PI3K、PKC、MAPK信号转导途径及其在支气管哮喘中的作用

　　作者：王正艳 综述, 王成国 审校 作者单位：(郧阳医学院附属东风医院呼吸内科,湖北 十堰 442008)

　　【关键词】 支气管哮喘;磷酯酰肌醇-3激酶;蛋白激酶C;丝裂原活化蛋白激酶

　　在支气管哮喘(简称哮喘)患者体内存在着庞大的细胞因子、黏附因子和炎性介质网络系统，研究发现哮喘患者体内存在的受体信号转导系统调控着细胞因子、黏附因子和炎性介质对机体的作用。其中，磷脂酸肌醇-3-激酶(phosphatidy linositol 3-kinase,PI3K)，蛋白激酶C(Protein kinase C,PKC),丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK) 信号系统是最重要的参与哮喘发病机制的信号途径。本文就PKC、MAPK、PI3K信号转导途径的特点及其与支气管哮喘的关系作一综述。

　　1 PI3K、PKC、MAPK信号转导途径的特点

　　1.1 PI3K信号转导途径的特点

　　PI3K家族是一类特异性地催化磷酯酰肌醇(phosphatidyl inositol,PI)3-位羟基磷酸化,产生具有第二信使作用的肌醇脂类物质的激酶。哺乳动物PI3K家族成员众多,按照其结构特征及作用底物的特异性等差异,将此家族划分3类[1]。Ⅰ类PI3K由催化亚基与调节亚基组成异二聚体,在细胞中的优先生理底物是PI(4,5)P2。Ⅰ类PI3K可进一步分为两亚类,由调节亚基p85和催化亚基p110α/β/δ之一组成的异二聚体为ⅠA类,p101和催化亚基p110γ组成的异二聚体为ⅠB类,二者在细胞中具有不同的活化机制及作用[2]。ⅠA类PI3K调节亚单位凭借SH结构域与上游蛋白的磷酸化酪氨酸残基相互作用,可以引起p110催化亚单位膜转位和激活;ⅠB类PI3K由GPCR激活。Ⅱ类成员特征是在羧基末端有C2结构域,主要磷酸化PI和PI4-P。Ⅲ类成员只磷酸化PI。人的气道平滑肌细胞只表达ⅠA类、Ⅱ类、和Ⅲ类PI3K,而不表达ⅠB类PI3K。

　　PI3K调节许多细胞功能,包括细胞增殖、 分化、 翻译、 运动和凋亡。PI3K作为磷酸化膜上磷脂酰肌醇D3 位肌醇环的酶家族存在,并且作为蛋白激酶磷酸化靶蛋白的丝氨酸基团。D3磷脂酰肌醇作为第二信使并激活下游的效应分子,如P70S6K、 蛋白激酶B(PKB)和Akt。PI3K/AKT通路是PI3K主要介导的下游信号传递途径,其中蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)是一种相对分子质量约为60 000蛋白,在PI3K的信号转导途径中起着关键作用。它是逆转录病毒Aktδ的癌基因产物,故又称Akt。当细胞在受到激素、 生长因子和细胞因子刺激后,无活性的胞质PKB得到PI3K的产物PI(3,4)P2,PI(3,4,5)P3,它们与PKB的PH区特异性的结合,诱使其构象发生变化,并转位至胞质膜,发生磷酸化而激活。PKB激活后可以抑制多种刺激诱发的细胞凋亡,促进细胞周期的进展，介导细胞生长与增殖、蛋白质合成、抗凋亡等细胞事件。

　　1.2 PKC信号转导途径的特点

　　PKC是1977年在鼠脑的胞质成分中发现的一种依赖磷脂和钙的蛋白激酶，由多种具有不同生物学特性的同工酶组成。迄今为止，已至少发现有12种PKC亚型。通常分为三类：(1)钙依赖型或经典型PKC(classical,cPKCs)：由α,β1,β2,γ组成，激活时需要依赖Ca2+，DG和磷脂酰丝氨酸(PS)或佛波酯(PMA);(2)钙不敏感型或新型PKC(novel,nPKCs)由δ,ε,η和θ组成，不需要Ca2+，但需DG，磷脂或PMA;(3)非典型PKC(atypical,aPKCs):由ξ,λ,τ组成，仅需磷脂类物质激活而不依赖Ca2+,DG及PMA;此外，近年来又发现一种PKCμ，它不需Ca2+,DG激活，而由磷脂酞肌醇-4,5-二磷酸激活，但在结构上与前三种类型相似，为PKC超家族第四种类型。

