P38MAPK在腦梗死和骨質疏松中表達的研究進展

P38MAPK在腦梗死和骨質疏松中表達的研究進展

歐回韓雨杉趙宏斌錢傳云

(昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院急診醫(yī)學科 云南省骨代謝疾病研究中心 云南省急診醫(yī)學研究中心，云南昆明650032)

關鍵詞〔〕絲裂原活化蛋白激酶；P38；腦梗死；骨質疏松

中圖分類號〔〕R592〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家自然科學基金資助項目(30860389，81160112)；云南省應用基礎研究重點資助項目(2011FA033)；云南省中青年學術帶頭人后備人才項目(2010CZ014)

通訊作者：趙宏斌(1967-)，男，博士，主任醫(yī)師，主要從事創(chuàng)傷外科及骨質疏松的臨床和基礎研究。

第一作者：歐回(1980-)，男，主任醫(yī)師，主要從事重癥及急診醫(yī)學的臨床和基礎研究。

1p38絲裂原活化蛋白激酶

絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)是細胞內執(zhí)行信號級聯(lián)放大的一種蛋白質，可將信號從細胞表面?zhèn)鲗нM入細胞核內部的重要介質，參與細胞生長發(fā)育、分裂分化、凋亡等多個生理過程〔1〕。MAPKs信號轉導通路包括4條：細胞外信號調節(jié)激酶(ERKI/2，或P42/44MAPK)；p38MAPK；c-Jun氨基末端激酶(JNK)及 ERK5。MAPK信號路徑主要通過保守的三級酶促級聯(lián)反應來傳遞細胞信號。研究發(fā)現(xiàn)ERKs、JNK/SAPK、ERK5/BMK和P38這四條轉導通路之間存在較大的功能性差異。ERK路徑的蛋白酶是主要的生長刺激調控者〔2〕。JNK主要通過生發(fā)中心激酶(GCK/NIK)激活MEKKI/2/3/4，進而激活MKK4/7。p38則主要通過激活蛋白激酶(PAK)來激活混合譜系激酶(TAK/ASK/ MLK)，繼而激活MKK3/MKK6〔3〕，作用于細胞代謝過程。

P38MAPK是一種脂多糖(LPS)刺激的巨噬細胞中的酪氨酸磷酸化蛋白〔4〕，包括p38α、p38β、p38δ和p38γ等4種亞型。p38α是在組織內表達最為廣泛的亞型，在白細胞、肝、骨髓、甲狀腺、小腦中表達水平比較高，因此，p38α的生物學功能非常豐富〔5〕。p38β、p38γ及p38δ則分別表達于心腦、肌肉、垂體和表皮細胞〔6〕。在具體的作用底物方面，所有的P38亞族成員都有Thr-Gly-Tyr雙位點磷酸化模塊。Perry等〔7〕通過序列對比，發(fā)現(xiàn)P38亞族四個成員之間存在60%左右的相似性，這與其他的絲裂原活化蛋白激酶亞族相比有很大的差異。激活MAPK，需要蘇氨酸(T)、酪氨酸(Y)雙位點同時磷酸化，這兩個鄰近的磷酸化位點之間還存在一個氨基酸，形成三肽結構T-Xaa-Y〔8〕。p38的所有信號通路都具有“T-G-Y”雙位點磷酸化區(qū)域，與上述兩條通路不同。

P38MAPK參與了炎癥細胞的生長、分化、死亡的具體過程〔9〕。研究顯示，炎癥刺激能夠激活P38MARK，激活后的P38MAPK可以調節(jié)白細胞介素(IL)-1、IL-6、IL-12、腫瘤壞死因子(TNF)等〔10〕致炎因子的生成，從而影響生物體內致炎癥因素和抗炎因素之間的平衡，決定炎癥反應的進程〔11〕。同時P38MAPK對免疫系統(tǒng)細胞增殖、分化也有調控作用，這些機制都促進了炎癥的發(fā)展〔12〕。炎癥反應是人體防御系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，炎癥反應如果失控可能導致骨質疏松、動脈硬化、哮喘、自身免疫性疾病、心臟疾病、癌癥、膿毒癥等一系列嚴重疾病的發(fā)生。Thorp等〔13〕證明P38MARK抑制劑在阻斷P38MARK信號通路后，能夠顯著減輕炎癥反應。

