多发性硬化症信号传导通路异常研究进展

郑 娜，王 奇，尹琳琳

(1．首都医科大学宣武医院药物研究室，北京市老年病医疗研究中心，北京 100053; 2．广州中医药大学临床药理研究所，广州 510405）

多发性硬化症信号传导通路异常研究进展

郑 娜1，2，王 奇2，尹琳琳1

(1．首都医科大学宣武医院药物研究室，北京市老年病医疗研究中心，北京 100053; 2．广州中医药大学临床药理研究所，广州 510405）

多发性硬化症的病因涉及多种信号传导途径改变，这就为我们研发更加有效的治疗药物提出了更大挑战。已知在多发性硬化症中多种细胞因子及其受体信号传导异常，根据其下游效应分子不同分为：Jak/Stat，NF－κB，ERK1/2，p38 or Jun/Fos通路等。目前仅有部分多发性硬化症治疗药物靶向上述信号通路，本文将综述系统生物学最新研究成果分别阐述多发性硬化症发生发展过程中信号通路的异常，为今后靶向上述通路的新药研发提供个体化或复合型治疗策略。

多发性硬化症;信号传导通路;药物研发

多发性硬化症(multiple sclerosis，MS）是以中枢神经系统(central nervous system，CNS）炎症性脱髓鞘为主要病理改变的自身免疫性疾病。目前MS的发病机制尚不明确，本文将借助系统生物学方法通过对临床信息和数据的整合，并结合当前的生物学知识，关注如何从信号传导通路的角度研究MS的发病机制和药物作用的分子靶点，以提高我们对该病的认识了解、并有助于开辟新的疗法。

1 MS中信号传导通路的异常

1.1 JAK/STAT信号传导通路异常与MS

Janus激酶/信号转导与转录激活子(JAK/STAT）是一条由多种细胞因子和生长因子共同介导的信号通路，广泛参与细胞的增殖、分化、凋亡及免疫调节等病理生理过程。该信号通路主要由酪氨酸激酶相关受体、JAK和STAT组成。至今已发现的JAK家族成员有JAK1、JAK2、JAK3、TYK2，其中JAK1、JAK2和TYK2广泛存在于各种细胞和组织中，JAK3则仅存在于骨髓和淋巴系统中［1］。STAT蛋白长约800个氨基酸，相对分子量89～97kDa，STAT家族由STAT1，STAT2，STAT3，STAT4，STAT5A，STAT5B，and STAT6共7个成员组成［2］。JAK/STAT信号传导通路是一种进化保守通路，它介导胞外信号向胞核的传递。细胞因子或生长因子与细胞膜上相应受体结合，形成同源或异源二聚体，使胞质内JAKs发生聚集，邻近的JAKs相互磷酸化而被激活，激活后JAKs磷酸化受体上的酪氨酸位点，使受体产生与STATs结合的区域。STATs通过SH2结构域将STAT补位到受体复合物的酪氨酸磷酸化特异位点，此时JAKs接近STATs并使STATs的一个羟基酪氨酸磷酸化，从而激活STATs，活化后的STATs与受体分离，形成二聚体转位至胞核，与特定的DNA片段结合调控基因转录，转录结束后，STAT在核内酪氨酸磷酸酶的作用下去磷酸化，核输出因子将非磷酸化的二聚体转运至胞质。JAK/STAT信号通路除了在各种细胞活动中起关键的作用外，还与几种人类疾病的发病机制相关。

已证实JAK/STAT信号传导通路异常与MS的发生发展密切相关［3］，在拟MS的实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）大鼠上发现：疾病高峰期动物脑组织中JAK/ STAT信号转导通路关键蛋白磷酸化显著增加;抑制JAK/STAT信号通路蛋白磷酸化能够降低实验动物的发病率、减轻发病的严重程度，并对模型动物的行为功能障碍有一定改善作用［4］。由此可见，抑制JAK/STAT信号传导通路的异常活化对MS的治疗十分有效，JAK/STAT有望做为MS治疗的一个新靶点［5］。

