p38MAPK信号传导通路及其抑制剂的研究现状

小专论
通讯作者:朱立新,女,教授,硕士生导师,研究方向:肝癌破裂的机制,
E-m ai:l LX-Zhu @163.co m
p38MAPK 信号传导通路及其抑制剂的研究现状
张频捷,朱立新,耿小平
(安徽医科大学第一附属医院器官移植中心,安徽合肥 230022)
摘要:丝裂原活化蛋白激酶(m it ogen-acti va ted pro tein k i nases ,M APK s)级联反应是细胞内重要的信号传导系统之一,p38M APK
信号传导通路是MA PK 通路的分支之一,它通过转录因子磷酸化而改变基因的表达水平,参与多种胞内信息传递过程,能对广泛的细胞外刺激发生反应,介导细胞生长、发育、分化及死亡全过程。

近年研究发现,p38M APK 在许多疾病的发病过程中具有重要作用,其抑制剂也在相关疾病的动物模型和临床试验中获得令人可喜的成果。

关键词:丝裂原活化蛋白激酶;p38;抑制剂
p38m itogen activate d protein ki nase pat hway and its i nhibit or
ZHANG Pi n -ji e ,Z HU L-i x i n ,GENG X i a o -ping
(D epart m ent of G eneral Surg ery,T he F irst A ff iliated H osp it al of Ahhui M e d ical U ni ver sity,H e fei 230022,China )
Abstrac t :The cascade reacti on o f m it ogen -acti va ted prote i n k i nases(MA PK s)i s one o f the v ita l i ntrace ll u l a r signa l transduction sys -te m s ,p38be i ng a m e m be r ofM APK s .It can change t he l eve l o f gene expressi on through phospho ry lati on o f transcripti on factor and is i n -vo l v ed i n i ntrace ll u l a r i n f o r m ati on transfer .It can respond to w i de ex tracell ular sti m u l us and m ed iate gro w t h ,deve l op m ent ,d ifferentiati on and death o f ce lls .The recent researches i nd ica te t hat p38MA PK play s a m ajoy ro le i n the deve l op m ent o fm any d i seases and its i nhi b itor ach i eves encourag i ng resu lts i n ani m a lm ode l of re lated d i seases and c li n ica l tria.l K ey word s :m i togen -acti vated pro tei n k i nases ;p38;inh i bito r 丝裂原活化蛋白激酶(m itogen -ac ti vated prote i nki nases ,M A PK s)是细胞内重要的信号传递者,参与了多种生理过程的调节。

目前在哺乳动物体内共鉴定出4个MA PK 亚家族,包括:C-Jun N 末端激酶/应激活化蛋白激酶(c -Jun N-ter m i nal k i nases/stress ac ti vated pro te i n k i nases ,J NK s /S A PK s)、细胞外信号调节蛋白激酶(extrace ll u lar s i gna l regu l a ted ki nases ,ERK s),ERK5/大丝裂素活化蛋白激酶1(big MA P kinase 1,B MK 1),以及p38MA PK 。

他们之间的氨基酸序列同源性大于40%。

其中p38信号途径是MA PK 家族中的重要组成部分,p38M APK 可以由细胞外的多种应激包括紫外线、放射线、热休克、促炎因子、特定抗原及其他应激反应活化。

p38M A PK 在凋亡、细胞因子产生、转录调节及缺血再灌注损伤中起重要作用,其抑制剂也在相关疾病的动物模型和临床试验中获得令人可喜的成果,现对其目前的研究进展作一综述。

1 p38MAP K 的分子结构
1.1 p38MAPK 亚型与分布
p38于1993年由B rew ster
等[1]
发现,由360个氨基酸残基组成的相对分子质量为38 103的蛋白,与J NK 同属SAPK 。

H an 等[2]用高渗和内毒素刺激小鼠肝脏细胞,首次从小鼠肝脏cDNA 文库中筛选出编码p38MA PK 的基因,证明p38是由360个氨基酸构成的,分子质量约为38kD a 的蛋白质。

H an 等随后又发现了三种新的p38亚型,分别是:p38 、p38 与p38 。

在蛋白质一级结构上,他们与最早发现的p38 分别具有73%、63%和62%的序
列同源性[3]。

此外,p38 和p38 各有两种剪接方式,因此整个p38M APK 亚族共有6种亚型。

p38 的异构体被称作
Ex ip ,与其他M APK 相比,缺少一个可与上游激酶和下游底物相互作用的普通停泊功能区(co mm on docki ng do m a i n);p38 的异构体称为p38 2,比p38 缺少8个氨基酸。

