溃疡性结肠炎相关信号通路的研究进展

唐 苗，卢 倩，刘 衡,3，何 苗,3，郭 强，赵 昱,3，张成桂,3

(大理大学 1. 云南省昆虫生物医药研发重点实验室、2. 药用特种昆虫开发国家地方联合工程研究中心、3. 中国西南药用昆虫及蛛形类资源开发利用2011协同创新中心，云南 大理 671000；4. 云南省第一人民医院消化内科，云南 昆明 650032)

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)是一种主要累及直肠、结肠黏膜和黏膜下层的慢性非特异性炎性肠病，临床表现为腹痛、腹泻、黏液脓血便等。UC的发生、发展是一个多基因参与、多因素相互作用的复杂生物学过程[1]。近年来，通过细胞信号转导通路的深入研究，越来越多关于UC的致病机制被发现，其中影响UC的信号通路主要有JAK/STAT、TGF-β/Smad、PI3K/Akt、Wnt、MAPKs、Notch、NF-κB等。这些细胞信号转导通路中相关元件有可能成为潜在的治疗靶点。因此，本文参考国内外文献，就UC相关的信号通路进行综述，以期提高科研工作者对UC发病机制的认识，并为UC治疗及抗UC新药研发提供思路。

1 JAK/STAT信号转导通路

1.1JAK/STAT信号通路的组成和调控酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)信号转导子与转录激活子(signal transducers and activators of transcription, STAT)信号通路(即JAK/STAT信号通路)，主要由酪氨酸相关受体、JAK/ STAT、酪氨酸激酶偶联酪氨酸相关受体的胞内段3部分组成，其是众多细胞因子信号转导的共同途径，在免疫防御、细胞的分化、增殖、凋亡以及肿瘤的发生等生理、病理反应中发挥重要作用。

JAK激酶家族包括4种非受体酪氨酸激酶：JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。JAK1、JAK2和TYK2广泛存在于各种组织及细胞中，而JAK3仅存在于骨髓和淋巴系统中。研究表明[2]，细胞因子与JAK之间并不存在一一对应关系，即一种细胞因子可以激活多种胞内JAK，或多种细胞因子同时激活相同JAK发挥生物学效应。STATs是一种DNA结合蛋白家族，它们是JAK的底物，可与酪氨酸磷酸化信号通路偶联，从而发挥转录调控作用，介导多种生物学效应。目前，哺乳动物中已发现的STAT家族有STAT1-4、STAT5a、STAT5b、STAT6，分布于不同类型的组织和细胞中。STAT家族成员不仅具有如氨基端结构域(NH2)、DNA结合结构域(DBD)、SH2结构域(Src homology 2 domain)等保守的功能结构域，还有决定STAT因子特异性的不同的C-末端转录激活结构域(TAD)，这些结构使STATs可以和各种不同的转录调节相关联。JAK/STAT信号通路包括正性、负性两种调控，正调控除酪氨酸激酶激活STAT蛋白外，还有丝氨酸磷酸化及与其他转录因子和细胞蛋白相互作用的蛋白质；负调节所涉及的调节因子较多，除细胞因子信号转导抑制蛋白(suppressor of cytokine signaling, SOCS)、活化STATs蛋白抑制因子(protein inhibitor of activated STAT, PIAS)、蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatases, PTPs)这3个主因子外，还有STAT1/3/5 C-端缺失突变体、酪氨酸磷酸化抑制剂AG-490、环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)等负性调节因子的相关报道[3]。

1.2JAK/STAT信号通路与UC赵海梅等[4]发现，经黄芪多糖治疗后的结肠炎小鼠结肠黏膜JAK2和STAT6蛋白磷酸化表达明显下降，而SOCS1和SOCS3的表达明显升高，推测黄芪多糖治疗UC可能是通过抑制JAK/STAT信号活化实现的。牛宏垚等[5]发现，UC患者黏膜中STAT3表达增加，活化增强，且表达和活化均随内镜下病变加重逐渐增强，STAT3蛋白可能通过IL-6/JAK/STAT3途径参与UC的发病过程。赵青春等[6]研究发现，清肠化湿方能抑制LPS与TNF-α诱导的HT-29细胞 JAK2、STAT3的活化，清肠化湿方通过降低IL-6表达，抑制 JAK2、STAT3活化，阻断结肠炎症的发展和持续。可见JAK/STAT信号通路在UC的炎症失调过程中发挥重要作用，JAK抑制剂可作为治疗UC的新策略。

