MAPK信号通路在急性肺损伤进程中的研究进展

程海飞，陈艳琳，范绍辉，杨茂祥，李有霞，王红嫚

(遵义医科大学第五附属(珠海)医院呼吸与危重症医学科，广东 珠海 519100)

急性肺损伤(acute lung injury，ALI)是指心源性以外的各种肺内、肺外致病因素导致的急性、进行性、缺氧性呼吸衰竭。ALI的病理生理学特点包括肺泡-毛细血管屏障弥漫性损伤、炎症细胞浸润、肺泡中富含蛋白质的水肿液以及严重的气体交换异常等[1]。急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)是ALI进展的结果，主要表现为双肺与呼吸衰竭相关的浸润[2]。近年来，由细菌、病毒和真菌等导致的脓毒症和脓毒症休克等重症感染增多，致使ALI的发病率升高，故ALI已成为危重症医学研究的热点和难点。随着技术的发展以及对ALI发病机制认识的不断加深，传统的糖皮质激素、他汀类药物以及β肾上腺素受体等已不能满足ALI临床救治的需求。现已证实，ALI的主要发病机制为直接或间接肺损伤引起的过度和失控的全身性炎症反应[3]。ALI过程中炎症性损伤触发大量炎症细胞涌入组织损伤部位，受损或死亡的细胞发生炎症依赖性反应，激活先天免疫系统而诱发全身系统免疫反应[4]。促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可被上游激酶顺序活化，通过自身磷酸化作用于下游底物，发挥通用的信号转导模块作用，调节细胞的各种生命活动[5]。且MAPK信号通路是调控ALI进程中炎症因子生成的重要通路之一[6]。现就MAPK信号通路在ALI进程中的作用机制予以综述。

1 MAPK信号通路概述

MAPK家族是重要的信号分子，包括生长因子、激素、氧化应激和内质网应激等多种胞内和胞外刺激均可通过激活MAPK信号通路，调节多种细胞活动[7]。MAPK信号通路主要通过其保守的三级酶联反应发挥生物学效应：首先，细胞内外刺激使细胞膜上的MAPK激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK)自磷酸化而激活，随后作用于MAPK激酶(mitogen activated protein kinase kinase，MAPKK)，而活化的MAPKK再磷酸化MAPK的苏氨酸/酪氨酸残基，使其活化并转移到细胞核中，与c-Jun、c-Fos等转录因子结合，增强目的基因的表达或直接作用于细胞质的下游激酶，调节细胞的增殖、分化、应激反应及细胞凋亡等生命活动[8-9]。目前，已发现MAPK家族有14个成员，包括胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)1/2、c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)/应激活化蛋白激酶、p38 MAPK和大丝裂原活化蛋白激酶1/ERK5等，但目前研究最多的为ERK1/2、JNK和p38 MAPK信号通路，且已证实这三条通路与ALI关系密切[10]。

2 ERK1/2与ALI

2.1ERK1/2的生物学特征 ERK1/2是最先被发现的MAPK信号通路，分子量分别为44 000和42 000，磷酸化后才能发挥生物学作用。ERK1/2广泛存在于哺乳动物生命活动中，可以被某些生长因子、内毒素等激活。活化的ERK1/2由胞质移位至胞核，作用于核内的转录因子，如调控下游激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)的活性，影响肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)等炎症因子的表达以及调节细胞各种生命活动等[11-12]。在ERK1/2信号传递链中，Ras为上游激活蛋白，Raf为MAPKKK，MEK为MAPKK，ERK为MAPK，即经典的Ras-Raf-MEK-ERK途径[13]。研究表明，ERK1/2不仅具有狭窄的底物特异性，且Raf-MEK-ERK呈线性过程，因此可利用Ras-Raf-MEK-ERK探索各种实验[14-15]。ERK1/2与细胞的增殖、分化和凋亡有密切关系。研究表明，在超过30%的癌症中可检测到ERK1/2的异常激活[16]。金清等[17]发现，抑制ERK1/2磷酸化可抑制破骨细胞的过度活化。Wang等[18]研究证实，成纤维细胞生长因子受体1可通过ERK1/2的活化上调sry相关HMG盒2(sry-related HMG box 2，Sox2)的表达，从而促进上皮-间充质转化和肿瘤的扩增。

