细胞外信号调节激酶在慢性阻塞性肺疾病发病机制中的研究进展

漆　勇综述，王文军审校（四川医科大学附属第一医院呼吸内二科，四川泸州646000）

细胞外信号调节激酶在慢性阻塞性肺疾病发病机制中的研究进展

漆勇综述，王文军△审校（四川医科大学附属第一医院呼吸内二科，四川泸州646000）

细胞外信号调节MAP激酶类；肺疾病，慢性阻塞性；气道重塑；综述

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种与气道和肺组织对香烟烟雾（CS）等有害颗粒的异常慢性炎性反应有关的疾病，其以持续气流受限为特征，呈进行性发展。细胞外信号调节激酶（ertracellular-signal regulated kinase，ERK）是信号转导途径中体内多条信号途径的汇集点，与细胞增殖、应激反应、凋亡等调控密切相关。有研究表明，ERK在COPD支气管、肺泡上皮细胞和气道平滑肌细胞的表达增高，参与COPD的炎症、氧化应激、蛋白酶增加、细胞凋亡和气道重塑的发生、发展，提示ERK可能为COPD的治疗提供新的思路［1］。本文就ERK信号通路与COPD的关系作一综述。

1　ERK家族

ERK是20世纪80年代末期发现的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）家族的一员，也是传递丝裂原信号的信号转导蛋白。现已知ERK家族有5个亚族，包括ERK1～5。ERK1和ERK2是将信号从表面受体传导至细胞核的关键激酶，相对分子质量分别为44×103和42×103。ERK正常定位于细胞质，当受多种刺激因子如生长因子、细胞因子、病毒、G蛋白偶联受体的配体及癌基因等激活后转位至细胞核，调节转录因子活性，产生细胞效应。

ERK信号传递遵循MAPKs的三级酶促级联反应，即上游激活蛋白→MAPK激酶的激酶（MAPKKK）→MAPK激酶（MAPKK）→MAPK［2］。在ERKs的传递途径中Ras作为上游激活蛋白，Raf作为MAPKKK，MAPK/ ERK激酶（MEK）作为MAPKK，ERK作为MAPK，即Ras-Raf-MEK-ERK途径。当细胞外信号与受体结合后，生长因子受体结合蛋白2（Grb2）作为接头分子与激活的受体结合，再与鸟苷酸释放因子（son ofseven-less，SOS）的C端富于脯氨酸的序列相互作用形成受体-Grb2-SOS复合物。SOS与受体或受体底物蛋白上的Tyr磷酸化位点结合导致细胞质蛋白SOS向膜转位，并在Ras附近形成高浓度的SOS，SOS促使GTP取代Ras上的GDP，使Ras活化。活化的Ras利用高亲和力和Raf-1 N-端的2个区域（RBD、CRD）结合后，将Raf从细胞质转移到细胞膜，在胞膜上Raf被激活。Raf被激活后，其C端催化区能与MEK结合，并使其催化区第Ⅷ亚区中2个Ser磷酸化，从而使MEK激活。活化的MEK通过其N端区域与ERKs直接连接，催化ERK的亚功能区8“TEY盒”中的Tyr和Thr残基双特异性磷酸化，激活ERK。激活的ERK由细胞质转位到细胞核内，进而介导Elk-1、ATF、NF-κB、Ap-1、c-fos和c-Jun的转录活化，参与细胞增殖与分化、细胞形态维持、细胞骨架的构建、细胞凋亡和细胞的恶变等多种生物学反应［3］。

