PI3K、PKC、MAPK信号转导途径及其在支气管哮喘中的作用.doc

PI3K、PKC、MAPK信号转导途径及其在支气管哮喘中的作用 作者：王正艳 综述, 王成国 审校 作者单位：(郧阳医学院附属东风医院呼吸内科,湖北 十堰 442008) 【关键词】 支气管哮喘;磷酯酰肌醇-3激酶;蛋白激酶C;丝裂原活化蛋白激酶 在支气管哮喘(简称哮喘)患者体内存在着庞大的细胞因子、黏附因子和炎性介质网络系统，研究发现哮喘患者体内存在的受体信号转导系统调控着细胞因子、黏附因子和炎性介质对机体的作用。其中，磷脂酸肌醇-3-激酶(phosphatidy linositol 3-kinase,PI3K)，蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC),丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK) 信号系统是最重要的参与哮喘发病机制的信号途径。本文就PKC、MAPK、PI3K信号转导途径的特点及其与支气管哮喘的关系作一综述。 1 PI3K、PKC、MAPK信号转导途径的特点 1.1 PI3K信号转导途径的特点 PI3K家族是一类特异性地催化磷酯酰肌醇(phosphatidyl inositol,PI)3-位羟基磷酸化,产生具有第二信使作用的肌醇脂类物质的激酶。哺乳动物PI3K家族成员众多,按照其结构特征及作用底物的特异性等差异,将此家族划分3类1。类PI3K由催化亚基与调节亚基组成异二聚体,在细胞中的优先生理底物是PI(4,5)P2。类PI3K可进一步分为两亚类,由调节亚基p85和催化亚基p110 / / 之一组成的异二聚体为A类,p101和催化亚基p110 组成的异二聚体为B类,二者在细胞中具有不同的活化机制及作用2。A类PI3K调节亚单位凭借SH结构域与上游蛋白的磷酸化酪氨酸残基相互作用,可以引起p110催化亚单位膜转位和激活;B类PI3K由GPCR激活。类成员特征是在羧基末端有C2结构域,主要磷酸化PI和PI4-P。类成员只磷酸化PI。人的气道平滑肌细胞只表达A类、类、和类PI3K,而不表达B类PI3K。 PI3K调节许多细胞功能,包括细胞增殖、 分化、 翻译、 运动和凋亡。PI3K作为磷酸化膜上磷脂酰肌醇D3 位肌醇环的酶家族存在,并且作为蛋白激酶磷酸化靶蛋白的丝氨酸基团。D3磷脂酰肌醇作为第二信使并激活下游的效应分子,如P70S6K、 蛋白激酶B(PKB)和Akt。PI3K/AKT通路是PI3K主要介导的下游信号传递途径,其中蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)是一种相对分子质量约为60 000蛋白,在PI3K的信号转导途径中起着关键作用。它是逆转录病毒Akt 的癌基因产物,故又称Akt。当细胞在受到激素、 生长因子和细胞因子刺激后,无活性的胞质PKB得到PI3K的产物PI(3,4)P2,PI(3,4,5)P3,它们与PKB的PH区特异性的结合,诱使其构象发生变化,并转位至胞质膜,发生磷酸化而激活。PKB激活后可以抑制多种刺激诱发的细胞凋亡,促进细胞周期的进展，介导细胞生长与增殖、蛋白质合成、抗凋亡等细胞事件。 1.2 PKC信号转导途径的特点 PKC是1977年在鼠脑的胞质成分中发现的一种依赖磷脂和钙的蛋白激酶，由多种具有不同生物学特性的同工酶组成。迄今为止，已至少发现有12种PKC亚型。通常分为三类：(1)钙依赖型或经典型PKC(classical,cPKCs)：由 , 1, 2, 组成，激活时需要依赖Ca2+，DG和磷脂酰丝氨酸(PS)或佛波酯(PMA);(2)钙不敏感型或新型PKC(novel,nPKCs)由 ,ε, 和 组成，不需要Ca2+，但需DG，磷脂或PMA;(3)非典型PKC(atypical,aPKCs):由 , , 组成，仅需磷脂类物质激活而不依赖Ca2+,DG及PMA;此外，近年来又发现一种PKC ，它不需Ca2+,DG激活，而由磷脂酞肌醇-4,5-二磷酸激活，但在结构上与前三种类型相似，为PKC超家族第四种类型。 PKC是一个由多基因家族编码的多肽类物质，其分子量约80 kD，由737872个氨基酸残基构成一条单多肽链，N-末端为疏水的结构域(调节区域)，C-端为亲水的蛋白激酶。