p38-MAPK 信号通路对骨骼肌再生的影响研究进展

党彩霞，朱袁婕，包雅婷，姚丽华，龚妍春

（江西科技师范大学生命科学学院，江西 南昌 330013）

1 前言

骨骼肌约占人体总质量的40%[1]，在机体中发挥着重要的作用，如自主完成运动、呼吸、分泌等多项生理功能[2]。骨骼肌具有较强的再生能力和适应能力，在受到损伤时，可以通过再生修复来恢复肌肉质量和维持机体功能的正常运转[3]。在细胞外基质以及肌源调控因子等因素的影响下，受损的骨骼肌肌膜下肌卫星细胞被激活，转化为具有增殖分化潜能的成肌细胞，并进而分化形成新的肌纤维[3]。

骨骼肌损伤主要分为拉伤、挫伤和裂伤等情况。骨骼肌的损伤及再生修复主要伴随着肌纤维破裂、水肿、炎症反应、肌纤维再生、肌肉功能能力恢复等情况[4]。骨骼肌再生又可分为三个阶段：炎症阶段、卫星细胞激活与分化阶段和成熟阶段[3，5]。损伤初期，肌纤维破裂收缩，巨噬细胞清除细胞碎片并通过分泌生长因子来激活位于肌肉细胞膜和基板之间包裹着每个肌肉纤维的卫星细胞[6]；卫星细胞被激活形成成肌细胞，增殖分化形成肌管，最后成熟为成肌纤维[7]。然而，若骨骼肌修复损伤严重，破裂的肌纤维有可能保持分裂，无法完全愈合，形成疤痕，甚至会影响肌肉功能[4，6]。

信号通路的激活以及启动和转导相关基因、蛋白、生长因子的调控对于骨骼肌损伤修复的病理过程至关重要[8，9]，其中作为受体信号的p38-MAPK 信号通路是细胞内传导的重要途径之一，具有调节骨骼肌生长发育、基因表达、适应环境应激等的功能[10]。p38-MAPK 信号通路和骨骼肌细胞的增殖分化有着紧密的联系，其主要通过调节生肌调控因子家族的表达，促进肌源蛋白的合成[11]。本文从p38-MAPK信号通路的角度分析并综述了骨骼肌再生的机制，为进一步治疗骨骼肌损伤提供一定的临床参考。

2 MAPK/p38-MAPK 信号通路的组成及调节

2.1 MAPK 家族与结构

MAPK 信号通路分为4 个亚族：ERK、p38-MAPK、JNK 和ERK5[12]。其中，p38-MAPK 和JNK 主要通过环境应激和促炎刺激激活，而ERK 主要由胰岛素、有丝分裂原和生长因子激活。MAPK 信号通路广泛存在于机体调节系统中，与机体生长发育、免疫调节、细胞死亡等过程密切相关。

MAPK 信号通路是由MAPK 激酶激酶（MAP kinase kinase kinase，MKKK）、MAPK 激 酶（MAP kinase kinase，MKK）和MAPK 基本组成的一种三级级联模式。MAPK 激酶通过苏氨酸和酪氨酸双位点同时磷酸化激活MAPK 信号通路。这两个磷酸位点不在同一位置，而是被一氨基酸隔开，形成三肽基TXY。TXY 位于LOOP12 环状结构内，而多种蛋白激酶活性包括MAPK 在内均取决于LOOP12 的环状结构。这一关键结构位于蛋白激酶的亚区之间的分子表面并临近活性位点。当受到细胞因子、神经递质、激素、细胞应激等胞外刺激时，上述激酶依次被激活，共同调节细胞的病理过程，如当骨骼肌发生损伤时，这三种激酶促进骨骼肌细胞增殖分化形成新的肌细胞，进而调节骨骼肌细胞的生理病理过程[13，14]。以p38-MAPK 信号通路为例，当细胞受到外界刺激如炎症因子增加、细胞损伤、低氧胁迫等时，MKKK、MKK 依次被激活，MAPK 发生双位点磷酸化，进而进入细胞核中，细胞核内相关转录因子发生磷酸化，从而激活该通路。