2　ERK在COPD发病机制中的作用

2.1ERK与炎症支气管肺组织的炎性损伤是COPD的特征性改变，中性粒细胞、巨噬细胞、CD8+T细胞等炎症细胞均参与其病理过程。激活的炎症细胞释放多种介质，包括白介素-8（IL-8）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等，它们可以破坏肺的结构和触发COPD的炎症级联反应。ERK的活化与中性粒细胞、巨噬细胞数量及CD8+T细胞功能密切相关。Shin等［4］通过CS和脂多糖（LPS）诱导建立小鼠COPD模型，发现褪黑激素通过抑制ERK的磷酸化，可显著降低支气管肺泡灌洗液内中性粒细胞计数及炎症介质。而在LPS诱导小鼠肺损伤模拟COPD的炎症损伤中，经过U0126（ERK1/2抑制剂）预处理下调ERK磷酸化后能显著降低肺内中性粒细胞增多和巨噬细胞炎性蛋白-2（MIP-2）。MIP-2的降低能减少其对中性粒细胞的趋化和髓过氧化物酶等酶（MPO）类的释放，减少对肺组织的损伤［5］。在CS引起小鼠肺部炎症中，水飞蓟宾能显著减少支气管周围巨噬细胞的浸润，这与ERK活性受抑制是密切相关的［6］。Ohnishi等［7］研究发现，在致敏小鼠接受二次过敏原攻击前，在U0126 对CD8+T细胞预处理后，小鼠气道高反应性、嗜酸性炎症和IL-5、IL-13水平在支气管肺泡灌洗液中显著降低，而积聚在支气管肺泡灌洗液或肺的CD8+T细胞数量却不受影响，表明ERK1/2信号通路对气道CD8+T细胞发挥功能必不可少，包括Th2细胞因子的产生，过敏性炎症和气道高反应发展。

ERK信号通路在体内外均可影响TNF-α的水平。Schuh等［5］研究发现，新鲜分离的人外周血单核细胞TNF-α的释放能被U0126阻断并呈剂量依赖性，而在体内用LPS诱导小鼠肺损伤，经过U0126预处理也可以显著降低肺内TNF-α水平。IL-8是趋化性细胞因子，主要是趋化并激活中性粒细胞，促进中性粒细胞的溶酶体酶活性和吞噬作用，导致机体局部炎性反应。ERK1/2的活性与IL-8在气道的表达和释放密切相关。Li等［8］研究发现，给予原代培养的人类气道上皮细胞不同时间的LPS刺激后，通过Western blotting测得ERK1/2磷酸化水平在气道上皮细胞明显提高，而活化后的ERK1/2可激活下游信号传导途径，导致气道的上皮细胞IL-8的mRNA表达水平也显著提高，并在刺激2 h后达峰值。然而，通过蛋白激酶A（PKA）对ERK活性的抑制又可以减少香烟烟雾提取物（CSE）诱导人类气道平滑肌细胞对IL-8的表达和释放［9］。MUC18是在COPD的气道上皮细胞和平滑肌细胞表达上调的跨膜糖蛋白，其过表达能促进IL-8产生，而抑制ERK活性可降低MUC18丝氨酸磷酸化而减少气道平滑肌细胞产生IL-8［10］。以上研究表明，ERK活化与抑制对支气管肺组织的炎症细胞数量、功能和炎症介质的释放有着明显影响，从而参与COPD的炎性反应。

2.2ERK与氧化应激活性氧增多和脂质过氧化反应增强与COPD病情严重度一致，氧化物可以直接损伤肺泡壁的实质细胞和结缔组织，使蛋白酶更容易与肺泡壁的弹力蛋白起作用，同时使α抗胰蛋白酶的活性大大降低，促进肺气肿的发生、发展。另外，脂质过氧化可增加花生四烯酸代谢合成产物的释放，加重炎症。抗氧化酶如MPO、超氧化物歧化酶（SOD）活性和脂质过氧化终产物丙二醛（MDA）含量可间接反映体内氧自由基的生成速率和脂质过氧化反应程度。ERK的活化可引起氧化与抗氧化应激失衡，而在COPD发病中起作用。研究表明，抑制ERK磷酸化可以阻止CSE诱导小鼠支气管肺组织中MDA含量的增加和MPO、SOD活性的降低［6］。同时，在吸烟和高氧引起的大鼠肺损伤中，肺组织中活性氧的产生明显增加，分别给予P物质、硫化氢干预，发现通过阻断ERK信号通路可以减低活性氧及还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶的产生。而NADPH氧化酶参与氧化呼吸链，催化O2还原为O2-，是介导机体活性氧簇（ROS）生成的主要来源［11-12］。

