丝裂原活化蛋白激酶信号通路及其在细胞凋亡中的作用_刘瑞
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做出正确诊断。4参考文献
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丝裂原活化蛋白激酶信号通路及其在细胞凋亡中的作用刘瑞高维娟(承德医学院研究生部,河北承德067000)〔关键词〕丝裂原活化蛋白激酶(MAPK);ERK;JNK/SAPK;p38;信号转导;细胞凋亡
〔中图分类号〕R34〔文献标识码〕A〔文章编号〕1005-9202(2012)18-4089-04;doi:10.3969/j.issn.1005-9202.2012.18.129
基金项目:国家自然科学基金项目(81072923)通讯作者:高维娟(1966-),女,博士,教授,研究生导师,主要从事脑血管病发病机制研究。第一作者:刘瑞(1985-),女,在读硕士,主要从事脑血管病发病机制研究。
丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinases,MAPK)是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,存在于真核
生物的大多数细胞内。从酵母到人类该信号通路非常保守,它能响应各种胞外和胞内刺激从而被激活,在多种细胞过程中发挥关键性作用,包括增殖、分化、转化、炎症以及凋亡等〔1〕。
MAPK信号通路的异常激活与失活是许多外界刺激下细胞反
应的机制之一。在有机体中,细胞凋亡〔2〕是细胞在一定条件下接受刺激信号并受基因调控的一种自主性、程序性死亡过程。近几年,随着对细胞凋亡相关基因及其凋亡信号转导通路的进一步研究,发现MAPK信号途径在诱导细胞凋亡的过程中发挥了极为重要的作用。
1MAPK信号通路
MAPK信号转导通路,是将细胞外刺激信号传递到细胞
核,介导细胞产生反应的细胞信息传递的重要通路。在正常细胞中MAPK主要位于细胞质。从细胞外刺激作用于细胞至细胞出现相应的生物学效应,其间通过了MAPK信号转导通路多级蛋白激酶的级联反应,此级联体系主要由保守的三级信号传递网络构成〔3〕:MAPK激酶激酶(MAPKKK)、MAPK激酶(MAPKK)、MAPK。MAPK的激活机制是通过磷酸化的三级酶
促级联反应传递:MAPKKK!MAPKK!MAPK,受到外界刺激后活化的MAPK既可以磷酸化胞质内的靶蛋白,又能迅速进入细胞核作用于对应的转录因子,调节基因表达,进而影响细胞生理活动。
MAPK激活是一个非常复杂的过程。首先细胞膜上的特
定受体,如受体酪氨酸蛋白激酶(RTPK)、G蛋白耦联受体等与胞膜外的生长因子、细胞因子(TNF-α)等相结合,引起受体二聚体化及构象改变,胞外信号通过这种方式进行跨膜传递。信号传递至细胞质后,耦联膜受体与效应器的小G蛋白在信号传递过程中发挥“关卡”作用。小G蛋白属于鸟嘌呤核苷酸结合蛋白,为单链小分子,是G蛋白超家族的一大类。小G蛋白家族的成员较多,依据同源性程度的高低,将其分为6个亚家族:Ras、Rho、Arf、Sar、Ran和Rab〔4〕。目前可知Ras亚家族的Ras主要在ERK1/2的活化中、Rho亚家族Rho和Rac/cdc42主要在JNK、p38MAPK的活化中起介导MAPKKK磷酸化的作用。但不同MAPK激活途径中的MAPKKK和MAPKK则不相同。MAPKKK和MAPK为只能催化Ser/Thr磷酸化的蛋白激酶,而
MAPKK为既能磷酸化Thr,又能磷酸化Tyr的双功能蛋白激
酶。MAPK的激活依赖其第Ⅷ区存在的三肽序列Thr-Glu-Tyr、Thr-Pro-Tyr或Thr-Gly-Tyr中Thr和Tyr的磷酸化。不同的
MAPK可以被独立激活,也可以被协同激活。目前已发现存在着多条并行的MAPK信号转导通路,不同的细胞外刺激可以激活不同的MAPK信号通路,许多生长因子、细胞因子、G蛋白耦联受体、应激信号及有丝分裂原等均可激活MAPK信号转导通路。哺乳动物的MAPK亚型超过20种,如细胞外信号调节激酶(ExtracellularRegulatedProteinKi-nase,ERK)1/2、c-jun氨基末端激酶(c-JunNH2TerminalKi-nase,JNK)1/2/3又称作应激活化蛋白激酶(stress-activatedproteinkinase,SAPK)、p38MAPKα/β/γ/δ、ERK3/4、ERK5。其
中研究最广泛的成员包括ERK,JNK(C-JunNH2teminalkinase)
和p38蛋白激酶〔5〕。正常情况下,ERK、JNK和p38可促分化,
而在应激状态下,ERK起抗凋亡作用,JNK和p38则起促凋亡作用〔6,7〕。
·9804·刘瑞等丝裂原活化蛋白激酶信号通路及其在细胞凋亡中的作用第18期1.1细胞外信号调节激酶ERKERK1/2信号通路是最早发
