细胞外信号调节激酶与缺血性脑卒

　　作者：中严洪新,徐恩　　作者单位：广州医学院第二附属医院神经内科

　　【摘要】 细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signalregulated kinase1/2, ERK1/2)是丝裂原活化蛋白激酶家族中的一员。脑缺血缺氧后，细胞外各种刺激因素通过三级级联反应激活ERK。磷酸化的ERK在脑缺血后升高，其在脑缺血中的作用是多方面的，一方面通过炎症和反应性氧族加重缺血性脑损伤，另一方面又通过减少细胞内钙超载而减轻缺血后脑损伤。

　　【关键词】 细胞外信号调节激酶1/2,脑缺血,炎症,反应性氧族,文献综述

　　近年来，信号传导通路在脑缺血性损伤机制中的作用越来越受到重视。其中，细胞外信号调节激酶(extracellular signalregulated kinase, ERK)信号传导通路是参与缺血性脑损伤机制中的一条重要的信号传导通路。脑缺血后，细胞外各种刺激因素通过三级级联反应激活ERK，激活后的ERK在脑缺血过程中作用广泛，ERK不仅参与炎症和氧化应激，还与细胞内Ca2+浓度的调节密切相关。现就ERK信号传导通路与脑缺血的研究进展作一综述。

　　1 ERK信号传导通路

　　ERK是丝裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase，MAPK)家族中的一员。MAPK是一类高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在所有的真核细胞中表达，主要分布于细胞质[1]。MAPK包括4条传导通路，分别是ERK通路、cJun N末端激酶(cJun Nterminal kinase，JNK)通路、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 mitogenactived protein kinase，P38)通路和胞外信号调控激酶5(extracellular signalregulated kinase 5，ERK5)通路[2]。Ras/Raf/MEK/ERK是ERK通路中研究最为活跃的信号通路之一。细胞外的各种刺激因素，如表皮生长因子、成纤维细胞生长因子等与细胞膜表面生长因子受体结合，通过生长因子受体结合蛋白2(growth factor receptorbound protein 2，Grb2)与生长因子受体结合，Grb2的亚单位SH3再与鸟嘌呤核苷酸交换因子Sos相互作用，形成生长因子受体Grb2Sos复合物。该复合物被激活后导致Sos转移至细胞膜，使Sos接近Ras，从而诱导GDP脱离Ras，形成有活性的GTPRas复合物。Ras有3种形式：Kiras、Haras和Nras。Ras与Raf1的丝氨酸和苏氨酸氨基端结合，从而将Raf1从细胞质转移至细胞膜，由细胞膜上的Raf1激酶激活Raf1[3]。Raf是一种MAPK激酶激酶(mitogenactivated protein kinase kinase kinase，MAPKKK)，包括ARaf、BRaf和Raf1 3种同工酶，其作用是使丝氨酸和苏氨酸磷酸化并激活下游的底物MAPK激酶(mitogenactivated protein kinase kinase，MAPKK)。MEK作为MAPKK中的一员，有MEK1和MEK2两个亚型，能够使酪氨酸和苏氨酸残基磷酸化，从而激活下游底物ERK1/2。ERK1/2被磷酸化后成为有活性的ERK1/2，后者在细胞信号传导通路中起主要作用。ERK家族成员有8个亚型(ERK1、2、3、4、5、6、7和8)[4]，其中对ERK1/2的研究最为清楚。ERK1/2由两种同工异构体组成，分别为ERK1和ERK2，两者在体外有相同的作用底物，提示两者在功能上的重叠。激活后的ERK1/2不仅可以使胞浆蛋白磷酸化，而且还可以激活细胞核内转录因子，如cFos、cJun、Elk1、cMyc和转录激活因子2(activating transcription factor 2，ATF2)等[5]。各种转录因子被激活后可以参与细胞的分化、增殖、炎症和氧化应激等。