2.3ERK与蛋白酶蛋白酶过量导致与抗蛋白酶失衡，引起肺组织结构破坏、气腔扩大是COPD肺气肿主要发病机制之一。基质金属蛋白酶-9（MMP-9）和mRNA 在COPD患者表达明显增加，MMP-9可由肺内上皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、中性粒细胞、巨噬细胞等分泌，能降解呼吸道和肺的细胞外基质和基底膜，参与肺气肿的形成。研究证实，通过阻断有Raf-MEK-ERK、PI3K/Akt、AP-1和IκB-NF-κB参与的RAS信号传导途径的异戊烯化，可抑制CSE诱导的肺泡巨噬细胞产生MMP-9［13］。另外，ERK信号通路还可通过胞内信号转导促进气道上皮产生转化生长因子-β（TGF-β）、血小板衍生因子（PDGF）等生长因子，而促进肺成纤维细胞对MMP-1和MMP-2的mRNA表达和分泌［14］。Kim等［15］研究表明，CSE通过激活ERK1/2的信号通路促进人胎儿肺成纤维细胞（HFL-1）分泌MMP-1，导致过量的肺组织破坏，并有助于肺气肿的发展。而ERK-MAPK的特异性抑制剂（PD98059）能显著阻断CSE引起的ERK1/2磷酸化，抑制成纤维细胞MMP-1的产生和mRNA的表达。这与MMP-1启动子是在肺上皮细胞中CS的直接靶标，而这个靶标能被PD98059通过抑制ERK1/2磷酸化而封锁有关［16］。说明ERK信号通路的活化可增加MMP分泌，引起COPD肺气肿的发生、发展。

2.4ERK与细胞凋亡研究表明，COPD患者中性粒细胞凋亡率明显低于健康对照组，且急性发作期明显低于缓解期，吸烟者较不吸烟者凋亡减少，在一定程度上表明，COPD患者肺内中性粒细胞凋亡水平减低；而凋亡水平过低可引起肺内炎症细胞异常浸润，导致免疫损伤，如中性粒细胞释放的蛋白酶对肺泡组织具有较大的破坏作用，可以导致肺气肿的形成，而中性粒细胞的凋亡延缓可能与ERK途径的激活有关［17］。研究显示，α-防御素、人β防御素及抗菌肽（LL-37）抑制中性粒细胞的凋亡伴有ERK1/2的磷酸化及促凋亡蛋白tBid的进一步下调和抗细胞凋亡蛋白Bcl-XL的上调［18］。Jiang等［19］研究发现，IL-17在体外对结核病患者中性粒细胞凋亡具有双重调控作用，在高浓度时促进凋亡，在低浓度时抑制凋亡，在低浓度组加入U0126后IL-17对结核病患者中性粒细胞凋亡的抑制作用有所减弱，说明中性粒细胞凋亡的抑制可能与ERK活化有关。上述研究表明，抑制ERK磷酸化可增加中性粒细胞凋亡；反之，则可减少中性粒细胞的凋亡，增加COPD肺气肿的发生。同时，PD98059可使大鼠气道平滑肌细胞DNA合成量减少，细胞凋亡指数、早期凋亡细胞百分比均增高，ERK1/2表达和ERK活化率均降低，表明ERK1/2活性的提高能减少气道平滑肌的凋亡，与气道平滑肌增厚可能有关，而ERK对大鼠气道平滑肌凋亡有调控作用与半胱天冬酶-3酶原（procaspase-3）有关［20］。

