MAPK信号通路研究进展

陈建勇 王聪 王娟 曹礼荣

（湖北中医药高等专科学校，湖北荆州434020）

细胞对环境变化的反应部分是由一系列胞内信号途径来诱导的，信号通路接替、放大并整合来自胞外刺激的信号，最终导致基因和生理的改变。MAPKs是众多信号蛋白的一种，其激活调控一系列细胞活动。活化的丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通过磷酸化核转录因子、细胞骨架蛋白及酶类等参与细胞增殖、分化、转化及凋亡的调节，并与炎症、肿瘤等多种疾病的发生密切相关。

1 MAPK信号通路概述

MAPK是哺乳动物内广泛存在的一类丝/苏氨酸蛋白激酶，可以被一系列的细胞外信号或刺激所激活，如物理应激、炎性细胞因子、生长因子、细菌复合物等。MAPKs是一系列级联反应的成分，是多种胞外刺激的关键因素，能够调节基本的细胞过程。MAPK信号转导是以三级激酶级联的方式进行的，首先MAPKKK受有丝分裂原刺激磷酸化而激活，在此基础上MAPKKK转而磷酸化激活MAPKK，最后由MAPKK磷酸化MAPK，使其活化进而转入核内。

MAPK家族的信号通路主要包括细胞外信号调控的蛋白激酶（ERK）、c-Jun N端激酶（JNK）/应激激活的蛋白激酶（SAPK）、P38MAPK以及ERK5/BMK1四条途径。ERK、JNK、P38、ERK5/ BMK1可以由不同的刺激因素激活，形成不同的转导通路，激活各不相同的转录因子，介导不同的生物学效应，但这几条通路存在广泛的“cross talk”，从而导致通路间产生相互协同或抑制作用。有研究证实F.ularensis LVS感染会影响细胞生长和存活，感染导致鼠巨噬细胞的凋亡需要ERK1/2MAPK参与。其中PIASxa是决定转录因子ElK-1对ERK和P38MAPK通路作出不同反应的重要调节子。ERK1/2信号通路抑制剂PD98059和U0126也能阻断ERK5的活性。有报道，V12 H-Ras是一种H-Ras组成性活化形式，能够激活BMK1，且不是通过活化Raf1。这些都表明，在肿瘤产生的某些细胞中，ERK1/2和BMK1通路间的对话可能是通过两条通路的上游信号分子，比如Raf1和H-Ras。

2 MAPK信号通路主要途径

2.1 Ras-Raf-ERK途径

在细胞信号转导各通路中，Ras通路是迄今研究得比较清楚的一条通路，该通路参与了细胞生长、发育、增殖、分化等多种生理、病理过程。生长因子与受体结合激活酪氨酸激酶，通过衔接蛋白将信号传递给Ras蛋白，Ras-GTP直接与Raf相结合，形成一个短暂的膜锚定信号。活化的Raf通过磷酸化促分裂原激活的蛋白激酶的激酶（MEK）环上的丝氨酸残基而将其激活。MEK再将促分裂原激活的蛋白激酶（ERK）激活，进而磷酸化许多与胞质和胞膜相连的底物。ERK还可被快速地转运入细胞核去磷酸化和激活AP-1、ELK-1、SAP等涉及增殖反应的转录分子，促进细胞增殖[1]。

2.2 JNK途径

c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）家族是1990年被发现的促MAPK超家族成员之一，属于进化上保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。以JNK为中心的信号通路可被细胞因子、生长因子、应激（如电离辐射、渗透压、热休克和氧化损伤）等多种因素激活，引起MAP3Ks活化，然后激活MAP2K异构体MKK4和MKK7，然后磷酸化JNK[2]。大量实验提示JNK信号通路在细胞分化、细胞凋亡、应激反应以及多种疾病的发生与发展中起着至关重要的作用，因此JNK信号通路是正常与疾病状态时细胞的一个重要调节靶点。

JNK最初被发现是一种特异性磷酸化核内转录因子c-Jun的激酶，并因此被命名为c-Jun氨基末端激酶，随后发现其他一些核内转录因子也是其下游底物，但一直对JNK的胞浆底物知之甚少。近年来一些研究显示胞浆中的某些成分（如细胞骨架蛋白）可能也是其作用的底物。活化的JNK可以和转录因子ATF2及c-Jun的氨基末端区域结合，使转录因子的活性区域发生磷酸化。他们又以同二聚体或异二聚体的形式和许多基因启动子上的AP-1（activator protein-1）和AP-1样位点结合，提高AP-1的转录活性，促进基因的表达和蛋白质的合成。

许多研究证明JNK信号通路与细胞凋亡有密切关系。在某些类型的细胞中，JNK和（或）p38的激活促进炎症、细胞凋亡。基因敲除鼠的研究表明MAPK磷酸酶（MKP）在JNK信号通路中起负性调节作用。用反应性氧核素来抑制MKP活性可以延长JNK的活化[3]。事实上，MKP抑制可能在某些刺激之后足以让JNK激活。对MKP5结构的发现为进一步研究磷酸化导致的JNK失活机制奠定了基础。

