膠原代謝相關信號通路研究進展

李倩男++洪莉

[摘要] 膠原蛋白是一類結構獨特的蛋白質，廣泛存在于哺乳動物中，是結締組織的主要結構元素，與機體的疾病和衰老關系密切。膠原的代謝過程由一系列信號轉導通路和細胞因子共同調控，TGF-β/Smad、PI3K/Akt、MAPK、Wnt、NF-κB等眾多信號通路網絡交互影響，共同介導膠原合成與分解的代謝過程。本文將對參與膠原代謝主要的信號通路進行綜述。

[關鍵詞] 膠原代謝；MMPs；TIMPs；信號通路

[中圖分類號] R589 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）04（a）-0056-04

[Abstract] Collagen， a kind of protein with special structure， which is widely found in mammalian tissues. It is the main structural element of connective tissue， which is closely related to the disease and aging. Collagen metabolism is mediated by cytokines and a series of signaling transduction pathways.Signaling pathways such as TGF-β/Smad， PI3K/Akt， MAPK， Wnt， NF-κB and many other signaling pathways interactions co-regulate the procedure of collagen synthesis and degradation. This paper will review the main signaling pathways involved in collagen metabolism.

[Key words] Collagen metabolism； MMPs； TIMPs； Signaling pathways

膠原蛋白是結締組織的主要成分，存在于大多數薄壁器官的間質，作為細胞外基質的支架結構起到穩定組織的作用并維持它們的完整性。膠原代謝對某些疾病的發生發展至關重要，纖維化病變最常見類型由Ⅰ、Ⅲ型膠原蛋白比例失衡導致，Ⅰ、Ⅲ型膠原的合成和降解失衡是肝纖維化的重要機制[1-2]，Ⅳ型膠原合成異常可導致腎細胞外基質沉積，腎小球間質纖維化，最終可發展為腎功能衰竭[3]。膠原代謝是由一系列信號通路共同控制的結果，研究膠原代謝的信號通路對診斷及治療由膠原代謝異常引起的疾病具有重要的意義。

1膠原蛋白生物學特性及代謝

1.1 膠原蛋白的類型、結構與分布

目前在脊椎動物中確認的膠原類型有28種，由至少46個不同的多肽鏈（α鏈）形成[4]，每種膠原蛋白均由3條左手螺旋構型的α鏈組成，3條鏈又相互纏繞形成右手超螺旋結構，α鏈由重復的GXY序列組成，G是甘氨酸，起著限制螺旋結構的作用，X和Y代表其他氨基酸，大多為脯氨酸和羥脯氨酸[5]。根據膠原的結構和功能不同，可分為以下7類：①纖維膠原，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅺ、ⅩⅩⅣ和ⅩⅩⅦ型膠原，分布在皮膚、骨、韌帶等部位；②網狀膠原，包括Ⅳ、Ⅷ和Ⅹ型膠原，分布于皮膚、基底膜、腎臟等部位；③FACITs（纖維相關膠原），包括Ⅸ、Ⅻ、ⅩⅣ、ⅩⅥ、ⅩⅨ～ⅩⅩⅡ型膠原，分布于皮膚、胃腸、軟骨等部位；④MACITs（膜相關膠原），包括ⅩⅢ、ⅩⅦ、ⅩⅩⅢ、ⅩⅩⅤ型膠原，分布于心、上皮等處；⑤錨狀纖維，主要是皮膚和膀胱的Ⅶ型膠原；⑥串珠狀膠原，包括Ⅵ、ⅩⅩⅥ和ⅩⅩⅧ型膠原，軟骨、肌肉等部位較多；⑦內皮抑素膠原，包括ⅩⅤ和ⅩⅧ型膠原，主要分布于基底膜等部位[4]。

1.2 膠原蛋白合成與降解

膠原蛋白主要由成纖維細胞合成和分泌，再經過一系列修飾后形成。首先以mRNA為模板在粗面內質網核糖體上合成前肽鏈，鏈間再形成二硫鍵以合成前膠原α鏈，每三條鏈羥化形成前膠原分子后由高爾基體分泌至胞外，前膠原肽酶切除其N和C端肽形成原膠原，最后經共價交聯聚合成膠原纖維。正常情況下，大部分新合成膠原分泌至胞外前已被降解，只有少部分膠原形成成熟的膠原纖維。

