p38MAPK在糖尿病肾脏疾病中的作用研究进展

沈霞蔚,邓德明,孙爱萍 (长江大学医学院,湖北荆州434023)

糖尿病肾脏疾病 (diabetic kidney disease,DKD)是糖尿病最常见的微血管并发症之一,在欧美目前是导致终末期肾脏疾病的首要原因。近30年研究显示,我国糖尿病患病率呈逐渐上升趋势,目前患病率高达10%,由此发展而来的DKD发生比例也将显著提高。在糖尿病状态下,由于糖代谢紊乱、肾脏血流动力学改变和许多细胞因子的作用,肾脏细胞内信号转导通路发生改变。其中p38MAPK信号转导通路的激活,在一定程度上导致和加速了糖尿病肾脏疾病的发生发展。现将p38MAPK(p38 mitogen-activated protein kinase)家族成员及其信号通路与糖尿病肾脏疾病关系方面的文献综述如下。

1 p38MAPK家族成员简介

Han等[1]首先从小鼠肝脏cDNA中分离出编码p38MAPK的基因,并克隆出p38MAPK分子,发现其为由360个氨基酸构成的38KD蛋白,故被称为p38MAPK。现已克隆出6种p38MAPK异构体亚型, 分别为:p38α1MAPK,p38α2MAPK p38β1MAPK,p38β2MAPK,p38γ MAPK 和 p38δ MAPK, 其中α、β亚型分布于各种组织细胞中,γ亚型分布在骨骼机中,δ亚型主要分布于腺体中。在各种刺激作用下,如休克、紫外线、渗透压及各种细胞因子等,p38MAPK的苏氨酸及酪氨酸残基发生双磷酸化,被激活后p38MAPK由细胞浆进入细胞核而发挥效应。张斌等[2]研究发现p38α,p38β,p38γ和p38δ在未受刺激的单核细胞中,主要散在分布于胞浆中,而在脂多糖 (lipopoly sac-charide,LPS)刺激后,p38α和p38β则进入细胞核,可能作用于相应的转录因子,调控某些炎症相关基因的表达;p38γ则无移位现象,提示p38γ也有可能作用于胞浆中的其他酶类,如MAPKAPK2/3和PRA等;而p38δ受LPS刺激后移位于胞膜区。

2 p38MAPK信号通路简介

MAPK是位于真核细胞浆信号转导通路终末位置的一组丝/苏氨酸蛋白质激酶,包括细胞外信号调节激酶 (extracellular signal-regulated kinase,ERK),c-Jun氨基端激酶 (JNK)和p38MAPK及ERK5/大丝裂原活化蛋白激酶1等几个成员。它是细胞将信号从细胞膜传递到核的主要通路,被激活后一方面可在胞浆磷酸化激活其他蛋白酶,另一方面可进入细胞核调节转录因子的活性,从而调节细胞的分化、基因表达及程序化死亡。

p38MAPK信号转导通路是一条重要的信号通路,目前已发现其与糖尿病肾脏疾病的发生发展密切相关。它采用高度保守的三级激酶级联传递信号:细胞受到外刺激后激活MKKK(MAP kinase kinase kinase),使其磷酸化,转而激活 MKK(MAP kinase kinase),然后通过双位点磷酸化成为P-p38MAPK(磷酸化的p38)而激活p38MAPK信号转导通路,参与应激条件下细胞的凋亡、免疫调节、细胞转分化及炎症反应过程[2-3]。

3 P-p38(磷酸化的p38)MAPK在肾脏组织的分布

Sakai等[4]用免疫组化检测发现P-ERK和P-p38MAPK在正常人和糖尿病患者肾脏系膜细胞内皮细胞、足细胞和小管上皮细胞和肾脏间质浸润的单核细胞上均有表达。在糖尿病患者中,P-p38 MAPK阳性细胞数与肾小球受损程度不相关,但是位于肾小管间质P-p38 MAPK阳性细胞数与肾小管损伤呈正比,提示p38 MAPK的磷酸化水平在人类DKD的肾小球和小管间质损伤的过程中发挥一定作用。