2P38MAPK在腦梗死中的表達研究

腦梗死是由各種原因導致的局部腦組織區(qū)域血液供應障礙，使得腦組織缺血缺氧性病變或者壞死，最終出現(xiàn)臨床上對應的神經功能性損傷。有研究發(fā)現(xiàn)，激活后的P38MAPK能夠通過很多種的途徑來實現(xiàn)對腦缺血后細胞死亡的調控，同時還可以直接通過炎癥因子與一氧化氮參與到腦缺血損傷之中去〔14〕。Haddad等〔15〕的研究提出，P38MAPK能夠通過兩種途徑來發(fā)揮其相關作用，第一種途徑是其作為炎性細胞因子的上游調控者，用于傳遞促進發(fā)炎的信號；第二種途徑則是P38MAPK能夠將已顯示在體外的可磷酸化的神經元纖維，造成神經元的進一步損傷〔16〕。研究發(fā)現(xiàn)，磷酸化P38MAPK的大量表達會加重腦缺血再灌注損傷，而減少磷酸化P38MAPK的大量表達則可顯著減輕腦缺血再灌注造成的損傷〔17〕。腦缺血預處理改善缺血再灌注損傷引起的形態(tài)學變化和功能學改變與其減少缺血再灌注損傷后磷酸化P38MAPK含量有關〔18〕。Kevin等〔19〕的研究發(fā)現(xiàn)，激活的P38MAPK能夠導致細胞flou 3/AM熒光強度顯著增強，換而言之，其會導致細胞內部的鈣離子濃度出現(xiàn)顯著的增加。

作為P38MAPK激活路徑的下游，細胞內鈣含量上升乃至于超載最終會導致細胞損傷，抑制線粒體功能的發(fā)揮，最終導致細胞的凋亡。而且，細胞內鈣上升與炎性介質和細胞因子的過度生成也存在著密切的聯(lián)系，因此，P38MAPK最終導致炎性反應是一種必然的結果〔20〕。在腦梗死之后，在腦缺血核心區(qū)域的巨噬細胞細胞之中，可以明顯的發(fā)現(xiàn)激活之后的P38MAPK，提示P38MAPK可能會直接參與到腦缺血損傷之后的炎性反應之中來〔21〕。

P38MAPK究竟通過何種途徑致使神經元細胞出現(xiàn)損傷目前還沒有定論，但是目前研究證實P38MAPK被磷酸化激活之后，能夠進一步的激活其下游的許多種激酶以及轉錄因子，如蛋白激酶MAPKAPK2以及轉錄因子ATF-2，并且導致一系列的細胞內連鎖反應，從而誘發(fā)部分的特定基因的表達，其中就包括了TNF-α以及IL-1β等，上述的基因表達產物確實可能在腦部缺血損傷的過程中造成神經細胞衰亡，并且還會直接參與到炎癥反應的過程之中，造成腦梗死或者其他的腦部缺血性損傷病程的進一步發(fā)展。

3P38MAPK在骨質疏松中的表達研究

骨質疏松(OP)主要是由成骨細胞的骨形成降低，破骨細胞的骨吸收增加，導致骨的重建機制失衡〔22〕。在OP中，P38MAPK能夠通過磷酸化成骨相關轉錄因子抗體來調控成骨細胞特異性基因的表達〔23〕。來源于骨髓的間充質干細胞具有較強的增殖和多向分化潛能，在不同的誘導條件下可分別向成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞、肌細胞分化〔24〕，P38MAPK在這一過程中起著重要作用。p38MAPK可影響成骨細胞的分化、破骨細胞的生成、凋亡，對RANKL/ RANK/OPG具有調控作用〔25〕，是OP發(fā)病的重要信號途徑。目前的研究結果發(fā)現(xiàn)，破骨細胞(OC)與OP有著非常密切的關系。然而，OC前提細胞分化成為成熟的OC，需要成骨細胞提供兩個特殊的信號，同時這也是OC分化成熟的必須信號。其中一個信號是通過RANKL以及RANK進行傳遞的〔26〕，它用于表達OC的前體細胞、成熟OC以及軟骨細胞。

