絲裂原活化蛋白激酶信號通路及其在細胞凋亡中的作用

劉 瑞 高維娟 (承德醫(yī)學院研究生部，河北 承德 067000)

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)是細胞內(nèi)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，存在于真核生物的大多數(shù)細胞內(nèi)。從酵母到人類該信號通路非常保守，它能響應各種胞外和胞內(nèi)刺激從而被激活，在多種細胞過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，包括增殖、分化、轉(zhuǎn)化、炎癥以及凋亡等〔1〕。MAPK信號通路的異常激活與失活是許多外界刺激下細胞反應的機制之一。在有機體中，細胞凋亡〔2〕是細胞在一定條件下接受刺激信號并受基因調(diào)控的一種自主性、程序性死亡過程。近幾年，隨著對細胞凋亡相關(guān)基因及其凋亡信號轉(zhuǎn)導通路的進一步研究，發(fā)現(xiàn)MAPK信號途徑在誘導細胞凋亡的過程中發(fā)揮了極為重要的作用。

1 MAPK信號通路

MAPK信號轉(zhuǎn)導通路，是將細胞外刺激信號傳遞到細胞核，介導細胞產(chǎn)生反應的細胞信息傳遞的重要通路。在正常細胞中MAPK主要位于細胞質(zhì)。從細胞外刺激作用于細胞至細胞出現(xiàn)相應的生物學效應，其間通過了MAPK信號轉(zhuǎn)導通路多級蛋白激酶的級聯(lián)反應，此級聯(lián)體系主要由保守的三級信號傳遞網(wǎng)絡構(gòu)成〔3〕:MAPK 激酶激酶 (MAPKKK)、MAPK 激酶(MAPKK)、MAPK。MAPK的激活機制是通過磷酸化的三級酶促級聯(lián)反應傳遞:MAPKKK!MAPKK!MAPK，受到外界刺激后活化的MAPK既可以磷酸化胞質(zhì)內(nèi)的靶蛋白，又能迅速進入細胞核作用于對應的轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)基因表達，進而影響細胞生理活動。

MAPK激活是一個非常復雜的過程。首先細胞膜上的特定受體，如受體酪氨酸蛋白激酶(RTPK)、G蛋白耦聯(lián)受體等與胞膜外的生長因子、細胞因子(TNF-α)等相結(jié)合，引起受體二聚體化及構(gòu)象改變，胞外信號通過這種方式進行跨膜傳遞。信號傳遞至細胞質(zhì)后，耦聯(lián)膜受體與效應器的小G蛋白在信號傳遞過程中發(fā)揮“關(guān)卡”作用。小G蛋白屬于鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白，為單鏈小分子，是G蛋白超家族的一大類。小G蛋白家族的成員較多，依據(jù)同源性程度的高低，將其分為6個亞家族:Ras、Rho、Arf、Sar、Ran 和 Rab〔4〕。目前可知 Ras 亞家族的 Ras主要在ERK1/2的活化中、Rho亞家族Rho和Rac/cdc42主要在JNK、p38MAPK的活化中起介導MAPKKK磷酸化的作用。但不同MAPK激活途徑中的MAPKKK和MAPKK則不相同。MAPKKK和MAPK為只能催化Ser/Thr磷酸化的蛋白激酶，而MAPKK為既能磷酸化Thr，又能磷酸化Tyr的雙功能蛋白激酶。MAPK的激活依賴其第Ⅷ區(qū)存在的三肽序列Thr-Glu-Tyr、Thr-Pro-Tyr或 Thr-Gly-Tyr中 Thr和 Tyr的磷酸化。不同的MAPK可以被獨立激活，也可以被協(xié)同激活。

