JNK信号通路在糖尿病心肌病中的作用研究进展

翁惊凡 郭航远 池菊芳

糖尿病是一组以高血糖为特征的慢性代谢性疾病，近年来其患病率及并发症发生率呈逐年上升趋势。糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是糖尿病引起的主要并发症之一，占糖尿病相关发病率和死亡率的一半以上[1]。DCM是一种原发性心肌病变，表现为糖尿病患者在无缺血性或高血压心脏病的情况下出现心肌细胞纤维化、细胞凋亡及微血管病变导致的心脏结构和功能异常，可诱发心力衰竭、心律失常、心源性休克和猝死[2]。c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）信号转导通路在细胞增殖、分化、转化、凋亡等多种生理和病理过程中起重要作用。JNK信号通路可由紫外线、活性氧、炎症因子等多种因素激活，通过JNK磷酸化调节下游因子[3]，进而参与细胞凋亡、自噬、心肌重构、炎症诱导、胰岛素抵抗，最终促进DCM的发生、发展。本文旨在对JNK信号通路在DCM发生、发展中的作用机制及研究进展作一综述。

1 JNK信号通路的组成

JNK家族包括丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）中的 JNK，丝裂原活化蛋白激酶激酶（MAPK kinase，MKK）中的 MKK4、7，丝裂原活化蛋白激酶激酶激酶（MAPK kinase kinase，MEKK）中的 MEKK1、2、3、4 以及混合谱系激酶（mixed lineage kinase 3，MLK3）。JNKs作为JNK信号通路中心，包含MAPK 8编码的 JNK 1，MAPK 9编码的 JNK 2和MAPK 10编码的JNK 3。JNK 1和JNK 2在全身广泛表达，而JNK 3呈限制性表达，主要在大脑和神经中表达，心脏、胰岛和睾丸表达较少。JNK信号通路激活后，JNKs可以直接结合和磷酸化几种转录因子，包括c-Jun、JunB、细胞癌基因（cellular oncogene fos，c-fos）、转录激活因子 2（activating transcription factor2，ATF2）、活化 T细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）等，它们是JNK生物反应的主要介质[4]。

2 JNK信号通路的上下游因子

2.1 MAP3K1与MAP4K4 MAPK是一组能被各种细胞外刺激（如细胞因子、神经递质、细胞应激）及细胞黏附等激活的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶。JNK信号通路作为MAPK的其中一个分支，主要通过经典促分裂原活化蛋白激酶信号通路的三联酶促反应来调节细胞增殖、凋亡、分化。MAP3K1与MAP4K4是JNK上游正性调控因子。MAP3K1表达可通过以下两种途径降低胰岛素水平从而促进糖尿病的发展[5]：（1）通过细胞因子途径促进JNK磷酸化，进而诱导胰岛β细胞凋亡[6]；（2）抑制胰岛素基因转录，减少胰岛素的表达。MAP4K4是TNF-α的上游正性调节因子，TNF-α通过下调细胞胰岛素受体底物-2（insulin receptor substrate-2，IRS-2）蛋白水平，诱导胰岛β细胞凋亡，抑制胰岛素分泌[7]。

2.2 肌醇需求激酶1（inositol-requiring enzyme-1，IRE1）IRE1为JNK上游正性调控因子，在内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）反应中发挥着核心作用。IRE1是一种Ⅰ型内质网跨膜蛋白质，是ERS的关键性传感器，分为IRE1α和 IRE1β两种亚型。IRE1活化后形成IRE1-TRAF2-ASK1复合物，可激活JNK信号通路，通过磷酸化抑制Bcl-2基因或去磷酸化活化Bim基因来激活线粒体依赖的细胞凋亡[8-9]。IRE1也可以启动内质网相关凋亡途径来诱导凋亡，导致心肌细胞的损伤。活化的JNK1也可以通过IRS-1丝氨酸的磷酸化来抑制IRS-1酪氨酸和Akt的磷酸化，从而抑制胰岛素信号转导，最终导致胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）[10-11]。而IR作为DCM发病过程中重要的一环，诱发心肌能量代谢紊乱，损害心肌细胞和内皮细胞。