2.2 p38-MAPK 信号通路

p38-MAPK 信号通路是丝氨酸/苏氨酸激酶，可以把细胞因子、生理性应激、活性氧等细胞外信号与细胞内机制联系起来。当细胞受到由细胞外传递而来的信号刺激后，MKKK、MKK 被激活，MAPK 发生磷酸化，p38-MAPK 信号通路被激活，从而调控其下游转录因子参与炎症反应、细胞分化[10]、组织再生[15]等过程。p38-MAPK 信号通路在非磷酸化的状态下是不活跃的，细胞因子、损伤等不同刺激下可引发其可逆磷酸化。磷酸化的p38-MAPK 信号通路可以激活蛋白激酶、转录因子等多种底物[16]。p38 由p38a、p38β、p38γ 和p38δ 四种异构体构成[17]，在激酶结构域内具有高度的同一性和氨基酸序列同源性[18]。P38异构体作为信号通路中的关键成员，可以将细胞外信号传到细胞内，参与细胞自身免疫、炎症等反应。四种p38 异构体通过磷酸化将细胞外信号转导到细胞内[19]。在该激酶家族的成员中，p38α 是研究最多的[15，18]，常常被用作炎症和癌症的靶点。然而，它是作为抑制剂还是促进剂常常取决于不同的癌症类型或者不同癌症的发展阶段。其他几种亚型普遍在特定的组织中有着不同的表达水平，如p38β 在大脑中大量表达、p38γ 在骨骼肌中高表达、p38δ 在胰腺、肾脏和小肠中高表达[15，18]。由此可见，p38-MAPK信号通路的激活是在广泛刺激下由一系列激酶介导的三层级联反应依次激活[19]。

p38-MAPK 信号通路的调节十分复杂。p38α 的激活可以通过MKK 非依赖性机制调节，还可以通过p38α 甲基化等活化等方式改变激活剂和底物的作用[18]，从而进一步调节其蛋白磷酸化。p38-MAPK 信号通路在骨骼肌生成的每个阶段都发挥着积极作用[20，21]。p38 作为成肌细胞增殖分化转变的调节因子，诱导成肌细胞退出细胞周期并表达肌源性基因[16]。由此可见，p38-MAPK 信号通路在骨骼肌再生方面起着重要的作用[17]。除此之外，该通路在骨骼肌生长发育和肌肉代谢等方面[22]也起着至关重要的作用。

3 骨骼肌再生的分子基础

当骨骼肌损伤后，在转录因子、信号通路等多种因素的调控下，骨骼肌干细胞——肌卫星细胞会发生增殖分化，是成肌细胞的前体细胞，当骨骼肌细胞处于正常状态时，其未被激活呈静止状态，当骨骼肌细胞受到外界刺激发生损伤时，其能及时接收到信号并作出反应、增殖分化产生新的肌细胞[23]。

损伤后的骨骼肌在修复和再生时首先需要骨骼肌细胞恢复稳态，之后再逐渐恢复完全分化组织和器官的能力。肌卫星细胞的增殖和分化受多个基因蛋白表达调控，其中主要有成肌分化因子（myogenic diffrentiation antigen，MyoD）、肌源性因子5（myogenic factor 5，Myf5）、肌细胞生成素（myogenic factor 4，Myogenin）、转录调节因子MRF4、成对框基因（paired box gene，Pax7）等[24，25]转录因子。在骨骼肌再生过程中，这些转录因子之间相互作用。首先，静息状态下的卫星细胞表达Pax7，缺乏表达MyoD 和MyoG，可能表达或不表达Myf5。进入成肌细胞时期，卫星细胞进入细胞周期并自我复制，表达Myf5 和MyoD。当增殖到一定数量后，一部分细胞会退出细胞周期，维持骨骼肌再生能力；一部分细胞继续分化，下调对Pax7 的表达并表达晚期转录因子MyoG。紧接着，在MyoG 的调控下，特异性融合成多核肌管，形成新的肌纤维来填充骨骼肌受损区域（图1）。最后，卫星细胞发生一系列级联反应，使骨骼肌具有强大的再生能力。肌膜损伤可以启动相关的信号转导过程，激活骨骼肌再生。膜损伤后诱导众多细胞激活释放和合成相关信号分子，促进骨骼肌再生。若骨骼肌受到慢性损伤，骨骼肌则无法完全再生。