目前已發(fā)現(xiàn)存在著多條并行的MAPK信號轉(zhuǎn)導通路，不同的細胞外刺激可以激活不同的MAPK信號通路，許多生長因子、細胞因子、G蛋白耦聯(lián)受體、應激信號及有絲分裂原等均可激活MAPK信號轉(zhuǎn)導通路。哺乳動物的MAPK亞型超過20種，如細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Extra cellular Regulated Protein Kinase，ERK)1/2、c-jun 氨基末端激酶(c-Jun NH2Terminal Kinase，JN K)1/2/3又稱作應激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK)、p38MAPKα/β/γ/δ、ERK3/4、ERK5。其中研究最廣泛的成員包括ERK，JNK(C-Jun NH2teminal kinase)和p38蛋白激酶〔5〕。正常情況下，ERK、JNK和p38可促分化，而在應激狀態(tài)下，ERK起抗凋亡作用，JNK和p38則起促凋亡作用〔6，7〕。

1.1 細胞外信號調(diào)節(jié)激酶ERK ERK1/2信號通路是最早發(fā)現(xiàn)的Ras-Raf-MAPK經(jīng)典的MAPK信號轉(zhuǎn)導途徑〔8〕，它包括5個亞組，ERK1/2，ERK3/4和ERK5，其中ERK1和ERK2是兩個高度同源的亞類，是MAPK家族中第一個被克隆的成員〔9〕。ERK1/2與細胞增殖最為密切，其上游激酶為MAPK激酶(MEK1/2)，以往研究認為MEK1與細胞分化有關(guān)，而MEK2與細胞增殖有關(guān)〔10〕。ERK1/2早期被認為是生長因子(EGF)刺激蛋白激酶磷酸化微管相關(guān)蛋白-2(MAP-2)和髓磷脂堿性蛋白(MBP)，分子量分別為44和42 kD，兩者具有83%的同源性，在細胞內(nèi)廣泛表達。ERK1/2可被生長因子、血清、佛波酯和異三聚體G蛋白耦聯(lián)受體的配體、細胞因子、轉(zhuǎn)化生長因子、滲透壓和其他細胞應激以及微管解聚作用等激活。當生長因子與受體酪氨酸蛋白激酶的配體結(jié)構(gòu)域結(jié)合后，引起受體二聚體化，二聚體的RTPK提高了催化區(qū)域的酪氨酸激酶活性，并且使受體自身酪氨酸殘基交互磷酸化，在RTPK膜內(nèi)側(cè)部分出現(xiàn)具有磷酸化酪氨酸殘基的短肽序列。Ras家族和小G蛋白的結(jié)合體作用Raf-1氨基末端并將其磷酸化，活化的Raf-1又磷酸化下游的MEK1，隨后啟動ERK的酶促級聯(lián)反應〔11〕。

ERK1/2主要磷酸化蛋白激酶p90核糖體S6激酶(RSK)、分裂素、應急活化蛋白(MSK)、MAPK相互作用激酶(MNK)和參與細胞附著和遷移的蛋白包括樁蛋白、黏著斑激酶和鈣蛋白酶以及 Elk-1、c-Fos、c-Myc和 Ets等轉(zhuǎn)錄因子?；罨蟮腅RK1/2參與細胞諸多的生理過程如細胞運動、增殖、分化與凋亡等〔12〕。ERK信號轉(zhuǎn)導通路至少通過3條途徑調(diào)節(jié)細胞的生長:①通過磷酸化氨甲?；姿岷铣擅讣ぐl(fā)DNA合成;②通過MAPK活化的蛋白激酶(MAPK activated protein kinase，MAPKAPK)促進細胞周期的進展;③通過增強轉(zhuǎn)錄因子活性蛋白(activator protein-，AP)-1的活性間接促進細胞的生長。

