摘要：丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)是生物体内重要的信号转导系统之一, 参与介导生长、发育、分裂、分化、死亡以及细胞间的功能同步等多种细胞过程。在哺乳动物细胞中已发现和克隆了ERK、JNK/SAPK、p38/RK、ERK5/BMK1 四个MAPK亚族。这些MAPK能被多种炎性刺激所激活, 并对炎症的发生、发展起重要调控作用。研究感染和炎症反应过程中这些MAPK被激活的机制及其生物学效应, 探讨MAPK特异性抑制剂的药理学作用及分子基础, 对于感染的防治及炎症反应的控制有着广泛的应用前景。丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)是介导细胞反应的重要信号系统, 普遍存在于多种生物, 包括酵母和哺乳动物细胞。自从1991年Sturgill及其同事在哺乳动物细胞鉴定出细胞外信号调节激酶(extracellular-signal regulated protein kinase, ERK), MAPK信号转导通路的研究取得了迅猛发展[1,2]。除ERK外, 还发现和克隆了c-Jun氨基未端激酶(c-Jun amino-terminal kinase, JNK)/应激激活蛋白激酶(stress-activated protein kinase, SAPK)、p38和ERK5/BMK1(big MAP kinase 1) 等MAPK亚族[1~3]。MAPK信号转导通路采用高度保守的三级激酶级联传递信号: 细胞外刺激通过某些环节使MKKK(MAP kinase kinase kinase)激活, 转而激活MKK(MAP kinase kinase); 然后通过对苏氨酸(threonine, T)和酪氨酸(tyrosine, Y)双位点磷酸化激活MAPK[1~3]。MAPK不同成员具有明显的序列同源性, 都是通过“T-X-Y”双位点磷酸化达到最大激活[4~6]。细胞外刺激作用于细胞, 通过多级激酶级联使MAPK激活, 激活的MAPK可通过磷酸化转录因子、细胞骨架相关蛋白、酶类等多种底物来调节多种细胞生理过程[6~9]。MAPK在介导炎症反应和细胞因子生成中起着重要的作用, 近年来我们在这方面开展了一些工作, 本文结合我们的一些发现和国内、外的研究进展, 就MAPK信号系统在炎症过程中的激活、与炎症因子生成的调控关系以及MAPK通路抑制剂在炎症控制中的应用等问题重点展开讨论。

1MAPK在炎症条件下的激活

1.1ERK通路 ERK亚族至少包括两个亚型: ERK1和ERK2。ERK通路首先被证实在EGF (epithelial growth factor)、NGF (neuronal growth factor)和PDGF(platelet-derived growth factor)等生长因子刺激引起的细胞反应中起重要调控作用[1,2]。然而, 研究发现ERK通路还参与应激刺激、细菌产物、炎症介质等引起的细胞反应, 表明ERK通路的激活与炎症反应也有着密切关系[1,2,10]。Dziarski等报道, 在RAW264.7巨噬细胞中, 可溶性葡萄球菌肽聚糖(soluble peptidoglycan, sPGN)强烈激活ERK1和ERK2, 中度激活JNK, 仅轻微地激活p38; 这与脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的作用不同, LPS能强烈地激活所有这些MAPKs[10]。ERK通路在介导炎症反应中的确切作用尚有待进一步研究。

1.2JNK通路 除了被生长因子激活外, JNK通路还能被LPS、 肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素1(IL-1)、紫外线、射线、热休克、细胞外高渗及DNA变性剂等激活[1,2]。目前JNK亚族已克隆了3个基因: JNK1、 JNK2和JNK3, 共包含至少10种剪切亚型[1,2]。生长因子刺激激活JNK依赖于Ha-Ras, 而TNF-α和IL-1等致炎细胞因子则通过Ha-Ras非依赖性方式激活JNK。JNK被激活后, 转而磷酸化转录因子c-Jun的氨基末端的特定位点。c-Jun是序列特异性转录激活因子AP-1(activating protein 1)的成分之一[1,2,5]。磷酸化的c-Jun通过诱导同源或异源二聚体形成, 与AP-1位点的顺式作用元件结合而启动某些效应基因的转录[5,11]。

1.3p38通路 p38最初被认为是一种能被LPS激活的激酶[12]。Lee等人在筛选抑制炎症因子生成的化合物(cytokine-suppressive anti-inflammatory drugs, CSAID)时, 发现一族吡啶-异咪哒唑化合物能够明显抑制IL-1和TNF-α的生成[13]。该类化合物能够与细胞内两个非常相似的MAPK同源体结合, 他们称之为CSBP1/2(CSAID-binding protein 1/2)。CSAID通过与CSBP结合并抑制其激酶活性而显著减少细胞因子的生成。测序证实CSBP1/2与小鼠p38 MAPK为同一基因[13]。除了LPS之外, 生血细胞因子, 如促红细胞生成素(erythropoietin, EPO)和白细胞介素3(IL-3)、致炎细胞因子、细菌成分、紫外线照射、细胞外高渗、H2O2、热休克等刺激都能激活这条通路[3,6]。由于其他MAPK亚族存在不同亚型, 我们对p38是否存在其他亚型进行了研究, 相继发现了3个新的p38亚型, 即p38β, p38γ, p38δ[7,8,14]。4种p38亚型在炎症条件下的激活具有各自不同的特性。譬如, MKK3和MKK6能激活p38和p38δ, 但胶内激酶分析显示, p38δ还能被某些未知的MKK所激活[8]。另外, Hale报道, 在LPS刺激的巨噬细胞内, p38α被强烈激活, 而p38δ的激活程度较低; IL-1则能激活内皮细胞中的p38α和p38β[15]。这提示, 在炎症反应中, p38α可能起主要作用。我们对细胞内p38的定位及其对刺激的反应进行了研究, 发现在RAW264.7细胞、心肌细胞、内皮细胞等在静息状态下, 主要散在分布于胞浆内, LPS、UV、高温刺激后, p38被激活并移位入核[16,17]。这提示转录因子可能是p38 MAPK的重要作用目标。目前已发现p38能激活转录因子ATF2、CHOP10、MEF2C (myocyte enhancer factor 2C)等[3,18]。通过对转录因子磷酸化来调节参与细胞反应的基因的转录表达是MAPK的重要细胞功能。除了转录因子之外, p38还能激活细胞内的一些蛋白激酶, 如MAPKAPK2/3(MAPK activated protein kinase 2/3)和PRAK(p38 regulated/activated protein kinase)[3,9]。这些丝氨酸/苏氨酸家族的成员被磷酸化激活后, 转而激活低分子量热休克蛋白(small heat-shock protein) HSP27, 从而介导细胞骨架重构, 参与细胞应激反应[9]。p38亚族的不同激酶可转移到特定的细胞内部位, 作用到细胞内相应的目标, 从而发挥不同的调节功能[3,6]。