2 TGF-β/Smad信号转导通路

2.1TGF-β/Smad信号通路的组成和调控转化生长因子β(transforming growth factor β, TGF-β)是一类多功能的多肽类生长因子，参与细胞的生长分化，组织、器官、胚胎的发育以及各类损伤的修复。TGF-β1作为其中最主要的一种多功能抑制性细胞因子，可通过抑制蛋白水解酶的活化、阻滞肠上皮细胞增生，并可通过促进上皮细胞重建修复，下调炎症反应、维持肠道微环境。Smad蛋白是细胞内的TGF-β受体激酶的底物[7]，根据其功能可分为3类：受体调控Smad(R-Smad)、介质共用Smad(Co-Smad)以及抑制性Smad(I-Smad)。TGF-β1可通过活化配体依赖的跨膜丝氨酸苏氨酸激酶异二聚体复合物(TβRⅠ和TβRⅡ)，启动信号传导。TGF-β1与异聚体复合物结合，引起TβRⅡ自身磷酸化后，使TβRⅠ磷酸化并活化，活化的TβRⅠ可使Smad2和Smad3磷酸化，磷酸化的Smad2/Smad3与Smad4结合形成复合物，转录入核内，然后与其它的转录因子如p300/CBP、辅激动剂和辅阻滞剂共同调节目的基因转录，抑制促炎症细胞因子分泌，下调炎症反应。

2.2TGF-β/Smad信号通路与UC作为介导TGF-β1信号传导过程中的一种胞内受体，Smad3在TGF-β1介导的T细胞活化和黏膜免疫调节方面有着重要的作用。Smad3基因敲除的小鼠常由于黏膜免疫功能天然缺陷，在出生后1～6个月内死亡，同时胃和肠道可见大量T细胞浸润以及广泛的脓肿形成，表明Smad3功能的破坏，可减弱T细胞对TGF-β1介导的生物学功能的反应。TGF-β1作为一种多功能的免疫调节因子[8]，具有黏膜免疫作用，能促进UC结肠黏膜修复，亦被证实有抑制肠道巨噬细胞活化的作用，而活化的巨噬细胞可生成iNOS、TNF-α、IL-1β、清道夫受体、基质金属蛋白酶等，促进炎症发生、降解细胞外基质和诱导结肠组织损伤。

3 PI3K/Akt信号转导通路

3.1PI3K/Akt信号通路的组成和调控磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K)是细胞内信号的一种脂类第二信使，其在代谢、炎症、肿瘤等疾病发生中发挥了重要作用。根据PI3K底物和结构的不同，可将其分为三型，其中以一个催化亚单位p110和一个调节亚单位p85组成的Ⅰ型PI3K研究最为广泛。根据p110所结合的亚基的不同，Ⅰ型PI3K又可分为通过酪氨酸激酶连接受体传递信号，引起p110亚基的膜转位和活化的ⅠA型PI3K，以及通过G蛋白连接受体传递信号，引起p110活化的ⅠB型PI3K。与Ⅰ型PI3K相比，Ⅱ型PI3K的最大特点是没有调节亚基。Ⅲ型PI3K的特点则是除了第二信使功能外，其还在细胞自噬、新合成分泌型蛋白的分选及膜泡转运中发挥重要作用。Akt是由原癌基因c-akt 编码的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，为PI3K的直接靶蛋白。现已知Akt家族成员有Akt1 /PKBα、Akt2 /PKBβ和Akt3 /PKBγ，其中Akt3主要在脑组织和睾丸中高表达，Akt1和Akt2则在人体各组织中均有广泛表达。Akt1～3受不同的基因编码调节，但任何一种Akt的完全活化都需要Ser473位点和Thr308位点同时磷酸化，而活化的Akt可激活信号通路中的下游因子，发挥生物调控作用。PI3K-Akt信号通路的激活过程较复杂，PI3K既可以通过与Ras和p110直接结合而激活，又可以通过与连接蛋白或有磷酸化酪氨酸残基的生长因子受体相互作用，改变二聚体构象而激活。PI3K再通过第二信使PIP3与Akt的PH结构域结合，引起Akt的构象改变，使Ser473和Thr308的磷酸化位点暴露，并磷酸化激活或抑制下游信号分子，从而对细胞的分化、增殖、凋亡等过程进行调节。