1.2 c-Jun氨基末端激酶JNK/SAPK JNKs家族是1990年發(fā)現(xiàn)的MAPKs家族成員之一，屬于進化上保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶。JNK信號通路在細胞應激反應中起重要作用，可被細胞外應激如紫外線、熱休克、高滲、缺血再灌注、TNF-α、EGF及某些G蛋白耦聯(lián)受體激活，因而JNK也被稱為應激活化蛋白激酶(stress activated protein kinase，SAPK)，是 MAPK 中重要的通路之一。編碼 JNK 的基因包括 jnk1、jnk2 和 jnk3〔13，14〕，其相應的編碼產(chǎn)物 JNK1，JNK2的表達具有廣泛性，而JNK3僅局限于腦、心臟、睪丸等組織〔15〕。目前已知JNK蛋白激酶的底物有3種轉(zhuǎn)錄因子:c-Jun、Elk-1、活化轉(zhuǎn)錄因子(ATF)-2。JNK包含雙磷酸化功能區(qū)Thr-Pro-Tyr，與c-Jun氨基末端的活化區(qū)結(jié)合并使其第63、73位絲氨酸殘基磷酸化，JNK的活化是通過其氨基酸殘基磷酸化，一旦被激活，胞質(zhì)中的JNK移位到細胞核?；罨腏NK可以和轉(zhuǎn)錄因子Elk-1、ATF-2及c-Jun氨基末端區(qū)域結(jié)合，它們以同二聚體或異二聚體復合物的形式和許多基因啟動子上的AP-1樣位點結(jié)合，提高AP-1的轉(zhuǎn)錄活性，促進基因的表達和蛋白質(zhì)的合成，研究證明MEKK1-JNKK-JUK通路在細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導中起重要的作用。此外，實驗觀察到在腦缺血再灌注損傷中激活的JNK通路可調(diào)控凋亡相關(guān)基因家族成員的差異性表達:如Bad、Bax的表達上調(diào)和Bcl-2、Bcl-xl的表達下調(diào)。JNK也可通過激活胞質(zhì)中的Caspase家族、誘導Fas配體的表達、磷酸化p53和 NF-κB 等途徑導致細胞凋亡〔16，17〕。

1.3 p38MAPK p38MAPK是在脂多糖(LPS)刺激巨噬細胞中作為一個酪氨酸磷酸化蛋白而發(fā)現(xiàn)的，由360個氨基酸組成的分子量為38 kD的蛋白，與JNK同屬應激活化的蛋白激酶。p38MAPK有4個異構(gòu)體(α、β、γ和δ)，同其他MAPK比較只有40%的同源性，而其異構(gòu)體之間也只有60%的同源性。p38MAPK家族成員對各式各樣的細胞外信號起反應，功能以特別針對細胞應激原如紫外線、滲透壓休克、缺氧、致炎性細胞因子以及少數(shù)生長因子〔18〕，對滲透壓休克的反應被看作是p38MAPK最早期的功能。p38MAPK的激活同JNK的激活類似，也分為小G蛋白依賴性途徑和小G蛋白非依賴性途徑，在p38MAPK的激活過程中，屬于MAPKKK層次的激酶還有TNF-β激活激酶(TAK)、凋亡信號調(diào)節(jié)激酶(ASK)等，其下游激酶是MEK3或MEK6，通過MEKK或MLK激活的MEK4和MEK7也可以激活p38MAPK。p38MAPK途徑通過磷酸化激活下游多種轉(zhuǎn)錄因子，控制其相應基因的表達活性，如ATH-1/2、CHOP/GADD153、ELK-1、ETS-1、MAX、MEF-2C、NF-κB、SAP-1 以及最新發(fā)現(xiàn)的p18等〔19〕，其中有些轉(zhuǎn)錄因子是 p38MAPK直接底物，而有些則是p38MAPK間接底物。p38MAPK通過磷酸化下游轉(zhuǎn)錄因子和直接磷酸化底物發(fā)揮生物學功能，但家族中各亞型的功能并不完全一致，其中p38α主要參與炎癥、增殖、分化和凋亡，而β、γ和δ生物學功能機制尚未能完全了解〔18〕。