1.2 NF-κB信号传导通路异常与MS

NF－κB是NF－κB/Rel蛋白家族成员之一，目前已发现5种NF－κB/Rel蛋白，包括p50(NF－κB1）、p52(NF－κB2）、RelA(p65）、RelB和c－Rel。每一个NF－κB/Rel蛋白家族成员的N端均含有一段由约300 个 氨 基 酸 组 成 的 Rel同 源 区 (Rel homologydomain，RHD），其中含有核定位信号序列、二聚化区域、DNA结合区和IκB结合位点，其中p65和p50组成的二聚体复合物存在最为广泛［6］。细胞处于静息态时，NF－κB以非活化状态存在于细胞质中，且通常以无活性的p65/p50/NF－κB抑制因子α(inhibitor of NF－κB－α，IκB－α）三聚体复合物形式存在于细胞质中，三聚体复合物可以被多种因素激活，包括细胞因子如白细胞介素6(interleukin－6，IL－6）和 IL－17、肿瘤坏死因子 α(tumor necrosis factor－α， TNF－α）、细 菌 内 毒 素 脂 多 糖(lipopolysaccharide，LPS）、蛋白激酶 C和理化因素(X射线、氧化剂及化疗药物制剂）等，NF－κB受两个激酶IKKα和IKKβ调节，IKKβ特别重要，因为IκB的磷酸化、泛素化，并通过26S蛋白酶体降解，从而使NF－κB活化。

转录因子NF－κB介导了IL－17调节下游细胞信号通路的作用，抑制NF－κB信号通路使得由IL－17诱导的巨噬细胞炎性蛋白－1α(MIP－1α）表达显著降低，而MIP－1α参与了包括MS在内的多种病理过程。例如，在EAE实验动物的胼胝体中星形胶质细胞激活并伴有MIP－1α表达显著增加，IL－17可调节星形胶质细胞中MIP－1α的表达;同时，NF－κB信号通路异常活化可导致MIP－1α表达的过度增加，抑制NF－κB信号通路可降低 MIP－1α的表达从而对MS起治疗作用［7］。因此，NF－κB信号传导通路亦可做为一个MS的潜在治疗靶点。

1.3 ERK信号传导通路异常与MS

细胞外信号调节激酶(extracellular signalregulated kinase，ERK）是有丝分裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinases，MAPKs）家族的一个重要亚族。ERK1和ERK2是其中的两个重要成员，相对分子量分别为44×103和42×103。ERK通路主要由3个蛋白激酶级联组成，即丝裂原活化的蛋白激酶激酶激酶(MAPKKK）、丝裂原活化的蛋白激酶激酶(MAPKK）和细胞外信号调节激酶(ERK）［8］，ERK激酶家族属于酪氨酸蛋白激酶，此类激酶在磷酸化以后才能发挥作用进行细胞信号的转导。ERK信号传导通路受多种因素刺激而被激活，其中Ras－Raf－MEK－ERK是激活ERK通路的主要途径。ERK信号通路在生长因子分泌增多和氧化应激时被激活［9］，生长因子与受体结合后激活酪氨酸激酶，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结构。活化的Raf通过磷酸化促分裂原激活的蛋白激酶的激酶(MEK）激活环上的丝氨酸残基。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具有控制细胞分化的功能，并与细胞的增殖、分化、迁移、侵袭、凋亡、癌性转化等密切相关［10］。在炎症过程中，MAPKs活性增加，并调节炎性介质生成，因此，MAPKs成为最重要的抗炎治疗靶点之一［11］。ERK信号通路抑制剂能够减轻EAE模型动物疾病发展期和缓解期的行为功能障碍，分析认为上述作用可能与ERK抑制剂具有特异性抑制Th17和Th1细胞的免疫应答有关［12］。抑制ERK信号转导通路的过度活化有利于MS的治疗。