膠原蛋白的降解主要通過膠原酶實現，膠原酶一般以無活性形式存在于組織中，膠原代謝與基質金屬蛋白酶MMPs的表達及活性有關，MMPs是一類含鋅原子并依賴鈣原子的內切酶，包括80個氨基酸殘基組成的氨基端結構域和200個氨基酸的血紅蛋白組成的羧基端結構域，除能降解膠原蛋白等細胞外基質外，還能激活其他MMPs[6]。組織可合成膠原酶抑制劑，如組織金屬蛋白酶抑制劑（TIMPs），TIMPs可與活化的MMPs等比例結合成復合體以抑制其活性，進而抑制對Ⅰ、Ⅲ型膠原的降解[7]。生理情況下，膠原酶活化與抑制保持相對平衡，膠原的轉化率維持相對穩定。

2 膠原代謝相關信號通路

膠原代謝受TGF-β/Smad、PI3K/Akt、MAPK、Wnt、NF-κB等信號通路的調控，各通路之間縱橫交錯、相互影響，共同介導膠原代謝過程。

2.1 TGF-β/Smad通路

轉化生長因子β（TGF-β）是與膠原代謝關系最密切的細胞因子，目前已在哺乳動物體內發現了3種異構體，即 TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3，其中以TGF-β1生物活性最強。Sefat等[8]發現3種TGF-β異構體均可增加骨細胞中I型膠原表達。TGF-β1能使大多數膠原基因mRNA水平提高或蛋白產物增加，還能抑制MMPs分泌和促進TIMPs表達來抑制膠原蛋白的降解[9]。TGF-β對膠原的調控機制主要有以下幾種：①刺激膠原mRNA表達，在轉錄水平調控膠原基因表達；②抑制膠原酶等金屬蛋白酶的分泌和刺激金屬蛋白酶抑制劑的表達，抑制膠原降解；③增加成纖維細胞內脯氨酸強化，穩定原膠原分子；④抑制溶酶體產物，抑制細胞內部原膠原降解；⑤通過自分泌方式間接調控膠原表達。

Smad蛋白為TGF-β信使蛋白分子，通過介導TGF-β信號從胞膜傳入胞核發揮功能。Yao等[10]發現Smad2和Smad3均可以激活纖維化過程；TGF-β可以誘導TIMP-1生成以抑制細胞外基質降解，肝星狀細胞中Smad2基因敲減可以增加I型膠原蛋白表達，過表達Smad2可抑制TIMP-1，增加MMP-2表達來減少膠原蛋白表達，而敲減Smad3基因可減少I型膠原蛋白表達來減輕纖維化[11]；研究發現[12]腎小管Smad4基因敲除可以減少TGF-β1作用下腎臟成纖維細胞的細胞外基質降解。Smad在TGF-β信號轉導中的作用可以分為3種類型：途徑限制性Smad蛋白（R-Smads），公共介體性Smad蛋白（Co-Smads），抑制性Smad蛋白（I-Smads）。當TGF-β1與細胞膜上受體TβRII結合后，TβRI激活，Smad2 或Smad3 C末端磷酸化再與Smad4形成異聚體轉錄復合物，移位至胞核與特定DNA結合，通過與轉錄因子相互作用來誘導目的基因轉錄，Smad7是抑制性Smad，抑制Smad2或Smad3磷酸化。

2.2 PI3K/AKT通路

PI3K/AKT通路是細胞中主要參與增殖、分化、凋亡等功能的重要通路，當受到胞外信號刺激后，PI3K的催化亞基將底物PIP2轉變為PIP3，PIP3與細胞內信號蛋白AKT和PDK1結合，促使PDK1磷酸化AKT蛋白的Ser473和Thr308，進而完全活化通路。PTEN是通路的負性調控因子，可拮抗PI3K作用，有磷酸酶活性，使PI3K作用的底物發生去磷酸化，PIP3脫磷酸形成PIP2來阻斷通路[13]。

PI3K/AKT通路是膠原代謝中重要的信號通路。研究[14]發現PI3K/AKT通路激活與Ⅰ型膠原蛋白增加有關，應用PI3K/AKT通路抑制劑可抑制Ⅰ型膠原蛋白增加。Yu等[15]研究發現，在結膜下注射miR-29b可以抑制PI3K/AKT通路，從而減少膠原沉積和抑制成纖維細胞增殖。王慧等[16]發現在大鼠肝星狀細胞中應用硫化氫可以激活PI3K/AKT通路來增加Ⅰ、Ⅲ型膠原蛋白的表達。

2.3 MAPK通路

MAPK是細胞質與胞核聯系的重要通路，在細胞生理過程中起重要調節作用。MAPK家族主要分為三大類：p38絲裂原活化蛋白激酶（p38）、細胞外信號調節激酶（ERK）和c-Jun氨基末端激酶（JNK）。MAPK級聯反應中心環節主要由MAP3K、MAP2K和MAPK組成。當特異性刺激因素作用時，下游MAP3K激活，MAP2K的Ser/Thr殘基磷酸化，活化的MAP2K磷酸化MAPK的Thr/Tyr位點，最大程度激活MAPK。

