雙特異性磷酸酶在非酒精性脂肪性肝病中的研究進展

辛鑫 胡義揚 馮琴

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)發(fā)病率快速增長，已成為我國最為常見的慢性肝臟疾病，但相關(guān)發(fā)病機制尚未完全闡明。雙特異性磷酸酶(dual specificity phosphatase, DUSP)是近十年發(fā)現(xiàn)的一類酪氨酸特異性的磷酸酶[1]。近期研究證實，DUSP家族成員可通過調(diào)節(jié)p38絲裂酶原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38 MAPK)p38和c-jun氨基末端激酶(JNK)的磷酸化對NAFLD發(fā)生發(fā)展起到重要的調(diào)節(jié)作用。本文就目前DUSP家族在NAFLD領(lǐng)域的研究進展作一綜述。

一、DUSP概述

(一)概念及亞型 雙特異性磷酸酶(dual specificity phosphatase, DUSP)亦稱絲裂酶原活化蛋白激酶磷酸酶(mitogen-activated protein kinase phosphatases, MKPS)是一組既可以使酪氨酸殘基去磷酸化，又可使絲氨酸/蘇氨酸殘基去磷酸的酶分子[1]。由N-末端非催化結(jié)構(gòu)域和C-末端催化磷酸化結(jié)構(gòu)域組成[2]。目前發(fā)現(xiàn)的在哺乳類細胞中DUSP基因編碼的蛋白大約有30種，它們可與絲裂酶原活化蛋白激酶(MAPK)特異性識別并使其去磷酸化[3]。基于序列同系性、亞細胞定位及去磷酸化底物的不同，可將雙特異性蛋白磷酸酶 (DUSPs/MKPs) 分為3個亞組: (1)位于細胞核，受應(yīng)激或絲裂酶原誘導(dǎo)活化：DUSP1/MKP1，DUSP4/ MKP2、DUSP2/PAC1和DUSP5等；(2)位于細胞質(zhì)且選擇性作用于細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)：DUSP6/MKP3和DUSP7/MKPX等；(3)位于細胞核及胞質(zhì)中，且選擇作用于c-Jun氨基末端激酶 (c-Jun N-terminal kinase, JNK) 和p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)：DUSP8、DUSP9/MKP4、DUSP10/ MKP5 和 DUSP16/MKP7等。

(二)生物學(xué)功能 目前報道的DUSP生物學(xué)功能主要通過調(diào)控MAPK去磷酸化水平，負調(diào)控MAPK信號通路而實現(xiàn)[4]。有絲分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)是一族在真核生物中非常保守的絲蘇氨酸蛋白激酶，在許多細胞活動中起作用，如生長增殖，細胞分化，細胞運動或死亡。MAPK級聯(lián)信號傳導(dǎo)由3個不同層次的分子所組成。MAPK被MAPK的激酶(MAPKK)酸化后激活， MAPKK被MAPKK的激酶(MAPKKK)磷酸化而激活。目前已發(fā)現(xiàn) MAPK 主要有3種亞型: 細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶1、2( ERK1/2)、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和c-Jun氨基末端激酶(JNK)。通常認為 ERK1 /2主要參與細胞的增殖和分化, 而 p38MAPK 及 JNK 主要參與細胞的應(yīng)激反應(yīng)、代謝和凋亡。

MAPK激酶的活化程度、持續(xù)時間以及下游信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)主要取決于MAPK的去磷酸化水平。DUSP家族可以與MAPK激酶特異性識別結(jié)合進而去磷酸化，其主要是通過N-末端區(qū)域包含的保守的調(diào)控序列, 即激酶相互作用基序 (kinase interaction motif, KIM) , 介導(dǎo)不同MAPK底物(ERK1/2、p38和JNK)的識別和結(jié)合，并通過核定位信號(NLS)或細胞核輸出信號(NES)決定其亞細胞定位。C-末端區(qū)域包含高度保守的蛋白酪氨酸磷酸酶活化位點序列 (I/V) HCXAGXXR (S/T/G) 。當DUSP通過KIM與MAPK結(jié)合后, C-末端催化區(qū)域活化位點殘基出現(xiàn)變構(gòu)重組, 去磷酸化能力增加，將MAPK位于活化環(huán) (T-loop) 中保守的T-X-Y基序蘇氨酸和酪氨酸殘基失去, 使MAPK激酶失活。

