MAPK信號通路在急性肺損傷進程中的研究進展

程海飛，陳艷琳，范紹輝，楊茂祥，李有霞，王紅嫚

(遵義醫(yī)科大學第五附屬(珠海)醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，廣東 珠海 519100)

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)是指心源性以外的各種肺內(nèi)、肺外致病因素導致的急性、進行性、缺氧性呼吸衰竭。ALI的病理生理學特點包括肺泡-毛細血管屏障彌漫性損傷、炎癥細胞浸潤、肺泡中富含蛋白質(zhì)的水腫液以及嚴重的氣體交換異常等[1]。急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)是ALI進展的結(jié)果，主要表現(xiàn)為雙肺與呼吸衰竭相關(guān)的浸潤[2]。近年來，由細菌、病毒和真菌等導致的膿毒癥和膿毒癥休克等重癥感染增多，致使ALI的發(fā)病率升高，故ALI已成為危重癥醫(yī)學研究的熱點和難點。隨著技術(shù)的發(fā)展以及對ALI發(fā)病機制認識的不斷加深，傳統(tǒng)的糖皮質(zhì)激素、他汀類藥物以及β腎上腺素受體等已不能滿足ALI臨床救治的需求。現(xiàn)已證實，ALI的主要發(fā)病機制為直接或間接肺損傷引起的過度和失控的全身性炎癥反應[3]。ALI過程中炎癥性損傷觸發(fā)大量炎癥細胞涌入組織損傷部位，受損或死亡的細胞發(fā)生炎癥依賴性反應，激活先天免疫系統(tǒng)而誘發(fā)全身系統(tǒng)免疫反應[4]。促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，可被上游激酶順序活化，通過自身磷酸化作用于下游底物，發(fā)揮通用的信號轉(zhuǎn)導模塊作用，調(diào)節(jié)細胞的各種生命活動[5]。且MAPK信號通路是調(diào)控ALI進程中炎癥因子生成的重要通路之一[6]。現(xiàn)就MAPK信號通路在ALI進程中的作用機制予以綜述。

1 MAPK信號通路概述

MAPK家族是重要的信號分子，包括生長因子、激素、氧化應激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激等多種胞內(nèi)和胞外刺激均可通過激活MAPK信號通路，調(diào)節(jié)多種細胞活動[7]。MAPK信號通路主要通過其保守的三級酶聯(lián)反應發(fā)揮生物學效應：首先，細胞內(nèi)外刺激使細胞膜上的MAPK激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK)自磷酸化而激活，隨后作用于MAPK激酶(mitogen activated protein kinase kinase，MAPKK)，而活化的MAPKK再磷酸化MAPK的蘇氨酸/酪氨酸殘基，使其活化并轉(zhuǎn)移到細胞核中，與c-Jun、c-Fos等轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，增強目的基因的表達或直接作用于細胞質(zhì)的下游激酶，調(diào)節(jié)細胞的增殖、分化、應激反應及細胞凋亡等生命活動[8-9]。目前，已發(fā)現(xiàn)MAPK家族有14個成員，包括胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)1/2、c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)/應激活化蛋白激酶、p38 MAPK和大絲裂原活化蛋白激酶1/ERK5等，但目前研究最多的為ERK1/2、JNK和p38 MAPK信號通路，且已證實這三條通路與ALI關(guān)系密切[10]。

2 ERK1/2與ALI

2.1ERK1/2的生物學特征 ERK1/2是最先被發(fā)現(xiàn)的MAPK信號通路，分子量分別為44 000和42 000，磷酸化后才能發(fā)揮生物學作用。ERK1/2廣泛存在于哺乳動物生命活動中，可以被某些生長因子、內(nèi)毒素等激活。活化的ERK1/2由胞質(zhì)移位至胞核，作用于核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，如調(diào)控下游激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)的活性，影響腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)等炎癥因子的表達以及調(diào)節(jié)細胞各種生命活動等[11-12]。在ERK1/2信號傳遞鏈中，Ras為上游激活蛋白，Raf為MAPKKK，MEK為MAPKK，ERK為MAPK，即經(jīng)典的Ras-Raf-MEK-ERK途徑[13]。研究表明，ERK1/2不僅具有狹窄的底物特異性，且Raf-MEK-ERK呈線性過程，因此可利用Ras-Raf-MEK-ERK探索各種實驗[14-15]。ERK1/2與細胞的增殖、分化和凋亡有密切關(guān)系。研究表明，在超過30%的癌癥中可檢測到ERK1/2的異常激活[16]。金清等[17]發(fā)現(xiàn)，抑制ERK1/2磷酸化可抑制破骨細胞的過度活化。Wang等[18]研究證實，成纖維細胞生長因子受體1可通過ERK1/2的活化上調(diào)sry相關(guān)HMG盒2(sry-related HMG box 2，Sox2)的表達，從而促進上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和腫瘤的擴增。

