丝裂原活化蛋白激酶信号通路及其在细胞凋亡中的作用

刘 瑞 高维娟 (承德医学院研究生部，河北 承德 067000)

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，存在于真核生物的大多数细胞内。从酵母到人类该信号通路非常保守，它能响应各种胞外和胞内刺激从而被激活，在多种细胞过程中发挥关键性作用，包括增殖、分化、转化、炎症以及凋亡等〔1〕。MAPK信号通路的异常激活与失活是许多外界刺激下细胞反应的机制之一。在有机体中，细胞凋亡〔2〕是细胞在一定条件下接受刺激信号并受基因调控的一种自主性、程序性死亡过程。近几年，随着对细胞凋亡相关基因及其凋亡信号转导通路的进一步研究，发现MAPK信号途径在诱导细胞凋亡的过程中发挥了极为重要的作用。

1 MAPK信号通路

MAPK信号转导通路，是将细胞外刺激信号传递到细胞核，介导细胞产生反应的细胞信息传递的重要通路。在正常细胞中MAPK主要位于细胞质。从细胞外刺激作用于细胞至细胞出现相应的生物学效应，其间通过了MAPK信号转导通路多级蛋白激酶的级联反应，此级联体系主要由保守的三级信号传递网络构成〔3〕:MAPK 激酶激酶 (MAPKKK)、MAPK 激酶(MAPKK)、MAPK。MAPK的激活机制是通过磷酸化的三级酶促级联反应传递:MAPKKK!MAPKK!MAPK，受到外界刺激后活化的MAPK既可以磷酸化胞质内的靶蛋白，又能迅速进入细胞核作用于对应的转录因子，调节基因表达，进而影响细胞生理活动。

MAPK激活是一个非常复杂的过程。首先细胞膜上的特定受体，如受体酪氨酸蛋白激酶(RTPK)、G蛋白耦联受体等与胞膜外的生长因子、细胞因子(TNF-α)等相结合，引起受体二聚体化及构象改变，胞外信号通过这种方式进行跨膜传递。信号传递至细胞质后，耦联膜受体与效应器的小G蛋白在信号传递过程中发挥“关卡”作用。小G蛋白属于鸟嘌呤核苷酸结合蛋白，为单链小分子，是G蛋白超家族的一大类。小G蛋白家族的成员较多，依据同源性程度的高低，将其分为6个亚家族:Ras、Rho、Arf、Sar、Ran 和 Rab〔4〕。目前可知 Ras 亚家族的 Ras主要在ERK1/2的活化中、Rho亚家族Rho和Rac/cdc42主要在JNK、p38MAPK的活化中起介导MAPKKK磷酸化的作用。但不同MAPK激活途径中的MAPKKK和MAPKK则不相同。MAPKKK和MAPK为只能催化Ser/Thr磷酸化的蛋白激酶，而MAPKK为既能磷酸化Thr，又能磷酸化Tyr的双功能蛋白激酶。MAPK的激活依赖其第Ⅷ区存在的三肽序列Thr-Glu-Tyr、Thr-Pro-Tyr或 Thr-Gly-Tyr中 Thr和 Tyr的磷酸化。不同的MAPK可以被独立激活，也可以被协同激活。

目前已发现存在着多条并行的MAPK信号转导通路，不同的细胞外刺激可以激活不同的MAPK信号通路，许多生长因子、细胞因子、G蛋白耦联受体、应激信号及有丝分裂原等均可激活MAPK信号转导通路。哺乳动物的MAPK亚型超过20种，如细胞外信号调节激酶(Extra cellular Regulated Protein Kinase，ERK)1/2、c-jun 氨基末端激酶(c-Jun NH2Terminal Kinase，JN K)1/2/3又称作应激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK)、p38MAPKα/β/γ/δ、ERK3/4、ERK5。其中研究最广泛的成员包括ERK，JNK(C-Jun NH2teminal kinase)和p38蛋白激酶〔5〕。正常情况下，ERK、JNK和p38可促分化，而在应激状态下，ERK起抗凋亡作用，JNK和p38则起促凋亡作用〔6，7〕。