在M APK 家族中的6种异构体亚型中,p38 与p38 分布广泛,几乎可以在所有的组织细胞中得到表达;p38 2主要在脑;p38 主要在骨骼肌;p38 的表达主要在肺、肾、肠、唾液腺的表皮细胞及睾丸、卵巢、肾上腺和垂体。

研究发现,p38 、p38 在未受刺激的单核细胞中,主要散在分布于胞质中,胞核区也有一定分布,受脂多糖(LPS)刺激后移位于细胞核,通过磷酸化激活各种转录因子调控相关基因的表达;p38 位于胞质中,在LP S 刺激后无移位现象,这提示p38 有可能作用于胞质中的其他酶类如M A PK 激活的蛋白激酶;p38 在静息细胞中主要分布于胞质中,受LPS 刺激后移位于胞膜区。

这6种p38亚型在LPS 刺激后移位表现的不同可能与它们在组织和细胞中分布的特异性及作用途径有关。

分子结构特征M A PK 的激活,有赖于苏氨酸(threon i ne ,T )和酪氨酸(tyrosi ne ,Y )双位点的同时磷酸化。

这两个位点被一个氨基酸隔开,构成T-X aa -Y 的三肽模块。

不同的M APK 亚族,X aa 对应的氨基酸有所不同。

在p38中,X aa 代表甘氨酸残基,形成T-G-Y 模块。

三肽模块位于蛋白激酶第 和第 结构域之间的 T 环结构(T-l oop) 内,这一结构也被称作 L12环状结构(L oop -12structure) 。

T 环位于分子表面并临近激活位点,因其部分残基形成唇状结构,因此也被形象地称作 磷酸化唇 或 激活唇 ,是决定激酶活性的关键区域[2,3]。

不同的M A PK,T 环的长度有所不同。

ERK 的最长,p38的最短,仅含19个氨基酸。

T 环长度在控制激酶自主磷酸化过程中具有重要的作用,并且可以影响激酶的底物特异性[2]。

虽然磷酸化环状结构可以和丝裂原活化蛋白激酶激
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酶(MA PKK)发生作用,但却是p38的其他区域决定了M AP-KK作用的特异性,这些区域可能包括了p38的氨基末端部分[3]。

1.2 p38MAP K的信号调节
1.2.1 p38MA PK上游信号的调节 MA PK信号转导途径的激活途径相似,都是保守的三级酶促级联反应:MA PK激酶激酶(MA PKKK) M A PK激酶(M APKK) M A PK,激活后都能作用于转录因子,调节特定的基因表达。

p38M APK的信号转导途径亦是磷酸化级联反应:M EKK s/TAK MKK6/ M KK3 p38MA PK,其中p38MA PK通路的关键酶包括:M AP-KKK类的M TK1,M LK2,M LK3,DLK,A S K1,TAK1等;及M AP-KK类的MKK3、M KK4、MKK6,其中M KK3与MKK6是公认的p38上游激酶,他们能直接磷酸化酪氨酸、丝氨酸/苏氨酸残基激活p38[4,5]。

M KK3只能对p38 、p38 、p38 进行磷酸化,而M KK6还可以磷酸化p38 。

目前认为M KK4能通过直接磷酸化丝氨酸/苏氨酸残基激活p38M APK,但在哺乳动物体内MKK4/p38通路是否具有作用仍需进一步验证[6]。

其他如RHO家族的GTP结合蛋白R ac和Cdc42,也可以通过一组称为PAK s(P21-acti v ated k i nases)的丝氨酸/苏氨酸激酶来发挥激活p38的作用。

