細胞外信號調節激酶在慢性阻塞性肺疾病發病機制中的研究進展

漆　勇綜述，王文軍審校（四川醫科大學附屬第一醫院呼吸內二科，四川瀘州646000）

細胞外信號調節激酶在慢性阻塞性肺疾病發病機制中的研究進展

漆勇綜述，王文軍△審校（四川醫科大學附屬第一醫院呼吸內二科，四川瀘州646000）

細胞外信號調節MAP激酶類；肺疾病，慢性阻塞性；氣道重塑；綜述

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一種與氣道和肺組織對香煙煙霧（CS）等有害顆粒的異常慢性炎性反應有關的疾病，其以持續氣流受限為特征，呈進行性發展。細胞外信號調節激酶（ertracellular-signal regulated kinase，ERK）是信號轉導途徑中體內多條信號途徑的匯集點，與細胞增殖、應激反應、凋亡等調控密切相關。有研究表明，ERK在COPD支氣管、肺泡上皮細胞和氣道平滑肌細胞的表達增高，參與COPD的炎癥、氧化應激、蛋白酶增加、細胞凋亡和氣道重塑的發生、發展，提示ERK可能為COPD的治療提供新的思路［1］。本文就ERK信號通路與COPD的關系作一綜述。

1　ERK家族

ERK是20世紀80年代末期發現的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）家族的一員，也是傳遞絲裂原信號的信號轉導蛋白。現已知ERK家族有5個亞族，包括ERK1～5。ERK1和ERK2是將信號從表面受體傳導至細胞核的關鍵激酶，相對分子質量分別為44×103和42×103。ERK正常定位于細胞質，當受多種刺激因子如生長因子、細胞因子、病毒、G蛋白偶聯受體的配體及癌基因等激活后轉位至細胞核，調節轉錄因子活性，產生細胞效應。

ERK信號傳遞遵循MAPKs的三級酶促級聯反應，即上游激活蛋白→MAPK激酶的激酶（MAPKKK）→MAPK激酶（MAPKK）→MAPK［2］。在ERKs的傳遞途徑中Ras作為上游激活蛋白，Raf作為MAPKKK，MAPK/ ERK激酶（MEK）作為MAPKK，ERK作為MAPK，即Ras-Raf-MEK-ERK途徑。當細胞外信號與受體結合后，生長因子受體結合蛋白2（Grb2）作為接頭分子與激活的受體結合，再與鳥苷酸釋放因子（son ofseven-less，SOS）的C端富于脯氨酸的序列相互作用形成受體-Grb2-SOS復合物。SOS與受體或受體底物蛋白上的Tyr磷酸化位點結合導致細胞質蛋白SOS向膜轉位，并在Ras附近形成高濃度的SOS，SOS促使GTP取代Ras上的GDP，使Ras活化。活化的Ras利用高親和力和Raf-1 N-端的2個區域（RBD、CRD）結合后，將Raf從細胞質轉移到細胞膜，在胞膜上Raf被激活。Raf被激活后，其C端催化區能與MEK結合，并使其催化區第Ⅷ亞區中2個Ser磷酸化，從而使MEK激活。活化的MEK通過其N端區域與ERKs直接連接，催化ERK的亞功能區8“TEY盒”中的Tyr和Thr殘基雙特異性磷酸化，激活ERK。激活的ERK由細胞質轉位到細胞核內，進而介導Elk-1、ATF、NF-κB、Ap-1、c-fos和c-Jun的轉錄活化，參與細胞增殖與分化、細胞形態維持、細胞骨架的構建、細胞凋亡和細胞的惡變等多種生物學反應［3］。