2.2ERK與ALI的關(guān)系 ALI早期，多形核粒細胞(polymorphonuclear leukocytes，PMNs)、肺泡巨噬細胞等炎癥細胞受各種刺激分泌TNF-α、白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6等炎癥因子，這些細胞因子可募集PMNs附著、聚集于肺毛細血管壁，然后遷移至肺間質(zhì)及肺泡腔并釋放細胞毒性物質(zhì)，最終導致肺泡上皮細胞和毛細血管內(nèi)皮細胞損傷、脂質(zhì)過氧化和抗氧化劑水平失衡，引起肺組織損害[19-20]。脂多糖(lippolysaccharide，LPS)誘導的內(nèi)毒素血癥是ALI的常見原因，由于LPS誘導動物模型引起的肺損害與人肺損傷相似，故常將LPS作為誘導劑誘導小鼠炎癥反應模擬人ALI的炎癥過程[21-22]。雖然早已發(fā)現(xiàn)ERK1/2去磷酸化可減輕ALI炎癥反應，但ERK1/2通路在體內(nèi)參與調(diào)節(jié)炎癥的具體機制目前尚不明確。研究發(fā)現(xiàn)，LPS可與大鼠肺泡細胞膜Na-H交換器1結(jié)合，通過ERK1/2磷酸化激活巨噬細胞、內(nèi)皮細胞，產(chǎn)生IL-8、TNF-α和巨噬細胞炎癥蛋白2等炎癥因子，誘導大量PMNs遷移至肺泡內(nèi)，并發(fā)生膨脹，釋放細胞毒性物質(zhì)，致肺毛細血管通透性和肺功能障礙[23]。正常肺微血管內(nèi)皮細胞之間的黏附連接及緊密連接是阻止肺內(nèi)過量炎癥因子、蛋白質(zhì)等液體滲漏的主要結(jié)構(gòu)。Liu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在膿毒癥誘導的ALI模型中，ERK1/2活化減少了閉合蛋白、咬合蛋白和閉鎖小帶蛋白的表達，而普通肝素可保護LPS刺激下的肺微血管內(nèi)皮緊密連接，提示普通肝素可能成為治療ALI的新藥物。近年來，糞微生物群移植作為新的生物治療手段逐漸被研究者重視。Li等[25]發(fā)現(xiàn)，糞微生物群移植通過抑制ERK1/2活化，減少了ALI大鼠炎癥因子(如TNF-α、IL-1α和IL-6)的釋放，并提高了動脈血的含氧水平，表明糞微生物群移植可能成為治療ALI的新策略。研究發(fā)現(xiàn)，LPS與內(nèi)皮細胞表面的模式識別受體Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)組成表面受體復合物，啟動炎癥反應過程，TLR4結(jié)合LPS后可刺激內(nèi)皮細胞活化并增加核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的活性，活化的內(nèi)皮細胞還可誘導PMNs的募集[26]。在LPS誘導的ALI模型中，下調(diào)TLR4表達可以抑制ERK1/2活化，從而減少炎癥因子釋放，減輕炎癥反應[27]。但Smith等[28]發(fā)現(xiàn)，人血管生成素受體酪氨酸激酶2可以刺激ERK1/2活化，使炎癥發(fā)生后的內(nèi)皮細胞中NF-κB的表達水平降低，從而減輕LPS-TLR4介導的炎癥反應，表明ERK1/2調(diào)節(jié)炎癥反應的復雜性。

