基于MAPK主要信號(hào)通路探討動(dòng)物抗菌肽免疫調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

徐晨露,夏 嬙

(遵義醫(yī)科大學(xué) 珠海校區(qū)基礎(chǔ)教學(xué)部,珠海 519041)

抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs),又稱宿主防御肽(host defense peptides,HDPs),是生物體內(nèi)產(chǎn)生的一種具有較強(qiáng)抗菌活性的小分子多肽,具有多種免疫調(diào)節(jié)作用?？咕淖畛鯊南Ч疟忍煨Q蛹內(nèi)獲得[1],后來(lái)又相繼在細(xì)菌、植物、動(dòng)物等所有生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)[2]。動(dòng)物抗菌肽通常由上皮細(xì)胞產(chǎn)生,可以從組織、血液、體液和體表等分離獲得。此外,抗菌肽也可由各種免疫細(xì)胞,尤其是吞噬細(xì)胞產(chǎn)生,它們以顆粒形式存在于感染或炎癥部位,當(dāng)吞噬細(xì)胞內(nèi)的抗菌肽受外界刺激產(chǎn)生并達(dá)到一定濃度時(shí),吞噬細(xì)胞可將其釋放,進(jìn)而發(fā)揮免疫調(diào)控活性。因此,抗菌肽被認(rèn)為是抵御病原體入侵機(jī)體的第一道防線[3]。研究表明,抗菌肽不僅可以通過(guò)調(diào)控炎癥相關(guān)信號(hào)通路及其轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng),還對(duì)效應(yīng)細(xì)胞具有趨化作用,誘導(dǎo)免疫細(xì)胞的招募和聚集,進(jìn)而提高機(jī)體對(duì)細(xì)胞內(nèi)、外病原微生物的殺傷力,促進(jìn)免疫穩(wěn)態(tài)[4]。關(guān)于抗菌肽免疫調(diào)控作用及機(jī)制研究引起科研人員的廣泛關(guān)注[5-7]。

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信號(hào)通路是將細(xì)胞外刺激轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的重要分子傳感器,其激活可導(dǎo)致相關(guān)細(xì)胞內(nèi)底物或靶標(biāo)的磷酸化,參與細(xì)胞的增殖、凋亡、運(yùn)動(dòng)、發(fā)育及炎癥反應(yīng)[8]。目前關(guān)于MAPK信號(hào)通路的研究多集中在腫瘤領(lǐng)域,在抗菌肽免疫調(diào)控領(lǐng)域的研究還較少,尤其是基于MAPK信號(hào)通路研究抗菌肽免疫調(diào)控機(jī)制的綜述還未見報(bào)道。本文綜述MAPK主要信號(hào)通路在動(dòng)物抗菌肽免疫調(diào)控機(jī)制中的研究進(jìn)展,以期為抗菌肽機(jī)制的深入研究及抗菌肽在醫(yī)藥領(lǐng)域作用靶點(diǎn)研究提供參考。

1 MAPK信號(hào)通路

MAPK是一組能被多種細(xì)胞外物質(zhì)激活的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶,是將信號(hào)從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞核的重要傳遞者,可將細(xì)胞外的刺激轉(zhuǎn)化為多種細(xì)胞反應(yīng),在免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用[9]。MAPK信號(hào)通路包括MAPK激酶激酶、MAPK激酶和MAPK等3種激酶,這3種激酶能順次激活并磷酸化下游蛋白如神經(jīng)生長(zhǎng)因子受體、非七激酶子同源物、快速加速纖維肉瘤(rapidly accelerated fibrosarcoma,Raf)-1等,建立一系列級(jí)聯(lián)酶促反應(yīng),共同調(diào)節(jié)細(xì)胞的重要病理生理過(guò)程[10]。另外,MAPK信號(hào)通路根據(jù)MAPK的亞族不同,主要分為3個(gè)亞通路:c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)信號(hào)通路、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)信號(hào)通路、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular-signal regulated protein kinase,ERK)信號(hào)通路,這3條通路被認(rèn)為是經(jīng)典的MAPK信號(hào)通路,可以被不同細(xì)胞外信號(hào)激活,激活后通過(guò)磷酸化使活化的MAPK進(jìn)入細(xì)胞核,產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng),與許多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[11]。