二、非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪肝病(NAFLD)是目前臨床上常見的肝臟疾病之一。其疾病譜包含非酒精性單純性脂肪肝(NAFL)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、非酒精性脂肪性肝纖維化及非酒精性脂肪性肝硬化。在過去的20年里，NAFLD發(fā)病率高速增長，現(xiàn)已成為西方國家中最為常見的肝臟疾病。在我國，由于生活習(xí)慣與飲食結(jié)構(gòu)改變，肥胖人群增加，NAFLD 患病率同樣進入一個快速增長期。

NAFLD發(fā)病與遺傳、代謝、應(yīng)激、生活習(xí)慣等有關(guān)，Day提出的“二次打擊”學(xué)說目前得到大家的公認[6]。胰島素抵抗導(dǎo)致脂質(zhì)在肝臟中的異常沉積形成“首次打擊”；各種原因造成的氧化應(yīng)激與脂質(zhì)過氧化損傷，使機體大量釋放炎癥因子、脂肪因子等參與應(yīng)激反應(yīng)，從而造成對肝臟的“二次打擊”。 MAPK信號通路參與了NAFLD發(fā)病的兩次打擊的過程。在“首次打擊”中，JNK兩個亞型JNK1與JNK2在激活后可抑制肝臟胰島素受體底物1、2(IRS-1/2)的磷酸化，阻止胰島素與胰島素受體的結(jié)合，從而加劇胰島素抵抗，促進肝臟脂肪的從頭合成及游離脂肪酸向肝臟的流動，最終加劇肝臟脂肪變性[7]；p38激酶在NAFLD發(fā)病過程中通過增加磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate car- boxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酯酶(glucose-6-phosphatase，G6Pase)磷酸化表達促進肝臟糖異生進程，使機體血糖水平升高，最后導(dǎo)致IR發(fā)生[8]。在“二次打擊”中，JNK間接激活天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase-8，Caspase-8)及激活蛋白-1(activator protein-1, AP-1)轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)氧化應(yīng)激和促炎細胞因子對肝細胞炎性損傷[9]。

三、DUSP在NAFLD發(fā)病中的作用

隨著DUSP家族對MAPK激酶的調(diào)節(jié)作用逐漸被揭示，不同亞型DUSP在NAFLD發(fā)病過程中的作用被多項研究證實，下面將一一進行介紹。

(一)DUSP1與NAFLD 雙特異性磷酸酶1(dual specificity phosphatase-1，DUSP1)，也稱為絲裂酶元活化蛋白激酶磷酸酶1(MKP-1)，其cDNA(complementary DNA)片段全長為1101bp，可編碼367個氨基酸，是Alessi等發(fā)現(xiàn)的首個MKP磷酸酶家族成員[10]。DUSP1主要分布于全身組織的細胞核中，對MAPK激酶中的JNK、p38和ERK有特異性去磷酸化底物偏好。最近研究發(fā)現(xiàn)在非酒精性脂肪肝的疾病背景下，肝特異性敲除DUSP1與全身敲除DUSP1的小鼠的肝臟糖脂代謝表現(xiàn)不盡相同[11-12]。全身性敲除DUSP1的小鼠給予HFD飲食誘導(dǎo)后，雖然肝臟JNK，p38和ERK活性均顯著升高，但肝臟甘油三酯含量相比較于正常小鼠未明顯升高，體質(zhì)量無顯著增加，體內(nèi)糖代謝穩(wěn)態(tài)也未產(chǎn)生明顯紊亂[10]。不同的是，肝特異性敲除DUSP1小鼠給予HFD飲食誘導(dǎo)后，伴隨肝臟JNK與p38活性升高，小鼠肝臟甘油三酯含量升高，體質(zhì)量增加并同時伴有糖代謝的紊亂[12]。