MAPK通路對膠原代謝有顯著調節作用。研究[17]發現磷酸化的p38MAPK參與介導軟骨細胞中MMP-13的合成，可導致Ⅱ型膠原降解。ERK通路由ERK1和ERK2組成，Ras/Raf/MEK/ERK是ERK通路的主要途徑。研究[18]表明ERK通路與膠原代謝相關，絲氨酸蛋白酶抑制劑SERPINE2通過抑制ERK1/2通路和下游NF-κB轉錄因子來抑制MMP-13活性；Zhang等[19]報道在大鼠肺纖維化模型中，纖溶酶原激活抑制劑在抑制ERK1/2通路后，肺組織內Ⅰ、Ⅲ型膠原蛋白的表達明顯下降；Huang等[20]抑制壓力性尿失禁患者的原代陰道成纖維細胞ERK1/2通路后，發現陰道成纖維細胞分泌Ⅰ、Ⅲ型膠原蛋白的能力明顯下降。

2.4Wnt信號通路

Wnt信號通路與細胞分化、生長、凋亡等過程有關，主要有Wnt/β-catenin、Wnt/Ca2+和Wnt/PCP 3條胞內轉導途徑，Wnt/β-catenin通路是最經典的信號通路。Wnt信號通路參與了人體肝、肺、腎等纖維化過程，有學者將β-catenin SiRNA轉染至肝星狀細胞發現Ⅰ、Ⅲ型膠原的合成明顯下降[21]。He等[22]在梗阻腎模型中應用Wnt通路拮抗劑DKK-1發現Ⅰ、Ⅲ型膠原減少。MMP-13是Wnt/β-catenin信號傳導通路的下游分子，能裂解Ⅱ型膠原，研究[23-24]發現β-catenin的過度表達會使軟骨細胞中MMP-9、MMP-13基因表達明顯增加，應用Wnt/β-catenin通路中關鍵蛋白LRP5的抑制劑能夠使軟骨細胞MMP-13的mRNA表達量明顯下降。

2.5 NF-κB信號通路

NF-κB是一個轉錄因子蛋白家族，當其抑制因子I-κB磷酸化，失去與NF-κB結合的能力時釋放出NF-κB，NF-κB激活后通過一系列級聯放大反應調節基因轉錄。Makino等[25]發現抑制瘢痕成纖維細胞中NF-κB通路可有效減少Ⅰ型膠原積累。糖基化終產物AGE-RAGE 可通過NF-κB通路調節Ⅰ型膠原表達[26]。Wei等[27]抑制新生大鼠成纖維細胞NF-κB通路發現Ⅰ型膠原和CTGF的表達明顯降低。研究[28]表明NF-κB在成骨細胞中還可通過增加β-catenin降解來抑制Wnt/β-catenin通路從而調節膠原代謝。

2.6其他

影響膠原代謝的因素很多，除了上述信號通路外，整合素和JAK/STAT等也參與膠原代謝。整合素（integrin）是表達在細胞表面的跨膜糖蛋白受體，可介導細胞與基質間的信號轉導。有學者用低強度脈沖超聲波作用于軟骨細胞，可促進整合素βl的表達，進而誘導FAK磷酸化，并激活ERK1/2，p38信號通路，促進Ⅱ型膠原的合成[29]。研究[30]表明在單側輸尿管梗阻腎纖維化模型中，JAK/STAT通路介導MMP-2激活，起到抑制纖維化的保護作用。Wang等[31]發現用氯沙坦抑制JAK/STAT通路，可以下調TGF-β來改善心肌纖維化。研究[32]發現用IL-27抑制JAK/STAT通路可增加MMP-2、MMP-9，減少TIMP1表達來促進細胞外基質降解。

離子通道、細胞因子等也對膠原蛋白的代謝也起著重要作用。離子通道如Ca2+通道，Hwang 等[33]發現使用鈣離子螯合劑來減少腫瘤細胞內鈣離子能抑制MMP-9分泌；細胞因子如人類結締組織生長因子（CTGF），有學者在體外培養成纖維細胞中發現，CTGF基因敲減可降低Ⅰ型膠原表達[34]；電流也能影響膠原代謝，有學者用20 μA，5 min低頻電流作用于小鼠耳廓軟骨，發現MMP-2活性明顯改變[35]。

