張 勇馬 勇朱宇旌邵彩梅

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，沈陽 110866;2.遼寧禾豐牧業(yè)股份有限公司，沈陽 110164)

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族是一個高度保守、脯氨酸指向的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Raf)家族。MAPK家族主要參與細胞內(nèi)的信號調(diào)節(jié)以應對細胞外信號刺激或生理應激(如輻射、滲透壓改變和缺血性損傷等)，使細胞對外部諸多刺激進行協(xié)調(diào)性反應［1］，用來控制涉及細胞存活的應激活化蛋白激酶活性［2－3］。研究發(fā)現(xiàn) p38 MAPK信號途徑在動物成肌細胞分化中起到重要的調(diào)節(jié)作用。p38 MAPK途徑的活化可以進一步地調(diào)節(jié)骨骼肌纖維的長度和橫截面直徑，使骨骼肌纖在數(shù)量不變的前提下，提高肌肉總量［4］。p38 MAPK信號途徑調(diào)節(jié)骨骼肌生長發(fā)育與NF-κB信號途徑有一定關(guān)系。

1 p38 MAPK的結(jié)構(gòu)特征

p38 MAPK 有 4 種異構(gòu)體即 α、β、γ、δ，其中p38α MAPK、p38β MAPK在人類和嚙齒類動物的骨骼肌分化中起到主要的調(diào)節(jié)作用［5］。4種異構(gòu)體分別由不同的基因編碼，p38α MAPK與p38β MAPK蛋白片段同源性高達 75%以上，與p38γ MAPK 和 p38δ MAPK 同源性只有 60%［6］，4種異構(gòu)體存在特征性保守結(jié)構(gòu)(蘇氨酸180－甘氨酸181－酪氨酸182)，在ATP作用下，位于口袋結(jié)構(gòu)(停泊槽)內(nèi)的保守性氨基酸殘基的羥基經(jīng)磷酸化而被活化。p38 MAPK蛋白分子結(jié)構(gòu)的報道大多是關(guān)于p38α MAPK的(圖 1)。哺乳動物 p38α MAPK由345～365個殘基組成［7］。催化位點位于N端和C端結(jié)構(gòu)域之間的停泊槽內(nèi)。這些結(jié)構(gòu)域通過1個單獨的鉸合鏈和C端的L16環(huán)狀結(jié)構(gòu)相連接，L16環(huán)返回纏繞在N端結(jié)構(gòu)域，同時控制著相對呈剛性的結(jié)構(gòu)域之間的聯(lián)系。此外，p38 MAPK在抑制因子占據(jù)活化位點而未被磷酸化的狀態(tài)下，其N端和C端的突起部分分別有1個錯位排列，以阻礙位于N端突起部位的賴氨酸53殘基和位于C端突起部位的天冬氨酸168殘基的協(xié)同作用，從而分別阻礙了ATP α位磷酸基團和其鄰近的核糖強制連結(jié)并穩(wěn)定在p38 MAPK的活化位點上［8］。從而也說明p38 MAPK是在 ATP磷酸化作用下發(fā)生別構(gòu)效應而被活化的。

圖1 p38 MAPK晶體結(jié)構(gòu)及其ATP活化位點Fig.1 The crystal structure of p38 MAPK and its ATP activation locus

2 p38 MAPK的表達及分布

p38 MAPK幾種異構(gòu)體在機體內(nèi)的表達和分布具有組織特異性。p38α MAPK、p38β MAPK在骨骼肌中的分布較多，同時參與成肌細胞的分化。p38γ MAPK在骨骼肌中也有分布，但其是否參與骨骼肌分化過程存在爭議。雖然Lechner等［9］在1996年克隆出人p38γ MAPK證實了它在骨骼肌中可促進成肌細胞向肌管的分化，但 Tortorella等［10］于2003年發(fā)現(xiàn)p38γ MAPK幾乎不在成肌細胞中表達，只在完全分化的肌細胞中才能檢測到，在成肌細胞分化晚期顯著地增加，并指出它在調(diào)節(jié)和維持肌肉顯型方面有重要作用。p38δ MAPK主要分布在肺、腎和某些腺體組織中，在骨骼肌中鮮有報道，鑒于在其他組織中均有不同程度分布，基本排除其在骨骼肌中發(fā)揮特異性作用的可能性［11］。

3 p38 MAPK的活化因子和抑制因子

p38 MAPK 同源物受胰島素［12］、環(huán)境應激、炎性細胞因子［如白細胞介素(IL)、腫瘤壞死因子(TNF)以及環(huán)氧化酶2和一氧化氮合酶］［13］等刺激而活化。相關(guān)的刺激經(jīng)過不同的信號途徑活化p38 MAPK的上游分子，如胰島素、MAPK激酶3(MKK3)、MAPK 激酶 6(MKK6)、TGF激酶 1(TAK-1)、TAK-1銜接蛋白1(TAB-1)和Zeta鏈子伴生的蛋白激酶(ZAP)等(圖2)。這些分子均可磷酸化 p38 MAPK 使其激活［14］。目前，雖然對p38 MAPK信號通路有一定了解，但是由于 p38 MAPK信號途徑與其他信號途徑可能存在交叉，使得此信號途徑的精細結(jié)構(gòu)變得更加復雜，有關(guān)這一信號途徑更加精細的描述有待進一步研究。