N-末端结构域是酶的催化部位(催化区域)。PKC通常以无活性的形式存在于细胞中，细胞外信号分子与受体结合通过偶联蛋白活化磷脂酶C(PLC)，使磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)分解，产生三磷酸肌醇(IP3)和DG,IP3促钙池中的Ca2+释放，使胞浆中Ca2+浓度升高，PKC被激活。PKC亚型对不同细胞增殖、分化均有不同的影响。PKC与细胞周期之间有正性和负性双重作用。不同的PKC亚型对细胞凋亡的调节具有双相作用，这可能与其亚型的特异性有关。报道认为PKCε对转录因子NF- B的活化也是必需的,其作用机理是:PKCε通过激活应答生长因子,激活核因子B,激活激酶的活化,介导I B激酶的激活来完成对转录因子NF- B的活化。另一方面,PKCε似乎通过脂多糖刺激巨噬细胞诱导丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶1的活化来对丝裂原活化蛋白激酶进行级联负调控3。细胞中PKC的短时间和长时间激活又可产生不同的生理反应，前者磷酸化底物蛋白质，后者则和细胞的增殖、分化有关。 1.3 MAPK信号转导途径的特点 MAPK通路包括细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)，c-jun氨基端激酶(c-jun N-terminal kinase,JNK)/应激活化的蛋白激酶(stress activated protein kinase,SAPK)和p38 MAPK，BMK1ERK5等亚族4。其中ERK被丝裂原和促增殖刺激活化，主要对细胞的生长、分裂和分化信号进行传导;而JNK和p38 MAPK主要对炎性细胞因子和多种类型的细胞应激信号(如紫外光、热，渗透压的变化)进行传导5。整个Ras/MAPK信号通路在胚胎的发育,细胞的分化、增殖、死亡等生物学过程中具有重要的调节作用,活化一些转录因子、蛋白激酶等,引发多种生物学效应。 MAPK家族中每一种激酶都有其亚型或同种型,它们通过对底物的选择,使不同的信号通路具有特异性。ERK信号转导通路，目前已发现ERK蛋白激酶有3种亚型,即ERK1,ERK2和ERK3。在此通路中,细胞外刺激通过磷酸化反应激活小G蛋白Ras,后者是Raf的激活者,Raf蛋白具有MAPKKK活性,它通过使MEK1(MAPKK1)和MEK2(MAPKK2)的丝-苏氨酸磷酸化而激活MEK1和MEK2,进而激活ERK1，pERK2,从而自Ras到ERK形成一条由蛋白质分子组成的链状信息传递通路。目前研究证实PKC参与了对Raf的直接磷酸化,但研究发现这种磷酸化并不足以使Raf 激活MEK,提示完全激活Raf可能需要Ras和PKC的共同作用。 JNK信号转导通路:JNK能使c2Jun N端转录区活性区中的Ser63和Ser70磷酸化,从而提高其转录活性,因发现其与应激密切相关,故亦称为应激活化蛋白激酶(SAPK)。在哺乳动物中,JNK由JNK1，JNK2，JNK3组成。其上游激酶MAPKK为MKK4和MKK7,MKK4和MKK7的上游激酶目前尚不完全清楚,可能为MEKK1、MLK以及MUK。 p38 MAPK信号转导通路:p38 MAPK在体内分布广泛，具有4个亚型：p38 、p38 、p38 、p38 。p38 、p38 在各种组织中广泛存在，p38 主要存在于骨骼肌中，p38 则多见于睾丸、胰腺、前列腺、小肠、唾液腺、垂体和肾上腺等处 。p38 MAPK途径主要被促炎因子(TNF- 、-p)、应激刺激(紫外线、过氧化氢、热损伤、高渗透性损伤)、脂多糖、蛋白合成抑制剂、细菌病原体及其产物等激活。目前认为MKK6和MKK3是p38 MAPK的上游激酶,它们能使p38 MAPK催化区TGY基序中的苏氨酸和酪氨酸残基磷酸化进而使其激活,其中MKK6是激活p38 MAPK的主要激酶。p38被激活后可进入到细胞核或转移到其他部位，主要参与应激条件下细胞的免疫调节、炎症反应和细胞凋亡过程5。 1.4 三条信号通道的相互联系 生物机体内信号系统错综复杂，形成一个网络;MAPK、PI3K、PKC信号系统也相互影响，共同调控着机体的内环境变化。 