1.1 JNK信號(hào)通路

JNK信號(hào)通路在將細(xì)胞外刺激傳遞至細(xì)胞核時(shí)起著至關(guān)重要的作用,可被多種免疫刺激激活。通過(guò)影響基因表達(dá)、細(xì)胞生存/死亡途徑等來(lái)調(diào)控機(jī)體代謝、免疫應(yīng)答、細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化和凋亡過(guò)程。JNK不僅能被其底物c-Jun激活,也能被雙特異性激酶MKK4和MKK7的酪氨酸(Tyr)、蘇氨酸(Thr)殘基磷酸化激活,被激活的JNK磷酸化下游轉(zhuǎn)錄因子以及其他非轉(zhuǎn)錄因子,使刺激在細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮作用,或者從細(xì)胞質(zhì)重新定位到細(xì)胞核中[12-13],絕大多數(shù)JNK通路不能獨(dú)立完成信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo),需要與p38 MAPK、ERK通路互相協(xié)作才能完成[14]。

1.2 p38 MAPK信號(hào)通路

p38 MAPK信號(hào)通路在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,廣泛存在于各種真核生物中。研究表明,各種環(huán)境應(yīng)激、趨化因子和炎癥因子均可通過(guò)MAPK的3種激酶激活p38 MAPK[13],而MKK3和MKK6則可以特異性磷酸化并激活p38 MAPK[11]。p38 MAPK不僅參與免疫細(xì)胞活化、炎癥因子釋放、細(xì)胞分化、增殖和凋亡等過(guò)程,還可以通過(guò)調(diào)節(jié)核轉(zhuǎn)錄因子-κB參與炎癥反應(yīng),活化的p-p38 MAPK通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6、IL-8等炎癥因子的分泌,進(jìn)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)發(fā)生,發(fā)揮免疫調(diào)控作用[15]。

1.3 ERK信號(hào)通路

ERK信號(hào)通路是最早被發(fā)現(xiàn)的MAPK通路,該通路最經(jīng)典的為大鼠肉瘤(rat sarcoma,Ras)-絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路。Ras是Raf-絲裂原活化細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase,MEK)-ERK通路的一個(gè)上游蛋白。在Ras-Raf-MEK-ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中,被激活的Raf結(jié)合并磷酸化高度同源的雙特異性激酶MEK1/2,通過(guò)磷酸化Tyr-Glu-Thr(TEY)調(diào)控位點(diǎn)激活下游的MEK,被激活的MEK通過(guò)其N端直接與ERK進(jìn)行相互作用,催化ERK亞功能區(qū)的Tyr和Thr殘基雙特異性磷酸化,進(jìn)而激活ERK,被激活的ERK被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核中,促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)靶蛋白磷酸化或者調(diào)節(jié)其他蛋白激酶的活性,進(jìn)一步磷酸化下游底物,并最終通過(guò)調(diào)節(jié)多種轉(zhuǎn)錄因子的活性和基因表達(dá)向細(xì)胞核傳遞細(xì)胞增殖與分化的信號(hào)[9,13],參與調(diào)控細(xì)胞的增殖、侵襲及存活等多種細(xì)胞功能[16]?，F(xiàn)已證實(shí)ERK通路過(guò)度激活可誘發(fā)癌癥、炎癥、神經(jīng)障礙及發(fā)育障礙等[17]。

2 基于MAPK通路的免疫調(diào)控機(jī)制

抗菌肽作為天然的免疫效應(yīng)分子,是動(dòng)物固有免疫的重要組成部分,在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[18]。抗菌肽介導(dǎo)廣泛的免疫功能,有助維持機(jī)體平衡,提高免疫能力,增強(qiáng)機(jī)體對(duì)病原微生物的殺滅效果[4,19]。其在哺乳類、鳥類、爬行類、兩棲類、魚類、昆蟲類、甲殼類等動(dòng)物中均有發(fā)現(xiàn),當(dāng)病原體入侵機(jī)體時(shí),動(dòng)物抗菌肽可以通過(guò)啟動(dòng)MAPK信號(hào)通路來(lái)發(fā)揮其免疫調(diào)控作用,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)ERK、JNK、p38 MAPK等3個(gè)MAPK亞通路參與了動(dòng)物抗菌肽的免疫調(diào)控作用[9]。哺乳動(dòng)物、鳥類、爬行動(dòng)物、魚類抗菌肽主要通過(guò)抑制或激活MAPK信號(hào)通路發(fā)揮免疫調(diào)控作用;而兩棲類、昆蟲及甲殼類抗菌肽則主要通過(guò)抑制MAPK信號(hào)通路發(fā)揮作用,具體見圖1。