2.5ERK与气道重塑气道重塑是COPD患者气道发生气流受限的主要原因，而气道平滑肌增厚、细胞外基质过度沉积是其主要的病理变化［21］。气道平滑肌细胞数的增殖，有一部分可能是由ERK 1/2介导的。Pera等［22］研究了CSE和LPS对培养的牛气管平滑肌细胞增殖影响，结果发现CSE及LPS使牛气管平滑肌细胞数显著增加依赖于ERK 1/2和p38MAP的活化；ERK1/2活化后通过诱导细胞周期蛋白（cyclinD1）和周期蛋白依赖性激酶（CDK2）蛋白高表达，使细胞从G1期向S期发展，引起细胞增殖。有学者研究发现，姜黄素通过抑制气道平滑肌细胞增殖，使得气管壁的厚度较模型组低，而气道平滑肌细胞增殖的减少是通过降低PDGF对气道平滑肌细胞ERK1/2磷酸化的诱导而实现［23］。ERK1/2的活化可引起COPD气道胶原蛋白沉积增加［24］。Britt等［25］发现将人胎儿气道平滑肌细胞（FASM）暴露于TNF-α或TGF-β长达72 h能诱导胶原蛋白Ⅲ表达和沉积明显增加，骨化三醇能减弱TNF-α和TGF-β诱导的胶原蛋白Ⅲ表达沉积和抑制FASM细胞的增殖，而对于信号通路的分析表明这一过程涉及ERK信号通路，而不是其他主要炎症相关信号通路。同时，CSE通过激活FASM的ERK 和p38通路，可促进其细胞外基质，胶原蛋白Ⅰ、Ⅲ型和粘连蛋白的分泌，而只有抑制ERK活化能减弱CSE介导的细胞外基质沉积增加［26］。研究已证实，人类抗菌肽LL-37在COPD患者小气道上皮细胞有高表达。Sun等［24］研究发现，LL-37在气道上皮细胞的表达与气道壁厚度和胶原面积呈正相关，而这与LL-37能结合上皮下肺成纤维细胞表面的甲酰肽样受体（FPRL-1）并激活ERK信号通路促进Ⅰ、Ⅲ型胶原基因的表达密切相关；在MAPK阻断剂和PI3K阻断剂预处理后，只有ERK阻断剂PD98059能显著抑制胶原的分泌，其他通路抑制剂对胶原分泌无显著影响［27］。以上研究表明，ERK磷酸化的提高可引起气道平滑肌细胞的增殖、胶原蛋白沉积的增加，引起气道重塑。而抑制ERK磷酸化可能抑制气道重塑的发生、发展。

3　小　结

多种刺激因素均可诱导ERK通路的激活，而活化后的ERK通路参与了COPD炎性反应、氧化应激、蛋白酶增加、细胞凋亡及气道重塑的发生、发展。同时大量的实验研究结果证实，ERK信号通路的相关阻断剂可显著影响COPD的病理表现，但ERK信号通路在COPD发生、发展中的具体机制还有待进一步阐明。

［1］Vijayan VK.Chronic obstructive pulmonary disease［J］.Indian JMed Res，2013，137（2）：251-269.

［2］Nishimoto S，Nishida E.MAPK signalling：ERK5 versus ERK1/2［J］.EMBO Rep，2006，7（8）：782-786.

［3］RoskoskiR Jr.ERK1/2MAPkinases：structure，function，and regulation［J］. PharmacolRes，2012，66（2）：105-143.

［4］Shin IS，Shin NR，Park JW，etal.Melatonin attenuatesneutrophil inflammation andmucus secretion in cigarette smoke-induced chronic obstructive pulmonary diseases via the suppression of Erk-Sp1 signaling［J］.J PinealRes，2015，58（1）：50-60.

［5］Schuh K，PahlA.Inhibition of theMAPkinase ERK protects from lipopolysaccharide-induced lung injury［J］.Biochem Pharmacol，2009，77（12）：1827-1834.

［6］LiD，Xu D，Wang T，etal.Silymarin attenuates airway inflammation induced by cigarette smoke inmice［J］.Inflammation，2015，38（2）：871-878.

［7］OhnishiH，Takeda K，Domenico J，etal.Mitogen-activated protein kinase/ extracellular signal-regulated kinase 1/2-dependent pathways are essential forCD8+T cell-mediated airway hyperresponsiveness and inflammation［J］.JAllergy Clin Immunol，2009，123（1）：249-257.

［8］LiW，Xu YJ，Shen HH.Effectof cigarette smoke extract on lipopolysaccha-ride-activated mitogen-activated protein kinase signal transduction pathway in cultured cells［J］.ChinMed J（Engl），2007，120（12）：1075-1081.

［9］Oldenburger A，Roscioni SS，Jansen E，et al.Anti-inflammatory role of the cAMP effectors Epac and PKA：implications in chronic obstructive pulmonary disease［J］.PLoSOne，2012，7（2）：e31574.

［10］Berman R，Huang C，Jiang D，et al.MUC18 differentially regulates proinflammatory and anti-viral responses in human airway epithelialCells［J］. JClin Cell Immunol，2014，5（5）：257.

