p 38絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)途徑調(diào)節(jié)骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)理

張 勇馬 勇朱宇旌邵彩梅

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，沈陽(yáng) 110866;2.遼寧禾豐牧業(yè)股份有限公司，沈陽(yáng) 110164)

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族是一個(gè)高度保守、脯氨酸指向的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Raf)家族。MAPK家族主要參與細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)調(diào)節(jié)以應(yīng)對(duì)細(xì)胞外信號(hào)刺激或生理應(yīng)激(如輻射、滲透壓改變和缺血性損傷等)，使細(xì)胞對(duì)外部諸多刺激進(jìn)行協(xié)調(diào)性反應(yīng)［1］，用來(lái)控制涉及細(xì)胞存活的應(yīng)激活化蛋白激酶活性［2－3］。研究發(fā)現(xiàn) p38 MAPK信號(hào)途徑在動(dòng)物成肌細(xì)胞分化中起到重要的調(diào)節(jié)作用。p38 MAPK途徑的活化可以進(jìn)一步地調(diào)節(jié)骨骼肌纖維的長(zhǎng)度和橫截面直徑，使骨骼肌纖在數(shù)量不變的前提下，提高肌肉總量［4］。p38 MAPK信號(hào)途徑調(diào)節(jié)骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育與NF-κB信號(hào)途徑有一定關(guān)系。

1 p38 MAPK的結(jié)構(gòu)特征

p38 MAPK 有 4 種異構(gòu)體即 α、β、γ、δ，其中p38α MAPK、p38β MAPK在人類和嚙齒類動(dòng)物的骨骼肌分化中起到主要的調(diào)節(jié)作用［5］。4種異構(gòu)體分別由不同的基因編碼，p38α MAPK與p38β MAPK蛋白片段同源性高達(dá) 75%以上，與p38γ MAPK 和 p38δ MAPK 同源性只有 60%［6］，4種異構(gòu)體存在特征性保守結(jié)構(gòu)(蘇氨酸180－甘氨酸181－酪氨酸182)，在ATP作用下，位于口袋結(jié)構(gòu)(停泊槽)內(nèi)的保守性氨基酸殘基的羥基經(jīng)磷酸化而被活化。p38 MAPK蛋白分子結(jié)構(gòu)的報(bào)道大多是關(guān)于p38α MAPK的(圖 1)。哺乳動(dòng)物 p38α MAPK由345～365個(gè)殘基組成［7］。催化位點(diǎn)位于N端和C端結(jié)構(gòu)域之間的停泊槽內(nèi)。這些結(jié)構(gòu)域通過1個(gè)單獨(dú)的鉸合鏈和C端的L16環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連接，L16環(huán)返回纏繞在N端結(jié)構(gòu)域，同時(shí)控制著相對(duì)呈剛性的結(jié)構(gòu)域之間的聯(lián)系。此外，p38 MAPK在抑制因子占據(jù)活化位點(diǎn)而未被磷酸化的狀態(tài)下，其N端和C端的突起部分分別有1個(gè)錯(cuò)位排列，以阻礙位于N端突起部位的賴氨酸53殘基和位于C端突起部位的天冬氨酸168殘基的協(xié)同作用，從而分別阻礙了ATP α位磷酸基團(tuán)和其鄰近的核糖強(qiáng)制連結(jié)并穩(wěn)定在p38 MAPK的活化位點(diǎn)上［8］。從而也說明p38 MAPK是在 ATP磷酸化作用下發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)而被活化的。

圖1 p38 MAPK晶體結(jié)構(gòu)及其ATP活化位點(diǎn)Fig.1 The crystal structure of p38 MAPK and its ATP activation locus