1.4 p38MAPK信号传导通路异常与MS

p38是由360个氨基酸残基组成的相对分子质量为38×103的钙结合蛋白，与JNK同属SAPK。是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinases，MAPK）家族成员之一。同时，p38MAPK是MAPK家族中的重要组成部分，并参与炎症、增殖、凋亡等多种生理过程。p38MAPK家族中包括p38α、p38β、p38γ、p38δ 4种异构体亚型。Han等［13］研究发现，p38β、p38γ及p38δ在蛋白质一级结构上与p38α分别具有73%、63%和62%的序列同源性。p38不同亚型的分布具有组织特异性。p38α在白细胞、肝、脾、小脑、骨髓、甲状腺及胎盘中广泛表达且水平较高;p38β主要在心脏和大脑组织中高表达;p38γ主要在骨骼肌中高表达;p38δ主要在肺、肾、肠的表皮细胞和睾丸、卵巢、肾上腺和垂体中表达。p38MAPK信号通路与其他MAPK通路一样，都是保守的三级酶促级联反应：MAPK激酶(MAPKKK）－MAPK 激 酶 (MAPKK）－MAPK。p38MAPK的信号转导途径亦是细胞内磷酸化级联反应的最后步骤：MEKKs/TAK－MKK6/MKK3－p38MAPK，其中p38通路的关键酶有MAPK激酶类的MKK3、MKK4、MKK6以及MAPK激酶类的TAK、ASK、MLK等，其中MKK3与MKK6是公认的p38上游激酶，他们能直接磷酸化酪氨酸、丝氨酸/苏氨酸残基激活 p38，MKK3只激活 p38α和 p38β，而MKK6则能够强烈激活所有p38MAPK亚型。伴着细胞激活，p38从胞质进入细胞核，激活多种蛋白激酶和转录因子，在炎症反应、细胞分化、细胞周期、细胞凋亡和发育等方面均发挥重要的调节作用。例如，环氧合酶(COX）－2、诱导型一氧化氮合酶(iNOS）、白介素10(IL－10）等炎症因子的产生都依赖于p38信号通路的调节。p38 MAPK的激活除能促进单核巨噬细胞产生TNF－α、IL－1、IL4、IL－6、IL－8、IL－12等炎性因子外，还可显著促进抑炎因子IL－10的产生。IL－10在MS中起重要作用，有文献报道MS患者外周血B细胞分泌了少量的IL－10;IL－10在动物实验中对 EAE的行为改善有一定调节作用［14］。p38MAPK信号通路激活能够诱导IL－10的产生［15］，从而对MS所致损伤有保护作用。

1.5 Jun/Fos信号传导通路异常与MS

Jun家族包括c－Jun、JunB和JunD。Jun家族各成员的基因结构相似，都是仅有一个外显子，但是功能存在差异，c－Jun促进细胞增殖，与激活的ras基因一起可以使细胞转化，而JunD的过表达可以减慢细胞生长，拮抗ras基因的细胞转化作用。Fos蛋白作为细胞原癌基因，最初是在鼠的骨肉瘤细胞中发现的，有研究表明，表达该蛋白的基因属一种原癌基因，在细胞的恶性转化方面发挥了重要作用。Fos家族包括c－Fos、FosB、fra－1、fra－2。c－Fos及其他Fos家族成员常与Jun家族成员如c－Jun等形成异源二聚体以AP－1的形式发挥作用［16］，其中c－Fos和c－Jun组成的异源二聚体最稳定。AP－1中的Jun家族成员既可同源聚合，也可与Fos家族成员异源聚合;而Fos家族成员只能与Jun蛋白嵌合形成异源二聚体的 AP－1形式。激活蛋白(AP－1）参与了增生、炎症、分化、凋亡、细胞迁移和伤口愈合等多个病理生理过程。因此，Fos蛋白涉及细胞的增殖、分化、和转化。与对照组相比，在MS的白质中发现Fos蛋白 的RNA链增长了两倍，提示Fos蛋白在MS发病中可能发挥中枢调控作用［17］。

2 信号传导通路分析面临的挑战与问题

细胞内多条信号传导通路间存在明显的交叉感应，同一关键蛋白质也同时参与多个信号传导通路的级联反应中。因此，信号传导通路的分析中仍然面临着巨大挑战。首先，同一细胞中各信号通路间的感应是复杂的，仅根据现有实践经验很难研究;其次，在系统层面间的感应如何转化为特异细胞型反应;再次，由于MS主要影响身体中最为复杂的两个组织/器官系统，即免疫系统和中枢神经系统，解释分析现有MS数据非常困难;第四，基因功能信息仍不完善。由此可见，现有数据不足以提供一个可以完全模拟的机械模型，阻碍了对新的信号机制的预测。