3.2PI3K/Akt信号通路与UC方培植等[9]通过1，2-二甲肼(1,2-dimethylhydrazine, DMH)/葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium salt, DSS)复合法，制备溃疡性结肠炎相关癌变(UCAC)模型鼠，应用Real-time PCR及Western blot技术检测模型鼠结肠黏膜中p110、p85、p-Akt、mTOR基因及其蛋白表达情况发现，与正常鼠比较，模型鼠结肠黏膜p110、p85基因表达上调，p110、p85、mTOR蛋白表达亦呈上升趋势，证明PI3K/Akt- mTOR信号通路的过度活化在UCAC中起重要作用。赵海梅等[10]通过对TNBS /乙醇法复制急性UC大鼠模型发现，与正常组相比，模型组大鼠结肠黏膜p-Akt、PI3K表达升高，经黄芪多糖灌胃后，大鼠结肠黏膜中p-Akt和PI3K蛋白的表达明显低于模型组，证明黄芪多糖可能通过抑制 PI3K/Akt 信号通路发挥治疗作用。张涛等[11]研究表明，健脾清热活血方能通过下调UCAC模型鼠p85、p-Akt基因，以及p85、CDK1蛋白的表达，缓解肠道炎症，修复肠道黏膜，治疗UCAC。

4 Wnt/β-catenin-TCF信号转导通路

4.1Wnt/β-catenin-TCF信号通路的组成和调控Wnt信号通路主要由细胞外因子Wnt蛋白、跨膜受体Frizzled( Fz)、转导子β-catenin、核内转录因子TCF及其它辅助受体和蛋白组成[12]。该信号通路高度保守，任何成分的改变均可导致信号转导异常，从而引发炎症和细胞恶变。当细胞接到Wnt信号刺激时，Wnt蛋白会与Fz受体相结合并使其活化，活化的Fz受体便开始特定G蛋白的募集，并在辅助受体 LRP5/6的协助下，阻止GSK-3对β-catenin的磷酸化(β-catenin磷酸化后会经泛素-蛋白酶途径被降解)。β-catenin是一种多功能胞质蛋白，在Wnt信号通路中起到最关键的枢纽作用，其氨基端具有GSK-3磷酸化位点，羧基端有对应靶基因的活化、转录功能，中间区域还有APC蛋白及TCF的结合位点，但其本身不直接与DNA结合，需在进入细胞核后，借助DNA结合蛋白TCF- 4在核内共同调控下游靶基因c-myc和cy-clinD1的转录，完成Wnt信号通路的最终调控。

4.2Wnt信号通路与UC沈骏等[13]研究发现，UC患者血浆Wnt9b水平明显高于正常人，但Wnt9b水平与内镜下疾病活动情况无相关性，而克罗恩病(Crohn disease, CD)患者血浆Wnt9b与正常人无差异，故血浆Wnt9b水平对UC和CD的鉴别诊断有一定意义。其原因可能包括Wnt9b可以激活自身Wnt信号途径和T细胞核因子相关级联反应，故Wnt信号途径对于UC控制作用是多种途径协同作用的结果。李素云等[14]在香连片抑制DMH/DSS诱导的UCAC模型鼠癌变机制研究中发现，DKK-1[一种可与低密度脂蛋白受体相关蛋白(low density lipoprotein receptor-related protein, LRP)和穿膜蛋白Kremen结合的分泌蛋白]可通过竞争性结合，减少细胞膜上的LRP，进而阻断Wnt信号的细胞内传递。SABC免疫组化法检测发现，经香连片治疗的小鼠肠组织β-catenin、PCNA蛋白表达明显低于模型组，同时Real-time PCR检测显示，香连片组小鼠DKK-1基因表达上调，故推测香连片抗小鼠溃疡性结肠炎癌变的作用机制可能与其上调DKK-1的表达，抑制Wnt/β-catenin信号通路有关。