Ozlem等〔27〕探討了P38MAPK與骨代謝之間的關系，認為多種細胞因子，如腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體以及TNF相關受體、脂多糖與TGF-1都可以對P38MAPK信號通路進行直接激活或者間接激活，從而影響RANK、RANKL以及OPG系統(tǒng)，進而對OC分化及其功能進行調節(jié)。同時，其研究中提到轉化生長因子(TGF)-1也是OC的重要調節(jié)因子。TGF-1能誘導P38MAPK磷酸化，經過信號級聯(lián)放大系統(tǒng)活化凋亡途徑，導致OC凋亡〔28〕。P38MAPK不參與成骨細胞增殖、分化的調控，與成骨細胞的凋亡也有關〔29〕。

綜上所述，P38MAPK在OP中的表達，主要是作用于RANK、RANKL以及OPG系統(tǒng)〔30〕，從而起到調節(jié)骨細胞的分化以及凋亡等作用。然而，目前關于P38MAPK信號轉導通路與OP之間確切關系的研究還剛剛興起，多種因子對P38MAPK的激活以及P38MAPK對非P38MAPK轉導通路的影響有待進一步的研究予以證實。

4P38MAPK在腦梗死與OP表達中的相關性

基于P38MAPK在腦梗死與OP中表達機制的研究可以發(fā)現(xiàn)，無論是在腦梗死中的表達上升還是在OP中表達的上升，可能都與TNF配體超家族及其受體有一定的關聯(lián)性。比如，在腦梗死病癥中，TNF能夠激發(fā)P38MAPK，并誘導炎癥反應的發(fā)生，從而推進腦梗死病程的發(fā)展。而在OP中，TNF細胞因子可以通過激活P38MAPK而發(fā)揮破骨作用〔31〕。Schwarz等〔32〕就對MAPK誘導破骨細胞分化的研究中提出，其可以刺激TNF的產生，而TNF又能夠進一步激發(fā)P38MAPK，從而誘導破骨細胞的進一步分化。而實際上，TNF激活P38MAPK，也會作用于誘導腦梗死區(qū)域炎癥的發(fā)展〔33〕。

隨著醫(yī)學的發(fā)展，腦梗死患者的死亡率明顯下降，但后遺癥多，其中可能會出現(xiàn)全身性的骨疾病，腦梗死患者腰椎中的骨礦物質的含量以每周0.9%的速度不斷減少。而當骨礦物質的含量一直減至30%上下時，會形成一個骨礦物質含量的新的穩(wěn)定狀態(tài)，就是負鈣平衡。P38MAPK可以對骨髓的間充質肝細胞的分化過程產生影響，使其更趨向于向成骨細胞分化。腦梗死患者的廢用性OP是由于骨骼缺少機械性的刺激而導致破骨細胞的相對活躍，從而使骨消融。而P38MAPK為影響其成骨的信號之一，其通過調控RANKL/ RANK/OPG，對骨細胞的分化、破骨細胞的生成與凋亡均有影響。

另一方面，國外多項流行病學調查發(fā)現(xiàn)骨量與動脈粥樣硬化性疾病相關。Schulz等〔34〕的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)主動脈鈣化程度與骨密度(BMD)呈負相關，臨床研究中低BMD是一個很好的預測動脈粥樣硬化的指標。近期的研究表明，在動脈管壁中存在一類細胞，一定條件下可以自發(fā)形成鈣化灶，并表現(xiàn)出成骨細胞的特性，提示血管鈣化可能是一種“另類”的骨化過程〔35〕。研究發(fā)現(xiàn)OPG/RANKL/RANK通路在OP與動脈粥樣硬化發(fā)病機制中起重要作用，OPG基因敲除的小鼠不僅表現(xiàn)出骨量的嚴重丟失，還出現(xiàn)了嚴重的主動脈和腎動脈鈣化，再轉錄入OPG基因后則可以預防動脈鈣化病變的發(fā)生和骨量的丟失〔36〕。P38MAPK作為OPG/RANKL/RANK信號通路中的組成部分，對于動脈粥樣硬化導致的心腦血管疾病而言，P38MAPK水平的變化也是有其重要的意義。因此腦梗死患者處于長期肢體固定或臥床狀態(tài)時，可導致OP，心腦血管疾病發(fā)病率增加。此時如果通過調節(jié)P38MAPK的表達，使其一方面誘導間充質肝細胞更多分化為成骨細胞，另一方面促進成骨細胞在目標部位的分化，可能幫助患者患肢的成骨過程與破骨過程的平衡得以緩解或恢復，減少OP的形成，防止心腦血管動脈粥樣硬化等的發(fā)生，減少腦梗死或再發(fā)梗死等疾病的出現(xiàn)，從而能夠起到很好的預防與治療作用，具有很高的臨床價值。