　　PKC是一个由多基因家族编码的多肽类物质，其分子量约80 kD，由737～872个氨基酸残基构成一条单多肽链，N-末端为疏水的结构域(调节区域)，C-端为亲水的蛋白激酶。N-末端结构域是酶的催化部位(催化区域)。PKC通常以无活性的形式存在于细胞中，细胞外信号分子与受体结合通过偶联蛋白活化磷脂酶C(PLC)，使磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)分解，产生三磷酸肌醇(IP3)和DG,IP3促钙池中的Ca2+释放，使胞浆中Ca2+浓度升高，PKC被激活。PKC亚型对不同细胞增殖、分化均有不同的影响。PKC与细胞周期之间有正性和负性双重作用。不同的PKC亚型对细胞凋亡的调节具有双相作用，这可能与其亚型的特异性有关。报道认为PKCε对转录因子NF-κB的活化也是必需的,其作用机理是:PKCε通过激活应答生长因子,激活核因子B,激活激酶的活化,介导IκB激酶的激活来完成对转录因子NF-κB的活化。另一方面,PKCε似乎通过脂多糖刺激巨噬细胞诱导丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶1的活化来对丝裂原活化蛋白激酶进行级联负调控[3]。细胞中PKC的短时间和长时间激活又可产生不同的生理反应，前者磷酸化底物蛋白质，后者则和细胞的增殖、分化有关。

　　1.3 MAPK信号转导途径的特点

　　MAPK通路包括细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)，c-jun氨基端激酶(c-jun N-terminal kinase,JNK)/应激活化的蛋白激酶(stress activated protein kinase,SAPK)和p38 MAPK，BMK1ERK5等亚族[4]。其中ERK被丝裂原和促增殖刺激活化，主要对细胞的生长、分裂和分化信号进行传导;而JNK和p38 MAPK主要对炎性细胞因子和多种类型的细胞应激信号(如紫外光、热，渗透压的变化)进行传导[5]。整个Ras/MAPK信号通路在胚胎的发育,细胞的分化、增殖、死亡等生物学过程中具有重要的调节作用,活化一些转录因子、蛋白激酶等,引发多种生物学效应。

　　MAPK家族中每一种激酶都有其亚型或同种型,它们通过对底物的选择,使不同的信号通路具有特异性。ERK信号转导通路，目前已发现ERK蛋白激酶有3种亚型,即ERK1,ERK2和ERK3。在此通路中,细胞外刺激通过磷酸化反应激活小G蛋白Ras,后者是Raf的激活者,Raf蛋白具有MAPKKK活性,它通过使MEK1(MAPKK1)和MEK2(MAPKK2)的丝-苏氨酸磷酸化而激活MEK1和MEK2,进而激活ERK1，pERK2,从而自Ras到ERK形成一条由蛋白质分子组成的链状信息传递通路。目前研究证实PKC参与了对Raf的直接磷酸化,但研究发现这种磷酸化并不足以使Raf 激活MEK,提示完全激活Raf可能需要Ras和PKC的共同作用。

　　JNK信号转导通路:JNK能使c2Jun N端转录区活性区中的Ser63和Ser70磷酸化,从而提高其转录活性,因发现其与应激密切相关,故亦称为应激活化蛋白激酶(SAPK)。在哺乳动物中,JNK由JNK1，JNK2，JNK3组成。其上游激酶MAPKK为MKK4和MKK7,MKK4和MKK7的上游激酶目前尚不完全清楚,可能为MEKK1、MLK以及MUK。

　　p38 MAPK信号转导通路:p38 MAPK在体内分布广泛，具有4个亚型：p38α、p38β、p38γ、p38δ。p38α、p38β在各种组织中广泛存在，p38γ主要存在于骨骼肌中，p38δ则多见于睾丸、胰腺、前列腺、小肠、唾液腺、垂体和肾上腺等处 。p38 MAPK途径主要被促炎因子(TNF-α、Ⅱ-p)、应激刺激(紫外线、过氧化氢、热损伤、高渗透性损伤)、脂多糖、蛋白合成抑制剂、细菌病原体及其产物等激活。目前认为MKK6和MKK3是p38 MAPK的上游激酶,它们能使p38 MAPK催化区TGY基序中的苏氨酸和酪氨酸残基磷酸化进而使其激活,其中MKK6是激活p38 MAPK的主要激酶。p38被激活后可进入到细胞核或转移到其他部位，主要参与应激条件下细胞的免疫调节、炎症反应和细胞凋亡过程[5]。

　　1.4 三条信号通道的相互联系

　　生物机体内信号系统错综复杂，形成一个网络;MAPK、PI3K、PKC信号系统也相互影响，共同调控着机体的内环境变化。

　　PI3K催化生成的产物可激活PKC-ε和PKC-λ，其分别调控NF-κB,AP-1的活化。PKC-α,PKC-β,PKC-γ活化后可使raf-1磷酸化而激活， 活化的raf-1通过MAPK级联反应激活MAPK，活化的MAPK再活化一些转录因子、蛋白激酶等,引发多种生物学效应。而ⅠB型PI3K对MAPK的活化则与丝裂原刺激导致的细胞生长增殖有关。

　　2 MAPK、PI3K、PKC信号系统与支气管哮喘的关系

　　气道慢性炎症和气道重构是支气管哮喘的重要特征。在哮喘气道慢性炎症过程中,嗜酸粒细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、肥大细胞等通过释放炎症因子及细胞因子起作用;哮喘的气道重构则以气道平滑肌细胞增生肥大、上皮下胶原纤维沉积等为特点。PI3K、PKC、MAPK信号途径在哮喘发病机制中的许多环节上都起着重要作用。

