第一节　丝裂原活化蛋白激酶信号

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)属丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,在细胞增殖、分化、转化及凋亡等过程中起重要的作用。哺乳类动物细胞中MAPK信号途径主要有ERK、JNK、p38三条信号通路,其激活过程均为酶促级联反应,但参与的激酶有所不同,对细胞产生不同的作用和效应。

一、ERK信号通路

在哺乳类动物细胞中,ERK(extracellular signal-regulated kinase)信号转导的激活因素包括酪氨酸激酶受体、G蛋白偶联受体和部分细胞因子受体等,如生长因子FGF、PDGF等与细胞膜上的特异受体结合,使受体形成二聚体,二聚化的受体激活酪氨酸激酶;受体上磷酸化的酪氨酸又与胞膜上的生长因子受体结合蛋白2(Grb2)的SH2结构域相结合,而Grb2的SH3结构域则同时与鸟苷酸交换因子SOS(son of sevenless)结合,后者使小分子鸟苷酸结合蛋白Ras的GDP解离而结合GTP,从而激活Ras;激活的Ras进一步与丝/苏氨酸蛋白激酶Raf-1的氨基端结合,激活Raf-1;Raf-1可磷酸化 MEK1/MEK2(MAP kinase/ERK kinase)上的两个调节性丝氨酸,从而激活MEKs;MEKs为双特异性激酶,可以使丝/苏氨酸和酪氨酸发生磷酸化,最终高度选择性地激活ERK1和ERK2(即p44 MAPK和p42 MAPK)。Ras/Raf/MEK/ERK这一信号传递途径是目前研究最为清楚的ERK信号通路。ERKs为脯氨酸导向的丝/苏氨酸激酶,可以磷酸化与脯氨酸相邻的丝/苏氨酸,在丝裂原刺激后,ERKs接受上游的级联反应信号被激活后,磷酸化核内的转录因子如CFOS、c-Jun、Elk-1、C-MYC和 ATF2等,参与细胞增殖与分化的调控。ERK还可磷酸化ERKs通路上游蛋白如NGF受体、SOS、Raf-1、MEK等进行负反馈调节。此外,ERKs磷酸化胞质内的细胞骨架成分,如微管相关蛋白MAP-1、MAP-2和MAP-4,参与细胞形态的调节及细胞骨架的重分布。

二、JNK信号通路

c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)包括JNK1、JNK2、JNK3,分别由MAPK 8、MAPK 9、MAPK 10基因编码,通过mRNA不同形式的剪切至少产生10种不同的JNK亚型。其中JNK1、JNK2在各种细胞中均有表达,而JNK3主要在脑细胞中表达。

JNK信号通路可被紫外线、热休克、高渗及蛋白合成抑制剂等应激刺激、细胞因子(TNF-α、IL-1)、生长因子(EGF)及某些G蛋白偶联的受体激活,称为应激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase,SAPK)。细胞受到外界刺激后,通过一系列的酶促反应,激活JNK上游特异性激酶JNKK(JNK kinase)。JNKK包括 MKK4(JNKK1)、MKK7(JNKK2),其中MKK7可特异激活JNK,而 MKK4则可同时激活JNK1和p38。JNK接受上游信号被激活后,使核内的转录因子c-Jun氨基末端63及73位的丝氨酸残基磷酸化,c-Jun激活,增强其转录活性。c-Jun氨基末端的磷酸化还可促进c-Jun/c-Fos异二聚体及c-Jun同二聚体的形成,这些转录因子与靶基因启动子区AP-1位点结合,增加特定基因的转录活性。此外,JNK激活后使转录因子Elk-1和ATF2发生磷酸化,增强其转录活性。