5參考文獻

1范衡宇，佟超，孫青原.絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)〔J〕.動物學雜志，2002；37(5)：99-101.

2Lai CF, Chaudhary L, Fausto A,etal. Erk is essential for growth, differentiation, integrin expression, and cell function in human osteoblastic cells.〔J〕. J Biol Chem, 2001;276(17):14443-50.

3沈逸,何東儀. 調控破骨細胞分化發(fā)育的信號轉導通路的研究進展〔J〕. 現(xiàn)代免疫學, 2013;33(4):341-5.

4Sheth K, Friel J, Nolan B,etal. Inhibition of p38 mitogen activated protein kinase increases lipopolysaccharide induced inhibition of apoptosis in neutrophils by activating extracellular signal-regulated kinase〔J〕. Surgery, 2001;130(2):242-8.

5王月平, 武小薇, 張一娜. 心肌缺血耐受保護機制研究進展〔J〕. 心血管康復醫(yī)學雜志, 2012;21(2):210-3.

6李菲菲, 閻瀟, 王慶, 等. p38 絲裂素活化蛋白激酶信號通路在應力調控成肌細胞分化中的作用〔J〕. 華西口腔醫(yī)學雜志, 2012;30(6): 574-8.

7Perry JJP,Harris RM,Moiani D,etal.p38α MAP kinase C-terminal domain binding pocket characterized by crystallographic and computational analyses〔J〕. J Mol Biol, 2009;391(1):1-11.

8范素芳, 王文雅, 張柳. 絲裂原活化蛋白激酶信號通路對骨關節(jié)炎軟骨的作用〔J〕. 中國組織工程研究,2012;16(37):7015-9.

9Moran N. p38 kinase inhibitor approved for idiopathic pulmonary fibrosis〔J〕. Nature Biotechnol, 2011;29(4):301.

10Feng X. Regulatory roles and molecular signaling of TNF family members in osteoclasts〔J〕. Gene, 2005;350(1):1-13.

11Schindler JF, Monahan JB, Smith WG. p38 pathway kinases as anti-inflammatory drug targets〔J〕. J Dent Res, 2007;86(9):800-11.

12張勇,馬勇, 朱宇旌, 等. p38 絲裂原活化蛋白激酶信號途徑調節(jié)骨骼肌生長發(fā)育的機理〔J〕. 動物營養(yǎng)學報, 2012;24(1):14-9.

13Thorp E, Vaisar T, Subramanian M,etal. Shedding of the Mer tyrosine kinase receptor is mediated by ADAM17 protein through a pathway involving reactive oxygen species, protein kinase Cδ, and p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK)〔J〕. J Biol Chem,2011;286(38):33335-44.

14Yoo K,Choi JW,Choi MS,etal.Mitogen-activated protein kinases (MAPKs) mediate SIN 1/glucose deprivation induced death in rat primary astrocytes[J].Arch Pharm Res,2005;28(10):942-7.

15Haddad JJ.Mitogen activated protein kinases and the evolution of Alzheimer's:a revolutionary neurogenetic axis for therapeutic intervention[J].Prog Neurobiol,2004;73(4):359-77.

16Pei Z,Cheung RT.Melatonin protects SHSY5Y neuronal cells but not cultured astrocytes from ischemia due to oxygen and glucose deprivation[J].J Pineal Res,2003;34(3):194-201.