2 MAPK信號通路與細胞凋亡的關(guān)系

MAPK信號轉(zhuǎn)導通路可以在轉(zhuǎn)錄前、轉(zhuǎn)錄后及翻譯三種不同水平調(diào)節(jié)基因的表達，通過對下游基因的調(diào)節(jié)MAPK信號轉(zhuǎn)導通路調(diào)節(jié)著幾乎所有的細胞過程，包括基因表達、細胞周期調(diào)控、細胞存活與死亡以及細胞運動等。MAPK進入細胞核后，可磷酸化許多轉(zhuǎn)錄因子，進而調(diào)節(jié)基因的表達，改變細胞的生理活動。近年來，研究MAPK在凋亡中的作用主要集中在MAPK調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)基因的表達機制的研究。ERK信號通路與JNK/SAPK、p38 MAPK及其他細胞內(nèi)信號傳遞途徑相互調(diào)節(jié)，共同決定細胞對外來刺激引起的最終生物學效應。早期研究認為ERK通路的激活主要促使細胞存活、抑制細胞凋亡，而JNK和p38MAPK通路的激活則主要是促進細胞的凋亡，最新的一部分實驗結(jié)果也支持早期結(jié)論〔20，21〕。

2.1 ERK信號通路與細胞凋亡 Jung等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)曲格列酮可誘導多種類型的細胞發(fā)生凋亡，其機制可能是曲格列酮誘導線粒體膜電位去極化，通過增加活性氧(ROS)、抑制ERK的活性、刺激 p38MAPK磷酸化進而誘導下游轉(zhuǎn)錄因子以及Caspase-3的表達引起凋亡，在給予ERK抑制劑U0126及p38抑制劑SB203580后發(fā)現(xiàn)，U0126可促進凋亡而SB203580則發(fā)揮抑制凋亡的功效。在大鼠腦缺血再灌注損傷的中心區(qū)域以神經(jīng)元中ERK的早期激活為主，而未受損腦區(qū)以星形膠質(zhì)細胞中ERK的早期激活為主，促進了星形膠質(zhì)細胞的存活。由此可見ERK通路在保護缺血區(qū)神經(jīng)元和抑制未受損腦區(qū)細胞凋亡的過程中起到重要的作用。而Zhuang等〔22〕則發(fā)現(xiàn)活化的ERK1/2也有助于細胞凋亡，ERK1/2在神經(jīng)細胞和腎上皮細胞中因氧化應激、毒物及生長因子的缺乏等刺激而激活，并進一步誘發(fā)細胞凋亡，而這一作用也可被ERK抑制所阻斷。國外一些學者也認為ERK1/2通過下游轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)凋亡事件中的上游因子，誘導細胞色素C的釋放，通過磷酸化促凋亡蛋白Bim等下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2，上調(diào)促凋亡蛋白Bax，激活并上調(diào)凋亡基因 Caspase-3、8、9 的表達，進而誘導凋亡〔23～25〕。

2.2 JNK/SAPK信號通路與細胞凋亡 JNK信號通路也能通過磷酸化Bcl-2家族中的成員，如磷酸化Bim65位絲氨酸，破壞凋亡與抗凋亡的平衡以及通過內(nèi)源性途徑(又稱線粒體凋亡途徑)和外源性途徑(又稱死亡受體途徑)誘導細胞凋亡〔26〕。Kim等〔21〕研究發(fā)現(xiàn)JNK通過磷酸化Bcl-2家族中Bax第167位蘇氨酸，使Bax在線粒體內(nèi)發(fā)生易位，進而誘導凋亡的發(fā)生。另外通過TUNEL染色及凋亡相關(guān)DNA片段分析，發(fā)現(xiàn)JNK特異性抑制劑SP600125可有效地抑制細胞的凋亡。也有報道，JNK通路在抗凋亡過程中起到了重要作用，其機制與激活蛋白酶活化受體-1(protease-activated receptor-1，PAR-1)有關(guān)〔27〕。MAPK各家族發(fā)揮凋亡信號的傳遞可能依據(jù)細胞的類型、細胞所處狀態(tài)以及刺激信號的種類不同而呈現(xiàn)出不同的結(jié)果。

2.3 p38MAPK信號通路與細胞凋亡 即使MAPK可在外界毒物的刺激下激活，誘導細胞凋亡的發(fā)生，但MAPK各途徑具體的功能仍有差異，如在Anandamide致人成骨細胞凋亡的劑量范圍內(nèi)，ERK、JNK和p38MAPK都被激活，其機制可能是通過激活細胞內(nèi)鈣水平誘導鈣離子內(nèi)流和持續(xù)鈣釋放有關(guān)，通過阻斷p38MAPK途徑可對抗細胞的凋亡〔28〕。