2 p38 MAPK的表達(dá)及分布

p38 MAPK幾種異構(gòu)體在機(jī)體內(nèi)的表達(dá)和分布具有組織特異性。p38α MAPK、p38β MAPK在骨骼肌中的分布較多，同時(shí)參與成肌細(xì)胞的分化。p38γ MAPK在骨骼肌中也有分布，但其是否參與骨骼肌分化過程存在爭(zhēng)議。雖然Lechner等［9］在1996年克隆出人p38γ MAPK證實(shí)了它在骨骼肌中可促進(jìn)成肌細(xì)胞向肌管的分化，但 Tortorella等［10］于2003年發(fā)現(xiàn)p38γ MAPK幾乎不在成肌細(xì)胞中表達(dá)，只在完全分化的肌細(xì)胞中才能檢測(cè)到，在成肌細(xì)胞分化晚期顯著地增加，并指出它在調(diào)節(jié)和維持肌肉顯型方面有重要作用。p38δ MAPK主要分布在肺、腎和某些腺體組織中，在骨骼肌中鮮有報(bào)道，鑒于在其他組織中均有不同程度分布，基本排除其在骨骼肌中發(fā)揮特異性作用的可能性［11］。

3 p38 MAPK的活化因子和抑制因子

p38 MAPK 同源物受胰島素［12］、環(huán)境應(yīng)激、炎性細(xì)胞因子［如白細(xì)胞介素(IL)、腫瘤壞死因子(TNF)以及環(huán)氧化酶2和一氧化氮合酶］［13］等刺激而活化。相關(guān)的刺激經(jīng)過不同的信號(hào)途徑活化p38 MAPK的上游分子，如胰島素、MAPK激酶3(MKK3)、MAPK 激酶 6(MKK6)、TGF激酶 1(TAK-1)、TAK-1銜接蛋白1(TAB-1)和Zeta鏈子伴生的蛋白激酶(ZAP)等(圖2)。這些分子均可磷酸化 p38 MAPK 使其激活［14］。目前，雖然對(duì)p38 MAPK信號(hào)通路有一定了解，但是由于 p38 MAPK信號(hào)途徑與其他信號(hào)途徑可能存在交叉，使得此信號(hào)途徑的精細(xì)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，有關(guān)這一信號(hào)途徑更加精細(xì)的描述有待進(jìn)一步研究。

當(dāng)前，SB203580是抑制p38 MAPK生物活性應(yīng)用最廣泛的抑制劑。它是一種嘧啶、咪唑結(jié)構(gòu)的化合物，其他一些針對(duì)p38 MAPK開發(fā)的抑制劑也是在SB203580基礎(chǔ)上研制的嘧啶、咪唑類衍生物。但是p38 MAPK的4種異構(gòu)體對(duì)抑制因子的敏感程度不同。p38α MAPK、p38β MAPK對(duì)SB203580的 敏 感 程 度 高，p38γ MAPK、p38δ MAPK對(duì) SB203580有抗性。而 Kook等［15］報(bào)道，在C2C12肌細(xì)胞分化過程中，細(xì)胞可自身分泌一種叫肌抑素(calpeptin)的抑制蛋白，可以通過抑制p38 MAPK的磷酸化達(dá)到抑制骨骼肌細(xì)胞分化的目的。研究表明該肌抑素也是鈣蛋白酶的特異性抑制蛋白，參與骨骼肌嫩度的調(diào)控［16］。

