒張[11]。另有Zieba等[12]研究發現，Epac可通過下調RhoA活性誘導ASM松弛。RhoA、Rac1皆屬Rho GTPase家族，Rho GTPase可通過調控肌動-肌球蛋白細胞骨架影響細胞運動，在ASM收縮與舒張活動中起重要作用。氣道黏液的過度分泌與AHR的形成密切相關。氣道上皮細胞電解質的跨膜轉運(如Cl-的分泌)在氣道黏液的清除中發揮積極作用。Lau等[13]研究表明，Epac可增強二磷酸尿苷(Uridine diphosphate，UDP)誘導的人上皮細胞Cl-的分泌活動，從而促進黏液的清除，減輕氣道高反應性。

2.2 Epac調控氣道炎癥慢性氣道炎癥在哮喘的發生中占重要地位，越來越多的研究表明Epac在哮喘炎癥過程中發揮重要作用，且同時表現出抗炎和促炎作用。細胞屏障功能在抑制炎癥的擴散中發揮重要作用。有研究顯示，Epac可通過活化小G蛋白Rap1/Rac維持肺血管內皮細胞功能穩定[14]，從而阻止炎癥的擴散。Vang等[15]研究發現，Epac參與了cAMP對效應T細胞的抑制作用。另有Zaslona等[16]研究表明，Epac抑制了Th2型細胞因子IL-13的生成。Epac經PKB/Akt和GSK-3信號途徑，抑制細菌脂多糖(Lipopolysaccaride，LPS)誘導的巨噬細胞IFN-β的分泌[17]。Jing等[18]研究發現，Epac通過活化PKB/GSK信號途徑抑制了樹突狀細胞(Dendritic cell，DC)分泌趨化因子CCL3和CCL4，從而發揮抗炎效應。腺苷(Adenosine)可通過與各種炎癥細胞表面的腺苷受體A2a(A2aR)結合發揮抗炎效應，Scheibner等[19]研究發現，A2aR介導的抗炎作用與Epac抑制核因子-κB (Nuclear factor-κB，NF-κB)和一些炎性基因的表達有關。除上述抗炎作用外，Epac同時表現出一定的促炎作用。哮喘時血液循環中白細胞向氣道募集是炎癥的主要來源之一。有研究表明，Epac-Rap1通過活化整合素β1(Integrins β1)促進了白細胞的粘附及游出[20]。Tan等[21]研究表明，Epac通過活化細胞外信號調節激酶1/2(Extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2)和p38信號途徑，促進巨噬細胞分泌IL-6和IL-1β等炎癥因子。有研究顯示，Epac協同PKA通過激活Rap1-ERK1/2信號途徑，促進了緩激肽(Bradykinin)誘導的氣道平滑肌細胞IL-8的分泌[22]。另有Nagano等[23]研究證明，Epac可通過活化Rap-PLCε信號途徑，上調哮喘小鼠支氣管上皮細胞炎癥因子的分泌。IL-10是重要的免疫調節性因子，主要功能為抑制炎癥反應和調控免疫細胞的分化和增殖。有研究表明，Epac可抑制外周血單個核細胞(Peripheral blood mononuclear cell，PBMC)分泌IL-10[24]，間接的促進了炎癥反應。因此，Epac作為一個多功能信號分子，可通過不同的信號途徑，在哮喘中同時發揮著抗炎及促炎作用。

2.3 Epac調控氣道重塑有些哮喘患者承受持續癥狀以及進行性肺功能降低，對其氣道進行組織學檢查，往往會發現氣道發生了明顯的結構改變，包括氣道上皮和網狀層增厚、上皮下膠原沉積、平滑肌細胞增生肥大、黏液腺增生及新生血管形成等病理改變[25]，即所謂氣道重塑。氣道平滑肌細胞(Airway smooth muscle cells，ASMCs)增生與肥大是哮喘氣道重塑最顯著病理特征之一。ASMCs有潛在的增殖、遷移及合成分泌功能，這也正是其導致氣道重塑的主要機制。Kassel等[26]研究表明，Epac參與β2受體激動劑抑制ASMCs的增殖效應。ASMCs在絲裂原刺激下會發現表型轉換，由收縮型轉換為增殖分泌型，促進哮喘疾病的發展。有研究顯示，Epac通過抑制ERK1/2轉錄阻止ASMCs表型轉換[27]，起到抗重塑作用。肺成纖維細胞在哮喘氣道重塑中同樣發揮重要作用。當成纖維細胞受到刺激時，可轉化成肌成纖維細胞，后者可分泌大量包括Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ型膠原蛋白及纖維連接蛋白在內的細胞外基質和促炎因子，此外成纖維細胞可分泌基質金屬蛋白酶(Matrix metalloprotinease，MMP-9)及其抑制物組織性基質金屬蛋白酶抑制物(Tissue inhibitor of matrix metalloproteinase，TIMP-1)，MMP-9可分解細胞外基質，若MMP-9與TIMP-1失衡，會導致細胞外基質的沉積[28]。Huang等[29]研究證實，Epac1通過活化Rap1抑制了人肺成纖維細胞的增殖。同時，Haag等[30]研究證明，Epac1而非PKA抑制了人肺成纖維細胞增殖。Oldenburger等[31]研究表明，Epac1可抑制香煙煙霧誘導的氣道重塑過程。因此可知，Epac可通過多種途徑抑制氣道重塑。

3 展望

cAMP作為重要的第二信使分子，參與調控體內多種生理病理過程。臨床上常用哮喘治療藥物，如β2受體激動劑、磷酸二酯酶抑制劑、前列腺素E2等均是通過增加細胞內cAMP水平來發揮效應的。PKA作為cAMP下游效應分子參與介導cAMP的多種效應，而新近發現的Epac同樣介導發揮cAMP的生物學功能。Epac有調控哮喘氣道高反應性、炎癥及重塑過程的作用，但在炎癥方面，Epac似乎表現出相互對抗的作用，如抗炎和促炎作用，說明Epac調控疾病過程的信號途徑紛繁復雜，有待研究進一步闡明。鑒于Epac在哮喘中發揮重要作用，或許在不久的將來會成為哮喘治療的新型靶分子。

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Research progress of the relationship between Epac and asthma.

HUANG Ge,GAO Ya-dong.Department of Respiratory Medicine,Zhongnan Hospital of Wuhan University,Wuhan 430071,Hubei,CHINA

Asthma is a chronic airway inflammatory disorder characterized by airway hyperresponsibility, chronic inflammation and airway remodeling,of which the mechanisms are not fully illustrated.Cyclic adenosine monophosphate(cAMP)is a very important second messenger which controls a range of diverse physiological or pathological processes,including metabolism,calcium signal,cell growth and differentiation,and apoptosis.Protein kinase A(PKA)had been considered as the only downstream target of cAMP.However,the recently reported target of cAMP, the exchange protein directly activated by cAMP(Epac),had changed the previous point.A large number of studies had shown that Epac regulates many biological processes either alone and(or)in concert with PKA.In this review,we will discuss the roles and probable mechanisms of Epac in asthma.

Asthma;Cyclic adenosine monophosphate(cAMP);Exchange protein directly activated by cAMP(Epac);Protein kinaseA(PKA)

R562.2+5

A

1003—6350（2015）12—1791—03

2015-01-12)

湖北省自然科學基金(編號：2014CFB202)

高亞東。E-mail：gaoyadong@gmail.com

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2015.12.0641