近期研究表明p38MAPK在細胞凋亡中起重要作用，抑制p38通路的同時可加強ERK的激活，導致細胞凋亡延遲。在腫瘤細胞中，p38MAPK活性升高，并參與調(diào)控凋亡〔29〕。誘導細胞凋亡的因素如紫外線、高滲環(huán)境、熱休克、H2O2、細胞因子、細菌成分和生理應激等能啟動細胞內(nèi)的一系列反應，最終導致雙位點特異激酶MEK/MKK磷酸化鄰近的酪氨酸與蘇氨酸，激活p38MAPK通路，之后移位于相應的轉(zhuǎn)錄因子，啟動基因轉(zhuǎn)錄，進而誘導細胞凋亡。目前，p38MAPK在凋亡中的作用眾說紛紜，p38MAPK至少通過以下途徑調(diào)控凋亡:增強c-myc表達;磷酸化p53;參與Fas/Fasl介導的凋亡;激活c-jun和c-fos;誘導Bax轉(zhuǎn)位等。p38MAPK亦可增強TNF-α表達，進而TNF-α活化 p38MAPK，誘導凋亡〔29〕。

3 結(jié)語

MAPK信號通路各家族成員各有特點，能夠介導許多不同的生物學效應，但它們所具有的生物學作用又不是一成不變的，在不同的刺激因素或細胞種類差異等因素的作用下，通過MAPK各亞類間的相互協(xié)調(diào)和作用，又可以產(chǎn)生不同甚至相反的生物學效應。但毋庸置疑，MAPK信號通路在各種原因引起的細胞凋亡的機制中起著重要作用，因此，MAPK信號通路的組成及調(diào)控機制的研究將為相關(guān)疾病的預防及治療開辟新的領(lǐng)域。

1 Huang D，Ding Y，LuoWM，et al.Inhibition of MAPK kinase signaling pathways suppressed renal cell carcinoma growth and angiogenesis in vivo〔J〕.Cancer Res，2008;68(1):81-8.

2 Graham SH，Chen J.Programmed cell death in cerebral ischemia〔J〕.Cereb Blood Flow Metab，2001;21(1):99-109.

3 劉莎莎，高維娟.c-Jun氨基末端激酶在腦缺血再灌注損傷中的作用〔J〕.中國病理生理雜志，2011;27(3):607-10.

4 Pasqualato S，Cherfils J.Crystallographic evidence for substrate-assisted GTP hydrolysis by a small GTP binding protein〔J〕.Structure，2005;13(4):533-40.

5 Kim EK，Choi EJ.Pathological roles of MAPK signaling pathways in human diseases〔J〕.Biochim Biophys Acta，2010;1802(4):396-405.

6 Liu AL，Wang XW，Liu AH，et al.JNK and p38 were involved in hypoxia and reoxygenation-induced apoptosis of cultured rat cerebellar granule neurons〔J〕.Exo Toxicol Pathol，2009;61(2):137-43.

7 張秀娥，成 蓓，彭 雯，等.P38MAPK信號通路在鈣調(diào)磷酸酶促心肌細胞凋亡中的作用〔J〕.中國病理生理雜志，2008;24(2):266-9.

8 鄭 銘，韓啟德.β腎上腺素受體的絲裂原蛋白激酶信號途徑〔J〕.生理科學進展，2003;33(2):111-4.

9 Mancuso G，Midiri A，Beninati C，et al.Mitogen-activated protein kinases and NF-Kappa Bare involved in TNF-alpha responses to group B streptococci〔J〕.Immunology，2002;169(3):1401-9.

10 Huh JE，Kang KS，Chae C，et al.Roles of p38 and JNK mitogen-activated protein kinase pathways during cantharidin-induced apoptosis in U937 cells〔J〕.Biochem Pharmacol，2004;67(10):1811-8.

