ERK 信号通路在神经细胞命运中的双重角色

修光辉综述 王廷华审校

(昆明医学院神经科学研究所,昆明650031)

细胞外信号调节激酶(Extracelluar signal-regulated kinase,ERK)是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,1986年由Sturgill等首先报导,最初其名称十分混乱,曾根据底物蛋白称之为 MAP2K、ERK、MBPK、RSKK、ERTK等。此后,由于发现其具有共同的结构和生化特征,被命名为M APK。近年来,随着不同MAPK家族成员的发现,又重新改称为ERK。ERK是MAPK家族中最先被发现并被人们了解最多的成员,主要包括两种异构体,ERK1和ERK2(分别为p44MAPK和p42MAPK),分子量分别为44,000和42,000,两者的同源性为85%,而它们与底物结合的区域同源性越更高,统称为 ERK1/2。ERK信号转导通路存在于大多数细胞内,并将细胞外刺激信号转导至细胞及其核内,引起一系列细胞生物学反应,如细胞增殖、分化、转化及凋亡等[1-2]。近来,ERK信号通路在细胞凋亡过程中发挥着双重的作用越来越被重视。

1 经典的ERK信号通路的组成及功能

在哺乳类细胞中已发现存在着三条并行的MAPK信号通路,分别为 ERK信号通路、JN K/ SAPK通路和p38MAPK通路,其中最为经典的则是ERK信号通路[3-4]。

经典ERK信号途径大部分是Ras(rat sarcoma,Ras)依赖途径。Ras是一种原癌基因ras表达的蛋白质,控制MAPK激酶链,被称为控制生长和分化的信号途径的分子开关[5]。即活化的受体通过一系列磷酸化活化G蛋白,再经过Ras进一步激活三种信号转导激酶[6]:MA PK,原癌基因表达产物Raf-1,核糖体 S6蛋白激酶 (ribosomal S6 kinase, RSK)。它们对应答细胞基因表达的调节极为重要,尤其是MA PK是此信号通路的关键性转换激酶。其转导途径过程大致如下:细胞信号与细胞膜上的特异性受体结合后,受体形成二聚体,二聚化的受体使其自身酪氨酸激酶磷酸化而被激活,激活的酪氨酸又与位于胞膜上的生长因子受体结合蛋白2 (grow th facto r recep tor-bound p rotein 2,Grb2)的SH2结构域结合,而 Grb2的SH3结构域则同时又与鸟苷酸交换因子 SOS(Son of Sevenless,SOS)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,通过未知机制激活Raf-1,Raf-1可磷酸化 M EK(MAPK kinase,MAPKK)上的二个调节性丝氨酸,从而激活M EK,M EK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ERK1/2[7]。经典ERK信号转导通路传递过程概括为:细胞外信号→细胞受体→Grb2-sos→Ras-GTP→Raf→M EK→ERK1/2→转录因子→相关基因表达→细胞增生、转化。此外,ERK信号途径也与其他信号途径之间也可形成交联,从而发生相互联系[8]。

2 ERK信号通路的作用机制

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,可以激活胞浆内的下游底物,也可以直接转位进入细胞核。因此, ERKs不仅可以磷酸化胞浆蛋白如RSK、MN K和PLA 2等,而且可以磷酸化一些核内的转录因子如cfos、c-Jun、Elk-1、A TF2和c-myc等,从而参与细胞增殖、分化、凋亡的调控。其主要机制有:①ERK调节c-fos:c-fos基因被称为即刻早期反应基因 ( immediate early genes,IEG),可作为“分子开关”或“第三信使”来控制下游基因程序,这些下游程序指导形成最终表达的蛋白质。一旦c-fos下游基因程序被启动,c-fos基因即关闭,故它在基因表达过程中至关重要[9]。ERK激活后,激活MAPK家族成员,进而激活RSK,引起MAPK/cAM P反应元件结合蛋白 (cAM P response element blinding p rotein, CREB)磷酸化激活并转录到核内,与cAM P反应元件 (cAM P response element,CRE)结合,激活相关基因的转录,调节c-fos、SRF、Jun-B和Bcl-2等的表达,这些蛋白质通过抑制凋亡和促进细胞分化,再生,损伤后修复等促进神经元的存活[10]。②ERK调节c-Jun:ERK激活后,经过一系列级联反应激活ASK,然后激活Jun氨基末端激酶 (Jun N-teminal kinase,JN K),JN K一旦被激活,即从胞浆转移至核内,引起一系列级联反应,导致c-Jun等转录因子的激活[11]。活化的c-Jun可聚合成同源二聚体或与c-fos聚合成异源二聚体形成活化蛋白-1(activato r p rotein-1,AP-1)复合物,而后AP-1再与其靶DNA相结合激活下游基因。③ERK调节Elk-1:ERK直接转位到细胞核,引起转录因子 Elk-1的磷酸化, Elk与血清反应因子 (serum response factor,SRF)和血清反应元件 (serum response element,SRE)复合物相互作用,启动即刻早期基因c-fos的转录,进而产生促进细胞生长,发育,分化,再生及存活所需的结构和功能蛋白;或者通过JN K对转录因子Elk-1氨基端得某些氨基酸位点磷酸化而使其激活,活化后的Elk-1可进一步激活c-fos转录因子共同启动转录,促进神经元存活。④ERK调节A TF2:通过JN K活化c-Jun增加活化转录因子 2(activating transfaction factor 2,A TF2),与c-Jun一样,A TF2也可结合到AP-1元件启动转录[12]。⑤ERK调节c-m yc和P53:JN K被认为与一些凋亡相关蛋白的磷酸化有关,ERK通过JN K磷酸化c-myc激活,发挥与凋亡相关的作用[13]。此外,ERK还可以磷酸化ERK通路的上游蛋白如 NGF受体、SOS、Raf-1、M EK等,进而对该通路进行自身的负反馈调节[14]。

