p38 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與椎間盤退變

文天用,李放,葉超群

下腰痛是當(dāng)今社會的常見病和多發(fā)病,是導(dǎo)致人們勞動力喪失的主要原因之一。腰椎間盤突出癥、椎管狹窄癥等一系列脊柱退行性變是引起下腰痛最常見的原因,椎間盤退變被公認(rèn)為它們的啟動環(huán)節(jié)。既往針對間盤退變細(xì)胞、基質(zhì)水平的研究顯示,間盤內(nèi)髓核細(xì)胞的凋亡、炎性介質(zhì)的濃聚、基質(zhì)裂解酶的釋放等均參與椎間盤退變的病理過程。目前學(xué)界大多認(rèn)為,p38 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在這些病理生理過程中起重要調(diào)控作用。我們回顧了近10年來有關(guān)p38途徑及其與間盤退變方面的文獻(xiàn),以此來探尋p38途徑作為椎間盤退變分子水平治療切入點的可行性。

1 p38途徑簡介

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)三級酶聯(lián)是細(xì)胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一。在哺乳動物細(xì)胞MAPK通路主要有:細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)通路、p38 MAPK通路、c-jun氨基末端激酶(JNK)通路和 ERK5通路。p38 MAPK發(fā)現(xiàn)較晚,目前認(rèn)為與細(xì)胞增殖、凋亡和細(xì)胞因子的合成密切相關(guān)。

1.1 p38 MAPK的發(fā)現(xiàn)、分型與分布 p38 MAPK 1993年由Brewster、Han等在不同實驗中發(fā)現(xiàn)[1],是由360個氨基酸殘基組成的 38 kDa蛋白。p38 MAPK存在 6種異構(gòu)形式,即p38α 1/α 2、p38β1/β2、p38γ和 p38δ,不同異構(gòu)體的分布具有組織特異性。p38α在各種組織中廣泛存在;p38β以腦組織含量最豐富;p38γ主要存在于骨骼肌中;p38δ則多見于睪丸、胰腺、前列腺、小腸等處[2]。在椎間盤組織中,文獻(xiàn)報道以p38α和 p38β為主,且司職不同產(chǎn)物的合成:細(xì)胞在IL-1存在的條件下,p38α介導(dǎo)合成COX-2,p38β則是PGE2[3]。

1.2 p38 MAPK級聯(lián)反應(yīng) p38 MAPK級聯(lián)反應(yīng)由三酶模體構(gòu)成,即①MKKK:TAK1、ASK1、SPRK 、PAK、MLK;②MKK:MKK3、MKK4、MKK6;③MAPK:p38α、p38β、p38δ、p38γ。 細(xì)胞外信號與受體特異結(jié)合后,通過磷酸化PAK和MLK(主要為MLK3),促進(jìn)MKK3/MKK6基因表達(dá),并使其表達(dá)蛋白磷酸化,進(jìn)而誘導(dǎo)p38 MAPK基因轉(zhuǎn)錄;活化的p38 MAPK作用底物包括活化轉(zhuǎn)錄因子2(ATF2)、肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2c(MEF2c)、C/EBP同源蛋白10(CHOP10)等轉(zhuǎn)錄因子,通過轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控發(fā)揮其功能。

1.3 p38 MAPK的激活與功能 p38 MAPK可被一些應(yīng)激因素:機(jī)械應(yīng)力、滲透壓變化、氧化、脂多糖、蛋白合成抑制劑等激活;也可以被 GPCR和IL-1、TNF-α等細(xì)胞因子受體激活。激活后發(fā)揮如下功能:①影響細(xì)胞因子的產(chǎn)生:其特異性抑制劑SB203580可以抑制單核細(xì)胞中IL-1和 TNF-α的產(chǎn)生,抑制 T細(xì)胞IL-2的產(chǎn)生[4];②與細(xì)胞因子誘導(dǎo)的增殖反應(yīng)相關(guān):可抑制IL-2、IL-7誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖;③參與調(diào)控細(xì)胞凋亡過程:應(yīng)用特異性抑制劑SB203580,證明p38途徑參與了Fas在T細(xì)胞中誘導(dǎo)的凋亡,也參與了BCR交聯(lián)引發(fā)的未成熟B細(xì)胞模型CH31的凋亡[5]。

1.4 p38 MAPK的抑制劑 p38 MAPK的專一抑制劑為吡啶咪唑類衍生物,如第一代 SB202190、SB203580、SB220025,第二代SB239063,這些抑制劑可阻斷p38 MAPK的激活,不同的抑制劑可特異抑制p38 MAPK家族中不同的成員[6]。p38α和β異構(gòu)體對此類抑制劑敏感,而γ和δ異構(gòu)體則對此藥物具有拮抗作用。研究表明,SB203580并不阻斷上游激酶對p38的激活,而是作用于p38 ATP結(jié)合活性位點Thr106,使p38失去了與A TP結(jié)合的能力,從而使其失去激酶活性[7]。

2 p38 MAPK在椎間盤退變中的作用

2.1 炎性介質(zhì)濃聚 除機(jī)械應(yīng)力、年齡等因素外,炎癥因素在間盤退變和其他脊柱退變中也起著重要的作用[8],其中IL-1、IL-6、TNF-α是目前研究的重點。脊柱退變引起生物力學(xué)平衡的打破、局部微環(huán)境滲透壓的變化、氧自由基的富集,激活p38 MAPK[9],繼而引起 TNF-α、IL-1、IL-6和 COX-2濃度的上調(diào),這與椎間盤退變、根性癥狀密切相關(guān)[10]。TNF-α可引起間盤基質(zhì)的降解、抑制髓核細(xì)胞合成蛋白聚糖和Ⅱ型膠原、誘導(dǎo)髓核細(xì)胞凋亡[8]。在對關(guān)節(jié)炎的研究中,IL-6認(rèn)為既有抗炎作用又有促炎作用[11];但在椎間盤,有部分學(xué)者認(rèn)為它與退變程度呈正相關(guān),下調(diào)基質(zhì)蛋白的表達(dá)、上調(diào)MM Ps和ADAM Ts的轉(zhuǎn)錄[12]。IL-1和TNF-α不僅作為 p38 MAPK激活后的產(chǎn)物,作用于下游因子、酶,還反饋激活p38 MAPK,形成瀑布式的正反饋循環(huán)。