2.2ERK与ALI的关系 ALI早期，多形核粒细胞(polymorphonuclear leukocytes，PMNs)、肺泡巨噬细胞等炎症细胞受各种刺激分泌TNF-α、白细胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6等炎症因子，这些细胞因子可募集PMNs附着、聚集于肺毛细血管壁，然后迁移至肺间质及肺泡腔并释放细胞毒性物质，最终导致肺泡上皮细胞和毛细血管内皮细胞损伤、脂质过氧化和抗氧化剂水平失衡，引起肺组织损害[19-20]。脂多糖(lippolysaccharide，LPS)诱导的内毒素血症是ALI的常见原因，由于LPS诱导动物模型引起的肺损害与人肺损伤相似，故常将LPS作为诱导剂诱导小鼠炎症反应模拟人ALI的炎症过程[21-22]。虽然早已发现ERK1/2去磷酸化可减轻ALI炎症反应，但ERK1/2通路在体内参与调节炎症的具体机制目前尚不明确。研究发现，LPS可与大鼠肺泡细胞膜Na-H交换器1结合，通过ERK1/2磷酸化激活巨噬细胞、内皮细胞，产生IL-8、TNF-α和巨噬细胞炎症蛋白2等炎症因子，诱导大量PMNs迁移至肺泡内，并发生膨胀，释放细胞毒性物质，致肺毛细血管通透性和肺功能障碍[23]。正常肺微血管内皮细胞之间的黏附连接及紧密连接是阻止肺内过量炎症因子、蛋白质等液体渗漏的主要结构。Liu等[24]研究发现，在脓毒症诱导的ALI模型中，ERK1/2活化减少了闭合蛋白、咬合蛋白和闭锁小带蛋白的表达，而普通肝素可保护LPS刺激下的肺微血管内皮紧密连接，提示普通肝素可能成为治疗ALI的新药物。近年来，粪微生物群移植作为新的生物治疗手段逐渐被研究者重视。Li等[25]发现，粪微生物群移植通过抑制ERK1/2活化，减少了ALI大鼠炎症因子(如TNF-α、IL-1α和IL-6)的释放，并提高了动脉血的含氧水平，表明粪微生物群移植可能成为治疗ALI的新策略。研究发现，LPS与内皮细胞表面的模式识别受体Toll样受体4(Toll-like receptor 4，TLR4)组成表面受体复合物，启动炎症反应过程，TLR4结合LPS后可刺激内皮细胞活化并增加核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的活性，活化的内皮细胞还可诱导PMNs的募集[26]。在LPS诱导的ALI模型中，下调TLR4表达可以抑制ERK1/2活化，从而减少炎症因子释放，减轻炎症反应[27]。但Smith等[28]发现，人血管生成素受体酪氨酸激酶2可以刺激ERK1/2活化，使炎症发生后的内皮细胞中NF-κB的表达水平降低，从而减轻LPS-TLR4介导的炎症反应，表明ERK1/2调节炎症反应的复杂性。