现的Ras-Raf-MAPK经典的MAPK信号转导途径〔8〕,它包括5个亚组,ERK1/2,ERK3/4和ERK5,其中ERK1和ERK2是两个高度同源的亚类,是MAPK家族中第一个被克隆的成员〔9〕。ERK1/2与细胞增殖最为密切,其上游激酶为MAPK激酶(MEK1/2),以往研究认为MEK1与细胞分化有关,而MEK2与细胞增殖有关〔10〕。ERK1/2早期被认为是生长因子(EGF)刺激蛋白激酶磷酸化微管相关蛋白-2(MAP-2)和髓磷脂碱性蛋白(MBP),分子量分别为44和42kD,两者具有83%的同源性,在细胞内广泛表达。ERK1/2可被生长因子、血清、佛波酯和异三聚体G蛋白耦联受体的配体、细胞因子、转化生长因子、渗透压和其他细胞应激以及微管解聚作用等激活。当生长因子与受体酪氨酸蛋白激酶的配体结构域结合后,引起受体二聚体化,二聚体的RTPK提高了催化区域的酪氨酸激酶活性,并且使受体自身酪氨酸残基交互磷酸化,在RTPK膜内侧部分出现具有磷酸化酪氨酸残基的短肽序列。Ras家族和小G蛋白的结合体作用Raf-1氨基末端并将其磷酸化,活化的Raf-1又磷酸化下游的MEK1,随后启动ERK的酶促级联反应〔11〕。ERK1/2主要磷酸化蛋白激酶p90核糖体S6激酶(RSK)、分裂素、应急活化蛋白(MSK)、MAPK相互作用激酶(MNK)和参与细胞附着和迁移的蛋白包括桩蛋白、黏着斑激酶和钙蛋白酶以及Elk-1、c-Fos、c-Myc和Ets等转录因子。活化后的ERK1/2参与细胞诸多的生理过程如细胞运动、增殖、分化与凋亡等〔12〕。ERK信号转导通路至少通过3条途径调节细胞的生长:①通过磷酸化氨甲酰基磷酸合成酶激发DNA合成;②通过MAPK活化的蛋白激酶(MAPKactivatedproteinkinase,MAP-KAPK)促进细胞周期的进展;③通过增强转录因子活性蛋白(activatorprotein-,AP)-1的活性间接促进细胞的生长。1.2c-Jun氨基末端激酶JNK/SAPKJNKs家族是1990年发现的MAPKs家族成员之一,属于进化上保守的丝/苏氨酸蛋白激酶。JNK信号通路在细胞应激反应中起重要作用,可被细胞外应激如紫外线、热休克、高渗、缺血再灌注、TNF-α、EGF及某些G蛋白耦联受体激活,因而JNK也被称为应激活化蛋白激酶(stressactivatedproteinkinase,SAPK),是MAPK中重要的通路之一。编码JNK的基因包括jnk1、jnk2和jnk3〔13,14〕,其相应的编码产物JNK1,JNK2的表达具有广泛性,而JNK3仅局限于脑、心脏、睾丸等组织〔15〕。目前已知JNK蛋白激酶的底物有3种转录因子:c-Jun、Elk-1、活化转录因子(ATF)-2。JNK包含双磷酸化功能区Thr-Pro-Tyr,与c-Jun氨基末端的活化区结合并使其第63、73位丝氨酸残基磷酸化,JNK的活化是通过其氨基酸残基磷酸化,一旦被激活,胞质中的JNK移位到细胞核。活化的JNK可以和转录因子Elk-1、ATF-2及c-Jun氨基末端区域结合,它们以同二聚体或异二聚体复合物的形式和许多基因启动子上的AP-1样位点结合,提高AP-1的转录活性,促进基因的表达和蛋白质的合成,研究证明MEKK1-JNKK-JUK通路在细胞凋亡信号转导中起重要的作用。此外,实验观察到在脑缺血再灌注损伤中激活的JNK通路可调控凋亡相关基因家族成员的差异性表达:如Bad、Bax的表达上调和Bcl-2、Bcl-xl的表达下调。JNK也可通过激活胞质中的Caspase家族、诱导Fas配体的表达、磷酸化p53和NF-κB等途径导致细胞凋亡〔16,17〕。1.3p38MAPKp38MAPK是在脂多糖(LPS)刺激巨噬细胞中作为一个酪氨酸磷酸化蛋白而发现的,由360个氨基酸组成的分子量为38kD的蛋白,与JNK同属应激活化的蛋白激酶。p38MAPK有4个异构体(α、β、γ和δ),同其他MAPK比较只有
40%的同源性,而其异构体之间也只有60%的同源性。p38MAPK家族成员对各式各样的细胞外信号起反应,功能以
特别针对细胞应激原如紫外线、渗透压休克、缺氧、致炎性细胞因子以及少数生长因子〔18〕,对渗透压休克的反应被看作是p38MAPK最早期的功能。p38MAPK的激活同JNK的激活类
似,也分为小G蛋白依赖性途径和小G蛋白非依赖性途径,在p38MAPK的激活过程中,属于MAPKKK层次的激酶还有TNF-β激活激酶(TAK)、凋亡信号调节激酶(ASK)等,其下游激酶是MEK3或MEK6,通过MEKK或MLK激活的MEK4和MEK7也可以激活p38MAPK。p38MAPK途径通过磷酸化激活下游多种转录因子,控制其相应基因的表达活性,如ATH-1/2、CHOP/GADD153、ELK-1、ETS-1、MAX、MEF-2C、NF-κB、SAP-1以及最