圖1 動(dòng)物抗菌肽免疫調(diào)控機(jī)制

2.1 哺乳動(dòng)物抗菌肽

哺乳動(dòng)物黏膜層的陽(yáng)離子抗菌肽具有廣譜抗菌活性,分為防御素(Defensin)和導(dǎo)管素(Catheclicidins)兩大類,可有效防止有害微生物對(duì)動(dòng)物的危害[20]。如羊β-防御素-2(SBD-2)通過(guò)激活MAPK信號(hào)通路,使p38、ERK1、JNK表達(dá)水平增加,從而影響大腸桿菌F17對(duì)羊腸上皮細(xì)胞(OIECs)的黏附,進(jìn)而增強(qiáng)宿主感染大腸桿菌F17的先天免疫力[21];基于牛血紅蛋白抗菌肽P3改造的抗菌肽JH-3,可以通過(guò)抑制p38 MAPK信號(hào)通路降低p38 mRNA的表達(dá),減少IL-2、IL-6、TNF-α的表達(dá)和分泌,從而顯著抑制沙門氏菌感染小鼠的死亡率和腸道炎癥反應(yīng)[22];來(lái)源于豬乳鐵蛋白的抗菌肽LFP-20通過(guò)抑制MAPK信號(hào)通路,降低JNK、p38磷酸化水平,從而劑量依賴性地降低TNF-α、IL-6和IL-1β的表達(dá),進(jìn)而抑制脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[23];人類抗菌肽HBD-1可通過(guò)降低ERK、p38的磷酸化水平,下調(diào)促炎基因的mRNA表達(dá)和抑制炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生,進(jìn)而減輕炎癥反應(yīng),促進(jìn)牙髓組織的再生[24]。小鼠導(dǎo)管素類抗菌肽CRAMP作用于MAPK信號(hào)通路,亦可使ERK、JNK、p38磷酸化水平降低,IL-1β、IL-10分泌量減少,在宿主抵抗鮑曼不動(dòng)桿菌肺部感染中發(fā)揮重要作用[25]。人抗菌肽LL-37也屬于導(dǎo)管素類抗菌肽,但其是通過(guò)激活ERK、JNK信號(hào)通路增加ERK1/2、JNK磷酸化水平,降低IL-1β、TNF-α的表達(dá),抑制LPS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng),進(jìn)而促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞的成骨分化[26]。

2.2 鳥類抗菌肽

鳥類僅表達(dá)β防御素,稱為禽β防御素(Avian Beta-Defensins,AvBDs)。迄今為止,已鑒定出14種AvBD[27],均具有廣譜抗菌活性[28]。雞β-防御素5(AvBD5)通過(guò)磷酸化p38、ERK1/2激活MAPK信號(hào)通路,使雞巨噬細(xì)胞的IL-1β、IFN-γ、IL-12p40、IL-10、IL-4等表達(dá)顯著增加,起到免疫調(diào)節(jié)作用[29]。來(lái)源于雞的β-防御素8(AvBD8)通過(guò)磷酸化ERK1/2和p38信號(hào)分子,激活MAPK信號(hào)通路,誘導(dǎo) IL-1β、IFN-γ和趨化因子的表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答[30]。從鴿子體內(nèi)提取的抗菌肽Cl-CATH2可以顯著抑制p38、ERK1/2、JNK1/2磷酸化水平,進(jìn)而調(diào)節(jié)TNF-α、IL-6、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)及IL-10的表達(dá),從而調(diào)控先天性免疫應(yīng)答[28]。