图1 p38-MAPK 信号通路对骨骼肌损伤修复的机制

骨骼肌的生长发育过程还受到多种遗传因子的调控，如肌生成因子、成肌增强因子等[26]。例如，胰岛素样生长因子可以启动细胞自启动的级联反应，进而促进MyoD 等诱导的骨骼肌发育相关基因进入转录过程。该基因表达水平的变化会影响到骨骼肌生长发育相关基因的表达，进而影响到成肌细胞的增殖与分化。

4 p38-MAPK 信号通路对骨骼肌再生的影响

4.1 p38-MAPK 信号通路与肌卫星细胞

p38-MAPK 信号通路可以调控诸多细胞的成熟与存活状况，并影响细胞转录、蛋白质合成等生物学效应。肌卫星细胞激活，增殖分化在骨骼肌的损伤修复中起着决定性的作用。该通路的激活会诱导MyoD 和E 蛋白的异质化，促进肌肉特异性基因上调[27]，同时会诱导静息肌肉干细胞的激活[28]，进而促进肌细胞的增殖分化，从而促进骨骼肌进行再生修复。DengK 等[29]通过对细胞进行肥胖相关蛋白介导的m6GADD45BmRNA 修饰后发现，一种参与DNA 甲基化和去甲基化等过程的表观遗传调控基因GADD45B可通过激活p38-MAPK 途径促进肌源性分化。然而，当骨骼肌受损时，如何刺激机体激活p38-MAPK信号通路并募集更多肌卫星细胞参与调节骨骼肌损伤修复还需要进一步研究。如何进一步减少肌肉血肿和瘢痕的形成，对骨骼肌的恢复也十分重要。

4.2 p38-MAPK 信号通路与骨骼肌再生

当骨骼肌发生损伤时，p38-MAPK 信号通路会发生一系列变化，在骨骼肌再生中起着重要的作用。在小鼠骨骼肌损伤中，p38-MAPK 信号通路的激活会受到限制，进而导致胰岛素样生长因子等细胞因子的表达发生改变，巨噬细胞表型转变，进而促进骨骼肌的再生与修复[30]。同时，浸润性巨噬细胞对急性骨骼肌损伤的修复至关重要。肌内巨噬细胞的消耗或者巨噬细胞对肌卫星细胞招募的破坏将会导致急性损伤修复不良，而巨噬细胞在功能上是异质性的，其促炎、抗炎或促再生作用的发挥取决于组织环境[31，32]。

p38-MAPK 信号通路的激活会使其底物残基磷酸化，包括一些转录因子和蛋白激酶，进一步激活卫星细胞，激活的卫星细胞进入细胞周期，形成肌纤维及新的肌细胞，改善骨骼肌损伤。然而p38-MAPK 信号通路过度的激活，可以使细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21 或p16 水平增强，从而抑制卫星细胞增殖，并进一步抑制骨骼肌损伤的衰老小鼠肌卫星细胞再生[33]。也有研究表明，在环境应激反应时，p38-MAPK 信号通路通过提高肌球蛋白重链基因表达促进肌卫星细胞分化[34]，进一步调节肌纤维的形成。通过对机制进一步研究发现，p38 磷酸化蛋白水平上调，可激活p38-MAPKγ 信号通路，促进肌细胞分化[35]。相反，敲除p38-MAPK 信号通路会导致肌细胞被抑制，无法正常增殖分化[36]。以上研究进一步说明，p38-MAPK 信号通路的激活并保持稳定对骨骼肌再生与修复有着十分重要的作用[37]。

5 结论

在体育活动和日常生活中，骨骼肌损伤是十分常见的情况，会引起机体的一系列反应并对其正常活动造成不利的影响。其中，损伤后的再生修复在维持骨骼肌的功能中起着关键作用。骨骼肌损伤后通过调控p38-MAPK 信号通路的蛋白表达，并诱导其磷酸化来调控细胞中的多种生物功能，促进肌卫星细胞的增殖与分化，融合成新的肌管，并进一步形成肌纤维，在骨骼肌的发育及再生修复中发挥着不可替代的作用。该通路在骨骼肌的再生修复过程中不仅可调控细胞因子的表达，还能够调控蛋白质的合成与降解，然而，其具体调控机制还需进一步研究来阐述。总之，本文探讨了p38-MAPK 信号通路在骨骼肌损伤修复中的作用，不仅为其具体调控机制提供了理论依据，而且为其损伤修复提供了新思路和提供新的治疗靶点。