3 JNK與ALI

3.1JNK的生物學特征 作為MAPK家族的主要成員之一，JNK主要包括JNK1、JNK2和JNK3基因，可編碼10余種蛋白質(zhì)亞型，JNK1和JNK2蛋白在各種組織中廣泛表達，調(diào)控細胞對外來刺激所產(chǎn)生的生物學效應，而JNK3蛋白僅存在于腦、心和睪丸中[29-30]。應激狀態(tài)下，JNK1優(yōu)先被活化，激活應激通路，而JNK2僅在正常情況下表達。JNK信號通路也通過MAPK酶促級聯(lián)反應激活，參與胞外刺激誘導的細胞凋亡、代謝、運動及DNA修復損傷等活動[31]。當細胞受到炎癥、G蛋白偶聯(lián)受體等刺激時，MAPKK激活JNK，活化的JNK1/2轉(zhuǎn)移至細胞核與c-Jun氨基端結(jié)合后，促進了目的基因的表達和蛋白質(zhì)的合成，發(fā)揮相應的生物學效應[32]。此外，JNK磷酸化后還可激活下游的Bcl-2、激活轉(zhuǎn)錄因子2、Smad4等細胞因子，參與調(diào)控細胞凋亡、異常增殖等活動[33-35]。SP600125作為JNK特異性抑制劑，可通過阻斷依賴JNK的轉(zhuǎn)錄，影響細胞炎癥反應、壞死和凋亡過程[36]。Kao等[37]發(fā)現(xiàn)，活化的胱天蛋白酶(caspase)3可使JNK磷酸化，最終加劇軟骨細胞骨架的破壞，而利用SP600125可使細胞骨架蛋白在細胞凋亡中的溶解減輕。Ni等[38]發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)的治療腫瘤疼痛的嗎啡、鹽酸哌替啶等阿片類成癮性藥物，SP600125可通過抑制JNK活化減少神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白的表達，緩解癌癥引起的機械性異常疼痛，為治療癌癥晚期頑固性疼痛提供了新方法。同時，SP600125還可抑制血清4型禽腺病毒誘導的JNK磷酸化，促進Ⅰ型干擾素的生成，并抑制4型禽腺病毒復制，因此SP600125有望成為控制4型禽腺病毒感染的抗病毒藥物[39]。

3.2JNK與ALI的關(guān)系 PMNs募集、附著于肺毛細血管壁，遷移至肺間質(zhì)及肺泡腔中并被激活、釋放細胞毒性物質(zhì)是ALI早期最主要的炎癥過程。JNK1/2在LPS刺激下，通過其氨基酸殘基雙磷酸化形成磷酸化JNK1/2而被激活，磷酸化JNK1/2從胞質(zhì)移位至胞核，調(diào)控AP-1的活性，使下游TNF-α、ICAM-1、血管細胞黏附分子-1和誘導型一氧化氮合酶等細胞因子的表達失控，導致過量的PMNs在肺內(nèi)聚集、活化，生成大量氧自由基，使血管內(nèi)皮細胞通透性增加[40-41]。研究發(fā)現(xiàn)，在ALI進程中，JNK活化還增加了血清中IL-6的表達，加重了小鼠的肺水腫[42]。而抑制JNK活化，可使巨噬細胞炎癥蛋白2和ICAM-1的表達水平降低、肺內(nèi)PMNs的浸潤減輕[43]。Bin等[44]發(fā)現(xiàn)，與未敲除腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子1基因的小鼠相比，敲除腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子1基因小鼠的PMNs浸潤和活性氧類生成均減少，其機制為通過抑制JNK磷酸化降低IL-1β、IL-6、TNF-α和caspase-3的表達，從基因?qū)用鏋橹委烝LI提供了新靶點。目前，關(guān)于JNK信號通路介導的細胞凋亡機制參與ALI進程的研究較少。Lou等[45]通過大鼠膿毒癥模型發(fā)現(xiàn)，JNK活化增加了激活轉(zhuǎn)錄因子4和X盒結(jié)合蛋白1的表達，證實內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可促進ALI過程中的細胞凋亡異常，但具體機制仍需進一步研究。

4 p38 MAPK信號通路與ALI

4.1p38 MAPK信號通路的生物學特征 20世紀90年代，人類首次從小鼠肝臟細胞中分離出p38 MAPK，分子量為38 000[46]。p38 MAPK家族有4個亞型，即p38α(p38)、p38β、p38γ和p38δ[47]。各個亞型在不同的組織中表達，p38δ主要存在于腺體組織，p38α除了在肝臟和胰腺中的表達水平較低以外，在其他幾乎所有的細胞和組織中均廣泛表達[48]。研究發(fā)現(xiàn)，p38γ不僅存在于肌細胞中，也存在于乳腺癌細胞，并可促進腫瘤細胞的生長和轉(zhuǎn)移[49]。作為MAPK信號家族中的成員，絕大部分p38 MAPK信號通路傳遞信號的方式也是經(jīng)典的三級酶促級聯(lián)反應。大多數(shù)胞外信號通過信號傳遞使p38 MAPK磷酸化并作用于下游信號，調(diào)節(jié)多種不同底物，參與細胞應激反應和炎癥反應。同時，p38 MAPK也與細胞凋亡關(guān)系密切，Yin等[50]利用特異性抑制劑SB202190抑制p38 MAPK磷酸化，下調(diào)caspase-3和caspase-9表達，證實p38 MAPK信號通路參與了調(diào)節(jié)細胞凋亡的生命活動。Zhang等[51]發(fā)現(xiàn)，p38 MAPK去磷酸化增強了西地那非抑制肺動脈內(nèi)皮細胞凋亡的作用，為急性肺栓塞的治療提供了新思路。

