梁澤智(綜述),祝勝郎(審校)
(1.深圳市南山區(qū)人民醫(yī)院腎內(nèi)科,廣東深圳518052;2.廣州醫(yī)科大學(xué),廣州510089)
糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)是糖尿病的主要微血管并發(fā)癥,也是引起終末期腎病和糖尿病患者死亡的常見(jiàn)原因之一。DN的發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜,近年來(lái),人們對(duì)p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activited protein kinases,p38 MAPK)的認(rèn)識(shí)不斷深入,其在DN中的作用也逐漸被重視。p38 MAPK是MAPKs家族的重要成員,對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、分化、增殖、凋亡等具有重要作用?,F(xiàn)就p38 MAPK信號(hào)通路及其在DN中的作用進(jìn)行綜述。
1.1 MAPKs家族 MAPKs屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是介導(dǎo)細(xì)胞外信號(hào)到細(xì)胞內(nèi)的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。幾乎所有的真核細(xì)胞都有MAPK通路,它們共同調(diào)節(jié)細(xì)胞的基因表達(dá)、分裂、代謝、存活、凋亡和分化[1]。MAPKs超家族主要由細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)、c-Jun N端激酶/應(yīng)激激活的蛋白激酶、p38 MAPK以及ERK5/大絲裂原活化蛋白激酶組成。該家族中每一種酶都有其亞型或同種型,它們可以被不同的因素激活,從而發(fā)揮各自的生物作用。
1.2 p38 MAPK信號(hào)通路 p38 MAPK于1993年由Brewster等[2]首次發(fā)現(xiàn),是MAPKs超家族的一個(gè)成員,主要由360個(gè)氨基酸殘基組成。1994 年,Han 等[3]首次從小鼠肝臟cDNA文庫(kù)中篩選出編碼p38 MAPK的基因,并證實(shí)了它的相對(duì)分子質(zhì)量約為38 000。p38包括4個(gè)亞型:p38α、p38β、p38γ 和p38δ。它們的氨基酸序列有60%的相似性,但是表達(dá)方式不同[4]。4種p38由不同的基因編碼,因此它們擁有組織表達(dá)特異性:p38α廣泛表達(dá)于幾乎所有的細(xì)胞和組織;p38β主要分布在大腦;p38γ主要分布在骨骼肌;p38δ則主要分布在內(nèi)分泌腺[5]。組織表達(dá)的特異性和結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致它們對(duì)底物具有選擇性,體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證明,p38α、p38β分別可以被 SB203580和SB202190復(fù)合物選擇性抑制,然而p38γ和p38δ絲毫不受上述藥物的影響[6]。
1.3 p38 MAPK的結(jié)構(gòu) 大部分的MAPKs都有T-X-Y模塊,T-X-Y模塊高度保守,位于分子表面并靠近激活位點(diǎn)的“T環(huán)結(jié)構(gòu)”(T-loop)上,它是一個(gè)三肽基,其中T代表蘇氨酸,Y代表酪氨酸,X代表不同的氨基酸。不同MAPKs的T-X-Y模塊的區(qū)別主要在于X部位的氨基酸,而X不同決定了其所對(duì)應(yīng)的T環(huán)長(zhǎng)度不同。p38 MAPK的X代表的是甘氨酸殘基,因此其模塊為T(mén)-G-Y。研究發(fā)現(xiàn),MAPKs的激活需要T-X-Y上雙位點(diǎn)的同時(shí)磷酸化[7]。
1.4 p38 MAPK的上游信號(hào)調(diào)節(jié)及下游底物 與其他MAPKs相同,p38 MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活途徑也是保守的三級(jí)酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng):MAPK激酶激酶活化后,催化靶向的MAPK激酶活化環(huán)內(nèi)的兩個(gè)絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化;隨后,被活化的MAPK激酶催化靶向的MAPK活化環(huán)內(nèi)保守的T-X-Y模塊的蘇氨酸和酪氨酸殘基同時(shí)磷酸化,最后MAPKs對(duì)其特征性底物進(jìn)行磷酸化[8],產(chǎn)生特定生物效應(yīng)。p38激酶是p38 MAPK的上游激酶,主要包括p38 MAPK激酶3、4和6。
p38 MAPK的底物多種多樣,主要存在于細(xì)胞的胞質(zhì)和胞核。胞質(zhì)的底物可以被p38 MAPK直接活化,包括磷脂酶A2、Na+/H+交換子1、細(xì)胞周期素D1、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制物、Bcl-2家族蛋白、生長(zhǎng)因子受體和角蛋白[9];p38 MAPK經(jīng)典的胞核底物包括活化轉(zhuǎn)錄因子1、2和6,SRF輔助蛋白1,CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白,p53,肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2C和肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2A[10]。