1.2.2 p38MA PK的下游效应 p38信号通路控制多种转录因子的基因表达活性,如激活作用转录因子、生长停滞及DNA损伤基因、核因子- B、热休克转录因子等[7],其中有些转录因子是p38直接底物,而有些是p38间接底物。

p38 M A PK可影响多种细胞因子的产生,p38M APK的激活不仅能促进单核巨噬细胞产生TNF- 、白细胞介素(IL)-1、IL-4、I L-6、I L-8、I L-12等炎性因子外,还可使抑炎因子IL-10的产生明显增加,实验证明,IL-10参与的免疫抑制反应是由p38途径介导的。

p38还可介导中性粒细胞的活化,用粒-巨噬细胞集落刺激因子、TNF- 处理中性粒细胞后可致p38M APK的激活,粒-巨噬细胞集落刺激因子和TNF- 可明显增强中性粒细胞的呼吸爆发作用。

p38通路增加细胞内一氧化氮(NO)的产生,使细胞内诱导型一氧化氮合酶(i N OS)的浓度增加。

NO诱导中性粒细胞凋亡也需要p38途径的参与,另外,p38通路还参与细胞骨架蛋白的合成。

2 p38MAP K的生物学功能
2.1 调控细胞凋亡 细胞凋亡是在特定时空中发生的、受机体严密调控的细胞 自杀 现象。

p38MA PK在凋亡过程中的作用具有刺激物和底物依赖性,在调控细胞生长中具有正性和负性双重作用,在某些细胞株中可促进细胞的凋亡,而在另一些细胞株中则可促进细胞增生及分化。

诱导凋亡的因素如紫外线、高渗环境、细胞因子、细菌成分和生理应激等能启动细胞内的一系列反应,最终导致双位点特异激酶M EK/M KK 磷酸化邻近的酪氨酸与苏氨酸,激活p38MA PK通路,之后移位于相应的转录因子,启动基因转录。

目前认为,p38MA PK 在细胞凋亡中通过(1)增强c-m yc表达;(2)磷酸化p53;(3)参与F as/Fas l介导的凋亡;(4)激活c-j un和c-f os;(5)诱导Bax转位;(6)增强TNF- 表达等多种途径诱导凋亡。

但也有研究表明,p38M APK信号通路也通过抑制前凋亡信号的产生,参与介导细胞存活信号通路而抑制细胞凋亡。

p38MA PK 促进凋亡或抑制凋亡可能与p38M A PK激活的性质有关,如短期p38的激活可引起造血肿瘤细胞SKT6分化,而长时间的激活则可促进其凋亡;在TN F- 处理的中性粒细胞中,早期p38的激活可延迟凋亡,而晚期p38的激活可加速凋亡。

2.2 与恶性肿瘤的关系 L ee[8]在研究胃癌细胞系NUGC-3和M KN-28时发现,在肝细胞生长因子(HGF)的刺激下,会出现尿激酶型纤溶酶原激活物(u-PA)的表达上调,起到促进肿瘤细胞侵袭、迁移的作用。

ERK上游激酶M EK-1的抑制剂PD98059可以抑制HGF诱导的细胞增殖,减少u-PA的分泌,而p38抑制剂SB203580则可以通过提高ERK的磷酸化水平起到促进肿瘤发展的作用,提示这两种胃癌细胞系的转移过程可能主要接受ERK通路的调控,而p38可以通过灭活ERK 发挥抑制肿瘤细胞转移的作用。

另有多项研究表明,p38MA PK通路同时参与肝癌的侵袭与转移。

H si eh等[9]研究了M APK通路的活化在蛋白激酶C (PKC )介导的人类肝癌细胞株(HCC)转移和侵袭中的作用。

结果发现PKC 低表达的细胞株si PK C -SK其细胞增殖能力、侵袭性均降低,且伴有p38MA PK磷酸化水平降低,此外经p38M A PK抑制剂SB203580处理后的细胞株SK-H ep-1的侵袭及转移能力也降低。

表明p38M A PK在PKC 介导的肝癌细胞侵袭性形成起重要作用。

毛华等[10]研究发现:血管内皮细胞生长因子(V EGF)可通过p38M APK信号传导通路诱导肝癌细胞转移,阻断p38M APK信号传导通路可以抑制V E G F诱导肝癌细胞转移。

徐正府等[11]研究发现p38 M APK在肝癌组织中的表达明显高于癌旁组织,p38M APK在肝癌的生长过程中发挥了重要作用,可能参与了癌细胞的侵袭和转移机制。

2.3 炎性反应 机体发生炎症反应时,血液中的白细胞从血管中游出浸润到炎症局部需要经过附壁、粘着、游出和趋化作用等阶段,均与p38M APK的激活紧密相关。

p38M APK的激活不仅能促进单核巨噬细胞产生TN F- 、IL-1、I L-4、IL-6、IL-8、I L-12等炎性因子,还可介导中性粒细胞的活化,中性粒细胞炎性聚集很大程度上依赖p38的激活,用GM-CSF、TN F- 处理中性粒细胞后可致p38M APK的激活,GM-CGF和TN F- 可明显增强中性粒细胞的呼吸爆发作用。