3 ERK信号转导通路的调节

ERK被细胞外刺激激活后,其活性增高持续时间的长短决定着细胞对刺激的反应形式:ERK的短暂激活导致细胞增殖,而ERK的持续激活则导致细胞的死亡。因此,ERK的灭活与其被激活同样重要,而且也是受到严格调控的。ERK调节位点的丝/苏氨酸及酪氨酸残基被其上级双重特异性激酶磷酸化激活,一组双重特异性蛋白磷酸酶可使同样位点的苏/丝氨酸及酪氨酸残基去磷酸化,从而灭活ERK[15-16]。目前已知的双特异性磷酸酶有:M KP-1 (CL100)、M KP-2、hvH3、hvH5、PAC-1、M KP-3、PP2A、Pst-1、Pst-2。ERK的灭活随其在细胞中的位置不同,由不同的磷酸酶灭活。PP2A、Pst-1、Pst-2可迅速灭活胞浆中的ERK。持续的ERK的激活,常伴有ERK转位到核,此时核中的ERK由位于细胞核中的双特异性磷酸酶M KP-1、PAC-1等灭活。不同的ERK为不同的双特异性磷酸酶选择性灭活。此外,ERK的抑制剂PD98059和 U 0126不仅能抑制ERK,也能抑制 M EK从而抑制 ERK的功能[17-18]。

4 ERK通路与神经细胞存活

ERK信号途径是神经科学领域中重要的信号途径,在大量研究中,发现 ERK通路是神经营养因子对神经元的存活、增殖、分化、抑制凋亡的生物学特性的主要作用机理之一[19]。目前对其激活过程及生物学意义已有了较深入的认识,大部分神经营养因子受体,特别是受体酪氨酸激酶(RTK)、G蛋白偶联的受体,和部分细胞因子的受体,都可激活ERK信号转导途径[20],从而发挥促进神经元存活,增殖,抑制凋亡的作用。ERK信号通路在神经生长因子介导的细胞增殖过程中发挥重要作用已经为人们所公认,其激活、失活和抑制 ERK信号转导在细胞增殖和存活中发挥着重要的作用。但是ERK通路在神经细胞死亡中的直接作用,越来越受到了研究人员的关注,正呈方兴未艾之势。

5 ERK通路与神经细胞死亡

5.1 ERK通路与神经细胞死亡模型

神经细胞死亡是神经系统发展中的常见现象,更是所有神经变性疾病的主要标志。在神经细胞死亡过程中,来源于胞膜、胞浆、线粒体或胞核内的死亡信号发挥着重要作用,它们以瀑布式蛋白反应促使一种凋亡式的细胞死亡,包括DNA的断裂和细胞的皱缩[21]。各种细胞死亡模型被发现存在于神经机能紊乱或脑卒中的模型当中,例如在AD(A lzheimer’s disease,AD)中的基底前脑的胆碱能神经元和PD(Parkinson’s disease,PD)中纹状体系统的多巴胺神经元大量细胞受损死亡,ERK信号在其中发挥着关键的作用[22]。此外,研究表明在脑缺血模型中也发现了ERK的激活介导了神经细胞的大量死亡[23-24]