當前，SB203580是抑制p38 MAPK生物活性應用最廣泛的抑制劑。它是一種嘧啶、咪唑結(jié)構(gòu)的化合物，其他一些針對p38 MAPK開發(fā)的抑制劑也是在SB203580基礎(chǔ)上研制的嘧啶、咪唑類衍生物。但是p38 MAPK的4種異構(gòu)體對抑制因子的敏感程度不同。p38α MAPK、p38β MAPK對SB203580的 敏 感 程 度 高，p38γ MAPK、p38δ MAPK對 SB203580有抗性。而 Kook等［15］報道，在C2C12肌細胞分化過程中，細胞可自身分泌一種叫肌抑素(calpeptin)的抑制蛋白，可以通過抑制p38 MAPK的磷酸化達到抑制骨骼肌細胞分化的目的。研究表明該肌抑素也是鈣蛋白酶的特異性抑制蛋白，參與骨骼肌嫩度的調(diào)控［16］。

4 p38 MAPK信號途徑的生物學功能

p38 MAPK信號途徑參與調(diào)節(jié)細胞增殖、細胞凋亡、包括細胞周期、免疫作用和炎癥反應等。相關(guān)文獻報道，p38 MAPK在動物體內(nèi)主要通過3條途徑活化(圖2)，即:1)MKK3/MKK6活化的經(jīng)典途徑;2)TAB誘導的p38自身活化途徑;3)T細胞抗原受體(TCR)介導的ZAP-70磷酸化酪氨酸323途徑［1］。其中經(jīng)典的途徑是參與骨骼肌分化的主要途徑，其他活化途徑則與一些疾病的誘發(fā)有關(guān)。p38 MAPK信號途徑是缺血性心臟病、Ⅱ型糖尿?。?7－18］等疾病發(fā)生的主要誘導途徑，抑制p38 MAPK活性對治療上述疾病行之有效。p38 MAPK可緩解肌肉萎縮［19］。Shin 等［6］報道p38 MAPK通過誘導熱休克蛋白α、B晶體蛋白表達及其抗細胞凋亡的功能發(fā)揮來保護處于氧化應激狀態(tài)的星狀膠質(zhì)細胞。Lee等［20］報道在骨骼肌分化過程中p38 MAPK通過對絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶－細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Raf-ERK)信號途徑的抑制可誘導細胞停滯，而骨骼肌細胞停滯是骨骼肌細胞分化過程中必要的階段。Aviad等［21］報道，干擾爪蟾生長發(fā)育過程中的p38 MAPK信號途徑，Myf5基因的表達被選擇性的抑制，但MyoD基因的表達不受影響，骨骼肌細胞結(jié)構(gòu)基因的表達量下降，這導致了爪蟾的體節(jié)發(fā)育不良，體節(jié)間的界限不明顯，其中肌肉的結(jié)蛋白和原肌球蛋白的表達量與對照組相比顯著降低，大部分體節(jié)有細胞凋亡。Terzis等［4］認為p38 MAPK信號途徑可影響由運動引發(fā)的肌肉代謝活動，即:運動可刺激骨骼肌細胞內(nèi)的p38 MAPK途徑活化，進而促進肌纖維的長度伸長和橫截面直徑加寬，改善肌肉萎縮及肌肉消耗狀態(tài)。在代謝方面，p38 MAPK信號途徑參與調(diào)控肝臟－節(jié)食－誘導通路。研究表明胰島素抑制肝臟中的糖原異生和脂質(zhì)降解，糖皮質(zhì)激素則有相反的作用，即糖皮質(zhì)激素可以增強參與糖原異生和脂質(zhì)降解過程中相關(guān)分子的表達，而促進糖原異生和脂質(zhì)降解過程。Miller等［22］報道p38 MAPK可能通過增強這些分子的轉(zhuǎn)錄活性促進糖原異生和脂質(zhì)降解。p38 MAPK對于葡萄糖轉(zhuǎn)運也是必需的，它可以使細胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4變構(gòu)，從而易于葡萄糖在代謝過程中的跨膜轉(zhuǎn)運。因此，p38 MAPK信號途徑對于胰島素敏感性組織中葡萄糖轉(zhuǎn)運的調(diào)控非常重要［16］。綜上可以推測，由于p38 MAPK信號途徑在不同的組織細胞中發(fā)揮的生物學功能不同，應具有組織特異性。