4 p38 MAPK信號(hào)途徑的生物學(xué)功能

p38 MAPK信號(hào)途徑參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、包括細(xì)胞周期、免疫作用和炎癥反應(yīng)等。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，p38 MAPK在動(dòng)物體內(nèi)主要通過3條途徑活化(圖2)，即:1)MKK3/MKK6活化的經(jīng)典途徑;2)TAB誘導(dǎo)的p38自身活化途徑;3)T細(xì)胞抗原受體(TCR)介導(dǎo)的ZAP-70磷酸化酪氨酸323途徑［1］。其中經(jīng)典的途徑是參與骨骼肌分化的主要途徑，其他活化途徑則與一些疾病的誘發(fā)有關(guān)。p38 MAPK信號(hào)途徑是缺血性心臟病、Ⅱ型糖尿病［17－18］等疾病發(fā)生的主要誘導(dǎo)途徑，抑制p38 MAPK活性對(duì)治療上述疾病行之有效。p38 MAPK可緩解肌肉萎縮［19］。Shin 等［6］報(bào)道p38 MAPK通過誘導(dǎo)熱休克蛋白α、B晶體蛋白表達(dá)及其抗細(xì)胞凋亡的功能發(fā)揮來(lái)保護(hù)處于氧化應(yīng)激狀態(tài)的星狀膠質(zhì)細(xì)胞。Lee等［20］報(bào)道在骨骼肌分化過程中p38 MAPK通過對(duì)絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶－細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(Raf-ERK)信號(hào)途徑的抑制可誘導(dǎo)細(xì)胞停滯，而骨骼肌細(xì)胞停滯是骨骼肌細(xì)胞分化過程中必要的階段。Aviad等［21］報(bào)道，干擾爪蟾生長(zhǎng)發(fā)育過程中的p38 MAPK信號(hào)途徑，Myf5基因的表達(dá)被選擇性的抑制，但MyoD基因的表達(dá)不受影響，骨骼肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)量下降，這導(dǎo)致了爪蟾的體節(jié)發(fā)育不良，體節(jié)間的界限不明顯，其中肌肉的結(jié)蛋白和原肌球蛋白的表達(dá)量與對(duì)照組相比顯著降低，大部分體節(jié)有細(xì)胞凋亡。Terzis等［4］認(rèn)為p38 MAPK信號(hào)途徑可影響由運(yùn)動(dòng)引發(fā)的肌肉代謝活動(dòng)，即:運(yùn)動(dòng)可刺激骨骼肌細(xì)胞內(nèi)的p38 MAPK途徑活化，進(jìn)而促進(jìn)肌纖維的長(zhǎng)度伸長(zhǎng)和橫截面直徑加寬，改善肌肉萎縮及肌肉消耗狀態(tài)。在代謝方面，p38 MAPK信號(hào)途徑參與調(diào)控肝臟－節(jié)食－誘導(dǎo)通路。研究表明胰島素抑制肝臟中的糖原異生和脂質(zhì)降解，糖皮質(zhì)激素則有相反的作用，即糖皮質(zhì)激素可以增強(qiáng)參與糖原異生和脂質(zhì)降解過程中相關(guān)分子的表達(dá)，而促進(jìn)糖原異生和脂質(zhì)降解過程。Miller等［22］報(bào)道p38 MAPK可能通過增強(qiáng)這些分子的轉(zhuǎn)錄活性促進(jìn)糖原異生和脂質(zhì)降解。p38 MAPK對(duì)于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)也是必需的，它可以使細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4變構(gòu)，從而易于葡萄糖在代謝過程中的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，p38 MAPK信號(hào)途徑對(duì)于胰島素敏感性組織中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控非常重要［16］。綜上可以推測(cè)，由于p38 MAPK信號(hào)途徑在不同的組織細(xì)胞中發(fā)揮的生物學(xué)功能不同，應(yīng)具有組織特異性。

圖2 p38 MAPK信號(hào)途徑的活化Fig.2 Activation of p38 MAPK signaling pathway［1］

5 p38 MAPK信號(hào)途徑在骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育中的調(diào)節(jié)作用

骨骼肌分化是一個(gè)多步過程，包括肌形成蛋白的表達(dá)、細(xì)胞周期停滯、成肌纖維延長(zhǎng)和細(xì)胞融合成多核肌管5個(gè)過程。分化過程涉及特定的信號(hào)途徑的活化、生肌轉(zhuǎn)錄因子(包括基本螺旋－環(huán)－螺旋肌肉調(diào)節(jié)因子 MyoD、Myf5、myogenin、MRF4)和肌細(xì)胞增強(qiáng)子連接因子2(MEF2)等蛋白隨后的誘導(dǎo)生成［5］。在骨骼肌分化過程中p38α MAPK、p38β MAPK是調(diào)節(jié)與骨骼肌分化相關(guān)因子的主要蛋白［23］。