2　ERK在COPD發病機制中的作用

2.1ERK與炎癥支氣管肺組織的炎性損傷是COPD的特征性改變，中性粒細胞、巨噬細胞、CD8+T細胞等炎癥細胞均參與其病理過程。激活的炎癥細胞釋放多種介質，包括白介素-8（IL-8）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等，它們可以破壞肺的結構和觸發COPD的炎癥級聯反應。ERK的活化與中性粒細胞、巨噬細胞數量及CD8+T細胞功能密切相關。Shin等［4］通過CS和脂多糖（LPS）誘導建立小鼠COPD模型，發現褪黑激素通過抑制ERK的磷酸化，可顯著降低支氣管肺泡灌洗液內中性粒細胞計數及炎癥介質。而在LPS誘導小鼠肺損傷模擬COPD的炎癥損傷中，經過U0126（ERK1/2抑制劑）預處理下調ERK磷酸化后能顯著降低肺內中性粒細胞增多和巨噬細胞炎性蛋白-2（MIP-2）。MIP-2的降低能減少其對中性粒細胞的趨化和髓過氧化物酶等酶（MPO）類的釋放，減少對肺組織的損傷［5］。在CS引起小鼠肺部炎癥中，水飛薊賓能顯著減少支氣管周圍巨噬細胞的浸潤，這與ERK活性受抑制是密切相關的［6］。Ohnishi等［7］研究發現，在致敏小鼠接受二次過敏原攻擊前，在U0126 對CD8+T細胞預處理后，小鼠氣道高反應性、嗜酸性炎癥和IL-5、IL-13水平在支氣管肺泡灌洗液中顯著降低，而積聚在支氣管肺泡灌洗液或肺的CD8+T細胞數量卻不受影響，表明ERK1/2信號通路對氣道CD8+T細胞發揮功能必不可少，包括Th2細胞因子的產生，過敏性炎癥和氣道高反應發展。

ERK信號通路在體內外均可影響TNF-α的水平。Schuh等［5］研究發現，新鮮分離的人外周血單核細胞TNF-α的釋放能被U0126阻斷并呈劑量依賴性，而在體內用LPS誘導小鼠肺損傷，經過U0126預處理也可以顯著降低肺內TNF-α水平。IL-8是趨化性細胞因子，主要是趨化并激活中性粒細胞，促進中性粒細胞的溶酶體酶活性和吞噬作用，導致機體局部炎性反應。ERK1/2的活性與IL-8在氣道的表達和釋放密切相關。Li等［8］研究發現，給予原代培養的人類氣道上皮細胞不同時間的LPS刺激后，通過Western blotting測得ERK1/2磷酸化水平在氣道上皮細胞明顯提高，而活化后的ERK1/2可激活下游信號傳導途徑，導致氣道的上皮細胞IL-8的mRNA表達水平也顯著提高，并在刺激2 h后達峰值。然而，通過蛋白激酶A（PKA）對ERK活性的抑制又可以減少香煙煙霧提取物（CSE）誘導人類氣道平滑肌細胞對IL-8的表達和釋放［9］。MUC18是在COPD的氣道上皮細胞和平滑肌細胞表達上調的跨膜糖蛋白，其過表達能促進IL-8產生，而抑制ERK活性可降低MUC18絲氨酸磷酸化而減少氣道平滑肌細胞產生IL-8［10］。以上研究表明，ERK活化與抑制對支氣管肺組織的炎癥細胞數量、功能和炎癥介質的釋放有著明顯影響，從而參與COPD的炎性反應。

2.2ERK與氧化應激活性氧增多和脂質過氧化反應增強與COPD病情嚴重度一致，氧化物可以直接損傷肺泡壁的實質細胞和結締組織，使蛋白酶更容易與肺泡壁的彈力蛋白起作用，同時使α抗胰蛋白酶的活性大大降低，促進肺氣腫的發生、發展。另外，脂質過氧化可增加花生四烯酸代謝合成產物的釋放，加重炎癥。抗氧化酶如MPO、超氧化物歧化酶（SOD）活性和脂質過氧化終產物丙二醛（MDA）含量可間接反映體內氧自由基的生成速率和脂質過氧化反應程度。ERK的活化可引起氧化與抗氧化應激失衡，而在COPD發病中起作用。研究表明，抑制ERK磷酸化可以阻止CSE誘導小鼠支氣管肺組織中MDA含量的增加和MPO、SOD活性的降低［6］。同時，在吸煙和高氧引起的大鼠肺損傷中，肺組織中活性氧的產生明顯增加，分別給予P物質、硫化氫干預，發現通過阻斷ERK信號通路可以減低活性氧及還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶的產生。而NADPH氧化酶參與氧化呼吸鏈，催化O2還原為O2-，是介導機體活性氧簇（ROS）生成的主要來源［11-12］。