5 MAPKs信号转导通路

5.1MAPKs信号通路的组成和调控丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)是一类存在于真核细胞中高度保守的信号转导模块，是连接细胞内外反应的重要成员，可介导胞外信号刺激传入胞内，调节生长、分化、迁移、炎症等细胞过程。在哺乳动物中，MAPKs家族主要分为3类：细胞外信号调节激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和p38 MAPK激酶。多种胞外刺激因素可激活MAPK通路，包括炎性细胞因子、生长因子、细胞应激等。MAPK信号通路通过ERK、JNK和p38三条级联反应途径，活化转录因子c-Jun和c-fos，并促使其转入细胞核形成异二聚体的转录激活因子AP-1，调控IL-1、TNF-α、IL-6 等炎性因子的转录，导致肠道黏膜炎症的发生。

5.2MAPKs信号通路与UC何双艳[15]研究发现，姜黄素可通过抑制p38 MAPK信号通路，减少TNF-α等促炎因子的释放，减轻小鼠肠黏膜炎症损伤，发挥治疗作用。李姿慧等[16]研究发现，ERK、p38 MAPK信号通路参与了参苓白术散对脾虚湿困型UC大鼠结肠组织AQP3、AQP4蛋白及mRNA表达的调节作用，参苓白术散通过抑制ERK、p38 MAPK信号通路激活，可明显改善大鼠结肠组织损伤。赵芯梅[17]通过整合基因组学和蛋白组学发现，由磷酸化p38、Galectin-3和MAWBP组成的一个可用于评估UC炎症程度的复合标志物。MAWBP及其结合蛋白MAWD可激活ERK通路、活化癌基因TPX2，在UC中有抑制炎症的作用。深入研究UC中MAPK信号及其下游信号转导通路，可以为减轻肠道炎症，延缓病程，寻找抗UC的抑制剂提供依据。

6 Notch信号转导通路

6.1Notch信号通路的组成和调控Notch信号通路被认为是上皮层再生过程中的决定性因素，它不仅能调节肠道上皮细胞增殖、分化，还能维护肠道上皮细胞和保持肠上皮细胞的抗菌活性，有助于肠黏膜修复与再生，并维护内环境稳定。Notch信号可以影响T淋巴细胞的活性和分化，而T淋巴细胞分化过程中炎症因子的表达失衡可能是UC主要发病机制之一。Notch信号通路主要由Notch受体、Notch配体和DNA结合蛋白3部分组成，已知的Notch受体共有4种类型(Notch1-4)[18]，其中Notch-1分布最广，且主要分布于肠道中，有助于控制T细胞生长。已知的Notch配体共有5种，均可以在TNF-α和γ-分泌酶的作用下，辅助Notch受体向细胞核内转运，最终Notch受体与转录抑制因子RBP-J结合，调节靶基因Hesl(促使肠上皮细胞向吸收细胞系分化)和Hathl(促使肠上皮细胞向分泌细胞系分化)的表达，控制细胞的增殖、分化和凋亡。

6.2Notch信号通路与UC闫曙光等[19]表明，经TNBS/乙醇灌肠诱导的UC大鼠结肠上皮细胞中，Notch-1、Hesl-1 mRNA表达明显上调，Math-1mRNA表达明显下调。经乌梅丸灌胃后，UC大鼠结肠上皮细胞Notch-1、Hesl-1 mRNA表达明显下调，Math-1mRNA表达上调，提示乌梅丸可以通过调节Notch信号通路，调控结肠上皮细胞的增殖、分化，发挥对UC的治疗作用。张晶晶[20]方青黛颗粒和美沙拉嗪能明显下调UC大鼠结肠组织中Hes-1的表达，上调Math-1的水平，证明复方青黛颗粒改善UC大鼠肠道病理变化可能与调节Notch信号通路，下游靶基因Hes-1和Math-1有关。