三、p38 MAPK通路

p38 MAPK 包括 p38α、p38β、p38γ、p38δ,分别由MAPK14、MAPK11、MAPK12、MAPK13基因编码,其中MAPK 14通过不同的剪切方式编码2种不同的p38亚型。p38性能与JNK相似,同属应激激活的蛋白激酶,其中p38α和p38β在各种组织细胞中广泛存在,p38γ仅在骨骼肌细胞中存在,而p38δ主要存在于腺体组织,目前研究最多的是p38α,不同的p38异构体对同一刺激可能有不同的反应。

p38 MAPK通路的激活因素与JNK通路相似。能够激活JNK的炎症细胞因子(TNF-α、IL-1)、应激刺激(UV、H2 O2、热休克、高渗或蛋白合成抑制剂)也可激活p38;此外,p38可被脂多糖以及细菌胞壁组分激活。也可被上游激活物 MKK3、MKK4及 MKK6级联反应激活;其中MKK3、MKK6特异性激活p38,MKK4激活JNK。激活p38 MAPK信号通路调控转录因子,如p53、ATF2(activating transcription factor 2)、MEF2(myocyte-specific enhancer factor 2)。

四、MAPK信号通路与生理及疾病的关系

在细胞内,不同MAPK信号通路受多种因素的调控,并存在相互作用,通过这些复杂的过程影响细胞的增殖、分化;失去控制时将导致肿瘤的形成。不同的刺激因子或同一刺激因子但强度不同对细胞产生不同的反应,如细胞凋亡、促进细胞增殖等。

ERK信号通路调节细胞增殖、分化和存活。EGF、NGF、PDGF等多种生长因子可以激活ERK信号通路。ERK及其信号途径在肿瘤侵袭和转移过程中起中介和放大信号的作用,一方面接受来自生长因子、丝裂原、环境刺激等的信号,另一方面通过ERK信号级联反应作用于核转录因子如AP-1、NF-κB等,调控基因表达。在口腔癌、黑色素瘤、乳腺癌等中都可发现ERK的过度激活。

ERK信号通路与细胞分化的关系也很密切。胚胎干细胞中特异性抑制ERK的作用,会抑制小鼠胚胎干细胞的分化;而敲除ERK基因后,却抑制胚胎干细胞向神经细胞分化。

JNK信号通路调控细胞的增殖。在成纤维细胞中,当细胞没有受到刺激时,JNK2调控JUN,使JUN降解。当受到刺激时,JNK1磷酸化JUN,增强JUN的稳定性,并激活其转录活性。因此在成纤维细胞中敲除JNK2后将导致细胞生长加快,而敲除JNK1后将导致细胞增殖减缓。JNK/JUN信号通路可能通过负调控p53参与肿瘤的形成。JNK信号通路还与细胞凋亡有关,如JNK能磷酸化和调节Bcl-2家族蛋白(如BAX、BAD等)的表达,促进细胞凋亡。JNK诱导细胞凋亡的作用一方面与细胞受到的刺激因素有关,同时也与刺激信号的作用时间长短有关。瞬时激活JNK促进细胞的存活,长时间激活促进细胞凋亡。

p38同样通过多种机制调控细胞周期。如p38α下调细胞周期蛋白,上调CDK抑制剂以及肿瘤抑制因子p53等,从而抑制细胞周期在G1/S期和G2/M期的转换。p38γ在细胞受到γ射线作用时使细胞在G2期停滞,利于细胞修复机制的进行。p38的这种作用可能使细胞对化疗药物诱导的DNA损伤产生拮抗作用,导致肿瘤细胞对药物产生耐药性。

p38在胚胎干细胞的分化过程中也起重要作用,通过磷酸化调控与组织特异性分化相关的转录因子,如骨骼肌相关的MEF2、脂肪细胞相关的C/EBPβ等。

MAPK信号通路还调控炎症相关因子和蛋白酶的表达,从而介导一些慢性炎症过程;这些过程与肿瘤的形成、存活、血管生成和侵袭转移等关系密切。p38α诱导肿瘤细胞基质金属蛋白酶 MMP1、MMP3和MMP13的表达,促进细胞外基质的重构和降解。同时还诱导血管内皮生长因子A的表达,促进肿瘤细胞的生长和血管生成。

设计研制MAPK信号通路的特异性抑制剂,有望治疗肿瘤。因MAPK信号通路在不同细胞中发挥作用不同,设计药物时要考虑因细胞类型的差异产生的不良反应。慢性炎症和细胞因子可能与结肠癌等相关,特异性p38α抑制剂对这些肿瘤有很好的疗效。p38α抑制剂与化疗药物同用,增加肿瘤细胞以及处于相对静止期的白血病细胞对化疗药物的敏感性。MAPK途径级联反应见图2-4-1。