【摘要】 丝裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase, MAPK)级联是细胞内重要的信号传导系统。细胞通过这一信号传导系统将细胞外信号传递到细胞核内,介导细胞产生反应，调节细胞生长、增殖、分化和凋亡等生理过程及创伤愈合和炎症反应等病理过程。近年来发现一类新的MAPK通路—p38 MAPK信号通路,对其结构和功能以及在角膜创伤愈合修复和炎症反应中的作用已有了进一步的了解,在信号通路水平调控p38 MAPK的表达和活性，可能成为临床角膜创伤治疗的新途径。
【关键词】 丝裂原活化蛋白激酶；p38 MAPK；角膜创伤愈合
The role of p38 mitogenactivated protein kinase in corneal wound healing
Hui Guo, XinYi Wu
Department of Ophthalmology,Qilu Hospital of Shandong University, Jinan 250012, Shandong Province, China
Correspondence to: XinYi Wu. Department of Ophthalmology, Qilu Hospital of Shandong University, Jinan 250012, Shandong Province, [email protected]
Abstract Mitogenactivated protein kinase (MAPK) cascade is one of the important signal transduction systems in organisms, by which signals are transmitted from the outside to the inside of cells and relevant responses were mediated. It is involved in many cellular physiological processes such as cell growth, proliferation, differentiation and apoptosis, and some pathophysiological processes such as wound healing and inflammatory reactions. Recently a new member of MAPK—p38 MAPK signaling pathway has been identified and cloned in mammalian cells. In this article recent advances in the study of the structure and function of p38 MAPK and the role in corneal wound healing are reviewed, in special reference to the possible target for an effective clinical treatment for corneal injury by control of the expression and activity of p38 MAPK.
KEYWORDS: mitogenactivated protein kinase; p38 MAPK; corneal wound healing
引言
丝裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase，MAPK)是一类细胞内广泛分布的丝氨酸/苏氨酸残基的蛋白激酶，是一族连接细胞膜表面受体与决定性基因表达之间的重要信号调节酶。细胞运用这一系统将细胞外刺激信号传递到细胞核内，介导细胞产生反应。其作用过程涉及多层次的细胞调节，对生理刺激如丝裂原、生长因子、激素等，以及病理性刺激如创伤、缺血、缺氧、渗透压改变，细胞因子如白细胞介素1（IL1）、肿瘤细胞因子等可做出相应反应，调节细胞存活、增殖、分化和凋亡等生理功能及应激反应、创伤愈合、炎症反应和缺血/再灌注损伤等病理过程。
1 MAPK分类