4.2p38 MAPK信號通路與ALI的關(guān)系 作為MAPK信號家族中調(diào)控炎癥反應的最主要成員，p38 MAPK信號通路顯著促進了ALI進程中炎癥反應的發(fā)展。研究表明，在ALI過程中，p38 MAPK磷酸化使炎癥細胞因子IL-6和IL-1的表達顯著增加，這些炎癥因子可促使PMNs、巨噬細胞等炎癥細胞成熟，增加細胞因子(如單核細胞趨化蛋白-1、環(huán)加氧酶和TNF-α)的表達，最終導致呼吸爆發(fā)，病理上表現(xiàn)為肺內(nèi)皮細胞通透性增加以及肺水腫形成[52-53]。TNF-α是ALI炎癥反應的主要細胞因子之一，研究發(fā)現(xiàn)，MAPK激活蛋白酶(MAPK-activated kinase，MK)2/3被激活后可促進TNF-α大量產(chǎn)生，并增強其穩(wěn)定性[54]。McCarthy等[55]發(fā)現(xiàn)，將LPS誘導的離體和在體巨噬細胞敲除MK2基因后，TNF-α的表達量顯著降低，且MK2和MK3雙重敲除較單獨敲除MK2對TNF-α產(chǎn)生的抑制作用更大。p38 MAPK活化后可通過激活MK2/3上調(diào)炎癥反應，在細胞凋亡方面，MK2激活后還可上調(diào)熱激蛋白90的表達，促進caspase-3/7發(fā)揮生物學效應，加劇肺內(nèi)皮細胞凋亡[56]。但近年研究發(fā)現(xiàn)，過量表達的熱激蛋白90可以顯著減輕經(jīng)p38 MAPK通路介導的炎癥反應[57]，表明p38 MAPK調(diào)節(jié)ALI機制的復雜性。細胞主要的能量供應來源是線粒體，Xu等[58]發(fā)現(xiàn)，p38 MAPK信號通路也參與了線粒體的凋亡途徑，抑制p38 MAPK活化可降低線粒體凋亡途徑相關(guān)蛋白的表達，使肺上皮細胞凋亡減少，達到抑制ALI的目的。肺泡-毛細血管屏障通透性破壞是ALI的主要病理表現(xiàn)之一，p38 MAPK去磷酸化可抑制肺泡-毛細血管屏障的破壞，其機制與細胞骨架-微管重構(gòu)相關(guān)。微管相關(guān)蛋白4(microtubule-associated protein 4，MAP4)是控制微管組裝/重構(gòu)和穩(wěn)定的重要因素。Ramkumar等[59]用低氧刺激p38 MAPK活化，并作用于下游MAP4，MAP4激活后誘導微管蛋白解除穩(wěn)定狀態(tài)，使內(nèi)皮細胞增殖和遷移活躍，促進肺新生血管生成，這可能是ALI后期肺纖維化形成的機制之一。除了遵循經(jīng)典的MAPK途徑外，p38蛋白激酶還可激活非典型途徑參與ALI進程[60]。Grimsey等[61]發(fā)現(xiàn)，凝血酶、組胺可與p38α結(jié)合并促進p38α自磷酸化，使IL-6表達增加，最終導致內(nèi)皮細胞通透性障礙，具體機制需進一步探究。近年來，p38 MAPK信號通路介導的細胞焦亡途徑也被發(fā)現(xiàn)參與了ALI進程，Li等[62]發(fā)現(xiàn)，p38 MAPK去磷酸化不僅可減輕巨噬細胞和PMNs募集誘導的過度肺部炎癥，還可抑制巨噬細胞由非炎癥性凋亡向炎癥性焦亡傾斜，緩解肺部損傷，這可能成為新的研究方向。

5 小 結(jié)

MAPK信號通路可通過調(diào)控細胞增殖、炎癥、分化和凋亡等生命活動參與ALI進程。目前MAPK信號通路參與ALI的研究已取得一定進展，但由于MAPK信號通路參與ALI的機制十分復雜，且MAPK的3條主要通路因作用于某些共同底物而存在交叉影響，因此不同甚至相同的刺激可得到不同的反應結(jié)果；同時，各條通路又分別作用于不同下游信號，導致體內(nèi)其他臟器不良反應頻發(fā)，故目前針對MAPK信號通路研發(fā)的ALI治療藥物的療效欠佳。在其他組織器官中，MAPK信號通路參與生命活動的研究也正在進行。未來，對MAPK信號通路在ALI進程中作用機制的深入研究，有助于為急性呼吸衰竭的臨床治療提供更多的理論依據(jù)。