　　2 ERK信号传导通路与脑缺血

　　2.1 脑缺血后ERK1/2的变化

　　正常非缺血脑组织中磷酸化的ERK表达量很少。许多研究发现，包括体外缺血模型和体内的局灶性及全脑缺血模型，缺血后PERK1/2均发生改变。Li等[6]在大鼠一侧短暂性大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)模型的研究中发现，缺血90 min再灌注1～3 h，PERK1/2在缺血半暗带区和梗死灶区明显升高，在缺血90 min再灌注1 h达高峰，并且PERK1/2在缺血半暗带区的表达比梗死灶区更强。Shackelford等[7]在大鼠短暂性全脑缺血模型研究显示，缺血期间PERK1/2降低，而在缺血10 min再灌注15 min后升高，提示急性脑缺血再灌注早期PERK1/2可能参与缺血再灌注损伤。Li和Shackelford的研究均表明，脑缺血后总ERK1/2蛋白水平无显著变化[67]，脑缺血再灌注引起神经元死亡或存活是通过对ERK1/2磷酸化水平调节，而不是通过对总ERK1/2蛋白水平的调节，也就是说磷酸化ERK1/2的水平代表了ERK1/2的活性，因此，ERK1/2磷酸化水平与脑缺血过程中细胞死亡和存活相关。Alessandrini 等[8]在小鼠MCAO动物模型的研究中发现，缺血前使用MEK1特异性抑制剂PD98059，可以使脑梗死体积在缺血90 min再灌注22 h减少至55%，缺血90 min再灌注72 h减少至36%，PERK1/2在梗死区域表达下降，同时cfos表达升高，这一研究提示在局灶性脑缺血模型中，抑制MEK1/ERK信号通路可能通过增强转录因子cfos的表达而减轻缺血后脑损伤，提示抑制ERK信号传导通路可以减轻缺血性脑损伤。然而，也有学者报道，在大鼠短暂性前脑缺血的模型中，缺血前给予MEK特异性抑制剂PD98059并不能减轻缺血后神经细胞的死亡[9]。上述研究结果的不同，一方面可能与选择的模型不同有关;另一方面也可能与ERK在脑缺血中作用的多样性有关。

　　2.2 ERK信号传导通路介导脑缺血后细胞损伤

　　脑缺血后ERK被激活，激活后ERK在脑缺血中作用是多方面的，既参与脑缺血后神经损伤过程，也参与了脑缺血后神经修复，以下分别从这两个方面作进一步的探讨。

　　2.2.1 ERK信号传导通路通过炎症介导缺血后脑损伤 现在普遍认为脑细胞能够产生细胞因子和趋化因子，并能够表达黏附分子，从而参与炎症反应。脑缺血4～6 h后，中性粒细胞黏附于缺血区毛细血管，趋化并聚集于缺血脑组织，释放促炎反应因子。其中与脑缺血密切相关的炎症细胞因子有白介素1(interleukin1，IL1)、白介素6(interleukin6，IL6)、白介素10(interleukin10，IL10)、白介素20(interleukin20，IL20)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factorα，TNFα)和转化生长因子β(transforming growth factorβ，TGFβ)[10]。Vikman等[11]在大鼠一侧大脑中动脉缺血1 h再灌注24 h的研究中发现，缺血侧大脑中动脉PERK1/2及其下游Elk1(ets like transcription factor1，Elk1)的表达比对侧的大脑中动脉明显增加。在缺血侧大脑中动脉炎症细胞因子(IL6、TNFα和IL1β)的mRNA表达也比对侧大脑中动脉增加。作者没有对脑缺血后PERK1/2及炎症细胞因子的升高与脑缺血损伤的关系作进一步的分析探讨。Wang等[12]在小鼠MCAO模型中，应用MEK1/2抑制剂U0126，PERK1/2在梗死区表达下降，ERK下游底物Elk1磷酸化减少，导致IL1β mRNA的表达下降，加入MEK1/2特异性抑制剂U0126组的动物其缺血区梗死体积比单纯短暂性大脑中动脉缺血组减小，提示PERK与炎症密切相关，下调PERK1/2可以减少炎症因子的产生，减少缺血性脑梗死体积。Huang等[13]研究发现，脑缺血后IL1和IL6的升高可以促使血管内皮细胞表达细胞间黏附分子1(intercellular adhesion molecule1，ICAM1)、P选择素、E选择素，介导中性粒细胞聚集于缺血区，从而导致脑组织损伤。虽然缺血区脑组织中出现的炎症细胞因子有IL1α、IL1β和TNFα等，但大多数实验主要集中于研究IL1β与ERK在脑缺血中作用，其它炎症细胞因子与ERK在脑缺血中的关系还不清楚。