MAPK蛋白家族首次在酿酒酵母信息素诱导的交配过程中被发现[1]，进一步的研究发现此蛋白家族在所有生物包括哺乳动物体内参与细胞增殖和分化的调控[2]。目前，在哺乳动物细胞已鉴定了4条MAPK信号传导通路[3]：ERK通路、JNK通路、p38通路和ERK5通路（图1）。首先确立的是细胞外信号调节激酶（extracellular signalregulating kinases，ERKs）通路。ERKs包含两个亚型：ERK1和ERK2，分别为43和41kDa，二者具有83%的同源性。在成纤维细胞，ERKs极易被生长因子、血清及佛波酯激活，异源G蛋白偶联受体、细胞因子、转化生长因子（TGF）及高渗性应激也可以活化此通路，但程度不如前者显著[4]。Hu等[5]实验证实这类激酶主要调节细胞的生长和分化。第二条MAPK传导通路是cJun N末端激酶（c Jun N terminal kinases,JNKs）通路。JNKs亚族已克隆了3个亚型：JNK1、JNK2和JNK3。各种物理、化学因素引起的细胞外环境变化以及致炎细胞因子通过这条通路导致转录因子如cJun的磷酸化，从而调节细胞的凋亡[6]。第三条MAPK通路是p38通路。至今p38 MAPK亚族已发现4个亚型：p38α、p38β、p38γ和p38δ。紫外线照射、创伤刺激、细胞外高渗、致炎细胞因子以及细菌病原体等都能激活这条通路。实验证明，这条通路和炎症反应、创伤愈合、肿瘤发生及缺血/再灌注损伤等有关[7]。用吡啶异咪唑衍生物FHPI抑制p38活性可减少或阻断多种炎性介质，如TNFα、ILβ、IL6以及某些和HIV有关的细胞因子的产生[8]。
另外一个MAPK家族成员是最近克隆的ERK5[9]/大丝裂素活化蛋白激酶 (big mitogenactivated protein kinase 1,BMK1)[10]，分子量约为100kDa，是已知MAP激酶家族中最大的成员。其核心催化区位于N末端，与ERK2具有51%的同源性。在生长因子及应激刺激下其活性增强，但其功能目前还不清楚。已证实MEK5为其上游激活因子，但未见其他MEKs参与调节ERK5的活性，有报道Ras/Raf可能参与调节ERK5/MEK5信号通路[11]。
2 MAPK级联(cascade)
哺乳动物MAPK级联信号传递的过程通过保守的三级激酶级联反应传递信号：细胞受到刺激后使MAPK激酶的激酶（MAPKKK）激活，转而激活MAPK激酶（MAPKK），MAPKK激活后再通过双位点苏氨酸（T）和酪氨酸（Y）磷酸化调控MAPK的活性，即MAPK级联信号传递的顺序是：MAPKKK→MPKK→MAPK。MAPK被激活后可通过磷酸化作用调节包括多种转录因子、细胞骨架相关蛋白、其他酶类等多种蛋白质的活性来调节多种细胞生理和病理过程[12]。
3 p38 MAPK信号传导通路
3.1 p38 MAPK
p38是1993年Brewster等发现的，由360个氨基酸组成的38kDa的蛋白。它是丝氨酸/苏氨酸激酶，细胞外多种应激原如放射线、紫外线、高渗液、热休克因子、炎症因子(如TNFα、IL1)等都可使其激活，临近的苏氨酸和酪氨酸残基发生双重磷酸化，引起细胞内蛋白激酶的连锁反应，从而影响基因的转录、蛋白合成、细胞表面受体表达等。激活p38磷酸化的级联反应是TAK/ASK/MLK—MKK3/MKK6—p38 MAPK。其后，再通过磷酸化酶 (MKPs)的去磷酸化作用恢复基态。目前已知的MKPs包括有：MKP1、2、3、4、5，其中MKP1是p38及JNK的特异性磷酸化酶[13]。
3.2 p38 MAPK成员
目前已发现的p38 MAPK有6个异构体，分别为p38α1、p38α2、p38β1、p38β2、p38γ、p38δ。p38 MAPK不同亚型的分布具有组织特异性[14]，其中p38α表达广泛,在白细胞、肝、脾、骨髓及胎盘中都有较高的水平；p38β以脑和心脏含量最丰富；p38γ主要存在于骨骼肌，骨骼肌分化时表达上调[15]；p38δ的表达主要在肺、肾脏、小肠及内分泌腺[16]。p38α与ERK2具有50%的同源性，并在由高渗刺激引起的细胞反应中与酵母Hog1p激酶具有高度的一致性[17]。人p38α因与吡啶异咪唑复合物结合，而后者已知能抑制LPS刺激的单核细胞释放致炎因子，因此p38α也被称为细胞因子抑制性抗炎药结合蛋白（cytokine suppressive antiinflammatory drug binding proteins，CSBPs）[18]。p38β、p38γ和p38δ与ERK2具有42%～47%的同源性，且分别与p38α具有75%、62%及64%的同源性。p38α和p38β可以被吡啶异咪唑药物抑制，而另两种亚型，p38γ和p38δ，却对此类药物不敏感[19]。不同亚型在表达、活化及底物特异性方面的差异，决定了它们在不同的细胞背景中发挥各异的生理功能。例如，MADS转录因子MEF2A及MEF2C可优先被p38α和p38β激活和磷酸化，而对p38γ和p38δ却没有反应[20]。在人中性粒细胞仅能检测到p38α和p38δ，p38α特异性介导LPS诱导的细胞行为，如粘附、NFκB活化及TNFα的合成等[21]。在心肌细胞，p38β参与心肌肥大反应而p38α却主要介导细胞的凋亡[22]。在Hela细胞的研究中也发现p38α诱导凋亡而p38β促进细胞存活[23]。可见，p38 MAPK不同的亚型调节通路构成了复杂的信号通路网。