圖2 p38 MAPK信號途徑的活化Fig.2 Activation of p38 MAPK signaling pathway［1］

5 p38 MAPK信號途徑在骨骼肌生長發(fā)育中的調(diào)節(jié)作用

骨骼肌分化是一個多步過程，包括肌形成蛋白的表達、細胞周期停滯、成肌纖維延長和細胞融合成多核肌管5個過程。分化過程涉及特定的信號途徑的活化、生肌轉(zhuǎn)錄因子(包括基本螺旋－環(huán)－螺旋肌肉調(diào)節(jié)因子 MyoD、Myf5、myogenin、MRF4)和肌細胞增強子連接因子2(MEF2)等蛋白隨后的誘導生成［5］。在骨骼肌分化過程中p38α MAPK、p38β MAPK是調(diào)節(jié)與骨骼肌分化相關(guān)因子的主要蛋白［23］。

雙重特異性磷酸激酶MKK3和MKK6參與了骨骼肌細胞分化過程中p38 MAPK信號途徑的活 化，其 中 MAKK3活 化 p38α MAPK、p38β MAPK 2種異構(gòu)體，MAKK6則可以活化p38 MAPK蛋白的 4 種異構(gòu)體［20］。Keren 等［23］總結(jié)了在成肌細胞生成過程中p38 MAPK活化的模型(圖3)。在肌肉細胞中 p38 MAPK蛋白經(jīng)MAPKK、MKK3、MKK6磷酸化后進入活性狀態(tài)，隨即活化一系列不同的底物，這些底物對生肌過程起到重要作用。p38可活化MEF2蛋白家族，p38 MAPK直接磷酸化MEF2A、MEF2C位于轉(zhuǎn)錄活性結(jié)構(gòu)域的殘基，增強其轉(zhuǎn)錄活性。分化中的骨骼肌細胞以p38 MAPK依賴型的方式磷酸化MEF2C蛋白使其活化，這一活化對于MEF2C蛋白的轉(zhuǎn)錄活性是必要的;雖然，p38 MAPK蛋白可以在體外通過磷酸化絲氨酸5而直接活化MyoD，但這并不影響 MyoD的轉(zhuǎn)錄活性［24］;活化 E蛋白47(E47)，促使形成MyoD-E47二聚體;磷酸化參與肌生成晚期階段的MRF4，p38磷酸化位于MRF4氨基末端的反式激活結(jié)構(gòu)域的絲氨酸殘基以降低其轉(zhuǎn)錄活性，研究表明MRF4活性的降低引起特定的肌肉細胞分化晚期特定細胞的選擇性沉默;p38還可能通過某種未知的中間蛋白的磷酸化來誘導Myf5的表達，從而影響Myf5的轉(zhuǎn)錄;p38通過磷酸化來募集染色體重建復合體(SWISNF)到肌肉細胞的啟動子區(qū)域，影響肌肉特定位置染色質(zhì)的重建。同時，p38蛋白還影響其他的信號途徑，研究表明它可間接抑制ERK的活力，可誘導蛋白激酶B家族成員(Akt2)基因的表達，還可以激活 NF-κB 信號途徑［25］。

6 p38 MAPK與NF-κB信號途徑的關(guān)系

肌肉中蛋白質(zhì)的合成和降解是維持肌肉總量和功能的基礎(chǔ)［26］，有研究表明NF-κB是多種不同的生理和病理狀態(tài)下與骨骼肌質(zhì)量減少相關(guān)性最高的信號途徑［27］。骨骼肌中 NF-κB的活化可以導致特定肌肉蛋白質(zhì)的降解，誘導炎癥反應和肌纖維變性。同時還可以阻止肌肉損傷或肌肉萎縮后肌纖維的再生［28］。p38 MAPK信號途徑在調(diào)節(jié)骨骼肌生長發(fā)育的過程中肌細胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量顯著提高，這表明p38 MAPK對骨骼肌細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成代謝的調(diào)節(jié)起到了積極的作用。p38 MAPK信號途徑在調(diào)節(jié)骨骼肌發(fā)育的過程中除了促進骨骼肌細胞分化外，還可以通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子 p65(RelA)蛋白達到活化 NF-κB的目的［29］。有研究表明 ERK信號途徑也可以活化NF-κB信號途徑［30］。因此，作者推測在骨骼肌細胞分化過程中，一方面p38 MAPK單獨活化一些骨骼肌細胞分化過程中所必需的因子促進骨骼肌細胞的分化，還可以通過抑制ERK信號途徑降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄水平而達到促進骨骼肌細胞分化的目的;另一方面當p38 MAPK活化量升高到一定水平的時候，可通過一定的途徑活化NF-κB以降低骨骼肌細胞中相關(guān)蛋白的含量。這2條信號途徑以維持骨骼肌細胞內(nèi)蛋白質(zhì)含量的恒定狀態(tài)。

圖3 p38 MAPK在蛋白活化中的作用Fig.3 Role of p38 MAPK in protein activation［23］

7 小結(jié)

肌肉總量和功能的維持需要蛋白質(zhì)合成與降解之間的平衡，涉及合成代謝與分解代謝之間的比例關(guān)系。p38 MAPK作為一種多功能的信號途徑在調(diào)節(jié)骨骼肌生長發(fā)育過程中積極地調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成。從分子水平對p38 MAPK促進骨骼肌生長發(fā)育機理的研究為改善肉品質(zhì)提供了新思路。

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