果蝇JNK信号通路的研究进展

唐成晨, 贾 佳

(湖南大学 生物学院，长沙410082)

果蝇在其生活史中，会面对来自细胞内外各种应激源的刺激，如细胞内的应激源主要是指细胞的炎症、肿瘤等[1]；常见的细胞外应激源主要是指来自于生存环境中的刺激，如冷、热、辐射、氧化应激、重金属以及渗透压等影响[2-7]。这些细胞内外刺激都会引起果蝇内环境的不稳定，果蝇需发生应激反应来维持体内平衡，即细胞需要恰当地协调好自身细胞的保护作用、修复、增殖以及凋亡等生理过程[8]。因此，果蝇应对不利因素的适应能力对其生存和繁殖至关重要。

果蝇应激反应最主要涉及的是JNK信号通路，JNK全名是c-Jun氨基末端激酶，是指一种由一系列内在和外在的应激源所诱发的应激活化蛋白激酶途径，也称为应激活化蛋白激酶通路(APK)，是一种真核生物进化保守的信号通路[9]。本文以果蝇为研究模型，对JNK信号通路相关研究以及应激反应对其调控作用的近期研究进展简要回顾。

1 JNK信号通路

目前可将JNK信号通路分为经典的信号通路和非经典信号通路两部分，经典的信号通路与非经典的信号通路都是通过激酶的磷酸化级联反应激活MAP激酶激酶MKK4(MAP kinase kinase 4，是一种JNK激酶)和hep(Hemipterous，MAPKK7，是一种JNK激酶)，引起bsk(basket，编码果蝇的JNK，是一种MAP激酶)的活化，从而激活转录因子进入核内，导致相关基因的表达[14-16]。

ROS(reactive oxygen species ，活性氧)scaf(scarface，JNK途径的抑制剂)；egr(eiger，肿瘤坏死因子)；wgn(misshapen，肿瘤坏死因子受体)；Src64B(Src oncogene at 64B，Src致癌基因非受体酪氨酸激酶)；Src42A(Src oncogene at 42A，Src致癌基因非受体酪氨酸激酶)；Btk29A(Btk family kinase at 29A，Src致癌基因非受体酪氨酸激酶)；Traf4(TNF-receptor associated factor 4，TNF受体相关因子)；Traf6(TNF-receptorassociated factor 4,TNF受体相关因子)；Tab2(TAK1-associatedbinding protein 2,TAK1相关结合蛋白);Dok(Downstream of kinase，下游激酶)；shark(SH2 ankyrin repeat kinase，锚蛋白重复激酶)；Rac1(GTP酶)；msn(misshapen，JNK激酶激酶激酶)；slpr(slipper，JNK激酶激酶)；Mekk1(MAPK激酶激酶)；Tak1(TGF-β activated kinase 1,TGF-β活化激酶1);Pk92B(Protein kinase at 92B,凋亡信号调节激酶1)；MKK4(MAP kinase kinase 4，MAPK激酶)；hep(Hemipterous，MAPK激酶)；bsk(basket，编码果蝇的JNK)；kay(kayak，又称c-Fos)；Jra(Jun-related antigen，又称c-Jun);AP-1(c-JUN和c-Fos的复合物，转录因子)；foxo(Forkhead Box O，转录因子);Jafrac1(thioredoxin peroxidase 1，一种人类与果蝇同源的过氧化物酶II ，是神经元中FOXO信号的下游效应物，它能增强抗应激能力并延长寿命，参与细胞保护作用)；Sesn(Sestrin，抗氧化酶，是一种抗氧化剂，参与细胞保护作用以及细胞吞噬)；Fer1HCH(Ferritin 1 heavy chain homologue，铁蛋白1重链同源物，主要功能是清除自由基)；l(2)efl(lethal (2) essential for life，热休克蛋白，是一种抗氧化剂，参与细胞保护作用)；GstD1(Glutathione-Stransferase D1 homolog，一种抗氧化酶)；Hsp68(Heat shock protein 68，热休克蛋白，参与细胞保护作用)；MtnA(Metallothione-in A，金属硫蛋白，一种抗氧化剂)；Mmp(Matrix metalloproteinase 1，基质金属蛋白酶，主要功能是促进基底膜修复，进而调控细胞迁移和组织的恢复)；NLaz(Neural Lazarillo，脂质运载蛋白，参与细胞的新陈代谢和增殖)；dpp(decapentaple-gic，是编码果蝇转化生长因子β- (TGF-β)家族的基因)；chic(chickadee，肌动蛋白细胞骨架抑制蛋白)；puc(puckered,果蝇中唯一编码JNK磷酸酯酶的基因，也是负反馈环中限制JNK活性的JNK特异性磷酸酶)；aop(Anterior open,JNK途径的抑制剂)；raw(JNK途径的抑制剂)；peb(pebbled，JNK途径的抑制剂)。实线代表确定的激活；虚线代表还不确定的激活或者抑制；终止线代表抑制