另外,中性粒细胞的化学趋化作用也同样需要p38途径的参与,这可能同M AP-KAP2使HSP27磷酸化有关,中性粒细胞到达炎症区后,p38可继续起作用,如通过NADPH氧化酶产生活性氧、IgG、补体等。

应用p38MA PK抑制剂能够显著抑制中性粒细胞趋化性和超氧化物产生,减轻炎症反应[12]。

大量体外实验和体内实验证明,急性胰腺炎时p38 M APK活性明显升高,同时伴随多种细胞因子基因表达的上调和血清水平的增高。

应用p38M APK抑制剂进行干预能明显减少白细胞浸润,抑制细胞因子产生,降低血淀粉酶水平,减轻胰腺和肺脏的损伤,并且能够提高实验动物的生存率。

同时,相关动物实验证实p38M APK抑制剂能够显著减轻S A P相关的肺功能、肝功能损伤,减少肝细胞凋亡[13]。

2.4 缺血/再灌注损伤 缺血/再灌注损伤一直是备受医学界关注的问题,是目前医学研究的热点之一。

心、脑、肝、肾等是发生缺血/再灌注损伤的极为常见的重要器官,人们对这些器官损伤的发生机理进行了大量研究,积累了较为丰富的资料。

许多研究证实,细胞因子通过多种途径参与组织缺血/再灌注损伤。

细胞因子的产生与p38M APK途径密切相关。

再灌注所产生的氧化物可使p38M APK得以激活,进而使得
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细胞因子产生增多。

李荣山等[14]的大鼠实验发现,p38
M A PK 特异性阻滞剂SB203580可显著减少肾缺血再灌注损伤诱导的p38M APK 通路的激活,进而减少肾小管上皮细胞凋亡的发生。

日本Gun m a 大学医学院[15,16]的多项动物实验发现,在冷保存液(UW 液、Ce lsi o r 液)中加入p38MA PK 特异性阻滞剂(FR167653)能减轻心、肺、肝移植中的缺血再灌注损伤。

王雨等[17,18]的动物实验提示:缺血再灌注期间,p38信号转导途径的激活与离体肝损伤密切相关,p38M APK 可能是在转录水平对TNF- 和I CAM l 的生成发挥调节作用,进而导致离体肝脏缺血再灌注损伤。

在冷保存液中加入抑制剂SB202190后,离体肝再灌注期间p38M APK 活性受到显著性抑制,而且能够使离体肝于缺血再灌注期间损伤程度明显降低。

3 p38MAP K 抑制剂的发展
基于p38M APK 所具有的重要的生物学功能,其抑制剂的研究也得到了迅速的发展,10余年已有上百种抑制剂被报道[19]。

这些人工合成的p38M APK 抑制剂在化学结构上可以分为两类,一类是吡啶咪唑芳基杂环类化合物,有近20个系列,其中以SB203580的应用最为广泛,其他化合物都是在SB203580分子结构基础上替换、添加不同的基团来改造咪唑核的修饰基团和咪唑核本身,以期解决原有化合物的毒性和选择性问题。

第二类化合物包括N,N 双芳基脲、N,N 双芳基脲、苯甲酮、吡唑酮、吲哚酰胺、二酰胺、喹唑酮、双嘧啶、吡啶氨喹唑琳等九小类。

这类化合物在化学拓扑学上涉及范围广泛,能高效抑制p38MA PK,对其他激酶有很好的选择性。

此外,还发现一些天然产物(如大黄素、川芎内酯等)对p38MA PK 也有着不同程度的抑制作用。

这些p38M APK 抑制剂主要是通过自接或间接竞争性结合p38的AT P 结合位点发挥抑制作用,部分已进入临床药物实验。

4 展望
p38MA PK 在临床多种疾病的发病机制中有重要作用,如调控肿瘤细胞的生长、炎症反应,缺血/再灌注损伤等,目前已有许多研究用p38M APK 的抑制剂干预治疗相关疾病,已经取得了可喜的成果。

相信随着研究的深入,p38MA PK 信号转导通路及其抑制剂的生物效应将更加清楚、明了,会取得更加广泛的临床应用前景。

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(收稿日期:2009-11-11)
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