1.1 细胞外信号调节激酶ERK ERK1/2信号通路是最早发现的Ras-Raf-MAPK经典的MAPK信号转导途径〔8〕，它包括5个亚组，ERK1/2，ERK3/4和ERK5，其中ERK1和ERK2是两个高度同源的亚类，是MAPK家族中第一个被克隆的成员〔9〕。ERK1/2与细胞增殖最为密切，其上游激酶为MAPK激酶(MEK1/2)，以往研究认为MEK1与细胞分化有关，而MEK2与细胞增殖有关〔10〕。ERK1/2早期被认为是生长因子(EGF)刺激蛋白激酶磷酸化微管相关蛋白-2(MAP-2)和髓磷脂碱性蛋白(MBP)，分子量分别为44和42 kD，两者具有83%的同源性，在细胞内广泛表达。ERK1/2可被生长因子、血清、佛波酯和异三聚体G蛋白耦联受体的配体、细胞因子、转化生长因子、渗透压和其他细胞应激以及微管解聚作用等激活。当生长因子与受体酪氨酸蛋白激酶的配体结构域结合后，引起受体二聚体化，二聚体的RTPK提高了催化区域的酪氨酸激酶活性，并且使受体自身酪氨酸残基交互磷酸化，在RTPK膜内侧部分出现具有磷酸化酪氨酸残基的短肽序列。Ras家族和小G蛋白的结合体作用Raf-1氨基末端并将其磷酸化，活化的Raf-1又磷酸化下游的MEK1，随后启动ERK的酶促级联反应〔11〕。

ERK1/2主要磷酸化蛋白激酶p90核糖体S6激酶(RSK)、分裂素、应急活化蛋白(MSK)、MAPK相互作用激酶(MNK)和参与细胞附着和迁移的蛋白包括桩蛋白、黏着斑激酶和钙蛋白酶以及 Elk-1、c-Fos、c-Myc和 Ets等转录因子。活化后的ERK1/2参与细胞诸多的生理过程如细胞运动、增殖、分化与凋亡等〔12〕。ERK信号转导通路至少通过3条途径调节细胞的生长:①通过磷酸化氨甲酰基磷酸合成酶激发DNA合成;②通过MAPK活化的蛋白激酶(MAPK activated protein kinase，MAPKAPK)促进细胞周期的进展;③通过增强转录因子活性蛋白(activator protein-，AP)-1的活性间接促进细胞的生长。

1.2 c-Jun氨基末端激酶JNK/SAPK JNKs家族是1990年发现的MAPKs家族成员之一，属于进化上保守的丝/苏氨酸蛋白激酶。JNK信号通路在细胞应激反应中起重要作用，可被细胞外应激如紫外线、热休克、高渗、缺血再灌注、TNF-α、EGF及某些G蛋白耦联受体激活，因而JNK也被称为应激活化蛋白激酶(stress activated protein kinase，SAPK)，是 MAPK 中重要的通路之一。编码 JNK 的基因包括 jnk1、jnk2 和 jnk3〔13，14〕，其相应的编码产物 JNK1，JNK2的表达具有广泛性，而JNK3仅局限于脑、心脏、睾丸等组织〔15〕。目前已知JNK蛋白激酶的底物有3种转录因子:c-Jun、Elk-1、活化转录因子(ATF)-2。JNK包含双磷酸化功能区Thr-Pro-Tyr，与c-Jun氨基末端的活化区结合并使其第63、73位丝氨酸残基磷酸化，JNK的活化是通过其氨基酸残基磷酸化，一旦被激活，胞质中的JNK移位到细胞核。活化的JNK可以和转录因子Elk-1、ATF-2及c-Jun氨基末端区域结合，它们以同二聚体或异二聚体复合物的形式和许多基因启动子上的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，研究证明MEKK1-JNKK-JUK通路在细胞凋亡信号转导中起重要的作用。此外，实验观察到在脑缺血再灌注损伤中激活的JNK通路可调控凋亡相关基因家族成员的差异性表达:如Bad、Bax的表达上调和Bcl-2、Bcl-xl的表达下调。JNK也可通过激活胞质中的Caspase家族、诱导Fas配体的表达、磷酸化p53和 NF-κB 等途径导致细胞凋亡〔16，17〕。