图1 JNK信号通路[11-12]

Figure 1 The Jun N-terminal kinase signaling pathway

经典的信号通路其酶促反应过程为：JNKKK→JNKK→JNK，与非经典信号通路不同的是，它不是由细胞外分子或者细胞膜上的受体激活bsk，而是由细胞中上游激酶Src64B和Src42A以及Btk29A通过级联反应激活下游激酶Dok[17-18]。其中Src64B、Src42A和Btk29A 3个激酶都是Src致癌基因家族的一种非受体酪氨酸激酶，Dok是shark的一种适配蛋白，能以酪氨酸磷酸化依赖的方式结合shark的SH2域，再通过级联反应激活Rac1和msn[19-20]。Rac1是一个小GTP酶，主要激活MLK(混合谱系激酶)。msn是一种JNK激酶激酶激酶(JNKKKK)，与MLK的激活相关，即Rac1和msn通过酶偶联磷酸化反应激活slpr(又称为MLK)[21]。激活的slpr可进一步激活hep。

非经典的信号通路其酶促反应过程为：MAPKKK→MAPKK→MAPK，主要是受到环境的应激源刺激发生的。它是通过细胞外肿瘤坏死因子同系物egr (又称TNF)识别细胞膜上的受体wgn(又称为TNFR)来实现的[22-23]。TNF受体相关因子Traf4(又称TRAF1)、Traf6(又称TRAF2)、TAK1相关结合蛋白Tab2以及msn等蛋白的协同作用可以激活MAPK激酶激酶Mekk1(又称MEKK4)和Tak1以及凋亡信号调节激酶Pk92B(又称ASK1)[24-28]。这些酶的磷酸化进一步激活MKK4和hep，活化的MKK4与hep通过酶偶联级联反应，进一步激活bsk；激活的bsk既能磷酸化kay和Jra形成AP-1转录复合物后可跨过核膜进入核内，又能激活转录因子foxo，进而引起相关基因的表达。

2 JNK信号通路的负调控

目前在果蝇JNK信号通路的负调控方面研究较少，主要集中JNK信号通路的负调控因子对果蝇背闭合行为研究。下面主要综述JNK信号通路的几种常见的负调控因子对果蝇背闭合性的调控，以及简述其对其他生理过程的调控。

2.1 JNK信号通路的负调控因子对果蝇背闭合性的调控

果蝇的背闭合行为出现在胚胎发生的中后期，是一个上皮细胞运动和融合的过程，而JNK信号通路的负调控因子对果蝇的背闭合行为有重要影响[29]。

puc是JNK信号通路中最直接的负调控因子[30]。puc是由bsk诱导的VH1基团双特异性磷酸酶，其催化bsk自身去磷酸化。JNK信号通路被激活后，puc将会通过去除bsk 激活基序中两种磷酸盐来调节bsk 自身强度，因此JNK信号通路的激活水平取决于puc的表达量及其参与bsk信号的程度。puc突变可使表皮向背中线折叠，导致其功能丧失和JNK信号通路途径发生异位激活，这可能是果蝇常见的背闭合异常表型出现的原因。过表达dpp可使胸廓裂隙表型和负调控因子(例如puc和raw)的功能丧失，导致角质层的背孔。