4 p38MAPK与糖尿病肾脏疾病

高血糖是引起DKD的最主要原因。中度高血糖可通过蛋白激酶C(PKC)δ亚型途径激活p38MAPK,极高浓度的葡萄糖还可通过高渗作用而不依赖于PKC途径活化p38MAPK[5],该激活作用与p38MAPK总蛋白量的变化无关,也与渗透压及PKC的活化无关,可能是由活性氧簇生成增加所致。短期或者长期高糖刺激可以使体外培养的系膜细胞的p38MAPK活化,参与系膜细胞分泌纤维连接蛋白 (FN),但不会激活系膜细胞中JNK,可以被p38MAPK的阻断剂SB202190阻断,而一些生长因子如内皮素-1(endothelin-1,ET-1)、血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)和血小板源生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)则能加速p38 MAPK的活化。另有研究指出,用抗氧化剂L-NAC/DDI能抑制高糖时p38MAPK的激活[6],故高血糖时p38MAPK活性升高可能并非仅仅有高血糖的直接作用,有可能长期高血糖产生的间接作用如氧化应激也参与了p38MAPK的活化。

p38MAPK及活化后的p38MAPK通过如下几个方面对糖尿病肾脏疾病的发生发展产生影响。

4.1 p38MAPK与TGFβ1及其它细胞因子

DKD发病中涉及复杂的细胞因子网络的相互作用,转化生长因子 (TGF-β)是其中的核心因子。其中TGF-β1是一种多功能的细胞介质,它除了促使肾脏细胞肥大及系膜细胞合成细胞外基质 (ECM)增加外,还可抑制基质降解酶的合成而减少ECM的降解。故其与肾功能不全,肾系膜基质增生和间质纤维化密切相关。p38MAPK与TGF-β1存在明显的相互作用,TGF-β1通过增强p38MAPK的活性而发挥其生物活性;p38MAPK通过调节TGF-β1的转录与合成而影响着DKD的进程。高糖诱导TGF-β基因表达是通过调节两个相邻AP-1结合位点引起蛋白激酶C(PKC)及p38MAPK升高所致[7]。Gruden等证实,牵张刺激可诱导人系膜细胞通过PKC依赖模式激活p38MAPK,后者独立地诱导TGF-β和纤维蛋白的表达;系膜细胞分泌的TGF-β1又可通过TGF-β1Ι型受体迅速引起p38MAPK的磷酸化以及前胶原Ι的表达[8]。此外,血小板源性生长因子 (PDGF)、TNF-α等细胞因子及一些血管活性物质如内皮素-1、血管紧张素也参与 p38MAPK的活化[9]。活化后的p38MAPK使调节纤维连接蛋白转录因子CREB(cAMP-response element binding protein)表达增多,从而导致ECM合成增多及糖尿病患者肾小球的肥大。

4.2 p38MAPK与转录因子AP-1和CREB

转录因子如CREB、转录活化因子1(activating factor-1,ATF-1)、ATF-2和AP-1等的丝氨酸和苏氨酸位点发生磷酸化而被活化。其中转录因子AP-1激活后,不仅可以增强纤维连接蛋白基因的转录活性,直接诱导FN的产生;而且AP-1的DNA结合能力升高可增强TGF-β1的基因表达,然后通过TGF-β1的作用促进DKD的发生。CREB作为真核生物组成型的核转录因子,与AP-1属同一家族,其上133位的丝氨酸可被多种蛋白激酶激活,如蛋白激酶A(proteinkinase A,PKA)、钙调蛋白、p38 MAPK等。体外实验证明,肾脏系膜细胞在高糖环境下培养3d,激活p38蛋白激酶,使CREB磷酸化,加入血管紧张素Ⅱ后,可以使非PKC依赖的p38 MAPK活性增强,CREB磷酸化增强[10]。p38蛋白激酶一旦被激活,可以活化 CREB等转录因子,从而调节目的基因的表达[11]。此外,磷酸化的CREB可与结合在含有CRE位点基因的启动子上cAMP反应元件调控蛋白或激活转录因子形成异聚体或同聚体,然后调控这些基因的表达。FN的启动子在—170bp含有CRE,所以激活后的CREB可以结合在这个CRE上,导致FNmRNA表达增强[12]。以上说明,p38MAPK与TGF-β1及转录因子之间存在复杂的网络交联,共同参与了DKD的发生和发展。

4.3 p38MAPK与葡萄糖转运体蛋白 (GLUTs)