1.3 p38MAPK p38MAPK是在脂多糖(LPS)刺激巨噬细胞中作为一个酪氨酸磷酸化蛋白而发现的，由360个氨基酸组成的分子量为38 kD的蛋白，与JNK同属应激活化的蛋白激酶。p38MAPK有4个异构体(α、β、γ和δ)，同其他MAPK比较只有40%的同源性，而其异构体之间也只有60%的同源性。p38MAPK家族成员对各式各样的细胞外信号起反应，功能以特别针对细胞应激原如紫外线、渗透压休克、缺氧、致炎性细胞因子以及少数生长因子〔18〕，对渗透压休克的反应被看作是p38MAPK最早期的功能。p38MAPK的激活同JNK的激活类似，也分为小G蛋白依赖性途径和小G蛋白非依赖性途径，在p38MAPK的激活过程中，属于MAPKKK层次的激酶还有TNF-β激活激酶(TAK)、凋亡信号调节激酶(ASK)等，其下游激酶是MEK3或MEK6，通过MEKK或MLK激活的MEK4和MEK7也可以激活p38MAPK。p38MAPK途径通过磷酸化激活下游多种转录因子，控制其相应基因的表达活性，如ATH-1/2、CHOP/GADD153、ELK-1、ETS-1、MAX、MEF-2C、NF-κB、SAP-1 以及最新发现的p18等〔19〕，其中有些转录因子是 p38MAPK直接底物，而有些则是p38MAPK间接底物。p38MAPK通过磷酸化下游转录因子和直接磷酸化底物发挥生物学功能，但家族中各亚型的功能并不完全一致，其中p38α主要参与炎症、增殖、分化和凋亡，而β、γ和δ生物学功能机制尚未能完全了解〔18〕。

2 MAPK信号通路与细胞凋亡的关系

MAPK信号转导通路可以在转录前、转录后及翻译三种不同水平调节基因的表达，通过对下游基因的调节MAPK信号转导通路调节着几乎所有的细胞过程，包括基因表达、细胞周期调控、细胞存活与死亡以及细胞运动等。MAPK进入细胞核后，可磷酸化许多转录因子，进而调节基因的表达，改变细胞的生理活动。近年来，研究MAPK在凋亡中的作用主要集中在MAPK调节凋亡相关基因的表达机制的研究。ERK信号通路与JNK/SAPK、p38 MAPK及其他细胞内信号传递途径相互调节，共同决定细胞对外来刺激引起的最终生物学效应。早期研究认为ERK通路的激活主要促使细胞存活、抑制细胞凋亡，而JNK和p38MAPK通路的激活则主要是促进细胞的凋亡，最新的一部分实验结果也支持早期结论〔20，21〕。

2.1 ERK信号通路与细胞凋亡 Jung等〔20〕研究发现曲格列酮可诱导多种类型的细胞发生凋亡，其机制可能是曲格列酮诱导线粒体膜电位去极化，通过增加活性氧(ROS)、抑制ERK的活性、刺激 p38MAPK磷酸化进而诱导下游转录因子以及Caspase-3的表达引起凋亡，在给予ERK抑制剂U0126及p38抑制剂SB203580后发现，U0126可促进凋亡而SB203580则发挥抑制凋亡的功效。在大鼠脑缺血再灌注损伤的中心区域以神经元中ERK的早期激活为主，而未受损脑区以星形胶质细胞中ERK的早期激活为主，促进了星形胶质细胞的存活。由此可见ERK通路在保护缺血区神经元和抑制未受损脑区细胞凋亡的过程中起到重要的作用。而Zhuang等〔22〕则发现活化的ERK1/2也有助于细胞凋亡，ERK1/2在神经细胞和肾上皮细胞中因氧化应激、毒物及生长因子的缺乏等刺激而激活，并进一步诱发细胞凋亡，而这一作用也可被ERK抑制所阻断。国外一些学者也认为ERK1/2通过下游转录因子调节凋亡事件中的上游因子，诱导细胞色素C的释放，通过磷酸化促凋亡蛋白Bim等下调抗凋亡蛋白Bcl-2，上调促凋亡蛋白Bax，激活并上调凋亡基因 Caspase-3、8、9 的表达，进而诱导凋亡〔23～25〕。

2.2 JNK/SAPK信号通路与细胞凋亡 JNK信号通路也能通过磷酸化Bcl-2家族中的成员，如磷酸化Bim65位丝氨酸，破坏凋亡与抗凋亡的平衡以及通过内源性途径(又称线粒体凋亡途径)和外源性途径(又称死亡受体途径)诱导细胞凋亡〔26〕。Kim等〔21〕研究发现JNK通过磷酸化Bcl-2家族中Bax第167位苏氨酸，使Bax在线粒体内发生易位，进而诱导凋亡的发生。另外通过TUNEL染色及凋亡相关DNA片段分析，发现JNK特异性抑制剂SP600125可有效地抑制细胞的凋亡。也有报道，JNK通路在抗凋亡过程中起到了重要作用，其机制与激活蛋白酶活化受体-1(protease-activated receptor-1，PAR-1)有关〔27〕。MAPK各家族发挥凋亡信号的传递可能依据细胞的类型、细胞所处状态以及刺激信号的种类不同而呈现出不同的结果。