aop(又称为Yan)是JNK途径中最早鉴定的抑制剂之一[31]。aop不仅是Rolled(ERK同系物)信号传导途径中ETS的转录阻遏物，而且也是转录因子AP-1复合物的抑制剂。aop作为一种核组成型抑制因子，必须被灭活才能发挥抑制作用。磷酸化的bsk可调控aop脱离DNA结合并退出细胞核，然后通过相关蛋白酶将其降解。aop的突变体会出现表皮的延迟分化及其前体的异位增殖的现象。与该途径的其他成员相比，aop没有等位基因并不会导致背开放表型。研究表明，aop的突变体具有dpp和puc异位表达，在dpp启动子区发现可与aop结合的共有序列，一旦dpp与aop结合就会阻断JNK信号通路中目的基因的转录[32]。

Scaf蛋白质可产生另一种负反馈调控回路，它是丝氨酸蛋白酶同系物家族成员，可作为JNK信号通路转录靶标，scaf突变体会表现出背闭合和雄性生殖器旋转/闭合缺陷表型。但Scaf作为一种分泌蛋白，它是如何拮抗背闭合行为目前尚不清楚。

raw是一种可使JNK信号通路的bsk功能丧失的先驱蛋白质[33]。通过上位性分析，raw是bsk的下游和Jra上游，然而raw可终止Jra的激活，导致bsk无法激活Jra，因此导致bsk功能受到抑制。有研究发现，puc和raw的双突变体可使背闭合缺陷表型更明显，因此，raw是JNK信号通路重要抑制剂[34]。然而目前对于raw功能的研究并不深入。

peb是位于细胞核中的抑制剂，peb通过阻碍Jra/Kay复合物在细胞核中的积累，从而抑制JNK信号通路，这一过程主要是在羊浆膜细胞中进行的[35]。在果蝇的胚带扩展/收缩阶段，羊浆膜的细胞生存需要peb，而peb的突变可导致其不能顺利地完成这些过程，并且会使得羊浆膜细胞过早的凋亡。目前已知，peb在果蝇的背闭合研究中起至关重要的作用，在果蝇的背闭合阶段，peb可以关闭JNK信号通路[36]。因此，peb不仅保障组织中细胞的生存，而且也是JNK信号通路一种重要的抑制剂。

2.2 JNK负调控因子对其他生理过程的调控

JNK负调控因子主要参与了果蝇的背闭合行为生理过程，也参与了其他一些生理过程的调控。经研究表明，puc负反馈调节不仅在果蝇的毛囊细胞形态的形成，以及胸部闭合的调节中起作用，也在应激反应和其他模型中发挥调节作用[37]；Scaf负反馈调节在果蝇的上皮细胞形态的形成中起调控作用[38]。而对于aop、raw及peb调控因子在其他生理过程的负反馈研究报道较少，有待后续的进一步研究。

3 应激反应中JNK信号通路的相关功能

3.1 细胞保护作用

用百草枯处理果蝇可引起氧化应激反应，会诱发一系列与细胞保护作用相关的基因表达， 这种诱导依赖于JNK信号通路的活性。同时，进一步研究表明，在果蝇体内过表达JNK信号通路的细胞保护作用基因，可以促进机体在各种组织中过度表达时的整体应力耐受性[39]。从而表明JNK信号通路的激活增强了细胞整体的抗应激以及损伤修复功能。参与细胞保护作用的蛋白主要有Hsp68、L(2)efl 、Jafrac1和Sestrin，但是对这些蛋白的组织特异性功能还只是部分了解。如Jafrac1在神经元中过表达可以延长果蝇寿命，Sestrin的突变则会导致代谢失衡、肌肉退化和心脏功能障碍[40]。另外，肠上皮细胞的细胞分化同样需要JNK信号通路的参与，以防止细胞对氧化应激的过度敏感[41]。因此，JNK信号通路的细胞保护作用存在于果蝇的大部分组织中。