2.3ERK與蛋白酶蛋白酶過量導致與抗蛋白酶失衡，引起肺組織結構破壞、氣腔擴大是COPD肺氣腫主要發病機制之一。基質金屬蛋白酶-9（MMP-9）和mRNA 在COPD患者表達明顯增加，MMP-9可由肺內上皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞、中性粒細胞、巨噬細胞等分泌，能降解呼吸道和肺的細胞外基質和基底膜，參與肺氣腫的形成。研究證實，通過阻斷有Raf-MEK-ERK、PI3K/Akt、AP-1和IκB-NF-κB參與的RAS信號傳導途徑的異戊烯化，可抑制CSE誘導的肺泡巨噬細胞產生MMP-9［13］。另外，ERK信號通路還可通過胞內信號轉導促進氣道上皮產生轉化生長因子-β（TGF-β）、血小板衍生因子（PDGF）等生長因子，而促進肺成纖維細胞對MMP-1和MMP-2的mRNA表達和分泌［14］。Kim等［15］研究表明，CSE通過激活ERK1/2的信號通路促進人胎兒肺成纖維細胞（HFL-1）分泌MMP-1，導致過量的肺組織破壞，并有助于肺氣腫的發展。而ERK-MAPK的特異性抑制劑（PD98059）能顯著阻斷CSE引起的ERK1/2磷酸化，抑制成纖維細胞MMP-1的產生和mRNA的表達。這與MMP-1啟動子是在肺上皮細胞中CS的直接靶標，而這個靶標能被PD98059通過抑制ERK1/2磷酸化而封鎖有關［16］。說明ERK信號通路的活化可增加MMP分泌，引起COPD肺氣腫的發生、發展。

2.4ERK與細胞凋亡研究表明，COPD患者中性粒細胞凋亡率明顯低于健康對照組，且急性發作期明顯低于緩解期，吸煙者較不吸煙者凋亡減少，在一定程度上表明，COPD患者肺內中性粒細胞凋亡水平減低；而凋亡水平過低可引起肺內炎癥細胞異常浸潤，導致免疫損傷，如中性粒細胞釋放的蛋白酶對肺泡組織具有較大的破壞作用，可以導致肺氣腫的形成，而中性粒細胞的凋亡延緩可能與ERK途徑的激活有關［17］。研究顯示，α-防御素、人β防御素及抗菌肽（LL-37）抑制中性粒細胞的凋亡伴有ERK1/2的磷酸化及促凋亡蛋白tBid的進一步下調和抗細胞凋亡蛋白Bcl-XL的上調［18］。Jiang等［19］研究發現，IL-17在體外對結核病患者中性粒細胞凋亡具有雙重調控作用，在高濃度時促進凋亡，在低濃度時抑制凋亡，在低濃度組加入U0126后IL-17對結核病患者中性粒細胞凋亡的抑制作用有所減弱，說明中性粒細胞凋亡的抑制可能與ERK活化有關。上述研究表明，抑制ERK磷酸化可增加中性粒細胞凋亡；反之，則可減少中性粒細胞的凋亡，增加COPD肺氣腫的發生。同時，PD98059可使大鼠氣道平滑肌細胞DNA合成量減少，細胞凋亡指數、早期凋亡細胞百分比均增高，ERK1/2表達和ERK活化率均降低，表明ERK1/2活性的提高能減少氣道平滑肌的凋亡，與氣道平滑肌增厚可能有關，而ERK對大鼠氣道平滑肌凋亡有調控作用與半胱天冬酶-3酶原（procaspase-3）有關［20］。