3 JNK与ALI

3.1JNK的生物学特征 作为MAPK家族的主要成员之一，JNK主要包括JNK1、JNK2和JNK3基因，可编码10余种蛋白质亚型，JNK1和JNK2蛋白在各种组织中广泛表达，调控细胞对外来刺激所产生的生物学效应，而JNK3蛋白仅存在于脑、心和睾丸中[29-30]。应激状态下，JNK1优先被活化，激活应激通路，而JNK2仅在正常情况下表达。JNK信号通路也通过MAPK酶促级联反应激活，参与胞外刺激诱导的细胞凋亡、代谢、运动及DNA修复损伤等活动[31]。当细胞受到炎症、G蛋白偶联受体等刺激时，MAPKK激活JNK，活化的JNK1/2转移至细胞核与c-Jun氨基端结合后，促进了目的基因的表达和蛋白质的合成，发挥相应的生物学效应[32]。此外，JNK磷酸化后还可激活下游的Bcl-2、激活转录因子2、Smad4等细胞因子，参与调控细胞凋亡、异常增殖等活动[33-35]。SP600125作为JNK特异性抑制剂，可通过阻断依赖JNK的转录，影响细胞炎症反应、坏死和凋亡过程[36]。Kao等[37]发现，活化的胱天蛋白酶(caspase)3可使JNK磷酸化，最终加剧软骨细胞骨架的破坏，而利用SP600125可使细胞骨架蛋白在细胞凋亡中的溶解减轻。Ni等[38]发现，不同于传统的治疗肿瘤疼痛的吗啡、盐酸哌替啶等阿片类成瘾性药物，SP600125可通过抑制JNK活化减少神经胶质酸性蛋白的表达，缓解癌症引起的机械性异常疼痛，为治疗癌症晚期顽固性疼痛提供了新方法。同时，SP600125还可抑制血清4型禽腺病毒诱导的JNK磷酸化，促进Ⅰ型干扰素的生成，并抑制4型禽腺病毒复制，因此SP600125有望成为控制4型禽腺病毒感染的抗病毒药物[39]。

3.2JNK与ALI的关系 PMNs募集、附着于肺毛细血管壁，迁移至肺间质及肺泡腔中并被激活、释放细胞毒性物质是ALI早期最主要的炎症过程。JNK1/2在LPS刺激下，通过其氨基酸残基双磷酸化形成磷酸化JNK1/2而被激活，磷酸化JNK1/2从胞质移位至胞核，调控AP-1的活性，使下游TNF-α、ICAM-1、血管细胞黏附分子-1和诱导型一氧化氮合酶等细胞因子的表达失控，导致过量的PMNs在肺内聚集、活化，生成大量氧自由基，使血管内皮细胞通透性增加[40-41]。研究发现，在ALI进程中，JNK活化还增加了血清中IL-6的表达，加重了小鼠的肺水肿[42]。而抑制JNK活化，可使巨噬细胞炎症蛋白2和ICAM-1的表达水平降低、肺内PMNs的浸润减轻[43]。Bin等[44]发现，与未敲除肿瘤坏死因子受体相关因子1基因的小鼠相比，敲除肿瘤坏死因子受体相关因子1基因小鼠的PMNs浸润和活性氧类生成均减少，其机制为通过抑制JNK磷酸化降低IL-1β、IL-6、TNF-α和caspase-3的表达，从基因层面为治疗ALI提供了新靶点。目前，关于JNK信号通路介导的细胞凋亡机制参与ALI进程的研究较少。Lou等[45]通过大鼠脓毒症模型发现，JNK活化增加了激活转录因子4和X盒结合蛋白1的表达，证实内质网应激可促进ALI过程中的细胞凋亡异常，但具体机制仍需进一步研究。

4 p38 MAPK信号通路与ALI

4.1p38 MAPK信号通路的生物学特征 20世纪90年代，人类首次从小鼠肝脏细胞中分离出p38 MAPK，分子量为38 000[46]。p38 MAPK家族有4个亚型，即p38α(p38)、p38β、p38γ和p38δ[47]。各个亚型在不同的组织中表达，p38δ主要存在于腺体组织，p38α除了在肝脏和胰腺中的表达水平较低以外，在其他几乎所有的细胞和组织中均广泛表达[48]。研究发现，p38γ不仅存在于肌细胞中，也存在于乳腺癌细胞，并可促进肿瘤细胞的生长和转移[49]。作为MAPK信号家族中的成员，绝大部分p38 MAPK信号通路传递信号的方式也是经典的三级酶促级联反应。大多数胞外信号通过信号传递使p38 MAPK磷酸化并作用于下游信号，调节多种不同底物，参与细胞应激反应和炎症反应。同时，p38 MAPK也与细胞凋亡关系密切，Yin等[50]利用特异性抑制剂SB202190抑制p38 MAPK磷酸化，下调caspase-3和caspase-9表达，证实p38 MAPK信号通路参与了调节细胞凋亡的生命活动。Zhang等[51]发现，p38 MAPK去磷酸化增强了西地那非抑制肺动脉内皮细胞凋亡的作用，为急性肺栓塞的治疗提供了新思路。