目前很多研究已经关注JNK在2型糖尿病中的作用，最近有研究也确定了JNK在1型糖尿病中的作用。有数据显示JNK参与了bFGF介导的表面钙黏素的下调，表面钙黏素的缺失可能影响内皮细胞间的相互作用，可能还会促进血管生成[4]。研究表明A.otitidis激活NF-kB、p38 MAPK、ERK1/2途径导致IL-8的生成。对这些信号通路进一步的研究有助于我们理解A.otitidis的免疫刺激作用和其诱导的炎症反应中重要的分子和细胞机制。JNK可能有利于疾病治疗新方法的发展，需要进一步的研究来确定JNK在疾病发生发展中的分子机制。

2.3 p38 MAPK途径

p38是由360个氨基酸残基组成的相对分子质量为38000的蛋白，与JNK同属SAPK。p38 MAPK可以由细胞外的多种应激包括紫外线、放射线、热休克、促炎因子、特定抗原及其他应激反应活化，在凋亡、细胞因子产生、转录调节及细胞骨架识别中起重要作用。

p38 MAPK级联反应包括4种激酶：PAK（p21 activated kinase，MAPKKKK）、MLK（MAPKKK、MKKK或MEKK）、MKK3/6/4（MAPKK、MKK或MEK）、p38 MAPK（MAPK），它们构成了一个连续的蛋白激酶反应链。细胞外信号与受体特异性结合后，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，提高其生物功能，活化的p38 MAPK通过上调某些转录因子基因的表达和生物活性，影响细胞的增殖、分化和细胞因子的合成[5]。p38信号通路控制多种转录因子的基因表达活性，如激活作用转录因子、生长停滞及DNA损伤基因、核因子-KB、热休克转录因子等[6]，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可影响多种细胞因子的产生，用LPS刺激大鼠巨噬细胞后，可致巨噬细胞内p38 MAPK的磷酸化，抑制这一步磷酸化可减轻甚至完全阻断巨噬细胞内肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的产生，说明炎性反应中TNF-α的产生与p38 MAPK激活密切相关。

氧化应激通过激活p38信号转导通路上游daf-16来介导DAF-16的调节，使DAF-16进入胞核并且激活转录[7]。有研究表明氯喹抑制了p38的活化，SB203580（p38抑制剂）抑制病毒复制，这都提示氯喹可以通过抑制p38的活化来抑制病毒复制[8]。

3 ERK5/BMK1途径

ERK5通路是一种非典型的MAPK通路，也叫做大MAPK通路（Big MAPK/BMK1），可以被各种刺激因素激活，包括一些有丝分裂原、EGF、NGF、VEGF、FGF2、BDNF、溶血磷脂酸、佛波酯和一些细胞应激，例如氧化、紫外照射和渗透压干扰。ERK5与ERK1和ERK2存在着序列同源性，他有着与ERK1/2相似的苏氨酸、酪氨酸TEY磷酸模序。ERK5分子量较大，约为100kda，还有一个大的羧基端和12环结构，羧基端包含有一个核定位信号（NLS）和脯氨酸富集区。NLS有利于BMK1刺激后核定位，脯氨酸富集区则作为与带有SH3结合模序蛋白相互作用位点。这些特点都将其与ERK1/2等其他MAPK家族成员区分开来。

ERK5在MAPK家族中是一个独特的激酶，它不仅通过磷酸化作用使底物活化，并且通过C端的物理性结合作用激活底物。各种刺激因素激活MAPKKK（MEKK3或MEKK2），依次激活MAPKK（MKK5），然后激活ERK5，这就是ERK5通路的磷酸化级联反应。同其他的MAPK信号转导通路一样，ERK5对于细胞生存、增殖和分化起着极其重要的作用。近年来通过敲除鼠BMK1的基因或者BMK1通路中的一些信号分子的研究揭示BMK1信号通路在血管生成、心脏发展、血管完整性维持中都有重要作用[9]。

BMK1在胚胎血管生成和在成年鼠体内维持血管形成也是必需的，但是突变胚胎和BMK1敲除的成年鼠在死亡前的较长时间仍然有血管网络存在，这又表明缺乏BMK1的内皮细胞可能还有血管相应潜能。免疫荧光比较BMK1敲除鼠和对照组的血管系统，发现肿瘤相关血管内皮细胞中BMK1和磷酸化rpS6的出现有密切联系[10]。同时也有研究表明，在肿瘤异种移植的鼠模型中可以看到，消除宿主BMK1基因可以抑制肿瘤血管发展，并且相应能阻断外源性肿瘤的生长，这些都显示，BMK1通路在肿瘤相关的血管生成中有主要作用[10]，可能是通过对内皮细胞rpS6磷酸化发挥作用。