2.5ERK與氣道重塑氣道重塑是COPD患者氣道發生氣流受限的主要原因，而氣道平滑肌增厚、細胞外基質過度沉積是其主要的病理變化［21］。氣道平滑肌細胞數的增殖，有一部分可能是由ERK 1/2介導的。Pera等［22］研究了CSE和LPS對培養的牛氣管平滑肌細胞增殖影響，結果發現CSE及LPS使牛氣管平滑肌細胞數顯著增加依賴于ERK 1/2和p38MAP的活化；ERK1/2活化后通過誘導細胞周期蛋白（cyclinD1）和周期蛋白依賴性激酶（CDK2）蛋白高表達，使細胞從G1期向S期發展，引起細胞增殖。有學者研究發現，姜黃素通過抑制氣道平滑肌細胞增殖，使得氣管壁的厚度較模型組低，而氣道平滑肌細胞增殖的減少是通過降低PDGF對氣道平滑肌細胞ERK1/2磷酸化的誘導而實現［23］。ERK1/2的活化可引起COPD氣道膠原蛋白沉積增加［24］。Britt等［25］發現將人胎兒氣道平滑肌細胞（FASM）暴露于TNF-α或TGF-β長達72 h能誘導膠原蛋白Ⅲ表達和沉積明顯增加，骨化三醇能減弱TNF-α和TGF-β誘導的膠原蛋白Ⅲ表達沉積和抑制FASM細胞的增殖，而對于信號通路的分析表明這一過程涉及ERK信號通路，而不是其他主要炎癥相關信號通路。同時，CSE通過激活FASM的ERK 和p38通路，可促進其細胞外基質，膠原蛋白Ⅰ、Ⅲ型和粘連蛋白的分泌，而只有抑制ERK活化能減弱CSE介導的細胞外基質沉積增加［26］。研究已證實，人類抗菌肽LL-37在COPD患者小氣道上皮細胞有高表達。Sun等［24］研究發現，LL-37在氣道上皮細胞的表達與氣道壁厚度和膠原面積呈正相關，而這與LL-37能結合上皮下肺成纖維細胞表面的甲酰肽樣受體（FPRL-1）并激活ERK信號通路促進Ⅰ、Ⅲ型膠原基因的表達密切相關；在MAPK阻斷劑和PI3K阻斷劑預處理后，只有ERK阻斷劑PD98059能顯著抑制膠原的分泌，其他通路抑制劑對膠原分泌無顯著影響［27］。以上研究表明，ERK磷酸化的提高可引起氣道平滑肌細胞的增殖、膠原蛋白沉積的增加，引起氣道重塑。而抑制ERK磷酸化可能抑制氣道重塑的發生、發展。

3　小　結

多種刺激因素均可誘導ERK通路的激活，而活化后的ERK通路參與了COPD炎性反應、氧化應激、蛋白酶增加、細胞凋亡及氣道重塑的發生、發展。同時大量的實驗研究結果證實，ERK信號通路的相關阻斷劑可顯著影響COPD的病理表現，但ERK信號通路在COPD發生、發展中的具體機制還有待進一步闡明。

［1］Vijayan VK.Chronic obstructive pulmonary disease［J］.Indian JMed Res，2013，137（2）：251-269.

［2］Nishimoto S，Nishida E.MAPK signalling：ERK5 versus ERK1/2［J］.EMBO Rep，2006，7（8）：782-786.

［3］RoskoskiR Jr.ERK1/2MAPkinases：structure，function，and regulation［J］. PharmacolRes，2012，66（2）：105-143.

［4］Shin IS，Shin NR，Park JW，etal.Melatonin attenuatesneutrophil inflammation andmucus secretion in cigarette smoke-induced chronic obstructive pulmonary diseases via the suppression of Erk-Sp1 signaling［J］.J PinealRes，2015，58（1）：50-60.

［5］Schuh K，PahlA.Inhibition of theMAPkinase ERK protects from lipopolysaccharide-induced lung injury［J］.Biochem Pharmacol，2009，77（12）：1827-1834.

［6］LiD，Xu D，Wang T，etal.Silymarin attenuates airway inflammation induced by cigarette smoke inmice［J］.Inflammation，2015，38（2）：871-878.

［7］OhnishiH，Takeda K，Domenico J，etal.Mitogen-activated protein kinase/ extracellular signal-regulated kinase 1/2-dependent pathways are essential forCD8+T cell-mediated airway hyperresponsiveness and inflammation［J］.JAllergy Clin Immunol，2009，123（1）：249-257.

［8］LiW，Xu YJ，Shen HH.Effectof cigarette smoke extract on lipopolysaccha-ride-activated mitogen-activated protein kinase signal transduction pathway in cultured cells［J］.ChinMed J（Engl），2007，120（12）：1075-1081.

［9］Oldenburger A，Roscioni SS，Jansen E，et al.Anti-inflammatory role of the cAMP effectors Epac and PKA：implications in chronic obstructive pulmonary disease［J］.PLoSOne，2012，7（2）：e31574.