PI3K催化生成的产物可激活PKC-ε和PKC- ，其分别调控NF- B,AP-1的活化。PKC- ,PKC- ,PKC- 活化后可使raf-1磷酸化而激活， 活化的raf-1通过MAPK级联反应激活MAPK，活化的MAPK再活化一些转录因子、蛋白激酶等,引发多种生物学效应。而B型PI3K对MAPK的活化则与丝裂原刺激导致的细胞生长增殖有关。 2 MAPK、PI3K、PKC信号系统与支气管哮喘的关系 气道慢性炎症和气道重构是支气管哮喘的重要特征。在哮喘气道慢性炎症过程中,嗜酸粒细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、肥大细胞等通过释放炎症因子及细胞因子起作用;哮喘的气道重构则以气道平滑肌细胞增生肥大、上皮下胶原纤维沉积等为特点。PI3K、PKC、MAPK信号途径在哮喘发病机制中的许多环节上都起着重要作用。 2.1 MAPK、PKC、PI3K信号系统干预哮喘患者气道炎症反应的过程 慢性气道炎症是哮喘的本质,嗜酸粒细胞(Eos)、T细胞、肥大细胞、中性粒细胞等的激活、浸润气道并介导的炎症介质释放是气道损伤的关键。已有的文献研究6表明PI3K通过产生脂类第二信使分子,导致众多细胞内信号级联通路的活化,可广泛调控上述细胞的炎性效应,如参与Eos、肥大细胞的迁移和脱颗粒作用,影响中性粒细胞的聚集及活化,与CD28协同刺激信号协同促进T细胞的早期活化增殖、介导IL-2分泌、抗T细胞凋亡等。 研究发现7,哮喘患者外周血淋巴细胞的PKC活性显著增加,PKC可能参与了哮喘患者外周血T淋巴细胞的活化。目前发现PKC信号途径也参与介导了T细胞的增殖过程。PKC,MAPK,PI3K共同的下游信号分子NF- B对哮喘患者外周血T淋巴细胞的增殖及凋亡也具有调控作用。提示PKC-NF- B信号转导途径的激活可能是哮喘的发病机制之一。 在哮喘患者体内，MAPK使cPLA2磷酸化并导致其激活，释放花生四烯酸，花生四烯酸是前列腺素的前体，前列腺素作为细胞内的信使，可以活化腺苷酸环化酶，该酶活化产生的第二信使cAMP又能激活蛋白激酶A。cPLA2是白三烯，前列腺素，血栓素A2,血小板活化因子和溶血磷脂等炎性介质生成的限速酶，在哮喘发病中起着重要作用。MAPK还可以促进转录因子磷酸化并参与激素抵抗型哮喘的发病机制，其促进胞浆蛋白磷酸化，使其产生白三烯等炎性介质，导致哮喘发作;另外MAPK与生长因子及其它细胞因子对哮喘的发生有协同作用8。 2.2 MAPK、PKC、PI3K信号系统在哮喘气道平滑肌增殖中的作用 过去一直认为,ASMCs有丝分裂增殖由ERK/PKC信号通路调控。最近研究认为,PI3K及其所引起的信号级联反应作为一个极重要的第二信号通路影响ASMCs增殖。故目前认为ERK和PI3K的激活所介导的信号转导途径是它们诱导ASMC增殖的两条最重要的途径9，而PKC也参与了其中。 PI3K通过产生脂类第二信使分子,导致众多细胞内信号级联通路的活化,它在哮喘气道平滑肌增殖中起着十分关键的作用。Scott等首先证实 PI3K的活性与培养的牛气道平滑肌的有丝分裂成正比,应用PI3K抑制剂Wortmannin可显著减少(达90%以上)牛气道平滑肌细胞的DNA合成。并证实p70S6K作为PI3K的下游信号参与此作用。许淑云10-11等在研究中发现：哮喘气道平滑肌细胞的增殖活性增加，哮喘组气道平滑肌细胞PKC- 的mRNA和蛋白表达均较正常对照组显著增高,提示PKC及其亚型PKC 可能参与哮喘大鼠气道平滑肌细胞的增殖，在哮喘气道平滑肌增殖的信号转导中具有重要作用。在其随后的研究7中进一步发现，PKC,MAPK,PI3K共同的下游信号分子NF- B可以促使DNA合成增加，导致气道平滑肌细胞增殖。 2.3 MAPK、PKC、PI3K信号系统的抑制剂对支气管哮喘的治疗作用 由于MAPK，PKC，PI3K信号转导通路在哮喘病理生理过程中的重要作用,合理的设计MAPK，PKC，PI3K的抑制剂必然成为针对哮喘病因的有效治疗干预方式。在过去的几年里,p38 MAPK抑制剂潜在的治疗角色已在哮喘模型中得到检测12。选择性的JNK抑制剂SP600125和SPC105在哮喘模型实验中十分有效。小鼠的哮喘模型实验中,SP600125能明显减少肺泡灌洗液中嗜酸粒细胞和淋巴细胞的数量,并能抑制嗜酸粒细胞1