p38 MAPK信号转导通路与椎间盘退变

文天用,李放,叶超群

下腰痛是当今社会的常见病和多发病,是导致人们劳动力丧失的主要原因之一。腰椎间盘突出症、椎管狭窄症等一系列脊柱退行性变是引起下腰痛最常见的原因,椎间盘退变被公认为它们的启动环节。既往针对间盘退变细胞、基质水平的研究显示,间盘内髓核细胞的凋亡、炎性介质的浓聚、基质裂解酶的释放等均参与椎间盘退变的病理过程。目前学界大多认为,p38 MAPK信号转导通路在这些病理生理过程中起重要调控作用。我们回顾了近10年来有关p38途径及其与间盘退变方面的文献,以此来探寻p38途径作为椎间盘退变分子水平治疗切入点的可行性。

1 p38途径简介

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)三级酶联是细胞内重要的信号转导系统之一。在哺乳动物细胞MAPK通路主要有:细胞外信号调节激酶(ERK)通路、p38 MAPK通路、c-jun氨基末端激酶(JNK)通路和 ERK5通路。p38 MAPK发现较晚,目前认为与细胞增殖、凋亡和细胞因子的合成密切相关。

1.1 p38 MAPK的发现、分型与分布 p38 MAPK 1993年由Brewster、Han等在不同实验中发现[1],是由360个氨基酸残基组成的 38 kDa蛋白。p38 MAPK存在 6种异构形式,即p38α 1/α 2、p38β1/β2、p38γ和 p38δ,不同异构体的分布具有组织特异性。p38α在各种组织中广泛存在;p38β以脑组织含量最丰富;p38γ主要存在于骨骼肌中;p38δ则多见于睾丸、胰腺、前列腺、小肠等处[2]。在椎间盘组织中,文献报道以p38α和 p38β为主,且司职不同产物的合成:细胞在IL-1存在的条件下,p38α介导合成COX-2,p38β则是PGE2[3]。

1.2 p38 MAPK级联反应 p38 MAPK级联反应由三酶模体构成,即①MKKK:TAK1、ASK1、SPRK 、PAK、MLK;②MKK:MKK3、MKK4、MKK6;③MAPK:p38α、p38β、p38δ、p38γ。 细胞外信号与受体特异结合后,通过磷酸化PAK和MLK(主要为MLK3),促进MKK3/MKK6基因表达,并使其表达蛋白磷酸化,进而诱导p38 MAPK基因转录;活化的p38 MAPK作用底物包括活化转录因子2(ATF2)、肌细胞增强因子2c(MEF2c)、C/EBP同源蛋白10(CHOP10)等转录因子,通过转录水平的调控发挥其功能。

1.3 p38 MAPK的激活与功能 p38 MAPK可被一些应激因素:机械应力、渗透压变化、氧化、脂多糖、蛋白合成抑制剂等激活;也可以被 GPCR和IL-1、TNF-α等细胞因子受体激活。激活后发挥如下功能:①影响细胞因子的产生:其特异性抑制剂SB203580可以抑制单核细胞中IL-1和 TNF-α的产生,抑制 T细胞IL-2的产生[4];②与细胞因子诱导的增殖反应相关:可抑制IL-2、IL-7诱导的细胞增殖;③参与调控细胞凋亡过程:应用特异性抑制剂SB203580,证明p38途径参与了Fas在T细胞中诱导的凋亡,也参与了BCR交联引发的未成熟B细胞模型CH31的凋亡[5]。

1.4 p38 MAPK的抑制剂 p38 MAPK的专一抑制剂为吡啶咪唑类衍生物,如第一代 SB202190、SB203580、SB220025,第二代SB239063,这些抑制剂可阻断p38 MAPK的激活,不同的抑制剂可特异抑制p38 MAPK家族中不同的成员[6]。p38α和β异构体对此类抑制剂敏感,而γ和δ异构体则对此药物具有拮抗作用。研究表明,SB203580并不阻断上游激酶对p38的激活,而是作用于p38 ATP结合活性位点Thr106,使p38失去了与A TP结合的能力,从而使其失去激酶活性[7]。