［11］Huang B，LiQ，Xu S，etal.Substance P protects againsthyperoxic-induced lung injury in neonatal rats［J］.Exp Lung Res，2015，41（1）：12-20.

［12］Zhou X，An G，Chen J.Inhibitory effectsof hydrogen sulphide on pulmonary fibrosis in smoking rats via attenuation ofoxidative stressand inflammation［J］.JCellMolMed，2014，18（6）：1098-1103.

［13］Kim SE，Thanh Thuy TT，Lee JH，et al.Simvastatin inhibits induction of matrixmetalloproteinase-9 in ratalveolarmacrophagesexposed to cigarettesmokeextract［J］.Exp MolMed，2009，41（4）：277-287.

［14］Asano K，Shikama Y，ShojiN，etal.Tiotropium bromide inhibits TGF-βinduced MMP production from lung fibroblasts by interfering with Smad and MAPK pathways in vitro［J］.Int JChron Obstruct Pulmon Dis，2010 （5）：277-286.

［15］Kim H，Liu X，Kohyama T，etal.Cigarette smoke stimulatesMMP-1 production by human lung fibroblasts through the ERK1/2 pathway［J］.COPD，2004，1（1）：13-23.

［16］Mercer BA，Wallace AM，Brinckerhoff CE，et al.Identification of a cigarette smoke-responsive region in the distal MMP-1 promoter［J］.Am J RespirCellMol Biol，2009，40（1）：4-12.

［17］Sun Z，Dragon S，Becker A，et al.Leptin inhibits neutrophil apoptosis in children via ERK/NF-κB-dependentpathways［J］.PLoSOne，2013，8（1）：e55249.

［18］Nagaoka I，Suzuki K，Niyonsaba F，et al.Modulation of neutrophil apoptosisby antimicrobialpeptides［J］.ISRNMicrobiol，2012（2012）：345791.

［19］Jiang L，Yao C，Jin Q，etal.Effectof interleukin-17 on neutrophilapoptosis in patientswith tuberculosis［J］.XiBao Yu Fen ZiMian YiXue Za Zhi，2014，30（8）：833-836.

［20］Bai J，Liu XS，Xu YJ，etal.The effectof ERK signaling pathway on cell apoptosis in airway smooth muscle cells of chronic asthmatic rats［J］.Xi Bao Yu Fen ZiMian YiXue Za Zhi，2010，26（8）：738-741.

［21］Prakash YS.Airway smoothmuscle in airway reactivity and remodeling：whathavewe learned［J］.Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol，2013，305 （12）：L912-933.

［22］Pera T，GosensR，Lesterhuis AH，etal.Cigarette smoke and lipopolysaccharide induce a proliferativeairway smoothmuscle phenotype［J］.Respir Res，2010（11）：48.

［23］Zeng X，Cheng Y，Qu Y，etal.Curcumin inhibits the proliferation of airway smoothmuscle cells in vitro and in vivo［J］.Int JMol Med，2013，32 （3）：629-636.

［24］Sun C，Zhu M，Yang Z，etal.LL-37 secreted by epithelium promotes fibroblastcollagen production：a potentialmechanism ofsmallairway remodeling in chronic obstructive pulmonary disease［J］.Lab Invest，2014，94 （9）：991-1002.

［25］Britt RD Jr，Faksh A，Vogel ER，etal.Vitamin D attenuates cytokine-induced remodeling in human fetal airway smooth muscle cells［J］.JCell Physiol，2015，230（6）：1189-1198.

［26］Vogel ER，VanOosten SK，Holman MA，et al.Cigarette smoke enhances proliferation and extracellular matrix deposition by human fetal airway smoothmuscle［J］.Am JPhysiol Lung Cell Mol Physiol，2014，307（12）：L978-986.

［27］Profita M，Bonanno A，Siena L，et al.Smoke，choline acetyltransferase，muscarinic receptors，and fibroblast proliferation in chronic obstructive pulmonary disease［J］.JPharmacolExp Ther，2009，329（2）：753-763.

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.02.024

A

1009-5519（2016）02-0228-04

，E-mail：wangwenjun2005@163.com。

2015-10-28）