BMK1信号通路通过调节癌基因信号，对于一些肿瘤失控性生长有重要作用，并且能够提高肿瘤细胞化疗效果。前列腺癌的预后差和骨转移归因于BMK1活性上调[11]。对化疗耐受的乳腺癌细胞中可以发现MEK5的过度表达。Weldon等证实能够耐受凋亡的MCF-7细胞株中MEK5的mRNA水平比凋亡敏感的细胞株要多出20倍。用BMK1的显性负相形式阻断凋亡耐受细胞中的BMK1通路，可以逆转化疗耐受并且能够增加治疗诱导的细胞死亡，这种现象表明BMK1信号通路能够传递抗凋亡信息是乳腺癌细胞产生化疗耐受。相关实验也提出BMK1可以通过增加HIF1α遍在蛋白化和抑制内皮细胞中HIF1α活性，来对HIF1α和血管生成起负性调节作用[12]。

近来也有研究表明BMK1在心血管疾病发病机制中的重要作用，实验证实BMK1还在一些血管疾病比如动脉粥样硬化中发挥作用[13]。BMK1缺失鼠在胚胎10d左右就会死去，主要是因为心血管缺陷[14]。这些鼠有血管生成，但是无法发育成熟。BMK1通路参与了心脏肥厚，这是为了增加心脏功能而出现的一种适应性反应[15]。

Jane E.Cavanaugh研究发现ERK5有神经营养因子介导的神经保护作用，使PC12和原代神经元免于PNS和CNS。这种神经保护机制部分是由于转录因子CREB、MEF2C还有MEF2A的活化来介导的，然而还需要更多的实验来进一步验证。也有数据表明，ERK5通路的活化可能参与细胞死亡。通过ERK1/2持续的活化促进了氧化性神经细胞死亡，并且通过Bcl2磷酸化和后续Bax易位的增加参与介导中脑神经细胞死亡，这些研究中利用MEK1抑制剂抑制MEK5以阻断ERK5通路。因此，要进一步深入研究ERK5活化的动力学、活化后的亚细胞定位等来确定ERK5在神经细胞死亡中的可能机制。通过体内及体外实验证实高葡萄糖浓度可以激活ERK5活性，从而表明了ERK5通路可以被高渗透压刺激因素激活，并且提出ERK5诱导的肾小球膜细胞增殖可能是糖尿病肾病综合征的致病因素之一[16]。

ERK5是MAPK信号转导通路中相对较新的一条通路，此通路与疾病之间的关系还有待研究。已有实验表明MEK5-ERK5信号转导通路的抑制可能有助于提高肿瘤细胞对化疗药物的敏感性[17]，但如何调控ERK5信号转导通路，使其发挥诱导肿瘤凋亡和克服肿瘤耐药的作用并应用于临床还需要更多的努力。

4 信号通路研究方法

20世纪90年代以来，对细胞内信号转导途径的研究逐渐成为国内外生物学界广泛关注的热点。近年来有关细胞信号转导研究的方法层出不穷，如RNA干扰技术、抗体免疫沉淀、32P标记结合蛋白质印迹法（western blotting）、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）等，来检测和鉴定信号传递过程中差异表达的信号分子及关键蛋白的磷酸化。随着双向电泳（two dimensional electrophoresis，2-DE）和质谱技术的不断发展与完善，蛋白质组学方法越来越多地被用于研究胞内信号转导过程。它弥补了传统方法的不足之处，实现了高通量大规模的研究模式，在蛋白质水平上了解细胞的各项功能、各种生理生化过程以及疾病的病理过程等[18]，为我们完整地绘制细胞内信号转导网络图提供了更为可靠的依据。

蛋白质组学是对基因组编码的所有蛋白质，即蛋白质组进行大规模研究的一门科学。运用蛋白质组学的方法研究蛋白质复合物及信号传导通路可以为理解蛋白质是如何相互作用形成细胞工厂提供更好的路线。近年来，蛋白质组学方法应用于信号转导的研究，主要在对蛋白表达谱的检测和定量、翻译后修饰的识别，以及蛋白质之间相互作用图谱的绘制等方面。蛋白质组学在蛋白质水平上分析导致疾病的蛋白质变化，确定分子标记以供诊断，了解疾病发生的不同过程、同一病征的患者不同的病因，以及疾病与年龄、疾病的组织特异性等问题[19]。在应用研究方面，蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一。

5 展望

虽然不同的MAPK级联反应系统有很大区别，功能独立，但在这些通路之间也有所交汇。由于信号的传递在细胞的增殖、分化和生存等过程中都起着十分关键的作用，因而逐渐成为解决许多重要理论及实践问题的基本思路和有力武器。信号转导也与一些病理过程密切相关，以信号通路作为靶点进行疾病治疗是目前生物界热点。深入探讨MAPKs信号通路相互协调、相互调控的机制，将为生理和病理状态下细胞性状、功能改变的调控机制提供新认识。对于信号转导途径的反应分子、作用底物、作用机制及调控机制仍然有待进一步深入的研究。信号通路的研究为医药研究、疾病治疗提供了广阔的发展前景，具有重要理论和实践意义。

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