17李廣明,李軍,張躍. 缺血預處理減輕沙土鼠腦缺血再灌注損傷與海馬 CA1 區(qū) p-p38MAPK 表達的關系〔J〕. 南京醫(yī)科大學學報(自然科學版),2010;30(6):801-5.

18曹紅, 李軍, 李廣明, 等. 姜黃素對沙土鼠腦缺血/再灌注損傷的海馬CA1區(qū)細胞凋亡和即早基因c-fos, c-jun, NF-κB表達變化的關系〔J〕. 中國應用生理學雜志, 2007;23(2)：184-8.

19Kevin MW,Richard D, Becky A,etal.Activation of p38 MAPK in microglia after ischemia〔J〕. Neurochemistry,2005;70(4):1764-7.

20Zayzafoon M. Calcium/calmodulin signaling controls osteoblast growth and differentiation〔J〕. J Cell Biochem, 2006;97(1):56-70.

21莊秋宇,劉俊,韓家淮. p38絲裂原活化蛋白激酶的功能與調控機制〔J〕. 中國細胞生物學學報,2013;2(15):198-203.

22黃少慧, 李娟, 趙毅, 等. 補腎中藥骨靈片對人成骨細胞功能和p38活化原蛋白激酶通路的影響〔J〕. 熱帶醫(yī)學雜志, 2007;7(5):418-20.

24Xiao G, Jiang D, Thomas P,etal. MAPK pathways activate and phosphorylate the osteoblast-specific transcription factor, Cbfa1〔J〕. J Biol Chem, 2000;275(6):4453-9.

25Tang CH, Huang TH, Chang CS,etal. Water solution of onion crude powder inhibits RANKL-induced osteoclastogenesis through ERK, p38 and NF-kappaB pathways〔J〕. Osteoporos Int, 2009;20(1):93-103.

26Bai X, Lu D, Bai J,etal. Oxidative stress inhibits osteoblastic differentiation of bone cells by ERK and NF-κB〔J〕. Biochem Biophys Res Commun, 2004;314(1):197-207.

27Ozlem A,Ozcan Er,Neslihan S,etal. Total oxidative/anti-oxidative status and relation to bone mineral density in osteoporosis〔J〕. Rheumat Int,2008;(4):676-81.

28Nakajima A,Sanjay A,Chiusaroli R,etal.Loss of Cbl-b in-creases osteoclast bone-resorbing activity and induces osteopenia〔J〕. J Bone Mineral Res, 2009;24(7):1162-72.

29張莉莉, 李玉坤. 生長因子對骨代謝影響的研究進展〔J〕. 國際藥學研究雜志,2012;39(2):121-6.

30Zhao Y, Li J, Liu Y,etal. Gu Ling Pian, a traditional Chinese medicine, regulates function and OPG/RANKL synthesis of osteoblasts via the p38 MAPK pathway〔J〕. J Pharmacy Pharmacology, 2007;59(8):1167-73.

31Luo XH, Guo LJ, Yuan LQ,etal. Adiponectin stimulates human osteoblasts proliferation and differentiation via the MAPK signaling pathway〔J〕. Exper Cell Res, 2005;309(1):99-109.

32Schwarz EM, Lu AP, Goater JJ,etal. Tumor necrosis factor-α/nuclear transcription factor-κB signaling in periprosthetic osteolysis〔J〕. J Orthopaed Res, 2000;18(3):472-80.

33Yamanaka Y,Abu-Amer Y,Faccio R.Map kinase c-JUN N-terminal kinase mediates PMMA induction of osteoclasts〔J〕. J Orthopt Res,2006;24(7):1349-57.

34Schulz E,Arfai K,Liu XD，etal.Aortic calcification and the risk of osteoporosis and fractures〔J〕.J Clini Endocrinol Metab,2004;89(9)：4246-53.

35Abedin M，Tintut Y，Demer LL，etal.Vascular calcification: mechanisms and clinical ramifications〔J〕.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2004;24(7)：1161-70.

36Min H，Morony S，Sarosi I，etal. Osteoprotegerin reverses osteoporosis by inhibiting endosteal osteoclasts and prevents vascular calcification by blocking a process resembling osteoclastogenesis〔J〕. J Exp Med，2000;192(4)：463-74.

〔2014-07-10修回〕

(編輯李相軍)