11 Rapp UR，Gotz R，Albert S，et al.BuCy RAFs drive cells into MEK addiction〔J〕.Cancer Cell，2006;9(1):9-12.

12 Fabregat I，Roncero C，F(xiàn)ernandez M，et al.Survival and apoptosis adysregulated balance in liver cancer〔J〕.Liver Int，2007;27(2):155-62.

13 Johnson GL，Nakamura K.The c-jun kinase/stress-activated pathway:regulation funtion and role in human disease〔J〕.Biochim Biophys Acta，2007;1773(8):1341-8.

14 Bogoyevitch MA.The isform-specific functions of the c-jun N-teminal kinases(JNKs):differences revealed by gene targeting〔J〕.Bioessays，2006;28(9):923-34.

15 Ye DQ，Gao WJ，Yan FX，et al.Astregalus injection inhibits c-Jun N terminal kinase Mrna expression following oxygen-glucose deprivation and reintroduction in rat hippocampal neurons〔J〕.Neural Regen Res，2009;4(11):879-84.

16 Davis RJ.Signal transduction by the JNK group of MAP ki-nases〔J〕.Cell，2000;103(1):239-52.

17 Nijboer CH，Heijnen CJ，Groenendaal F，et al.Alternate pathways preserve tumor necrosis factor-alpha production after nuclear factor-kappa β inhibition in neonatal cerebral hypoxia ischemia〔J〕.Stroke，2009;40:3362-8.

18 Zhang J，Shen B，Lin A，et al.Novel strategies for inhibition of the p38MAPK pathway〔J〕.Trends Pharmacol Sci，2007;28(6):286-95.

19 Cuadrado A，Lafarga V，Cheung PC，et al.A new p38MAP kinase-regulated transcriptional coactivator that stimulates p53-dependent apoptosis〔J〕.EMBO J，2007;26(8):2115-26.

20 Jung JY，Yoo CI，Kim HT，et al.Role of mitogen-activated protein kinase(MAPK)in troglitazone-induced osteoblastic cell death〔J〕.Toxicology，2007;234(1-2):73-82.

21 Kim BJ，Ryu SW，Song BJ，et al.JNK-and p38 kinase mediated phosphorylation of Bax leads to its activation and mitochondrial trans-location and to apoptosis of human hepatoma HepG2 cells〔J〕.J Biol Chem，2006;81(30):21256-65.

22 Zhuang S，Schnellmann RG.A death-promoting role for extracellular signal-regulated kinase〔J〕.J Pharmacol Exp Ther，2006;319(3):991-7.

23 Ewings KE，Wiggins CM，Cook SJ，et al.Bim and the pro-survival Bcl-2 proteins:opposites attract，ERK repels〔J〕.Cell Cycle，2007;6(18):2236-40.

24 Rivo J，Zeira E，Galun E，et al.Attenuation of reperfusion lung injury and apoptosis by A2A adenosine receptor activation is associated with modulation of Bcl-2 and Bax expression and activation of extra-cellular signal-regulated kinases〔J〕.Shock，2007;27(3):266-73.

25 Okano J，Nagahara T，Matsumoto K，et al.The growth inhibition of liver cancer cells by paclitaxel and the involvement of extracellular signalregulated kinase and apoptosis〔J〕.Oncol Rep，2007;17(5):1195-200.

26 Elmore S.Apoptosis:a review of programmed cell death〔J〕.Toxicol Pathol，2007;35(4):495-516.

27 Yun H，Kim HS，Lee S，et al.AMP kinase signaling determines whether c-Jun N-terminal kinase promotes survival or apoptosis during glucose deprivation〔J〕.Carcinogenesis，2009;30(3):529-37.

28 Hsu SS，Huang CJ，Cheng HH，et al.Anandamide-induced Ca2+elevation leading to p38MAPK phosphorylation and subsequent cell death via apoptosis in human osteosarcoma cells〔J〕.Toxicology，2007;231(1):21-9.

29 Ketam S，John F，Brion N，et al.Inhibition of p38 mitogen-activated protein kinase increase LPS induced inhibition of apoptosis in neutrophils by activating extracellular signal regulated kinase〔J〕.Surgery，2002;130(2):242-7.