2.2 間盤細(xì)胞凋亡 目前認(rèn)為,間盤細(xì)胞凋亡與間盤退變關(guān)系密切[13]。退變的脊柱環(huán)境中導(dǎo)致間盤細(xì)胞凋亡的因素有很多,包括氧化應(yīng)激、力學(xué)刺激、因子介導(dǎo)等。近年研究發(fā)現(xiàn),在許多細(xì)胞體系中,氧自由基可能通過激活MAPK通路調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化及凋亡[14]。國內(nèi)學(xué)者通過對過氧化氫刺激后的髓核細(xì)胞應(yīng)用p38阻斷劑SB203580和 JNK阻斷劑SP600125,證明細(xì)胞凋亡系由p38 MAPK和JNK兩條通路共同作用引起[15];在力學(xué)刺激引起血管平滑肌細(xì)胞凋亡的研究中發(fā)現(xiàn),p38 MAPK促進(jìn)凋亡過程[16];但在壓力刺激下觀察椎間盤軟骨終板內(nèi)細(xì)胞凋亡情況卻發(fā)現(xiàn),細(xì)胞凋亡的程度與壓力呈正相關(guān),但添加p38 MAPK阻斷劑后,凋亡程度不降反增[17],說明其中機(jī)制尚存爭議。我們知道NO途徑和Fas途徑是介導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡的兩個最重要的途徑,p38 MAPK可以增加骨性關(guān)節(jié)炎(OA)中NO的表達(dá)量[18],對IL-1刺激后的髓核細(xì)胞應(yīng)用p38 MAPK抑制劑,可下調(diào)誘導(dǎo)型NO合酶(iNOS)轉(zhuǎn)錄水平,從而降低NO的合成、控制凋亡的進(jìn)程[18]。

2.3 基質(zhì)降解酶的釋放 隨著炎性因子的濃聚、細(xì)胞凋亡的進(jìn)行,椎間盤內(nèi)細(xì)胞的數(shù)量、活力都受到影響,引起基質(zhì)成分失衡、代謝紊亂;而基質(zhì)環(huán)境的惡化,會進(jìn)一步影響細(xì)胞數(shù)量、活力,形成惡性循環(huán)。在IL-1存在的條件下,培養(yǎng)的髓核細(xì)胞下調(diào)Ⅱ型膠原、蛋白聚糖、Ⅰ型膠原的mRNA轉(zhuǎn)錄水平,對多能蛋白聚糖的轉(zhuǎn)錄沒有影響,這與間盤退變模型中髓核細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)錄水平的變化相仿(除了Ⅰ型膠原,其余mRNA水平在模型中無變化);p38 MAPK抑制劑應(yīng)用后,可控制三者mRNA轉(zhuǎn)錄的下調(diào)[18]。另外,p38 MAPK還介導(dǎo)基質(zhì)降解酶合成與釋放,這提示p38 MAPK不僅抑制基質(zhì)合成,還加速基質(zhì)分解。在OA的發(fā)病過程中,IL-1、TNF-α等在p38 MAPK參與下誘導(dǎo)組織細(xì)胞產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)、抑制金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMPs)的合成[19]。其中,MMP-3、MMP-7屬于基質(zhì)分解酶類,MMP-9屬于明膠酶類,MMP-13屬于膠原酶類,在降解Ⅱ型膠原中起主要作用;TIMPs是MMPs活性的主要抑制劑,已發(fā)現(xiàn)的有 TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和 TIM P-4 4型。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),用 p38 MAPK抑制劑來調(diào)控IL-1、TNF-α對MMPs及TIMPs合成的結(jié)果不同:單純IL-1刺激髓核細(xì)胞早期可提高TIMPs表達(dá),應(yīng)用抑制劑后只是加強(qiáng)這一作用并保持下去;而單純 TNF-α刺激,則造成 TIMPs表達(dá)的持續(xù)抑制,應(yīng)用抑制劑也僅可早期改善,后期仍然低表達(dá);這樣的區(qū)別也出現(xiàn)在提高M(jìn)MPs合成的過程中,其中對于IL-1、TNF-α為何會有不同的作用方式尚不清楚,但應(yīng)用p38 MAPK抑制劑可從一定程度上改善炎性因子引起的MMPs/TIMPs失衡是肯定的[20]。

3 總結(jié)及展望

綜上所述,p38途徑參與了間盤退變過程中各個方面,有明確的正反饋式自分泌效果。對其活性的阻遏,可降低IL-1、TNF-α、IL-6、PGE2、NO 等傷害性/分解性因子的產(chǎn)生,控制MM Ps、ADAMTs等基質(zhì)分解酶的合成,保持或提高 TIMPs在組織中的濃度。多種方式協(xié)同作用,達(dá)到維持椎間盤基質(zhì)分解/合成代謝平衡的目的,減緩椎間盤的退變進(jìn)程。但是,分子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是巨大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其中交互作用錯綜復(fù)雜,單一遏制p38 MAPK活性究竟對于在機(jī)體內(nèi)環(huán)境中的間盤細(xì)胞有何積極作用,尚需進(jìn)一步研究。

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