2.3 沉默信息调节因子1（silent information regulator 1，SIRT1） SIRT1是JNK的下游因子，是Sirtuins家族中重要成员，是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性脱乙酰化酶，具有高度保守的NAD+结合催化结构域[12]。Sirtuins具有染色质修饰活性，参与转录后修饰，与能量代谢、细胞衰老及抵抗氧化应激密切相关。SIRT1可通过以下几个方面起到对心血管的保护作用：通过去乙酰化抵抗氧化应激[13]；通过活化修复蛋白（NBS-1）延缓动脉粥样硬化[14]；通过下调凋亡蛋白BAX及p53减少心肌细胞凋亡[15]；通过上调内皮型一氧化氮合酶（endothelialnitric oxide synthase，eNOS）表达协调血管舒缩功能[16]。SIRT1可通过以上几个方面增强细胞抗氧化应激能力、减轻炎症反应、减少细胞凋亡、协调血管舒缩功能，从而在心血管疾病中发挥重要作用。此外，Gao等[17]研究发现，JNK1对SIRT1的调节具有双重作用，适当的JNK1磷酸化SIRT1，使其短暂活化，随即被蛋白酶体和泛素化降解，这使SIRT1更好地发挥作用，但当JNK1持续激活SIRT1时，SIRT1将被明显降解，从而抑制其功能。

2.4 脾酪氨酸激酶（spleen tyrosine kinase，Syk） Syk为JNK上游正性调控因子。Syk是一种非受体型蛋白酪氨酸激酶，在多种细胞中表达，主要是血液细胞、血小板，其他如血管内皮细胞、血管平滑肌细胞、干细胞等。近期发现Syk在炎症反应的调节，内皮细胞的增殖、迁移，心血管疾病的发生、发展中具有关键作用[18-19]。Hara等[20]发现，在巨噬细胞中，Syk或JNK抑制剂可降低核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白（nucleotide binding oligomerizatiion domain-like receptor protein 3，NLRP3）的活性。梁珂等[21]研究发现抑制Syk可以抑制炎症因子的表达，从而进一步抑制巨噬细胞的增殖、迁移，促进巨噬细胞的凋亡。此外，人肾小管上皮细胞经过高糖处理后，p-Syk的表达水平上调可增加TGF-β转录，从而损伤肾小管[22]。在DCM研究中，已发现Syk抑制剂或Syk-siRNA显著抑制高糖诱导的JNK磷酸化，因此可以推测Syk可诱导JNK磷酸化，随之引起NLRP3活化这一信号通路参与DCM的发生、发展[23]。

2.5 NLRP3 NLRP3炎症小体由NLRP3募集凋亡相关斑点样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶前体（pro-cysteinyl aspartate specific proteinase-1，pro-caspase-1）组装而成，是固有免疫的重要组成部分。在心血管疾病中，炎症小体也起着关键作用，例如动脉瘤、动脉炎以及粥样硬化导致的血管损伤、缺血性心脏病以及其他非缺血性心脏病，例如DCM、慢性心力衰竭以及高血压或病毒引起的心脏功能障碍[24]。Luo等[25]将NLRP基因沉默后，糖尿病大鼠心脏炎症、纤维化、细胞凋亡及心功能障碍有所减轻。此外，高糖可激活心肌巨噬细胞内NLRP3，从而上调IL-1β，延长心肌动作电位时长，最终引起心律失常。陈玉凤等[23]研究发现，JNK抑制剂S600125预处理大鼠心肌细胞H9C2细胞株后显著阻碍了高糖引起的NLRP3蛋白表达，这提示NLRP3是JNK信号通路的下游分子，通过诱导炎症，在DCM发生、发展中发挥关键作用。