3.2 细胞凋亡

JNK信号通路是一种成熟的细胞凋亡调节器，其具有活性时可诱导细胞死亡，该信号通路可适当调节细胞生存和死亡，这种调节作用有助于组织内细胞的平衡，尤其是在肠上皮组织中[42]。JNK信号通路和IIS信号通路(胰岛素信号通路)之间的相互拮抗作用控制了代谢平衡，也调节了细胞生存和死亡。在果蝇的视网膜中，JNK信号通路激活转录因子Foxo和AP-1，诱导凋亡蛋白的表达，以应对紫外线诱导的DNA损伤。通过JNK信号通路和IIS信号通路在视网膜上的相关活动，机体根据自身的营养和生长因子决定受损细胞是否进行修复或凋亡。因此，JNK信号通路和IIS信号通路之间的拮抗作用对于维持视网膜细胞修复与细胞死亡之间的平衡以及促进组织损伤后的上皮组织细胞内环境稳态等方面具有重要作用[43]。也有研究表明，JNK信号通路通过促进凋亡细胞的旁分泌信号，从而对非自主的上皮细胞内稳态产生了影响[44]。当细胞凋亡过程受到阻碍时，JNK信号通路可以促进视网膜细胞过度生长和增殖，导致视网膜增生。因此，在果蝇发育过程中，JNK信号通路的活化保障了其各组织内细胞的内环境稳态和细胞形态形成。

3.3 寿命延长

许多与年龄相关的疾病都与氧化损伤有关，而JNK信号通路可以通过修复氧化损伤来维持细胞内环境稳态，因此JNK信号通路与多细胞动物的寿命息息相关。果蝇通过激活JNK信号通路清除活性氧(ROS)来免受损伤，同时还可以调控分子伴侣或DNA修复酶来修复受损的大分子，从而对果蝇寿命的延长产生积极的影响[45]。在果蝇神经元组织中Hep表达水平的升高，可以增强果蝇对氧化应激的抗性从而使得果蝇的寿命得到了延长，而突变Hep会增强其应激敏感度但无法引起应激反应。适度激活 JNK信号会增强果蝇的抗压能力进而延长其寿命，但是在脊椎动物体内，JNK信号通路长期的激活会导致退行性疾病、糖尿病和癌症，从而表明JNK信号通路的激活对细胞寿命有积极和消极两方面的影响[46]。因此，JNK激活的强度和持续时间决定了果蝇寿命的延长或降低。

4 结论与展望

最近几年对果蝇的JNK信号通路研究已取得很大进展，大量研究资料表明，JNK信号通路除了与果蝇的发育、代谢调节、应激反应以及寿命延长等生理过程息息相关之外，还发现其在果蝇先天免疫反应中起着重要作用，并发现其具有增强免疫反应的功效。但是仍存在很多问题有待研究，比如JNK信号虽然能增强先天免疫反应，但是其与免疫信号通路之间的特异性相互作用机制仍然不清楚。由于JNK信号通路许多的负调控因子参与了其他生理过程，或与其他信号通路共享，因此其与JNK信号通路功能相关性的建立相对困难，并且对JNK信号通路负调控因子的结构功能研究不够深入，以及其对其他生理过程或者信号通路的影响还不是十分清楚。虽然JNK信号通路在调节细胞寿命的潜在机制上取得重大进展，但是仍需要进一步研究来了解JNK信号通路对动物寿命相对贡献，以及如何适度激活JNK信号通路，才会延长其寿命，因此深入研究JNK信号通路激活程度的调控是十分必要的。所有这些问题有待我们进一步努力探索。

近年来的研究显示脊椎动物中与年龄有关的疾病的病因，以及普遍的衰老过程都与JNK信号通路有关。脊椎动物与果蝇的JNK信号通路具有高度的相似性，与脊椎动物相比，果蝇JNK信号通路相对简单并且高度保守，因此利用果蝇遗传模式开展JNK相关研究，有助于加深对人类退行性疾病、糖尿病和癌症等疾病发病机制的了解。