雙重特異性磷酸激酶MKK3和MKK6參與了骨骼肌細(xì)胞分化過程中p38 MAPK信號(hào)途徑的活 化，其 中 MAKK3活 化 p38α MAPK、p38β MAPK 2種異構(gòu)體，MAKK6則可以活化p38 MAPK蛋白的 4 種異構(gòu)體［20］。Keren 等［23］總結(jié)了在成肌細(xì)胞生成過程中p38 MAPK活化的模型(圖3)。在肌肉細(xì)胞中 p38 MAPK蛋白經(jīng)MAPKK、MKK3、MKK6磷酸化后進(jìn)入活性狀態(tài)，隨即活化一系列不同的底物，這些底物對(duì)生肌過程起到重要作用。p38可活化MEF2蛋白家族，p38 MAPK直接磷酸化MEF2A、MEF2C位于轉(zhuǎn)錄活性結(jié)構(gòu)域的殘基，增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性。分化中的骨骼肌細(xì)胞以p38 MAPK依賴型的方式磷酸化MEF2C蛋白使其活化，這一活化對(duì)于MEF2C蛋白的轉(zhuǎn)錄活性是必要的;雖然，p38 MAPK蛋白可以在體外通過磷酸化絲氨酸5而直接活化MyoD，但這并不影響 MyoD的轉(zhuǎn)錄活性［24］;活化 E蛋白47(E47)，促使形成MyoD-E47二聚體;磷酸化參與肌生成晚期階段的MRF4，p38磷酸化位于MRF4氨基末端的反式激活結(jié)構(gòu)域的絲氨酸殘基以降低其轉(zhuǎn)錄活性，研究表明MRF4活性的降低引起特定的肌肉細(xì)胞分化晚期特定細(xì)胞的選擇性沉默;p38還可能通過某種未知的中間蛋白的磷酸化來(lái)誘導(dǎo)Myf5的表達(dá)，從而影響Myf5的轉(zhuǎn)錄;p38通過磷酸化來(lái)募集染色體重建復(fù)合體(SWISNF)到肌肉細(xì)胞的啟動(dòng)子區(qū)域，影響肌肉特定位置染色質(zhì)的重建。同時(shí)，p38蛋白還影響其他的信號(hào)途徑，研究表明它可間接抑制ERK的活力，可誘導(dǎo)蛋白激酶B家族成員(Akt2)基因的表達(dá)，還可以激活 NF-κB 信號(hào)途徑［25］。

6 p38 MAPK與NF-κB信號(hào)途徑的關(guān)系

肌肉中蛋白質(zhì)的合成和降解是維持肌肉總量和功能的基礎(chǔ)［26］，有研究表明NF-κB是多種不同的生理和病理狀態(tài)下與骨骼肌質(zhì)量減少相關(guān)性最高的信號(hào)途徑［27］。骨骼肌中 NF-κB的活化可以導(dǎo)致特定肌肉蛋白質(zhì)的降解，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)和肌纖維變性。同時(shí)還可以阻止肌肉損傷或肌肉萎縮后肌纖維的再生［28］。p38 MAPK信號(hào)途徑在調(diào)節(jié)骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育的過程中肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量顯著提高，這表明p38 MAPK對(duì)骨骼肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成代謝的調(diào)節(jié)起到了積極的作用。p38 MAPK信號(hào)途徑在調(diào)節(jié)骨骼肌發(fā)育的過程中除了促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞分化外，還可以通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子 p65(RelA)蛋白達(dá)到活化 NF-κB的目的［29］。有研究表明 ERK信號(hào)途徑也可以活化NF-κB信號(hào)途徑［30］。因此，作者推測(cè)在骨骼肌細(xì)胞分化過程中，一方面p38 MAPK單獨(dú)活化一些骨骼肌細(xì)胞分化過程中所必需的因子促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞的分化，還可以通過抑制ERK信號(hào)途徑降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄水平而達(dá)到促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞分化的目的;另一方面當(dāng)p38 MAPK活化量升高到一定水平的時(shí)候，可通過一定的途徑活化NF-κB以降低骨骼肌細(xì)胞中相關(guān)蛋白的含量。這2條信號(hào)途徑以維持骨骼肌細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量的恒定狀態(tài)。

圖3 p38 MAPK在蛋白活化中的作用Fig.3 Role of p38 MAPK in protein activation［23］

7 小結(jié)

肌肉總量和功能的維持需要蛋白質(zhì)合成與降解之間的平衡，涉及合成代謝與分解代謝之間的比例關(guān)系。p38 MAPK作為一種多功能的信號(hào)途徑在調(diào)節(jié)骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育過程中積極地調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成。從分子水平對(duì)p38 MAPK促進(jìn)骨骼肌生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理的研究為改善肉品質(zhì)提供了新思路。

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