2.6 其他JNK信号通路相关因子 除上述了NK信号通路上下游相关因子以外，还有TNF-α、NF-κB蛋白、激活蛋白 1（activator protein-1，AP-1）、细胞色素 C、βcatenin等。Pan等[26]研究发现，caspase-3的剪切在TNF-α孵育24h后增加，但在dn-JNK转染的细胞中减少，进一步说明JNK的活化直接参与TNF-α诱导的心肌细胞凋亡的过程。已有研究发现，JNK在调节NF-κB在各种类型细胞系中的活性方面也具有重要作用[27]。在心肌成纤维细胞中，利拉鲁肽可以通过CD36-JNKAP1途径抑制高糖诱导的脯氨酰4-羟化酶亚基α-1（prolyl 4-hydroxylase subunit alpha 1，P4HA1），从而抑制高糖介导的细胞增殖、迁移和侵袭，进而抑制心脏纤维化和心脏重塑[28]。此外，也有研究表明活化的JNK信号可通过调控细胞色素C的释放，诱导细胞凋亡[29]和心肌肥厚[30]。

3 DCM发病过程中JNK信号通路的的作用

3.1 诱导炎症 炎症在DCM发生、发展过程中具有关键作用。在长期高糖环境下，巨噬细胞、平滑肌细胞产生多种促炎细胞因子损伤内皮细胞、心肌细胞，增强氧化应激，从而诱导凋亡、纤维化，如 TNF-α，IL-6、8，单核细胞趋化蛋白1，NF-κB等[31]。JNK是炎性细胞因子转录的关键调节因子，JNK特异性抑制剂可显著降低高糖诱导的H9C2细胞株和原代心肌细胞炎性细胞因子表达[26]。此外，由JNK上调表达的NLRP3在DCM的炎症诱导中具有重要作用[32]，其可诱导caspase-1蛋白酶，进而促进IL-1β和IL-18的成熟与分泌，诱导炎症的发生。而JNK抑制剂处理后可下调NLRP3、caspase-1和IL-1β的mRNA水平和NLRP3蛋白的表达量[23]。通过上述研究，我们不难推测JNK可通过调节NLRP3调节炎症反应，从而促进DCM的发生、发展。

3.1.1 传递ERS信号 内质网是维持多种细胞功能的重要细胞器，是细胞将代谢应激转化为炎症反应的场所，尤其是JNK和其他炎症介质的激活[33]。糖尿病患者心肌细胞在高血糖环境下出现内质网形态和功能的改变，即ERS，被认为是导致糖尿病心肌细胞凋亡的主要原因，最终导致心脏结构和功能损伤。适度的ERS有利于维持细胞稳态，但过强或长时间的ERS，将通过3 条途径诱导细胞凋亡[34]：（1）CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白（CCAAT/enhancer-binding protein-homologous protein，CHOP）的转录激活；（2）JNK信号通路的活化；（3）caspase12的活化。研究发现，ERS还可以通过依赖肌醇依赖内质网至细胞核信号激酶1（inositol-requiring ER-to-nucleus signal kinase1，IRE1）激活的 JNK 来诱导细胞IR，且阻断IRE-1和JNK的活性后，IR可被逆转[35]。由此可见，JNK抑制剂可通过阻滞ERS信号下游传递从而延缓DCM的进程。

3.1.2 促进心肌肥大 心肌在多种因素的刺激下，如机械刺激、瘢痕、炎症和神经刺激，会产生与纤维化、炎症、氧化应激和ERS相关的肥大，导致心力衰竭、心律失常和猝死[36]。而JNK通过多种途径诱导心肌肥大。一方面，JNK参与了基因表达的重新编程，在一定程度上通过调节转录因子（如 nfat、stats、creb、c-jun、C-FOS 和 Gata 4）来促进肥大基因的表达[37]。此外，有实验发现，JNK抑制剂可以直接抑制增殖细胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）的表达和心肌成纤维细胞增殖[38]。在多种情况下，JNK可诱导慢性炎症，从而促进和加重病理性心肌肥大[39]。例如，JNK诱导的NLRP3过表达加剧心肌炎症，引起心肌纤维化，而NLRP3基因沉默可显著改善心肌的纤维化及心脏舒缩功能[25，40]。因此，JNK抑制剂在延缓心肌肥大的过程中有巨大潜力。

