p38MAPK在成骨細(xì)胞中的表達(dá)及其機(jī)制的研究進(jìn)展

王 龍(綜述)，劉長劍，湯 欣(審校)

(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，遼寧 大連 116021)

p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen activated protein kinase，p38MAPK)是由Han等用內(nèi)毒素刺激哺乳動(dòng)物細(xì)胞，從中分離純化的酪氨酸磷酸蛋白酶,是細(xì)胞對外界信號，尤其是應(yīng)力刺激產(chǎn)生應(yīng)答的重要調(diào)節(jié)器,能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡、附著和遷移等活動(dòng)，還可對應(yīng)激和代謝通道產(chǎn)生應(yīng)答[1]。在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中，由軟骨細(xì)胞因子激活后，在骨骼重建及修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用，是骨形成的重要調(diào)節(jié)器[2]。p38MAPK有4種亞型，即p38MAPKα、p38MAPKβ、p38MAPKγ和p38MAPKδ。關(guān)于p38MAPK信號途徑的生物化學(xué)研究已經(jīng)有了很深入的討論[3]。該文將主要討論p38MAPK的生物學(xué)作用，在成骨細(xì)胞中的相關(guān)作用底物及調(diào)節(jié)機(jī)制。

1 p38MAPK在成骨細(xì)胞中的生物學(xué)特性

在p38MAPK的4個(gè)亞型中，只有p38MAPKα和p38MAPKβ對常用的抑制劑SB203580敏感，SB203580能夠在體外抑制成骨細(xì)胞分化的早期階段[4-5]。2012年，Thouverey等[6]證明了p38MAPKα在長骨礦化中的作用。為研究p38MAPKα和p38MAPKβ有重疊的或者不同的作用，將p38MAPKβ的編碼序列導(dǎo)入p38MAPKα的部位，發(fā)現(xiàn)p38MAPKβ并不能對p38MAPKα的產(chǎn)生起作用[7]。

近期的研究發(fā)現(xiàn)，p38MAPK能夠通過成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)骨的形成，證明其在骨量調(diào)節(jié)中是中心信號傳感器[8-9]。有研究證實(shí)，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激低能體外沖擊波可通過激活p38MAPK促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，Ⅰ型膠原蛋白表達(dá)，堿性磷酸酶增加[10]。Wang等[11]的研究顯示，用應(yīng)力刺激低能體外沖擊波作用于體外培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，30 min后激活細(xì)胞內(nèi)絲裂原活化蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，3 h后促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向骨原細(xì)胞分化，并誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長因子β1表達(dá)；2 d促進(jìn)細(xì)胞增殖；6 d堿性磷酸酶表達(dá)增加，細(xì)胞內(nèi)特異性核轉(zhuǎn)錄因子和Ⅰ型膠原蛋白的合成增加；12 d后骨鈣蛋白的合成增加，最終骨小節(jié)誘導(dǎo)形成。此外，p38MAPK能夠通過促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化來影響骨量，核轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白1(amphipathic protein-1，AP-1)在這些作用中是關(guān)鍵的調(diào)節(jié)器[12]。p38MAPK在調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞增殖過程中也起著關(guān)鍵作用，在關(guān)于軟骨形成和軟骨細(xì)胞分化的報(bào)道中，被證明起促進(jìn)調(diào)節(jié)的作用，但其具體作用仍然存在爭論。

2 p38MAPK的表達(dá)及其調(diào)節(jié)機(jī)制

2.1激活p38MAPK的上游激酶 p38MAPK通過絲裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinases，MKK)激活，p38MAPK的亞型中存在雙重磷酸化位點(diǎn)，主要通過MKK3和MKK6激活，兩種MKK有80%的同源性，其中MKK6能夠激活所有4個(gè)亞型，而MKK3能夠激活除p38MAPKβ外的其他3個(gè)亞型[13]。因此可推斷出，p38MAPK的上游激酶能夠在不同程度上對其激活進(jìn)行調(diào)節(jié)。p38MAPK的激活是由多種調(diào)節(jié)物進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并且通過上游調(diào)節(jié)物的不同結(jié)合共激活。在p38MAPK的活化過程中，有包含轉(zhuǎn)化生長因子β激活蛋白激酶1結(jié)合蛋白在內(nèi)的參與，其激活是通過其與TAB1相互作用從而使p38MAPKα自磷酸化實(shí)現(xiàn)的。需要注意的是，有研究發(fā)現(xiàn)，在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中，p38MAPK如果在早期激活能促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，如果在晚期激活則分化為其他的細(xì)胞[14-16]。