　　2.1 MAPK、PKC、PI3K信号系统干预哮喘患者气道炎症反应的过程

　　慢性气道炎症是哮喘的本质,嗜酸粒细胞(Eos)、T细胞、肥大细胞、中性粒细胞等的激活、浸润气道并介导的炎症介质释放是气道损伤的关键。已有的文献研究[6]表明PI3K通过产生脂类第二信使分子,导致众多细胞内信号级联通路的活化,可广泛调控上述细胞的炎性效应,如参与Eos、肥大细胞的迁移和脱颗粒作用,影响中性粒细胞的聚集及活化,与CD28协同刺激信号协同促进T细胞的早期活化增殖、介导IL-2分泌、抗T细胞凋亡等。

　　研究发现[7],哮喘患者外周血淋巴细胞的PKC活性显著增加,PKC可能参与了哮喘患者外周血T淋巴细胞的活化。目前发现PKC信号途径也参与介导了T细胞的增殖过程。PKC,MAPK,PI3K共同的下游信号分子NF-κB对哮喘患者外周血T淋巴细胞的增殖及凋亡也具有调控作用。提示PKC-NF-κB信号转导途径的激活可能是哮喘的发病机制之一。

　　在哮喘患者体内，MAPK使cPLA2磷酸化并导致其激活，释放花生四烯酸，花生四烯酸是前列腺素的前体，前列腺素作为细胞内的信使，可以活化腺苷酸环化酶，该酶活化产生的第二信使cAMP又能激活蛋白激酶A。cPLA2是白三烯，前列腺素，血栓素A2,血小板活化因子和溶血磷脂等炎性介质生成的限速酶，在哮喘发病中起着重要作用。MAPK还可以促进转录因子磷酸化并参与激素抵抗型哮喘的发病机制，其促进胞浆蛋白磷酸化，使其产生白三烯等炎性介质，导致哮喘发作;另外MAPK与生长因子及其它细胞因子对哮喘的发生有协同作用[8]。

　　2.2 MAPK、PKC、PI3K信号系统在哮喘气道平滑肌增殖中的作用

　　过去一直认为,ASMCs有丝分裂增殖由ERK/PKC信号通路调控。最近研究认为,PI3K及其所引起的信号级联反应作为一个极重要的第二信号通路影响ASMCs增殖。故目前认为ERK和PI3K的激活所介导的信号转导途径是它们诱导ASMC增殖的两条最重要的途径[9]，而PKC也参与了其中。

　　PI3K通过产生脂类第二信使分子,导致众多细胞内信号级联通路的活化,它在哮喘气道平滑肌增殖中起着十分关键的作用。Scott等首先证实 PI3K的活性与培养的牛气道平滑肌的有丝分裂成正比,应用PI3K抑制剂Wortmannin可显著减少(达90%以上)牛气道平滑肌细胞的DNA合成。并证实p70S6K作为PI3K的下游信号参与此作用。许淑云[10-11]等在研究中发现：哮喘气道平滑肌细胞的增殖活性增加，哮喘组气道平滑肌细胞PKC-α的mRNA和蛋白表达均较正常对照组显著增高,提示PKC及其亚型PKCα可能参与哮喘大鼠气道平滑肌细胞的增殖，在哮喘气道平滑肌增殖的信号转导中具有重要作用。在其随后的研究[7]中进一步发现，PKC,MAPK,PI3K共同的下游信号分子NF-κB可以促使DNA合成增加，导致气道平滑肌细胞增殖。

　　2.3 MAPK、PKC、PI3K信号系统的抑制剂对支气管哮喘的治疗作用

　　由于MAPK，PKC，PI3K信号转导通路在哮喘病理生理过程中的重要作用,合理的设计MAPK，PKC，PI3K的抑制剂必然成为针对哮喘病因的有效治疗干预方式。在过去的几年里,p38 MAPK抑制剂潜在的治疗角色已在哮喘模型中得到检测[12]。选择性的JNK抑制剂SP600125和SPC105在哮喘模型实验中十分有效。小鼠的哮喘模型实验中,SP600125能明显减少肺泡灌洗液中嗜酸粒细胞和淋巴细胞的数量,并能抑制嗜酸粒细胞[13]。在支气管黏膜下的浸润,抑制杯状细胞和气道平滑肌细胞的增生。有实验证明,用PI3K的抑制剂Wormannin和LY294002能够抑制气道平滑肌的细胞增殖周期的进行和DNA的合成从而阻碍其增殖[14]，而且能阻断气道慢性炎症的发展[6]。PKC抑制剂在哮喘模型中也观察到可显著抑制气道平滑肌以及淋巴细胞等炎症介质细胞的增殖及活化[7,10]。

　　3 总结

　　MAPK，PKC，PI3K信号系统在哮喘中的作用是复杂多样的,许多问题待深入研究。从信号转导机制探讨哮喘发病机制及哮喘的治疗手段,具有广阔的应用前景。

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