1.4 ERK5通路 至今只发现一个ERK5/BMK1亚型能被TNF-α、H2O2、细胞外高渗等刺激激活, 说明该通路可能也参与某些条件下的炎症反应调控[19,20]。最近, 我们对p38 MAPK和BMK1 在TNF-α诱导c-jun表达中的调控作用进行了研究, 发现p38 和BMK1在TNF-α诱导c-jun转录的调控中具有协同作用。p38 和BMK1可分别上调MEF2A和MEF2D的转录活性。TNF-α通过激活p38和BMK1, 使MEF2A和MEF2D磷酸化, 从而诱导MEF2A/MEF2D异源二聚体形成, 这在TNF-α诱导的c-jun基因转录表达调控中起着重要的作用[20]。

2 MAPK与炎症因子生成的调控关系

LPS介导的细胞炎症反应是一个典型的病原体与机体相互作用的过程[3,6]。LPS刺激细胞能够激活 ERK、JNK和p38, 然后作用于各自的底物, 影响多种转录因子的活性, 从而调节包括TNF、IL-1、IL-6、IL-8等多种细胞因子在内的基因的表达。而TNF-α、IL-1、花生四烯酸(arachdonic acid, AA)产物、内皮素等多种炎症介质能激活不同MAPK, 通过促进或抑制基因的转录来调控其它炎症介质的生成。

2.1 TNF-α TNF-α是导致内毒素休克的关键介质[17]。LPS刺激单核/巨噬细胞可引起TNF-α合成和释放, 后者再诱导其它细胞因子和血小板激活因子(platelet-activated factor, PAF)等的释放。极低浓度的PAF就可刺激中性粒细胞和血管内皮细胞释放大量的TNF-α和IL-1, 而TNF-α、IL-1又可刺激巨噬细胞和血管内皮细胞产生和释放PAF。这些细胞因子协同作用, 导致炎症反应失控, 甚至引起致死性休克。我们发现LPS可激活RAW264.3细胞 p38, 使其移位入核; p38激活入核后参与了LPS诱导的TNF-α基因转录表达的调控[16,17]。ERK、JNK和p38通路都能被TNF-α强烈激活, 通过对转录因子的作用而影响TNF-α的产生和生物学效应[20]。

2.2 IL-1 IL-1也是参与炎症反应的重要介质。它在炎症中的主要作用包括刺激其它炎症介质, 如TNF-α、IL-6、IL-8、PAF和PGs等的释放、激活T和B淋巴细胞、增加粘附分子的表达、刺激急性期蛋白(可能是内生性致热原的主要成分)的生成和释放等。Guan等最近报道, IL-1β能通过激活p38而上调PGE2和下调NO的合成[21]。

2.3 AA代谢产物 AA代谢产物前列腺素(PGs)和白三烯类(LTs)在促进炎症的过程中起重要作用。ERK1/2激活可诱导环加氧酶2(cyclooxygenase 2, COX2)生成, 限制氧化应激对心肌细胞的损伤[22]。COX 是PG合成的限速酶, 经典抗炎药水杨酸类通过抑制其活性而减少PG的产生, 抑制炎症反应。p38通路和JNK通路激活后能上调IL-1β诱导的COX表达, 使PGE2合成增加, 利用p38抑制剂SC68376能完全抑制这种作用[23]。

2.4 粘附分子 炎症反应所生成的炎症介质可通过激活MAPK通路增加细胞表面多种粘附分子的表达, 促进细胞间粘附和炎症的进展。内皮细胞表达E-选择素(E-selectin)对于炎症反应中白细胞的聚集至关重要。JNK和p38通过增加E-选择素的启动子转录活性而促进E-选择素的大量表达[24]。

2.5 其它体液因子 还有一些体液因子在炎症中的作用也是通过MAPK介导的。Bruder等报道, 腺病毒感染通过激活ERK通路使细胞产生趋化因子IL-8[25]。

3 MAPK亚族间的协同作用

在多细胞生物, 尤其是哺乳动物细胞, 要准确完成某种细胞功能, 往往需要多条信号通道协同作用[3]。MPAK通路的协同作用可发生在信号转导级联的各个水平, 也可采用不同的协同作用方式和/或机制[1,3,5]。p38 MAPK对炎性分子的表达有明显影响, 在感染引起的细胞反应中具有重要的调控作用。我们用酵母双杂交技术(two-hybrid system)首次报道了p38转导通路和心肌细胞增强因子(myocyte-enhancer factor 2, MEF2)转录因子家族的成员MEF2C之间的功能联系[18]。在单核细胞受到LPS的刺激时, p38和JNK发生双位点磷酸化而被同时激活。p38的激活使MEF2C磷酸化,<