2.3 p38MAPK信号通路与细胞凋亡 即使MAPK可在外界毒物的刺激下激活，诱导细胞凋亡的发生，但MAPK各途径具体的功能仍有差异，如在Anandamide致人成骨细胞凋亡的剂量范围内，ERK、JNK和p38MAPK都被激活，其机制可能是通过激活细胞内钙水平诱导钙离子内流和持续钙释放有关，通过阻断p38MAPK途径可对抗细胞的凋亡〔28〕。

近期研究表明p38MAPK在细胞凋亡中起重要作用，抑制p38通路的同时可加强ERK的激活，导致细胞凋亡延迟。在肿瘤细胞中，p38MAPK活性升高，并参与调控凋亡〔29〕。诱导细胞凋亡的因素如紫外线、高渗环境、热休克、H2O2、细胞因子、细菌成分和生理应激等能启动细胞内的一系列反应，最终导致双位点特异激酶MEK/MKK磷酸化邻近的酪氨酸与苏氨酸，激活p38MAPK通路，之后移位于相应的转录因子，启动基因转录，进而诱导细胞凋亡。目前，p38MAPK在凋亡中的作用众说纷纭，p38MAPK至少通过以下途径调控凋亡:增强c-myc表达;磷酸化p53;参与Fas/Fasl介导的凋亡;激活c-jun和c-fos;诱导Bax转位等。p38MAPK亦可增强TNF-α表达，进而TNF-α活化 p38MAPK，诱导凋亡〔29〕。

3 结语

MAPK信号通路各家族成员各有特点，能够介导许多不同的生物学效应，但它们所具有的生物学作用又不是一成不变的，在不同的刺激因素或细胞种类差异等因素的作用下，通过MAPK各亚类间的相互协调和作用，又可以产生不同甚至相反的生物学效应。但毋庸置疑，MAPK信号通路在各种原因引起的细胞凋亡的机制中起着重要作用，因此，MAPK信号通路的组成及调控机制的研究将为相关疾病的预防及治疗开辟新的领域。

1 Huang D，Ding Y，LuoWM，et al.Inhibition of MAPK kinase signaling pathways suppressed renal cell carcinoma growth and angiogenesis in vivo〔J〕.Cancer Res，2008;68(1):81-8.

2 Graham SH，Chen J.Programmed cell death in cerebral ischemia〔J〕.Cereb Blood Flow Metab，2001;21(1):99-109.

3 刘莎莎，高维娟.c-Jun氨基末端激酶在脑缺血再灌注损伤中的作用〔J〕.中国病理生理杂志，2011;27(3):607-10.

4 Pasqualato S，Cherfils J.Crystallographic evidence for substrate-assisted GTP hydrolysis by a small GTP binding protein〔J〕.Structure，2005;13(4):533-40.

5 Kim EK，Choi EJ.Pathological roles of MAPK signaling pathways in human diseases〔J〕.Biochim Biophys Acta，2010;1802(4):396-405.

6 Liu AL，Wang XW，Liu AH，et al.JNK and p38 were involved in hypoxia and reoxygenation-induced apoptosis of cultured rat cerebellar granule neurons〔J〕.Exo Toxicol Pathol，2009;61(2):137-43.

7 张秀娥，成 蓓，彭 雯，等.P38MAPK信号通路在钙调磷酸酶促心肌细胞凋亡中的作用〔J〕.中国病理生理杂志，2008;24(2):266-9.

8 郑 铭，韩启德.β肾上腺素受体的丝裂原蛋白激酶信号途径〔J〕.生理科学进展，2003;33(2):111-4.

9 Mancuso G，Midiri A，Beninati C，et al.Mitogen-activated protein kinases and NF-Kappa Bare involved in TNF-alpha responses to group B streptococci〔J〕.Immunology，2002;169(3):1401-9.