［10］Berman R，Huang C，Jiang D，et al.MUC18 differentially regulates proinflammatory and anti-viral responses in human airway epithelialCells［J］. JClin Cell Immunol，2014，5（5）：257.

［11］Huang B，LiQ，Xu S，etal.Substance P protects againsthyperoxic-induced lung injury in neonatal rats［J］.Exp Lung Res，2015，41（1）：12-20.

［12］Zhou X，An G，Chen J.Inhibitory effectsof hydrogen sulphide on pulmonary fibrosis in smoking rats via attenuation ofoxidative stressand inflammation［J］.JCellMolMed，2014，18（6）：1098-1103.

［13］Kim SE，Thanh Thuy TT，Lee JH，et al.Simvastatin inhibits induction of matrixmetalloproteinase-9 in ratalveolarmacrophagesexposed to cigarettesmokeextract［J］.Exp MolMed，2009，41（4）：277-287.

［14］Asano K，Shikama Y，ShojiN，etal.Tiotropium bromide inhibits TGF-βinduced MMP production from lung fibroblasts by interfering with Smad and MAPK pathways in vitro［J］.Int JChron Obstruct Pulmon Dis，2010 （5）：277-286.

［15］Kim H，Liu X，Kohyama T，etal.Cigarette smoke stimulatesMMP-1 production by human lung fibroblasts through the ERK1/2 pathway［J］.COPD，2004，1（1）：13-23.

［16］Mercer BA，Wallace AM，Brinckerhoff CE，et al.Identification of a cigarette smoke-responsive region in the distal MMP-1 promoter［J］.Am J RespirCellMol Biol，2009，40（1）：4-12.

［17］Sun Z，Dragon S，Becker A，et al.Leptin inhibits neutrophil apoptosis in children via ERK/NF-κB-dependentpathways［J］.PLoSOne，2013，8（1）：e55249.

［18］Nagaoka I，Suzuki K，Niyonsaba F，et al.Modulation of neutrophil apoptosisby antimicrobialpeptides［J］.ISRNMicrobiol，2012（2012）：345791.

［19］Jiang L，Yao C，Jin Q，etal.Effectof interleukin-17 on neutrophilapoptosis in patientswith tuberculosis［J］.XiBao Yu Fen ZiMian YiXue Za Zhi，2014，30（8）：833-836.

［20］Bai J，Liu XS，Xu YJ，etal.The effectof ERK signaling pathway on cell apoptosis in airway smooth muscle cells of chronic asthmatic rats［J］.Xi Bao Yu Fen ZiMian YiXue Za Zhi，2010，26（8）：738-741.

［21］Prakash YS.Airway smoothmuscle in airway reactivity and remodeling：whathavewe learned［J］.Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol，2013，305 （12）：L912-933.

［22］Pera T，GosensR，Lesterhuis AH，etal.Cigarette smoke and lipopolysaccharide induce a proliferativeairway smoothmuscle phenotype［J］.Respir Res，2010（11）：48.

［23］Zeng X，Cheng Y，Qu Y，etal.Curcumin inhibits the proliferation of airway smoothmuscle cells in vitro and in vivo［J］.Int JMol Med，2013，32 （3）：629-636.

［24］Sun C，Zhu M，Yang Z，etal.LL-37 secreted by epithelium promotes fibroblastcollagen production：a potentialmechanism ofsmallairway remodeling in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Lab Invest，2014，94 （9）：991-1002.

［25］Britt RD Jr，Faksh A，Vogel ER，etal.Vitamin D attenuates cytokine-induced remodeling in human fetal airway smooth muscle cells［J］.JCell Physiol，2015，230（6）：1189-1198.

［26］Vogel ER，VanOosten SK，Holman MA，et al.Cigarette smoke enhances proliferation and extracellular matrix deposition by human fetal airway smoothmuscle［J］.Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol，2014，307（12）：L978-986.

［27］Profita M，Bonanno A，Siena L，et al.Smoke，choline acetyltransferase，muscarinic receptors，and fibroblast proliferation in chronic obstructive pulmonary disease［J］.JPharmacolExp Ther，2009，329（2）：753-763.

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.02.024

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