(二)DUSP9與NAFLD 雙特異性磷酸酶9(dual specificity phosphatase-9，DUSP9)，也稱為絲裂酶元活化蛋白激酶磷酸酶4(MKP-4)。其cDNA全長8884bp，由Muda等在1997年首次發(fā)現(xiàn)[13]。DUSP9主要分布于肝臟、腎臟、胎盤的細胞質(zhì)中，對ERK、JNK和p38均有底物偏好[14-15]。但DUSP9與DUSP1相比在調(diào)控和表達上比較特殊，其通過與KIM相鄰的保守絲氨酸殘基的磷酸化調(diào)控其底物結(jié)合[16]。Dickinson等[16]研究發(fā)現(xiàn)，DUSP9基因與中國漢族人口較痩人群2型糖尿病高風險相關(guān)。在Voight等的全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)結(jié)果中，檢測到糖尿病患者DUSP9基因位點的遺傳變異，并將DUSP9作為人類不同種族罹患2型糖尿病的危險因素之一[18-20]。最近YE等團隊發(fā)現(xiàn)在高脂飲食喂養(yǎng)小鼠肝臟組織中DUSP9蛋白表達明顯低于野生小鼠，隨后研究者給肝臟特異性DUSP9基因敲除(DUSP9-CKO)小鼠和肝臟DUSP9基因過表達小鼠給予高脂飼料喂養(yǎng)，結(jié)果顯示在高脂飲食飼養(yǎng)條件下，DUSP9-CKO小鼠肝臟重量、甘油三酯含量較正常小鼠顯著升高，肝臟脂肪變性、胰島素抵抗和炎性細胞浸潤程度也更加嚴重。而這些肝臟病理表現(xiàn)在DUSP9過表達小鼠中卻沒有出現(xiàn)。該團隊又對高脂高膽固醇飼料喂養(yǎng)的NASH伴肝纖維化小鼠模型進行肝特異性DUSP9基因敲除和過表達，發(fā)現(xiàn)基因敲除小鼠肝臟不僅出現(xiàn)了脂肪變性，胰島素抵抗和炎癥，還出現(xiàn)了嚴重的肝纖維化，而基因過表達小鼠這些病理表現(xiàn)均未出現(xiàn)。進一步機制研究發(fā)現(xiàn)DUSP9通過抑制肝細胞凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1(Apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1)降低肝臟p38和JNK的磷酸化水平，從而改善NASH的進展[21]。

(三)DUSP12與NAFLD 雙特異性磷酸酶12(dual specificity phosphatase-12，DUSP12)，是1999年發(fā)現(xiàn)的非典型DUSP家族成員之一，其雖然不含堿性氨基酸形成的激酶結(jié)合序列或激酶互作序列，但仍具有與MAPK磷酸酶相同的生物學(xué)作用，其編碼含有340個氨基酸的蛋白質(zhì)。DUSP12在人體主要臟器中均有表達，其對JNK和p38均有底物偏好。目前DUSP12細胞內(nèi)定位仍有爭議，在不同的細胞或組織中可分別定位與細胞漿或細胞核內(nèi)[22]。目前關(guān)于DUSP12的相關(guān)研究較少，與肝臟相關(guān)的研究主要集中在與糖代謝的關(guān)系上。在肝細胞中，DUSP12可通過使葡萄糖激酶去磷酸化，從而促進糖酵解及糖的有氧氧化[23]。Huang等團隊發(fā)現(xiàn)，喂養(yǎng)高脂飲食的小鼠肝臟中DUSP12的表達與正常飲食相比顯著降低，且在肝特異性DUSP12敲除小鼠表現(xiàn)出肝脂肪變性、胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)。而喂養(yǎng)高脂飲食的DUSP12過表達小鼠肝臟脂肪變性和胰島素敏感性有所改善。進一步研究發(fā)現(xiàn)DUSP12影響NAFLD發(fā)病進展的機制與DUSP9類似，主要通過調(diào)節(jié)肝細胞ASK1磷酸化水平實現(xiàn)[24]。