2.2p38的蛋白激酶作用物 激活的蛋白激酶(MAPK-activated protein kinase，MK)2是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的p38MAPKα的作用物，MK2及與其關(guān)系緊密的家族成員MK3都能夠激活多種作用物，如熱激蛋白27、轉(zhuǎn)錄因子、酪氨酸羥化酶等。另一種p38MAPK的激酶作用物是MAPK信號整合激酶1，能夠激活真核生物啟示因子4e,從而誘導(dǎo)翻譯的發(fā)生。p38MAPK調(diào)節(jié)/激活蛋白激酶是一類p38MAPKα或p38MAPKβ激活的激酶，與MK2有20%～30%的序列一致性，并且能夠調(diào)節(jié)熱激蛋白27[17]。p38MAPK可激活促細(xì)胞分裂和應(yīng)激激活蛋白激酶1,也可通過p38MAPK組成成分OCA-S調(diào)節(jié)組蛋白2B促進(jìn)劑S期活化[18]。

2.3由p38MAPK激活的轉(zhuǎn)錄因子 當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時(shí)，p38MAPK能夠?qū)D(zhuǎn)錄因子起到相關(guān)的調(diào)節(jié)作用[19]。轉(zhuǎn)錄因子具有多種作用，包括通過p38MAPK發(fā)生磷酸化及隨后發(fā)生的激活作用。如激活轉(zhuǎn)錄因子1、轉(zhuǎn)錄因子2、轉(zhuǎn)錄因子6，生長組織以及DNA破壞可誘導(dǎo)基因,肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2C、肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2A等。作為一種重要的順式作用元件，AP-1受到p38MAPK的影響是通過多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)錄因子2能夠與Jun家族轉(zhuǎn)錄因子形成異二聚體，從而直接與AP-1結(jié)合位點(diǎn)相結(jié)合[20]。另外一個(gè)機(jī)制與AP-1的組件c-fos有關(guān)，c-fos依賴于SRE，而SRE能夠與三元復(fù)合因子結(jié)合。三元復(fù)合因子由Sap-1a組成，而Sap-1a是一種通過p38MAPK磷酸化的蛋白質(zhì)。因此，p38MAPK能夠間接地調(diào)節(jié)AP-1的活性。

2.4通過p38MAPK途徑的基因調(diào)節(jié) 通過對MKK3、MKK6無活性和穩(wěn)定性突變體及p38MAPK抑制劑SB203580的使用，證明很多基因都是通過p38MAPK途徑調(diào)節(jié)的。這些基因包括細(xì)胞因子、轉(zhuǎn)錄因子及細(xì)胞表面受體。因此，p38MAPK能夠在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，轉(zhuǎn)錄后炎癥性基因表達(dá)的調(diào)節(jié)也與該途徑有關(guān)[21-22]。當(dāng)?shù)鞍缀铣杀籶38MAPK抑制劑抑制時(shí)，腫瘤壞死因子α和白細(xì)胞介素1β的信使RNA水平的穩(wěn)定狀態(tài)有較少甚至沒有變化，這證明了p38MAPK在轉(zhuǎn)錄物轉(zhuǎn)錄中的作用。研究證實(shí)，當(dāng)腫瘤壞死因子α的信使RNA穩(wěn)定狀態(tài)保持不變時(shí)，MK2敲除的小鼠表現(xiàn)出該蛋白合成受抑制[23]。