3 小結與展望

膠原代謝是由TGF-β/Smad、PI3K/Akt、MAPK、Wnt、NF-κB、整合素、JAK/STAT等多種信號轉導通路參與的復雜生理過程，隨著研究不斷深入，目前還有更多信號通路如RhoA/ROCK、Notch、Hedgehog等被證實與膠原代謝關系密切。信號分子可以是多條通路的共同因子，也可激活或抑制其他信號通路的轉導，因此各信號通路間并非互相獨立，而是縱橫交錯、相互影響。雖然膠原代謝信號通路的具體機制還未完全闡明，但其代謝過程常由多條信號通路共同介導的。研究膠原代謝信號通路，不僅可以深入探討膠原代謝相關疾病的病生過程，也為相關疾病的防治提供更可靠的干預靶點。

[參考文獻]

[1] Coelho NM，Mcculloch CA. Contribution of collagen adhesion receptors to tissue fibrosis [J]. Cell Tissue Res，2016， 365（3）：521-538.

[2] Friedman SL. Evolving challenges in hepatic fibrosis[J]. Nat Rev GastroenterolHepatol，2010，7（8）：425-436.

[3] Van Agtmael T，Bruckner-Tuderman L. Basement membranes and human disease[J]. Cell and Tissue Research，2010，339（1）：167-188.

[4] Theocharis AD，Skandalis SS，Gialeli C，et al. Extracellular matrix structure[J]. Adv Drug Deliv Rev，2016，97：4-27.

[5] Sun L，Xiong Y，Bashan A，et al. A Recombinant collagen-mRNA platform for controllable protein synthesis[J]. Chembiochem，2015，16（10）：1415-1419.

[6] Kang M，Zhao L，Ren M，et al. Zinc mediated hepatic stellate cell collagen synthesis reduction through TGF-beta signaling pathway inhibition [J]. Int J Clin Exp Med，2015， 8（11）：20463-20471.

[7] Ni WJ，Ding HH，Zhou H，et al. Renoprotective effects of berberine through regulation of the MMPs/TIMPs system in streptozocin-induced diabetic nephropathy in rats [J]. Eur J Pharmacol，2015，764：448-456.

[8] Sefat F，Denyer MC，Youseffi M. Effects of different transforming growth factor beta （TGF-beta） isomers on wound closure of bone cell monolayers [J]. Cytokine，2014，69（1）：75-86.

[9] Xu F，Liu C，Zhou D，et al. TGF-/SMAD Pathway and its regulation in hepatic fibrosis [J]. Journal of Histochemistry&Cytochemistry，2016，64（3）：157-167.

[10] Yao Q，Xu B，Wang J，et al. Inhibition by curcumin of multiple sites of the transforming growth factor-beta1 signalling pathway ameliorates the progression of liver fibrosis induced by carbon tetrachloride in rats [J]. BMC Comp？鄄lementary and Alternative Medicine，2012，12（1）：156.

[11] Zhang L，Liu C，Meng XM，et al. Smad2 protects against TGF-beta1/Smad3-mediated collagen synthesis in human hepatic stellate cells during hepatic fibrosis [J]. Mol Cell Biochem，2015，400（1-2）：17-28.

[12] Meng X，Huang XR，Xiao J，et al. Disruption of Smad4 impairs TGF-β/Smad3 and Smad7 transcriptional regulation during renal inflammation and fibrosis in vivo and in vitro [J]. Kidney International，2012，81（3）：266-279.

[13] Mueller S，Phillips J，Onar-Thomas A，et al. PTEN promoter methylation and activation of the PI3K/Akt/mTOR pathway in pediatric gliomas and influence on clinical outcome [J]. Neuro Oncol，2012，14（9）：1146-1152.

[14] Urtasun R，Lopategi A，George J，et al. Osteopontin，an oxidant stress sensitive cytokine，up-regulates collagen-I via integrin αVβ3 engagement and PI3K/pAkt/NFκB signaling [J]. Hepatology，2012，55（2）：594-608.

[15] Yu J，Luo H，Li N，et al. Suppression of type Ⅰ collagen expression by miR-29b via PI3K，Akt，and Sp1 pathway，part Ⅱ： an in vivo investigation [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2015，56（10）：6019-6028.

[16] 王慧，任嬙，陳衛剛，等.PI3K/Akt信號轉導通路在硫化氫影響肝星狀細胞Ⅰ和Ⅲ型膠原表達中的作用[J].中華肝臟病雜志，2014，22（6）：430-433.