2.3 爬行類動(dòng)物抗菌肽

爬行類動(dòng)物具有先天性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答,但主要依賴前者,由抗菌肽介導(dǎo)的先天性免疫應(yīng)答可在宿主抵御感染中發(fā)揮重要作用[30]。研究表明,金環(huán)蛇抗菌肽Aathelicdin-BF可顯著激活MAPK信號(hào)通路,誘導(dǎo)ERK、p38、JNK的磷酸化,進(jìn)而促進(jìn)單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞趨化因子的分泌,使其向感染部位聚集,顯著增強(qiáng)小鼠體內(nèi)抗金黃色葡萄球菌感染的能力[31]。來(lái)源于暹羅鱷亮氨酸(Leucrocin)I修飾而成的抗菌肽KT2亦可通過(guò)抑制MAPK信號(hào)通路,下調(diào)p-JNK、p-c-Jun、p-p38的蛋白表達(dá),從而抑制人類皮膚黑色素瘤細(xì)胞的遷移和侵襲[32]。眼鏡王蛇抗菌肽OH-CATH30則通過(guò)顯著激活p38 MAPK信號(hào)通路降低TNF-α、IL-6分泌,從而治療膿毒癥小鼠[33]。來(lái)源于緬甸蟒蛇的抗菌肽CATHPb1亦通過(guò)抑制MAPK通路中p38、JNK1/2、ERK1/2的磷酸化,減少促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6產(chǎn)生及提高趨化因子MCP-1和抗炎細(xì)胞因子IL-10水平,有效保護(hù)小鼠免受多種病原體感染[34]。來(lái)源于揚(yáng)子鱷的抗菌肽As-CATH4～As-CATH6均可通過(guò)抑制NO、TNF-α、IL-1β、IL-6的表達(dá)來(lái)發(fā)揮抗炎作用,但As-CATH4和As-CATH5是通過(guò)阻斷MAPK信號(hào)通路的激活,抑制ERK和p38磷酸化,而As-CATH6僅抑制ERK磷酸化[35]。

2.4 兩棲類動(dòng)物抗菌肽

來(lái)源于兩棲類動(dòng)物的抗菌肽是兩棲類免疫系統(tǒng)的重要成分,在抵御微生物入侵中發(fā)揮重要作用。首次從樹蛙中分離的抗菌肽Cathelicidin-PP通過(guò)阻斷MAPK信號(hào)通路激活,顯著抑制LPS誘導(dǎo)的小鼠腹腔巨噬細(xì)胞中ERK、JNK和p38的磷酸化,進(jìn)而抑制NO、TNF-α、IL-1β和IL-6的表達(dá),從而達(dá)到抑制LPS誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)的目的[36]。在小弧斑姬娃皮膚中分離到的抗菌肽Cath-MH,可抑制小鼠腎臟、肝臟、肺臟中ERK、JNK、p38的磷酸化,使促炎細(xì)胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α表達(dá)水平降低,從而降低膿毒癥小鼠的炎癥反應(yīng),減少膿毒癥小鼠的死亡率[37]。花姬蛙抗菌肽Brevinin-2MP亦通過(guò)抑制MAPK激酶的級(jí)聯(lián)激活,降低ERK、p38、JNK磷酸化水平,進(jìn)而顯著降低LPS誘導(dǎo)的NO、IL-6、TNF-α的表達(dá),從而發(fā)揮抗炎作用[38]。從貴州蠑螈皮膚中提取的抗菌肽TK-CATH,亦通過(guò)抑制LPS激活的MAPK信號(hào)通路,顯著降低p38、JNK、ERK的磷酸化,有效抑制LPS誘導(dǎo)的小鼠巨噬細(xì)胞中TNF-α、IL-1β、IL-6、iNOS的表達(dá),進(jìn)而發(fā)揮抗炎活性[39]。