　　2.2.2 ERK信号传导通路介导脑缺血后氧化应激损伤 反应性氧族(reactive oxygen species，ROS)是指氧的部分还原代谢产物，包括超氧化物阴离子(O-2)、羟自由基(OH-)、过氧化氢(H2O2)等。机体进行有氧代谢时可以产生活性氧。在正常的情况下，体内氧自由基的产生与清除是平衡的。脑缺血后，由于缺血区脑组织线粒体和胞浆促氧化酶的作用以及抗氧化酶的消耗，导致ROS的产生增加。脑缺血后ROS的增加是导致神经细胞损伤及迟发性神经细胞死亡的重要原因。ROS不但可以通过激活ERK的上游cRaf1激活ERK，而且可以通过抑制磷酸酯酶间接增加PERK的含量。HT22细胞由于缺乏谷氨酸受体而产生大量ROS，从而被广泛用于研究谷氨酸诱导氧化应激。Xiao等[14]在小鼠海马区衍生的HT22细胞培养模型中给予格尔德霉素，可以减轻由于氧化应激导致的DNA损伤，同时cRaf1水平下降，提示这种神经保护作用可能是通过抑制ERK上游cRaf1实现的。Ho等[15]通过对HT22细胞培养的研究发现，HT22细胞在氧化应激期间，ERK1/2相关的磷酸酯酶活性被抑制，PERK1/2的水平升高，细胞损伤增加;加入抗氧化剂后可以增加磷酸酯酶的活性，降低PERK1/2的水平，从而减轻由于ROS所介导的细胞损伤。在体内模型的研究中，进一步证实ROS可以通过增加PERK1/2水平而加重细胞损伤。在小鼠短暂性MCAO模型研究中，Noshita等[16]发现过表达超氧化物歧化酶的转基因小鼠在大脑中动脉缺血60 min后，其梗死区域PERK1/2的表达比野生型小鼠明显降低，同时其细胞凋亡相关的DNA片段也比野生型小鼠明显减少，说明超氧化物歧化酶可能有减轻细胞凋亡的作用，其机制可能与抑制ERK1/2磷酸化有关。由于细胞对损伤反应的多样性，损伤和修复包括多种机制，各种信号通路之间的关系错综复杂。Zimmermann等[17]在乳腺癌细胞培养中发现Akt可以使Raf激酶丝氨酸259位点磷酸化，从而抑制Raf/MEK/ERK信号通路。在脑缺血中，Akt信号传导通路可能通过Ros抑制ERK信号传导通路而起神经保护作用。

　　2.3 ERK信号传导通路通过减轻细胞钙超载介导脑缺血后细胞存活 脑缺血时能量代谢障碍，细胞膜上Na+/K+泵不能维持细胞内外正常的离子梯度，细胞膜电位发生改变而导致细胞外Ca2+大量进入细胞内，形成钙超载。Franceschini等[18]在大鼠皮层神经元氧葡萄糖剥夺(oxygenglucosedeprivation，OGD)模型中，加入MEK抑制剂U0126可以增加细胞质内Ca2+，并且可以加重神经元损伤;在该模型中加入谷氨酸受体拮抗剂MK801可以达到同样的效果，推测ERK信号传导通路可能通过谷氨酸受体调节细胞内Ca2+浓度。Bickler等[19]在海马神经元OGD模型研究中发现，在OGD之前给予0.5%～1.5%浓度的异氟烷预处理可以明显减轻神经元死亡，预处理组可以通过短暂性升高细胞内Ca2+浓度而增加PERK的水平，加入MEK的抑制剂U0126可以阻断异氟烷的神经保护作用，提示ERK和Ca2+可能存在一个相互调节机制。ERK可能通过减轻脑缺血过程中细胞内Ca2+超载而起神经保护作用。

　　综上所述，ERK信号传导通路在脑缺血中的作用是多方面的，脑缺血后各种有害的因子和保护性的因子被激活，有害的因子被激活后通过激活MEK/ERK信号传导通路加重脑损伤，其机制涉及炎症和反应性氧族;反之，各种保护性的因子被激活后通过激活MEK/ERK信号传导通路减轻缺血后脑损伤，其机制与减轻脑缺血后细胞内钙超载有关。

　　【参考文献】

　　[1] CULOMBE P, MELOCHE S. A typical mitogenactivated protein kinases: structure, regulation and function[J]. Biochim Biophys Acta, 2007, 1773(8): 13761387.