2 p38 MAPK在椎间盘退变中的作用

2.1 炎性介质浓聚 除机械应力、年龄等因素外,炎症因素在间盘退变和其他脊柱退变中也起着重要的作用[8],其中IL-1、IL-6、TNF-α是目前研究的重点。脊柱退变引起生物力学平衡的打破、局部微环境渗透压的变化、氧自由基的富集,激活p38 MAPK[9],继而引起 TNF-α、IL-1、IL-6和 COX-2浓度的上调,这与椎间盘退变、根性症状密切相关[10]。TNF-α可引起间盘基质的降解、抑制髓核细胞合成蛋白聚糖和Ⅱ型胶原、诱导髓核细胞凋亡[8]。在对关节炎的研究中,IL-6认为既有抗炎作用又有促炎作用[11];但在椎间盘,有部分学者认为它与退变程度呈正相关,下调基质蛋白的表达、上调MM Ps和ADAM Ts的转录[12]。IL-1和TNF-α不仅作为 p38 MAPK激活后的产物,作用于下游因子、酶,还反馈激活p38 MAPK,形成瀑布式的正反馈循环。

2.2 间盘细胞凋亡 目前认为,间盘细胞凋亡与间盘退变关系密切[13]。退变的脊柱环境中导致间盘细胞凋亡的因素有很多,包括氧化应激、力学刺激、因子介导等。近年研究发现,在许多细胞体系中,氧自由基可能通过激活MAPK通路调控细胞的增殖、分化及凋亡[14]。国内学者通过对过氧化氢刺激后的髓核细胞应用p38阻断剂SB203580和 JNK阻断剂SP600125,证明细胞凋亡系由p38 MAPK和JNK两条通路共同作用引起[15];在力学刺激引起血管平滑肌细胞凋亡的研究中发现,p38 MAPK促进凋亡过程[16];但在压力刺激下观察椎间盘软骨终板内细胞凋亡情况却发现,细胞凋亡的程度与压力呈正相关,但添加p38 MAPK阻断剂后,凋亡程度不降反增[17],说明其中机制尚存争议。我们知道NO途径和Fas途径是介导软骨细胞凋亡的两个最重要的途径,p38 MAPK可以增加骨性关节炎(OA)中NO的表达量[18],对IL-1刺激后的髓核细胞应用p38 MAPK抑制剂,可下调诱导型NO合酶(iNOS)转录水平,从而降低NO的合成、控制凋亡的进程[18]。

2.3 基质降解酶的释放 随着炎性因子的浓聚、细胞凋亡的进行,椎间盘内细胞的数量、活力都受到影响,引起基质成分失衡、代谢紊乱;而基质环境的恶化,会进一步影响细胞数量、活力,形成恶性循环。在IL-1存在的条件下,培养的髓核细胞下调Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、Ⅰ型胶原的mRNA转录水平,对多能蛋白聚糖的转录没有影响,这与间盘退变模型中髓核细胞mRNA转录水平的变化相仿(除了Ⅰ型胶原,其余mRNA水平在模型中无变化);p38 MAPK抑制剂应用后,可控制三者mRNA转录的下调[18]。另外,p38 MAPK还介导基质降解酶合成与释放,这提示p38 MAPK不仅抑制基质合成,还加速基质分解。在OA的发病过程中,IL-1、TNF-α等在p38 MAPK参与下诱导组织细胞产生基质金属蛋白酶(MMPs)、抑制金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)的合成[19]。其中,MMP-3、MMP-7属于基质分解酶类,MMP-9属于明胶酶类,MMP-13属于胶原酶类,在降解Ⅱ型胶原中起主要作用;TIMPs是MMPs活性的主要抑制剂,已发现的有 TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和 TIM P-4 4型。有学者发现,用 p38 MAPK抑制剂来调控IL-1、TNF-α对MMPs及TIMPs合成的结果不同:单纯IL-1刺激髓核细胞早期可提高TIMPs表达,应用抑制剂后只是加强这一作用并保持下去;而单纯 TNF-α刺激,则造成 TIMPs表达的持续抑制,应用抑制剂也仅可早期改善,后期仍然低表达;这样的区别也出现在提高MMPs合成的过程中,其中对于IL-1、TNF-α为何会有不同的作用方式尚不清楚,但应用p38 MAPK抑制剂可从一定程度上改善炎性因子引起的MMPs/TIMPs失衡是肯定的[20]。

3 总结及展望

综上所述,p38途径参与了间盘退变过程中各个方面,有明确的正反馈式自分泌效果。对其活性的阻遏,可降低IL-1、TNF-α、IL-6、PGE2、NO 等伤害性/分解性因子的产生,控制MM Ps、ADAMTs等基质分解酶的合成,保持或提高 TIMPs在组织中的浓度。多种方式协同作用,达到维持椎间盘基质分解/合成代谢平衡的目的,减缓椎间盘的退变进程。但是,分子信号转导通路是巨大的网络系统,其中交互作用错综复杂,单一遏制p38 MAPK活性究竟对于在机体内环境中的间盘细胞有何积极作用,尚需进一步研究。

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