10 Huh JE，Kang KS，Chae C，et al.Roles of p38 and JNK mitogen-activated protein kinase pathways during cantharidin-induced apoptosis in U937 cells〔J〕.Biochem Pharmacol，2004;67(10):1811-8.

11 Rapp UR，Gotz R，Albert S，et al.BuCy RAFs drive cells into MEK addiction〔J〕.Cancer Cell，2006;9(1):9-12.

12 Fabregat I，Roncero C，Fernandez M，et al.Survival and apoptosis adysregulated balance in liver cancer〔J〕.Liver Int，2007;27(2):155-62.

13 Johnson GL，Nakamura K.The c-jun kinase/stress-activated pathway:regulation funtion and role in human disease〔J〕.Biochim Biophys Acta，2007;1773(8):1341-8.

14 Bogoyevitch MA.The isform-specific functions of the c-jun N-teminal kinases(JNKs):differences revealed by gene targeting〔J〕.Bioessays，2006;28(9):923-34.

15 Ye DQ，Gao WJ，Yan FX，et al.Astregalus injection inhibits c-Jun N terminal kinase Mrna expression following oxygen-glucose deprivation and reintroduction in rat hippocampal neurons〔J〕.Neural Regen Res，2009;4(11):879-84.

16 Davis RJ.Signal transduction by the JNK group of MAP ki-nases〔J〕.Cell，2000;103(1):239-52.

17 Nijboer CH，Heijnen CJ，Groenendaal F，et al.Alternate pathways preserve tumor necrosis factor-alpha production after nuclear factor-kappa β inhibition in neonatal cerebral hypoxia ischemia〔J〕.Stroke，2009;40:3362-8.

18 Zhang J，Shen B，Lin A，et al.Novel strategies for inhibition of the p38MAPK pathway〔J〕.Trends Pharmacol Sci，2007;28(6):286-95.

19 Cuadrado A，Lafarga V，Cheung PC，et al.A new p38MAP kinase-regulated transcriptional coactivator that stimulates p53-dependent apoptosis〔J〕.EMBO J，2007;26(8):2115-26.

20 Jung JY，Yoo CI，Kim HT，et al.Role of mitogen-activated protein kinase(MAPK)in troglitazone-induced osteoblastic cell death〔J〕.Toxicology，2007;234(1-2):73-82.

21 Kim BJ，Ryu SW，Song BJ，et al.JNK-and p38 kinase mediated phosphorylation of Bax leads to its activation and mitochondrial trans-location and to apoptosis of human hepatoma HepG2 cells〔J〕.J Biol Chem，2006;81(30):21256-65.

22 Zhuang S，Schnellmann RG.A death-promoting role for extracellular signal-regulated kinase〔J〕.J Pharmacol Exp Ther，2006;319(3):991-7.

23 Ewings KE，Wiggins CM，Cook SJ，et al.Bim and the pro-survival Bcl-2 proteins:opposites attract，ERK repels〔J〕.Cell Cycle，2007;6(18):2236-40.

24 Rivo J，Zeira E，Galun E，et al.Attenuation of reperfusion lung injury and apoptosis by A2A adenosine receptor activation is associated with modulation of Bcl-2 and Bax expression and activation of extra-cellular signal-regulated kinases〔J〕.Shock，2007;27(3):266-73.

25 Okano J，Nagahara T，Matsumoto K，et al.The growth inhibition of liver cancer cells by paclitaxel and the involvement of extracellular signalregulated kinase and apoptosis〔J〕.Oncol Rep，2007;17(5):1195-200.

26 Elmore S.Apoptosis:a review of programmed cell death〔J〕.Toxicol Pathol，2007;35(4):495-516.

27 Yun H，Kim HS，Lee S，et al.AMP kinase signaling determines whether c-Jun N-terminal kinase promotes survival or apoptosis during glucose deprivation〔J〕.Carcinogenesis，2009;30(3):529-37.

28 Hsu SS，Huang CJ，Cheng HH，et al.Anandamide-induced Ca2+elevation leading to p38MAPK phosphorylation and subsequent cell death via apoptosis in human osteosarcoma cells〔J〕.Toxicology，2007;231(1):21-9.

29 Ketam S，John F，Brion N，et al.Inhibition of p38 mitogen-activated protein kinase increase LPS induced inhibition of apoptosis in neutrophils by activating extracellular signal regulated kinase〔J〕.Surgery，2002;130(2):242-7.