　　[2] CAGNOL S, CHAMBARD J C. ERK and cell death: mechanisms of ERKinduced cell deathapoptosis, autophagy and senescence[J]. FEBS J, 2010, 277(1): 221.

　　[3] MURPHY L O, BLENIS J. MAPK signal specificity: the right place at the right time [J]. Trends Biochem Sci, 2006, 31(5): 268275.

　　[4] BOGOYEVITCH M A, COURT N W. Counting on mitogen activated protein kinasesERKs 3,4,5,6,7 and 8[J]. Cell Signal, 2004, 16(12): 13451354.

　　[5] AVRUCH J. MAP kinase pathways: the first twenty years[J]. Biochim Biophys Acta, 2007, 1773(8): 11501160.

　　[6] LI F, OMORI N, JIN G, et al. Cooperative expression of survival pERK and pAkt signals in rat brain neurons after transient MCAO[J]. Brain Res, 2003, 962(12): 2126.

　　[7] SHACKELFORD D A, YEH R Y. Modulation of ERK and JNK activity by transient forebrain ischemia in rats[J]. J Neurosci Res, 2006, 83(8): 476488.

　　[8] ALESSANDRINI A, NAMURA S, MOSKOWITZ M A, et al. MEK1 protein kinase inhibition protects against damage resulting from focal cerebral ischemia[J]. Proc Natl Acad Sci, 1999, 96(22): 1286612869.

　　[9] SUGINO T, NOZAKI K, TAKAGI Y, et al. Activation of mitogenactivated protein kinases after transient forebrain ischemia in gerbil hippocampus[J]. J Neurosci, 2000, 20(12): 45064514.

　　[10] LAKHAN S E, KIRCHGESSNER A, HOFER M. Inflammatory mechanisms in ischemic stroke: therapeutic approaches[J]. J Transl Med, 2009, 7(1): 797.

　　[11] VIKMAN P, ANSAR S, HENRIKSSON M, et al. Cerebral ischemia induces transcription of inflammatory and extracellularmatrixrelated genes in rat cerebral arteries[J]. Exp Brain Res, 2007, 183(4): 499510.

　　[12] WANG Z Q, WU D C, HUANG F P, et al. Inhibition of MEK/ERK1/2 pathway reduces proinflammatory cytokine interleukin1 expression in focal cerebral ischemia[J]. Brain Res, 2004, 996(1): 5566.

　　[13] HUANG J, UPADHYAY U M, TAMARGO R J. Inflammation in stroke and focal cerebral ischemia[J]. Surg Neurol, 2006, 66(3): 232245.

　　[14] XIAO N, CALLAWAY C W, LIPINSKI C A, et al. Geldanamycin provides posttreatment protection against glutamateinduced oxidative toxicity in a mouse hippocampal cell line[J]. J Neurochen, 1999, 72(1): 95101.

　　[15] HO Y, SAMARASINGHE R, KNOCH M E, et al. Selective inhibition of mitogenactivated protein kinase phosphatases by zinc accounts for extracellular signalregulated kinase 1/2dependent oxidative neuronal cell death[J]. Mol Pharmacol, 2008, 74(4): 11411151.

　　[16] NOSHITA N, SUGAWARA T, HAYASHI T, et al. Copper/zinc superoxide dismutase attenuates neuronal cell death by preventing extracellular signalregulated kinase activation after transient focal cerebral ischemia in mice[J]. J Neurosci, 2002, 22(18): 79237930.

　　[17] ZIMMERMANN S, MOELLING K. Phosphorylation and regulation of Raf by Akt (protein kinase B)[J]. Science, 1999, 286(5445): 17411744.

　　[18] FRANCESCHINI D, GIUSTI P, SKAPER S D, et al. MEK inhibition exacerbates ischemic calcium imbalance and neuronal cell death in rat cortical cultures[J]. Eur J Pharmacol, 2006, 553(13): 1827.

　　[19] BICKLER P E, ZHAN X, FAHLMAN C S. Isoflurane preconditions hippocampal neurons against oxygenglucose deprivation: role of intracellular Ca2+ and mitogen activated protein kinase signaling[J]. Anesthesiology, 2005, 103(3): 532539.