3 p38MAPK在成骨細(xì)胞中與其他途徑之間的相互作用

3.1p38MAPK與ERK、JNK的相互作用 在MAPK家族中，除p38MAPK外，研究最多的種類為細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和c-Jun N端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。有研究發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)化生長因子β活化激酶1缺失的成骨細(xì)胞中，p38MAPK活性降低的同時(shí)伴隨著JNK和ERK活性的增加[8]。同樣，用MAPK激酶抑制劑U0126抑制ERK的活性，能夠誘導(dǎo)p38MAPK的激活，而用p38MAPK抑制劑SB203580則能夠誘導(dǎo)ERK的激活[24]。通過MKK6的活性突變體引起的p38MAPK的激活，或者通過MKK-1的活性突變體使ERK激活的同時(shí)，也引起了其他途徑基本功能活動(dòng)的減少。同樣，交叉調(diào)節(jié)作用在其他系統(tǒng)中也有所研究，并認(rèn)為是通過包括磷酸酶誘導(dǎo)在內(nèi)的很多不同機(jī)制發(fā)生的[25]。

類似于ERK，p38MAPK途徑在成骨細(xì)胞分化中發(fā)揮的作用，部分是通過核心結(jié)合蛋白因子2(runt-related transcription factor-2，RUNX2)的磷酸化實(shí)現(xiàn)的。磷酸化作用通過增加與轉(zhuǎn)錄輔激活物(cAMP-response elementbindingprotein，CREB)結(jié)合蛋白的結(jié)合來增加RUNX2的轉(zhuǎn)錄活性。因此，包括RUNX2、CREB的復(fù)雜組裝依賴于MAPK的活化作用[26]。有研究證實(shí)，在骨量調(diào)節(jié)中RUNX2、CREB在功能上能夠相互影響[27]。

盡管在成骨細(xì)胞中有未知的反饋機(jī)制導(dǎo)致p38MAPK、ERK和JNK之間起到相互拮抗的作用，但是下游的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答基本活動(dòng)則能夠在不同的MAPK途徑之間起到相互協(xié)同的作用。ERK和p38MAPK都能夠通過局部位點(diǎn)的磷酸化來調(diào)節(jié)RUNX2，進(jìn)一步增加ERK和p38MAPK的活性從而起到協(xié)同作用。在這種情況下，與成骨細(xì)胞分化的后期相比，在分化早期，RUNX2相關(guān)條件的等位基因片段缺失可能會(huì)導(dǎo)致成骨細(xì)胞生長階段這些途徑的變化。

3.2p38MAPK與Wnt信號途徑之間的作用 MAPK途徑之間不僅能夠進(jìn)行交叉調(diào)節(jié)，還能夠在多種平行的信號途徑之間相互作用，其中Wnt信號途徑與MAPK有緊密的聯(lián)系。人類無法分泌Wnt途徑硬骨素的抑制劑，從而導(dǎo)致在遺傳障礙性硬化性骨化病中骨量呈漸進(jìn)性增加。p38MAPK、ERK、JNK都能夠使低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6在細(xì)胞內(nèi)磷酸化[28]。這種磷酸化作用能夠交替促進(jìn)所有Wnt/β聯(lián)蛋白信號途徑的活性，表明低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6的磷酸化使MAPK生長因子調(diào)節(jié)的激活作用與Wnt信號途徑的作用相耦合。因此，p38MAPK、JNK、ERK都能夠與Wnt信號途徑在多種位置相互作用，從而促進(jìn)相關(guān)途徑的活性。然而這些研究都沒有在成骨細(xì)胞中進(jìn)行，這對研究這些機(jī)制是如何影響骨生長是非常關(guān)鍵的。

4 結(jié) 語

p38MAPK可能是骨折治療藥物促進(jìn)骨折愈合的潛在性靶點(diǎn)，在骨折手術(shù)后配合相關(guān)治療，可促進(jìn)骨折愈合并為評估預(yù)后提供臨床參考價(jià)值。因此，對p38MAPK在成骨細(xì)胞的分化、增殖過程中的表達(dá)及作用機(jī)制更深入的認(rèn)識(shí)是今后研究的目標(biāo)，應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，為骨折愈合提供更加充分的理論依據(jù)。

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