2.5 魚類抗菌肽

當(dāng)細(xì)菌、病毒等入侵時(shí),魚類可分泌多種不同種類抗菌肽,參與宿主的防御反應(yīng)[20]。研究發(fā)現(xiàn),從斜帶石斑魚中提取的抗菌肽Epinecidin-1(Epi)通過(guò)抑制p38磷酸化,減少TNFα、IL-6、iNOS及IL-1β的表達(dá)水平,進(jìn)而治療小鼠內(nèi)毒素血癥[40]。來(lái)源于尼羅羅非魚的抗菌肽羅非魚魚苷4(TP4)通過(guò)增加ERK、p38活性來(lái)激活MAPK/ERK途徑誘導(dǎo)的IL-10-STAT3信號(hào)傳導(dǎo)通路,從而降低iNOS、IL-6、IL-10、TNF-α、IL-1β等細(xì)胞因子的表達(dá),進(jìn)而抑制加德納菌誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng),降低細(xì)菌性陰道炎患者感染其他性傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)[41]。

2.6 昆蟲抗菌肽

昆蟲抗菌肽是一種分子量低、熱穩(wěn)定性高、無(wú)免疫原性的化合物[42],主要分為五大類:天蠶素類、防御素類、溶菌酶、富含脯氨酸類和富含甘氨酸類[20]。昆蟲抗菌肽可從昆蟲的血淋巴、血細(xì)胞、吞噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞中獲得[2]。來(lái)源于雙叉犀金龜?shù)目咕腁llomyrinasin,可以抑制LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞的MAPK通路磷酸化,使p38、ERK、JNK磷酸化水平降低[43]。來(lái)源于糞甲蟲的抗菌肽Coprisin,通過(guò)阻斷LPS誘導(dǎo)RAW264.7細(xì)胞中酪氨酸和蘇氨酸磷酸化水平,抑制p38 MAPK的活化,進(jìn)而促使Coprisin通過(guò)p38 MAPK通路參與炎癥反應(yīng)[44]。來(lái)源于美洲大蠊的抗菌肽Periplanetasin-5通過(guò)抑制MAPK通路,顯著降低LPS誘導(dǎo)的p38、ERK和JNK的磷酸化水平,以及抑制NO、環(huán)氧合酶(cyclooxygenase,COX)-2、TNF-α和IL-6的產(chǎn)生,進(jìn)而發(fā)揮顯著的抗炎作用[42]。桑樹黃星天?？咕腜sacotheasin-2通過(guò)MAPK信號(hào)通路,降低TNF-α、IL-6、IL-β以及iNOS、COX-2等的表達(dá),以抑制LPS誘導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞炎癥反應(yīng)[45]。

2.7 甲殼類抗菌肽

甲殼類抗菌肽主要來(lái)源于蝦、蟹等甲殼動(dòng)物的血細(xì)胞和血漿,在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[46]。從蝦中提取的抗菌肽SALF通過(guò)抑制p38 MAPK和ERK信號(hào)通路,降低了TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、單核細(xì)胞趨化蛋白-1等的表達(dá)水平,從而對(duì)陰道毛滴蟲引起的炎癥反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而抑制其生長(zhǎng)[47]。

3 展望

動(dòng)物抗菌肽是機(jī)體天然防御系統(tǒng)的重要組成部分,具有趨化效應(yīng)細(xì)胞、誘導(dǎo)趨化因子轉(zhuǎn)錄及分泌、抑制炎癥反應(yīng)、連接先天性和適應(yīng)性免疫等多種免疫調(diào)節(jié)功能,使其成為新興的抗炎及免疫藥物替代品,具有廣闊的應(yīng)用前景。但是關(guān)于抗菌肽免疫調(diào)控機(jī)理的研究還不夠深入,特別是基于MAPK信號(hào)通路的抗菌肽免疫調(diào)控作用機(jī)制研究還較少,從僅有的這些研究中不難發(fā)現(xiàn),動(dòng)物抗菌肽可以有效抑制或激活MAPK信號(hào)通路,降低促炎細(xì)胞因子的釋放,進(jìn)而調(diào)控宿主免疫反應(yīng),改善機(jī)體炎癥。今后可在MAPK信號(hào)通路關(guān)鍵蛋白表達(dá)方面進(jìn)一步深入研究,以探尋動(dòng)物抗菌肽免疫調(diào)控的關(guān)鍵靶點(diǎn),期望其能夠在機(jī)體免疫功能調(diào)節(jié)及抗炎藥物等醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。