4.2p38 MAPK信号通路与ALI的关系 作为MAPK信号家族中调控炎症反应的最主要成员，p38 MAPK信号通路显著促进了ALI进程中炎症反应的发展。研究表明，在ALI过程中，p38 MAPK磷酸化使炎症细胞因子IL-6和IL-1的表达显著增加，这些炎症因子可促使PMNs、巨噬细胞等炎症细胞成熟，增加细胞因子(如单核细胞趋化蛋白-1、环加氧酶和TNF-α)的表达，最终导致呼吸爆发，病理上表现为肺内皮细胞通透性增加以及肺水肿形成[52-53]。TNF-α是ALI炎症反应的主要细胞因子之一，研究发现，MAPK激活蛋白酶(MAPK-activated kinase，MK)2/3被激活后可促进TNF-α大量产生，并增强其稳定性[54]。McCarthy等[55]发现，将LPS诱导的离体和在体巨噬细胞敲除MK2基因后，TNF-α的表达量显著降低，且MK2和MK3双重敲除较单独敲除MK2对TNF-α产生的抑制作用更大。p38 MAPK活化后可通过激活MK2/3上调炎症反应，在细胞凋亡方面，MK2激活后还可上调热激蛋白90的表达，促进caspase-3/7发挥生物学效应，加剧肺内皮细胞凋亡[56]。但近年研究发现，过量表达的热激蛋白90可以显著减轻经p38 MAPK通路介导的炎症反应[57]，表明p38 MAPK调节ALI机制的复杂性。细胞主要的能量供应来源是线粒体，Xu等[58]发现，p38 MAPK信号通路也参与了线粒体的凋亡途径，抑制p38 MAPK活化可降低线粒体凋亡途径相关蛋白的表达，使肺上皮细胞凋亡减少，达到抑制ALI的目的。肺泡-毛细血管屏障通透性破坏是ALI的主要病理表现之一，p38 MAPK去磷酸化可抑制肺泡-毛细血管屏障的破坏，其机制与细胞骨架-微管重构相关。微管相关蛋白4(microtubule-associated protein 4，MAP4)是控制微管组装/重构和稳定的重要因素。Ramkumar等[59]用低氧刺激p38 MAPK活化，并作用于下游MAP4，MAP4激活后诱导微管蛋白解除稳定状态，使内皮细胞增殖和迁移活跃，促进肺新生血管生成，这可能是ALI后期肺纤维化形成的机制之一。除了遵循经典的MAPK途径外，p38蛋白激酶还可激活非典型途径参与ALI进程[60]。Grimsey等[61]发现，凝血酶、组胺可与p38α结合并促进p38α自磷酸化，使IL-6表达增加，最终导致内皮细胞通透性障碍，具体机制需进一步探究。近年来，p38 MAPK信号通路介导的细胞焦亡途径也被发现参与了ALI进程，Li等[62]发现，p38 MAPK去磷酸化不仅可减轻巨噬细胞和PMNs募集诱导的过度肺部炎症，还可抑制巨噬细胞由非炎症性凋亡向炎症性焦亡倾斜，缓解肺部损伤，这可能成为新的研究方向。

5 小 结

MAPK信号通路可通过调控细胞增殖、炎症、分化和凋亡等生命活动参与ALI进程。目前MAPK信号通路参与ALI的研究已取得一定进展，但由于MAPK信号通路参与ALI的机制十分复杂，且MAPK的3条主要通路因作用于某些共同底物而存在交叉影响，因此不同甚至相同的刺激可得到不同的反应结果；同时，各条通路又分别作用于不同下游信号，导致体内其他脏器不良反应频发，故目前针对MAPK信号通路研发的ALI治疗药物的疗效欠佳。在其他组织器官中，MAPK信号通路参与生命活动的研究也正在进行。未来，对MAPK信号通路在ALI进程中作用机制的深入研究，有助于为急性呼吸衰竭的临床治疗提供更多的理论依据。