(四)DUSP14與NAFLD 雙特異性磷酸酶14(dual specificity phosphatase-14，DUSP1)，是雙特異性磷酸酶家族的非典型成員[4]。DUSP14其底物偏好包含ERK、JNK和p38[25]，被證實在細胞增殖和凋亡中存在反饋調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)其在大鼠胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)信號通路中對胰腺B細胞增殖和成熟具有負反饋調(diào)節(jié)的作用[26]。由于MAPK信號通路中的p38和JNK已被證明是胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的有效調(diào)節(jié)劑，因此有研究者對DUSP14在肝脂肪變性和相關(guān)代謝紊亂中的作用進行探究。Wang等團隊對高脂飲食小鼠的肝組織DUSP14表達情況進行觀察，發(fā)現(xiàn)在高脂飲食小鼠肝組織中DUSP14的蛋白表達遠遠低于正常小鼠，DUSP14肝特異性敲除小鼠出現(xiàn)嚴重的肝脂肪變性、胰島素抵抗以及肝臟炎癥反應(yīng)，但過表達DUSP14的小鼠這些病理表現(xiàn)顯著減輕。進一步研究發(fā)現(xiàn)DUSP14可與TGF-β激活激酶1(TAK1)直接相互作用，并抑制肝細胞TAK1磷酸化及JNK和p38磷酸化水平，進而改善NAFLD疾病進展[27]。

(五)DUSP26與NAFLD 雙特異性磷酸酶26(dual specificity phosphatase-26，DUSP26)作為一種該家族中的一種小型磷酸酶，該基因可編碼211個氨基酸的蛋白質(zhì)，其底物偏好為ERK、JNK和p38。其首次發(fā)現(xiàn)于神經(jīng)內(nèi)分泌細胞和組織中，在人類癌癥中具有促癌和抗癌雙重作用，研究者發(fā)現(xiàn)其可通過減弱神經(jīng)生長因子和表皮生長因子的信號傳導(dǎo)來參與PC12大鼠細胞瘤細胞分化的過程[28-29]?；贒USP26在MAPK通路中的作用，結(jié)合DUSP1、DUSP9等家族成員在非酒精性脂肪肝病及相關(guān)代謝綜合征疾病的表現(xiàn)，Ye等學(xué)者對其在NAFLD中的作用進行探究[30]。Ye的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在NAFLD小鼠和ob/ob小鼠的肝組織中，DUSP26的表達相較于對照小鼠顯著降低，表明該基因在NAFLD相關(guān)疾病發(fā)病中具有重要作用。研究者隨后對高脂飲食誘導(dǎo)的肝特異性敲除DUSP26基因小鼠(DUSP26-LKO)及肝特異性過表達DUSP26基因小鼠(DUSP26-LTG)進行觀察。在DUSP26-LKO中，小鼠肝脂肪變性、炎癥反應(yīng)、胰島素抵抗及肝纖維化程度顯著加劇。在DUSP26-LTG小鼠中肝臟脂肪變性等顯著改善。進一步研究發(fā)現(xiàn)，與DUSP14相似，DUSP26與TAK1特異性結(jié)合阻斷肝細胞TAK1的磷酸化，進而調(diào)節(jié)了TAK1-p38和TAK1-JNK的信號傳導(dǎo)，從而減輕了肝脂肪變性和代謝紊亂。研究揭示了DUSP26在NAFLD疾病中的積極作用[30]。

四、總結(jié)與展望

在NAFLD發(fā)病機制中，MAPK家族的作用越來越多地被揭示。JNK和p38-MAPK已被證明是NAFLD發(fā)病中胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、糖脂代謝以及炎癥反應(yīng)的重要調(diào)控因子。DUSP1、DUSP9、DUSP12、DUSP14和DUSP26顯示對這兩個激酶的底物偏好，它們可通過直接調(diào)節(jié)MAPK的磷酸化水平緩解實驗性NAFLD肝細胞脂肪變性、炎癥、胰島素抵抗以及肝纖維化。除直接調(diào)控之外，有研究證實部分DUSP亞型對MAPKKK激酶ASK1和TAK1同樣具有去磷酸化作用，通過抑制ASK1或TAK1磷酸化從而調(diào)節(jié)JNK和p38的磷酸化水平。在對DUSP9和DUSP12的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)它們通過抑制ASK1磷酸化進而調(diào)控下游靶點治療NAFLD。在DUSP14和DUSP26中，調(diào)控TAK1的去磷酸化被證實是它們的主要作用機制。

綜上所述，目前多個研究報道了多個亞型DUSP參與了NAFLD發(fā)生發(fā)展，證實了其在NAFLD發(fā)病中的重要意義。但是目前這些研究均尚處于動物和細胞研究階段，至于DUSP能否成為未來NAFLD藥物治療的新靶點，需要進一步機制研究以及相關(guān)臨床試驗來證實。