持续的细胞内葡萄糖浓度升高是导致糖尿病肾脏疾病的重要原因,葡萄糖转运体蛋白 (GLUTs)是一类介导葡萄糖进入细胞内的重要运载体,现已发现这样的转运蛋白有5种,分别为GLUT1,GLUT2,GLUT3,GLUT4和GLUT5。它们在体内的分布及与葡萄糖分子的亲和力存在显著差异。GLUT1主要在肾脏组织表达,GLUT2是胰岛 B细胞膜上的转运蛋白,当血糖浓度升高时,促进GLUT2对葡萄糖的转运功能,引起细胞内血糖升高,继而刺激胰岛素释放。GLUT4在脂肪细胞和骨骼肌细胞中表达,可从细胞内转位到细胞膜,转运葡萄糖进入细胞。胰岛素通过增加GLUT4转位和活性,促进葡萄糖分子的转运过程。由此可见,GLUT2和GLUT4分子的研究对于糖尿病的胰岛素释放障碍和胰岛素抵抗有重要意义。p38MAPK活化后可通过调节GLUTs的表达或活性而影响体内葡萄糖的代谢。研究发现,2型糖尿病患着的脂肪细胞中p-p38 MAPK水平升高,而胰岛素受体底物l和GLUT4蛋白降低,在胰岛素长期处理的3T3-L1脂肪细胞中,抑制p38MAPK对胰岛素刺激减少胰岛素受体底物1蛋白的作用无效,但可对抗胰岛素增加GLUT4的作用,提示2型糖尿病患者脂肪细胞中p38 MAPK活性上调可能与GLUT4表达下降有关[13]。p38 MAPK是MKK6和MKK3下游,激活MKK6、MKK3可增加GLUT1的表达,减少GLUT4的表达,因此p38MAPK通过降低GLUT4在脂肪细胞的表达使葡萄糖在体内的利用减少,使体内血糖水平进一步升高。同时p38MAPK增加GLUT1在肾脏组织的表达,进入肾组织细胞的葡萄糖量增加,从而促进DKD的形成[14]。

4.4 p38 MAPK与 NF-κ B

国外研究显示,p38MAPK的激活与转录因子NF-κ B和AP-1活性增高相关联[15-19];p38MAPK信号通路的激活能促进Iκ Bα双磷酸化和降解,从而直接激活NF-κ B通路,提示p38MAPK可能通过激活NF-κ B而诱导DM 时肾脏的损害。

4.5 p38MAPK与炎症反应

炎症和纤维化是包括许多慢性进展性肾脏疾病的共同特征[20]。糖尿病肾脏疾病虽然主要由代谢紊乱所致,但有研究证实单核巨噬细胞介导的炎症参与了在糖尿病肾脏疾病小管间质病变的发生和进展,而且抗炎治疗在糖尿病大鼠模型中能有效地减轻肾脏病变[21]。糖尿病状态下,活化的单核细胞通过分泌细胞因子、炎症介质及产生自由基造成肾组织结构的破坏,加速小管间质纤维化的发生[21-22]。p38MAPK可以调节IL-6,TNF-α等炎症介质的表达,参与炎症和纤维化过程。体外实验证实p38MAPK信号通路参与了AGEs诱导的巨噬细胞单核细胞趋化蛋白-1的表达。

综上所述,p38MAPK通路是细胞内一条重要的信号转导通路,在DKD的发生、发展中发挥重要作用,其发挥作用的方式复杂多样。它可通过调节TGF-β和GLUTS等多种途径影响新生血管形成及纤维组织增殖过程,影响着DKD的进程。调控p38MAPK信号转导途径的活性有可能成为防治糖尿病肾脏疾病的有效作用靶点。

[1]Han J,Lee J D,Bibb L,et al.A M AP kinase targeted by endotoxin and hyperosmolarity in mammalian cells[J].Science,1994,265(5173):808-811.

[2]张斌,杜冠.NSAIDS抗炎作用机制研究进展[J].中国药理学通报,2005,21(8):905-910.

[3]Yao L,Akira N,Youichi A,et al.Role of mitogen-activated protein kinase in renal injury induced by chronic aldosterone infusion[J].China J Modern Med,2004,21(14):15-21.

[4]Sakai N,Wada T,Furuichi K,et al.Involvement of Extracellular Signal-regulated kinase and P38 in human diabetic nephropathy[J].Am J Kidney Dis,2005,45(1):54-65.