[17] Long DL，Loeser RF. p38gamma mitogen-activated protein kinase suppresses chondrocyte production of MMP-13 in response to catabolic stimulation [J]. Osteoarthritis Cartilage，2010，18（9）：1203-1210.

[18] Santoro A，Conde J，Scotece M，et al. SERPINE2 inhibits IL-1α-induced MMP-13 expression in human chondrocytes： involvement of ERK/NF-κB/AP-1 pathways [J]. Plos One，2015，10（8）：e135979.

[19] Zhang Y，Li W，Wang W，et al. siRNA against plasminogen activator inhibitor-1 ameliorates bleomycin-induced lung fibrosis in rats [J]. Acta Pharmacologica Sinica，2012， 33（7）：897-908.

[20] Huang Q，Jin H，Xie Z，et al. The role of the ERK1/2 signalling pathway in the pathogenesis of female stress urinary incontinence [J]. Journal of International Medical Research，2013，41（4）：1242-1251.

[21] Ge WS，Wang YJ，Wu JX，et al. beta-catenin is overexpressed in hepatic fibrosis and blockage of Wnt/beta-catenin signaling inhibits hepatic stellate cell activation [J]. Mol Med Rep，2014，9（6）：2145-2151.

[22] He W，Tan R J，Li Y，et al. Matrix metalloproteinase-7 as a surrogate marker predicts renal Wnt/beta-catenin activity in CKD [J]. J Am Soc Nephrol，2012，23（2）：294-304.

[23] Papathanasiou I，Malizos KN，Tsezou A. Low-density lipoprotein receptor-related protein 5 （LRP5） expression in human osteoarthritic chondrocytes [J]. J Orthop Res，2010，28（3）：348-353.

[24] Liu SS，Zhou PU，Zhang Y. Abnormal expression of key genes and proteins in the canonical Wnt/β-catenin pathway of articular cartilage in a rat model of exercise-induced osteoarthritis [J]. Molecular Medicine Reports，2016， 13（3）：1999-2006.

[25] Makino S，Mitsutake N，Nakashima M，et al. DHMEQ，a novel NF-kappaB inhibitor，suppresses growth and type Ⅰ collagen accumulation in keloid fibroblasts [J]. J Dermatol Sci，2008，51（3）：171-180.

[26] Peng Y，Kim JM，Park HS，et al. AGE-RAGE signal gen？鄄erates a specific NF-kappaB RelA “barcode” that directs collagen I expression [J]. Sci Rep，2016，6：18822.

[27] Wei C，Kim I K，Kumar S，et al. NF-kappaB mediated miR-26a regulation in cardiac fibrosis [J]. J Cell Physiol，2013， 228（7）：1433-1442.

[28] Chang J，Liu F，Lee M，et al. NF-kappaB inhibits osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells by promoting beta-catenin degradation [J]. Proc Natl AcadSci USA，2013，110（23）：9469-9474.

[29] Ren L，Yang Z，Song J，et al. Involvement of p38 MAPK pathway in low intensity pulsed ultrasound induced osteogenic differentiation of human periodontal ligament cells [J]. Ultrasonics，2013，53（3）：686-690.

[30] Koike K，Ueda S，Yamagishi S，et al. Protective role of JAK/STAT signaling against renal fibrosis in mice with unilateral ureteral obstruction [J]. Clinical Immunology，2014，150（1）：78-87.

[31] Wang L，Li J，Li D. Losartan reduces myocardial interstitial fibrosis in diabetic cardiomyopathy rats by inhibiting JAK/STAT signaling pathway [J]. Int J Clin Exp Pathol，2015，8（1）：466-473.

[32] Dong Z，Zhao X，Tai W，et al. IL-27 attenuates the TGF-β1-induced proliferation，differentiation and collagen syn？鄄thesis in lung fibroblasts [J]. Life Sciences，2016，146：24-33.

[33] Hwang YP，Kim HG，Choi JH，et al. Acteoside inhibits PMA-induced matrix metalloproteinase-9 expression via CaMK/ERK- and JNK/NF-κB-dependent signaling [J]. Molecular Nutrition & Food Research，2011，55（S1）：S103-S116.

[34] Quan T，Shao Y，He T，et al. Reduced expression of connective tissue growth factor （CTGF/CCN2） mediates collagen loss in chronologically aged human skin [J]. J Invest Dermatol，2010，130（2）：415-424.

[35] TangerinoFilho EP，Fachi JL，Vasconcelos IC，et al. Effects of microcurrent therapy on excisional elastic cartilage defects in young rats [J]. Tissue and Cell，2016，48（3）：224-234.

（收稿日期：2016-11-29 本文編輯：蘇暢）