在以往的研究中,M APK三条信号中JN K和P38促进细胞死亡,而 ERK抑制细胞死亡[25]。然而,这种观点已经太过简单化了。大量研究表明,在体内外的神经细胞死亡模型中,ERK的激活发挥着促进细胞死亡的作用。Bhat[26]最早发现在少突胶质细胞株CG4 H2O2诱导死亡模型中发现ERK促进细胞死亡。Stanciu等[27]在谷氨酸诱导的细胞死亡模型中发现神经细胞的死亡可被 ERK抑制剂所阻断。de Bernardo等[28]发现ERK信号促进细胞死亡与ROS(reactive oxygen species)的激活有关。这种现象同样被大量发现在脑损伤和脑缺血的模型中[29-30]。这些发现说明了在这些死亡模型中 ERK信号途径被激活,促进了神经细胞的死亡,而抑制ERK信号的激活则阻断了神经细胞的死亡,而这种神经细胞的大量死亡,可能联系着ERK信号激活了大量的ROS或其他有害刺激的产生。

5.2 ERK信号促进细胞死亡的机理

ERK信号促进细胞死亡是近些年研究中重要发现,也是未来研究的重点与难点。研究发现,在细胞中由ROS介导的氧化应激诱导着ERK的激活,并且被大量报道,其中也包括神经细胞[31]。这些报道中发现氧化应激介导的细胞死亡需要的是持续的ERK信号的激活。持续的ERK信号激活促使了细胞的死亡,而短暂的ERK信号激活促使了细胞的存活[32]。也有研究发现,仅仅是单纯的ERK的持续激活也是不够的,还依赖于ERK激活的强度[33],加入的神经营养因子[34],这说明持续的ERK激活协同了其他的信号或细胞元件促使了细胞的死亡或者通过还不清楚的机制来征募不同的下游分子来促进细胞存活还是细胞死亡。

ROS介导 ERK的持续激活导致了细胞的死亡,其机理还不是很清楚。但是,研究发现,ERK激活后一方面磷酸化胞浆底物,另一面进行核转移。持续的ERK激活被发现都属于ERK转移进入核后,核转入的ERK发挥着促进细胞死亡和调节基因转录[35-36],而且ERK这种促进细胞死亡方式并不是通过凋亡途径[37]。凋亡途径下的细胞死亡胞膜完整,核固缩,而ERK激活促进细胞死亡表现了坏死的胞膜损伤和凋亡样核固缩。这种“坏死-凋亡”现象不能被caspases抑制剂所阻断。在这种独特的不依赖与caspases的细胞死亡中,ERK似乎扮演着关键的角色。此外,在一些不依赖caspases的促进死亡模型中,如 P物质和它的受体,IL-1和其他的非凋亡形式的细胞死亡,也发现了ERK的激活,一些神经营养因子诱发的神经细胞死亡也是由ERK激活介导的[38-39]。这些说明了 ERK介导的神经细胞死亡可能不是依赖于细胞的类型与刺激,而是源于细胞的死亡模型。Castro-Obregon等同样发现定位到细胞核的 ERK激活促进细胞的死亡,而胞膜上ERK的激活并不能刺激细胞的死亡[38]。这暗示了定位到核的ERK调节了一些促死亡基因的表达,而胞膜上的激活的ERK则调节了这些促死亡基因的表达阻滞。

因此,ERK促进神经细胞死亡是一种非凋亡式的细胞死亡,其机理可能联系着ERK的多个激活子和效应子,它们之间有着复杂的相互作用和调节,而ERK的核停留是其关键因素。

5 展望

ERK信号通路对神经细胞的存活、增殖、转化和凋亡的重要调控作用,尤其是对神经细胞的双重作用,是影响神经系统疾病与神经损伤的发生发展的重要因素。研究ERK信号通路与神经疾病与神经损伤的关系,对揭示神经疾病与损伤的发病机制、发展与转归,指导神经疾病与损伤的治疗有很大的帮助。虽然ERK信号通路在神经细胞命运中扮演的双重角色的机理还不甚清楚,但是ERK通路可能是神经疾病与损伤的药物治疗的潜在靶点。对ERK进行有选择性干预,从而影响神经细胞的存活与死亡,达到治疗神经疾病和损伤的良好效果。我们相信,随着研究的不断深入,神经系统复杂的调控和修复机制的逐渐阐明,一定会给神经疾病与损伤的治疗带来曙光。

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