4 p38 MAPK通路对角膜创伤愈合的调节作用
角膜创伤愈合是一个复杂的过程，角膜上皮细胞受损伤后发生剥离、坏死、脱落等一系列病理过程之后，相邻的正常部位的上皮细胞变形、收缩并向缺损部迁移，实质中的角膜实质细胞活化，产生结缔组织填补伤口。上皮细胞不断分裂、增殖、分化、移行分层，使得角膜上皮得以完全修复；实质中的某些成分又可对形成的纤维组织进行重构，使它们尽量接近生理结构，从而达到功能的修复。
创伤作为一种强的生物因子刺激信号，激活p38 MAPK信号传导通路，其对组织修复和创伤愈合有重要作用。p38途径控制多种转录因子的基因表达活性，如：ATH1/2、CHOP/GADD153、ELK1、转录调节因子(ETS1)、MAX、主动外排转运体基因2A(MEF2A)、MEF2C、核转录因子κB (NFκB)、热休克转录因子1(HSF1)、血清淀粉样P成分1(SAP1)等[17]。其中,有些转录因子是p38直接底物，而有些是p38间接底物。p38 MAPK调节细胞增殖和分化，调控上皮细胞、内皮细胞、平滑肌细胞及成纤维细胞等多种细胞的运动，并能参与细胞骨架蛋白的合成，如微管蛋白、放线蛋白、HSP、中间丝蛋白等，从而参加完成伤口的愈合过程。Saika等[24]在角膜组织培养实验中发现磷酸化p38 MAPK早在创伤后1h即出现于创伤角膜上皮中。p38 MAPK的激活依赖于TGFβ，激活的p38 MAPK在角膜创伤愈合过程中加速上皮细胞迁移同时抑制细胞过度增殖，从而促进创口的快速覆盖及表层角膜的再铺和愈合。特异性p38 MAPK抑制物SB202190和SB203580加入培养基后，对上皮细胞的迁移覆盖具有明显的抑制效应，成纤维细胞、胶原酶Ⅰ和胶原酶Ⅲ也被抑制，明显延缓了角膜上皮的修复和再生。p38 MAPK调节多种细胞因子的产生，参与炎症反应。Dennis 等[25]实验发现，用p38 MAPK特异性抑制剂SB203580抑制p38 MAPK的磷酸化可减轻甚至可完全阻断巨噬细胞内TNFα的产生，说明炎症反应中TNFα的产生与p38 MAPK的激活密切相关。而用LPS刺激大鼠巨噬细胞后可致巨噬细胞内p38 MAPK的激活，能促进单核巨噬细胞产生IL1、IL4、IL6、IL8、IL12等炎性因子和介导中性粒细胞的活化[26]。此外，p38还能诱导产生能调控结缔组织病理性重构的COX2酶[27]，及与氧化损伤相关的细胞内酶类如iNOS[28]等，因此p38通路与炎症反应的发生密切相关。
Sharma等[29]还通过实验发现p38和ERK1/2在角膜创伤愈合过程中具有协同调节角膜上皮细胞迁移和增殖的作用。他们发现两种旁分泌性生长因子，肝细胞生长因子（HGF）和表皮细胞生长因子（KGF），可诱导p38和ERK1/2快速明显激活，激活的p38和ERK1/2并迅速地聚集在细胞核内。若向培养基中加入p38和ERK1/2各自的特异性抑制剂SB203580和PD98059处理后再使用HGF或KGF进行刺激，则发现p38和ERK1/2的激活和核内聚集现象均受到明显抑制。实验还发现抑制p38和ERK1/2两种酶其中之一即诱导另一种酶的交叉激活。单独使用p38特异性抑制剂SB203580几乎完全阻断上皮细胞的迁移，相比之下，ERK1/2特异性抑制剂PD98059仅通过伴随的p38的激活对细胞迁移有微弱抑制作用；同时，抑制ERK1/2可阻断上皮细胞增殖而p38对上皮细胞的增殖几乎无影响。单独抑制p38或ERK1/2将延缓角膜创伤愈合过程，而当两条通路同时被阻断时角膜创伤愈合过程受到明显抑制。这些实验发现充分表明p38和ERK1/2协同调节角膜创伤愈合的动力学过程：p38的激活诱导细胞迁移同时ERK1/2的激活诱导细胞增殖。另外，在伤口愈合过程中，当部分细胞需替换时，一些不需要的细胞将发生凋亡，其中部分凋亡即是通过ERK/p38通路实现的[30,31]。
5展望
角膜创伤愈合是一个复杂的过程，这个复杂过程离不开多种生物因子，细胞外基质蛋白及酶的参与。因为与修复相关的生物因子和酶数量众多，因此传统的临床前和临床研究中仅针对其中某一种或几种进行干预，往往达不到预期目的。但现在发现，虽然生物因子数量众多，但进入细胞内的信息通道却为数较少，如能对其中关键的信号通路进行有效阻断和调节，这对于角膜创伤的组织修复和愈合具有目标明确、效果明显的优势。p38 MAPK通路是参与角膜创伤愈合和炎症反应调控的重要信号系统，若能运用特异性药物，在信号通路水平有效地调控p38 MAPK的表达和活性，将为临床角膜创伤和炎症的防治及合理用药提供新的理论依据。
[1] [2] 下一页 |