[5]Bugun N,Ragolia L.High glucose and insulin inhbit VSMC M KP-1 expression by blocking Inos via p38MAPK activation[J].Aa J Cell Physiol,2002,278:C81-C91.

[6]Liu C H,Lin Y F,Chang M C,et al.Advanced glycosylation and p roducte induce nitrie oxide synthase exp ression in C6 glioma cells:involvement of p38MAPK kinase2dependent mechanism[J].Life Sci,2002,69(21):2503.

[7]Weiger C,Brodbeck K.AngiotensinⅡinduces human TGF-beta 1 promoter activation:similarity to hyperglycaemia[J].Diabetologia,2002,45(6):890-898.

[8]Chin B K,Li S X.Stimulation of pro-collagen by in mesangial cells:role of the p38MAPK pathway[J].Am J Physiol Renal Physiol,2001,280:495-532.

[9]Inui D,Yoshizumi M,Suzaki Y,et al.Effect of endothelin-1(1-31)on p38mitogen-activated protein kinase in cultured human mesangial cells[J].Life Sci,2000,68(6):635-645.

[10] Tsiani E,Lekas P I,Fantus G,et al.High glucose-enhanced activation of mesangial cell p38 M APK by ET-1,ANGⅡ,and platelet-derived growth factor[J].Am J Phy siol Endocri nol Metab,2002,282:E161-169.

[11]文军,徐明.p38 MAPK激酶抑制剂增强二烯丙基二硫化物诱导 CNE2细胞凋亡[J].中国药理学通报,2003,19(4):418-423.

[12]Kang S W,Adler S G,LaPage J,et al.p38 MAPK and MPAK kinase 3/6 mRNA and activities are increased in early diabetic golmeruli[J].Kidney Int,2001,60:543-552.

[13]Carlson C J,Koterski S,Sciotti R J,et al.Enhanced basal activation Ofmitogen-activated p rotein kinase in adiposities from ty pe 2 diabetes potential role p38 in the downregulation of GLUT 4 expression[J].Diabetes,2003,52(3):634-641.

[14] Tang X,Zhang J,Cai D H,et al.Effect of high glucose ex posure on connective tissue grow th factor expression in cultured human renal tubular epithelial cells and the role of p38MAPK pathway[J].Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao,2009,29(1):50-53.

[15]M edeiros R,Cabrini D A,Ferreira J,et al.Brady kinin B1 receptor expression induced by tissue damage in t he rat portal vein a critical role for mito-gen-activated protein kinase and nuclear factor-κ B signaling pathways[J].Circ Res,2004,94:1375-1382.

[16] Yabuki A,Tahara T,Taniguchi K,et al.Neuronal nit ric oxide synt hase and cyclooxy genase-2 in diabetic nephropat hy of ty pe 2 diabetic OLETF rats[J].Exp Anim,2006,55:17-25.

[17]Karrasch T,Steinbrecher K A,Allard B,et al.Wound-induced p38MAPK-dependent histone H3 phosphory lation correlates with increased COX-2 expression in enterocytes[J].J Cell Physiol,2006,207:809-815.

[18]Syeda F,Grosjean J,Houliston RA,et al.Cyclooxygenase-2 induction and prostacyclin release by protease-activated receptors in endot helial cells require cooperation between mitogen2activated protein kinase and NF-kappaB pathways[J].J Biol Chem,2006,281:11792-11804.

[19]Donadelli R,Zanchi C,M oriqi M,et al.Protein overload induces f ractalkine upregulation in proximal tubular cells t hrough nuclear factorκ B and p38 mito-gen-activated protein kinase-dependent pat-hways[J].J Am Soc Nephrol,2003,14:2436-2446.

[20]Nangaku M.Mechanisms of tubulointerstitial injury in the kidney:final common pathway s to end-stage renal failure[J].Intern Med,2004,43(1):9-17.

[21]Chow F,Ozols B.Macrophages in mouse type 2 diabetic nephropathy:correlation with diabetic state and progressive renal injury[J].Kidney Int,2004,65(1):116-128.

[22]Orii T,Fujita H,Narita T,et al.Association of monocyte chemoattractant protein-1 with renal tubular damage in diabetic nephropathy[J].J Diabetes Complications,2003,17(1):11-15.