3.1.3 胰岛素分泌不足与IR 正常情况下，心脏可以利用各种基质产生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），这种现象称为“代谢底物灵活性”。但在高血糖和IR环境下，这种灵活性显著减弱，从而导致心脏能量代谢异常以及由于大量脂肪酸堆积导致的凋亡增加。JNK在IR的发生、发展中具有重要地位，在2型糖尿病的发生、发展中扮演了重要角色[41]。JNK以多种方式调节胰岛细胞功能和凋亡[35]：通过细胞因子介导的胰岛细胞炎症和凋亡；诱导胰岛β细胞功能障碍和胰岛素分泌不足；此外，在db/db小鼠模型中，JNK抑制剂可以改善葡萄糖刺激的胰岛素生成。除诱导胰岛细胞凋亡，减少胰岛素分泌以外，在高血糖环境下，JNK受到TNF-α等炎症因子及脂肪酸的激活，磷酸化IRS-1蛋白，进而通过PI3K途径诱导IR，最终导致外周糖代谢障碍[42]。

3.1.4 诱导细胞凋亡 心肌细胞发生不可逆的凋亡是DCM患者晚期发生心功能障碍的主要原因。诱导凋亡的信号通路大致可分为两类[43]：（1）死亡受体启动的外源性途径，如TNF-α、研究肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL）、凋亡相关因子配体（factor associated suicide ligand，Fas-L）；（2）线粒体途径：多种凋亡信号，如DNA损伤、氧化应激等，这些信号最终都指向促进凋亡蛋白的表达以及上调靶蛋白（如Bim、Bcl-2等）的活性，从而介导线粒体途径的细胞凋亡。而JNK信号通路同时参与了死亡受体启动的外源性凋亡通路和线粒体依赖的内源性途径，并在这两种途径中起着核心作用。ERS还可以通过IRE1α/JNK通路诱导细胞的凋亡。IRE1α活化肿瘤坏死因子受体相关因子 2（TNF receptor associated factor 2，TRAF2）调节p38 MAPK和外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK），随后通过JNK的磷酸化促进线粒体依赖的细胞凋亡[44]。Natoli等[45]研究发现，JNK不但可以通过上调NF-κB和caspase-3水平进而上调炎症水平诱导凋亡，还可以通过死亡受体（包括TNF受体）激动外部凋亡通路。

4 展望

在DCM中，JNK信号通路可被细胞因子、应激等多种因素激活，进而在细胞增殖与分化、细胞凋亡等多种细胞调控方面起着至关重要的作用，是DCM及其后续反应的重要调节因子。一方面JNK可以集成、转导上游多种刺激，另一方面又通过调节下游多种底物，从而通过诱导炎症、加速细胞凋亡、促进心肌肥大、参与胰岛素分泌不足与IR进程，最终导致DCM的发生、发展。反之，抑制JNK信号通路可通过抑制上述途径来预防、延缓、治疗DCM。因此，JNK可以作为预防和治疗DCM的特异靶点，研发高特异性的JNK靶向治疗药物具有至关重要的临床意义。但仍有许多问题有待研究，如在直接调节JNK自身表达及活性和间接调节JNK信号通路上下游因子中，哪种才能更有效地利用JNK信号通路治疗DCM；此外，除调节JNK以外，JNK上游激活蛋白还会通过激酶依赖及非依赖机制调节其他底物，但JNK上游激活蛋白的JNK依赖性以及与JNK无关的心血管作用有待进一步研究。