7 NF-κB信号转导通路

7.1NF-κB信号通路的组成和调控NF-κB是由Rel/NF-κB家族的多肽成员构成的一组转录因子，其广泛存在于各类组织细胞中，在不同类型或不同生存状态的组织细胞中，仅在活性方面存在差异。哺乳动物Rel/NF-κB家族包括NF-κB1、NF-κB2、Rel(亦称c-Rel)、RelA和RelB五个成员，它们都拥有一个约300个氨基酸组成的高度保守的Rel同源区(称为RHR)，主要负责NF-κB与DNA结合形成二聚体和行使核定位序列功能。能激活NF-κB的主要刺激因子包括生长因子、炎性细胞因子、免疫受体、神经毒素、细菌、病毒及其产物和某些理化因素等。正常状态下，NF-κB通常与其抑制蛋白IκB相结合[21]，以非活性形式贮存在细胞质中，当在有效刺激发生时，NF-κB激活信号可激活IκB激酶(IKK)，IKK可诱导IκB发生磷酸化并降解释放，从而去除IκB对NF-κB的抑制作用，使NF-κB活化，并促进下游基因的转录和表达，在机体免疫、组织炎症、细胞的生存、增殖、分化、凋亡等方面发挥调控作用。

7.2NF-κB信号通路与UC戴高中等[22]研究表明，白头翁汤加减灌肠和柳氮磺胺吡啶(SASP)保留灌肠均能有效缓解急性期左半结肠型UC患者的症状，RT-PCR结果显示，两组患者肠黏膜细胞NF-κB mRNA表达均较用药前明显下降，证明该药可能通过下调NF-κB mRNA表达并抑制促炎因子的释放，发挥治疗作用。赵增强[23]研究表明，UC大鼠结肠组织中NF-κB p65、IκB-α、TLR4 mRNA及蛋白表达水平均明显升高，半夏泻心汤可下调肠组织NF-κB信号通路中NF-κB p65、IκB-α、TLR4 mRNA及蛋白表达，发挥对UC的治疗作用。

Fig 1 Ulcerative colitis-related signaling pathways

8 展望

UC病程长、易复发、难治愈，目前应用于临床的一线药物主要为5-氨基水杨酸类(美沙拉嗪、柳氮磺吡啶等)和糖皮质激素类药物(醋酸泼尼松、醋酸地塞米松)等，但研究表明[24]，上述药物主要通过抑制NF-κB和TGF-β两条信号通路发挥抗UC作用，且上述药物均存在停药后易复发、长期使用毒副作用大的问题。近年来，逐渐兴起的抗巨噬细胞移动抑制因子(MIF)单抗和抗TNF-α单抗等单克隆抗体类药物虽疗效较好，但存在仅作用于NF-κB信号通路的局限性、费用昂贵等缺点。因此，寻找多信号通路、多靶点联合治疗方式是未来治疗UC的必然趋势。

中医药是我国传统文化的瑰宝之一，中医药治疗UC过程中涉及JAK/STAT、TGF-β/Smad、PI3K-Akt-mTOR、Wnt/β-catenin-TCF、MAPKs、Notch、NF-κB等多条信号通路，且各信号通路间存在相互作用，其在UC病理机制中的相互关系见Fig 1。按照中药特性将其组合成治疗UC的复方中药，可通过调控多条信号通路发挥疗效，并展现出多靶点、多环节、多系统综合平衡调节的特点[25]。由此可见，在UC的预防和综合治疗中，传统中医药较西医药有疗效明显、复发率低、毒副作用小的应用优势。另有报道，肠道菌群的失衡影响UC病变程度，多数西药在治疗过程中还会影响结肠内菌群紊乱，加重病情。若利用中药复方联合西药治疗，不但增强疗效，其中的中药物质能增强肠道益生菌活性，抑制致病菌繁殖，加快肠黏膜屏障修复。因此，从信号通路深入研究中药治疗UC的作用机制，发现信号通路中关键环节、关键因子的特异性阻滞剂，可为抗UC新药的研发提供新思路。