3 结合已知信号通路的新药研发

尽管近年来科技飞速发展为MS治疗提供了大量相关数据，但MS药物研发仍步履维艰。究其原因，主要归咎于生物信息如何转化为适当的疾病模型的问题没有得到解决。新药研发主要受制于以下几个方面：来自于人体/患者的定量和动力数据的有效性;个体的异质性和基因背景的整合对界定治疗的反应;需要建立方法来整合和模拟的既包括细胞，还有组织的复杂网络。

此外，多种药物协调、联合应用以同时调节多条信号传导通路亦是一个有效治疗策略。不同作用机制的药物协同效应可提高疗效、安全性和耐受性。临床、生物体和医药等数据可通过计算模型的整合来评估药物的疗效和协同效应。最后，提高药物研发效率的另一个关键问题是预测该药物治疗的副作用。信号通路和药物蛋白网络可以使用机器学习的方法来重新定位现有药物，推断药物新的适应症或预测毒性。

4 结论与展望

多发性硬化症的发病机制十分复杂，涉及多条信号传导通路的数百个基因和蛋白，并且这些基因和蛋白随着时间和疾病的进展不断变化，不同疗法对这些基因和蛋白的影响在不同个体上也呈现出不同反应。系统生物学整合了遗传易感性的作用，其是按风险等位基因轻微的调控参数来管理通路的功能。因此，单一的等位基因对给定的通路并没有显著的影响，但所有风险等位基因聚集在给定的个体中可能影响免疫通路对产生自身免疫激活水平的功能。这些因素可能有助于提高自身免疫反应在个体层面的预测。同样，没有针对任何单一风险等位基因的药物分层，如果有新的治疗策略能够靶向多发性硬化症相关基因和调控药物的生物效能，上述情况则有可能改变。一些数学建模方法在系统生物学领域已成功建立，它们将能够广泛应用于从逻辑到物理化学模型范围的信号通路的研究中［18］。一旦数据从数据库中检索，生物信息学工具允许识别可以作为假设的基因、蛋白质和细胞之间的相互作用。系统生物学整合现有的知识、实验结果和医学数据，结合与MS发生发展相关的信号传导通路，构建模拟MS发病的综合模型，有利于我们发现MS新的作用机制，预测MS治疗的方向和最优治疗药物组合。

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Progress of signaling pathways abnormal in multiple sclerosis

ZHENG Na1，2，WANG Qi1，YIN Lin－lin2
(1．Xuan－Wu Hospital of Capital Medical University，Beijing Geriatrics Medical Research Center，Beijing 100053，China; 2．Institute of Clinical Pharmacology，Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China）

The pathogenesis of multiple sclerosis(MS）involves alterations to multiple pathways and processes，which represent a significant challenge for developing more－effective therapies．In MS，abnormalities have been identified in several cytokine－signaling pathways，as well as those of other immune receptors．Among the downstream molecules implicated are Jak/Stat，NF－κb，ERK1/2，p38 or Jun/Fos，current MS drugs target some of these pathways．This article will with the aid of the latest research results of systems biology approaches that study pathway dysregulation in the process of MS development，targeting these relevant MS－signaling pathways，offers the opportunity to accelerate the development of novel individual or combination therapies for the future of new drug research．

Multiple sclerosis;Signaling pathways;Drug research and development

R－332

A

1671－7856(2015）07－0077－04

10．3969．j．issn．1671．7856．2015．007．017

国家自然科学基金项目(81341088;81273817）;北京市科技新星计划(Z12111000250000）。

郑娜(1989－），女，硕士生，研究方向：中药治疗神经系统疾病。E－mail：371747985@qq．com。

尹琳琳(1977－），女，副研究员，研究方向：中枢神经炎症的中药干预策略。E－mail：yinll913@126．com。

2015－06－25

教育与科普