1.5 p38 MAPK通路的激活及其功能 許多不同的細(xì)胞外刺激和因素可以使p38 MAPK通路激活,包括氧化應(yīng)激、紫外線輻射、腫瘤壞死因子α、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子、晶體滲透壓等[11];p38 MAPK還可以被鳥(niǎo)嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白受體和Rho家族的鳥(niǎo)苷三磷酸酶酶Rac及細(xì)胞分裂周期蛋白42活化[12]。
p38 MAPK的活化在控制調(diào)節(jié)免疫、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞增殖中具有十分重要的作用[13]。p38 MAPK的主要功能之一是促進(jìn)促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生,它通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子(如核因子κB)[14]或p38 MAPK交互激酶1和p38 MAPK激活蛋白激酶2/3的產(chǎn)生來(lái)調(diào)節(jié)mRNA的穩(wěn)定性及翻譯來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子的表達(dá)[15]。p38 MAPK也在細(xì)胞增殖和生存方面發(fā)揮重要作用。實(shí)驗(yàn)證明,在G1/S和G2/M轉(zhuǎn)變期間,p38α可以通過(guò)多種機(jī)制(包括下調(diào)周期素和上調(diào)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制物)負(fù)性調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的進(jìn)展[16]。p38 MAPK還可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后機(jī)制影響死亡受體、生存途徑以及促凋亡和抗凋亡的Bcl-2家族蛋白介導(dǎo)細(xì)胞的凋亡。
DN是糖尿病最常見(jiàn)的微血管并發(fā)癥之一,也是全球內(nèi)引起終末期腎病的最主要原因[17],其病理機(jī)制十分復(fù)雜,主要包括糖脂代謝異常、晚期糖基化終產(chǎn)物、多元醇通路的激活、氧化應(yīng)激、炎性介質(zhì)、細(xì)胞因子、血流動(dòng)力學(xué)的改變、細(xì)胞內(nèi)多條信號(hào)通路的激活等[18]。
Rane等[19]實(shí)驗(yàn)研究表明,DN存在磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶信號(hào)通路的激活。邢玲玲[20]研究發(fā)現(xiàn),高糖可以激活足細(xì)胞內(nèi)磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶信號(hào)通路,使磷酸化蛋白激酶表達(dá)上調(diào),同時(shí)足細(xì)胞標(biāo)記蛋白、腎病蛋白表達(dá)減弱,結(jié)蛋白、α平滑肌肌動(dòng)蛋白表達(dá)增強(qiáng),也提示磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶通路在DN中的激活并通過(guò)介導(dǎo)足細(xì)胞表型改變引起足細(xì)胞損傷。
研究發(fā)現(xiàn),高糖下雷帕霉素靶蛋白被激活,在腎臟系膜細(xì)胞、炎性細(xì)胞的增殖以及細(xì)胞因子、細(xì)胞外基質(zhì)的過(guò)度合成過(guò)程中起關(guān)鍵作用[21]。Yang等[22]在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DN動(dòng)物模型中,應(yīng)用雷帕霉素靶蛋白抑制劑——雷帕霉素能夠顯著改善腎臟肥大、腎小球基膜增厚以及細(xì)胞外基質(zhì)積累,并有效減緩蛋白尿,提示雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路的過(guò)度激活與DN的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。
Toyoda等[23]對(duì) DN患者及正常對(duì)照組腎小球中 p38 MAPK激酶1、絲裂原活化蛋白激酶激酶2、ERK1、ERK2及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1等基因進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)DN患者腎小球各基因的表達(dá)均明顯高于正常對(duì)照組,磷酸化的p38 MAPK激酶及p-ERK信號(hào)的強(qiáng)度與基因的表達(dá)一致,說(shuō)明在DN時(shí)ERK信號(hào)通路處于活化狀態(tài)。
Adhikary等[24]報(bào)道,在糖尿病患者腎臟細(xì)胞中 p-p38 MAPK表達(dá)比正常人明顯升高,證實(shí)了p38MAPK通路在DN時(shí)明顯被激活。
3.1 促進(jìn)細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的合成 DN的早期腎臟病理主要表現(xiàn)為細(xì)胞數(shù)目增多和腎臟體積增大。王麗暉等[25]實(shí)驗(yàn)證實(shí),高糖刺激可使p38 MAPK蛋白發(fā)生核轉(zhuǎn)移,p-p38 MAPK、磷酸化的腺苷酸反應(yīng)元件結(jié)合蛋白1的表達(dá)明顯上調(diào),轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1和纖維連接蛋白的mRNA表達(dá)增強(qiáng),層粘連蛋白和Ⅳ型膠原水平增加,說(shuō)明p38 MAPK信號(hào)途徑的激活參與了高糖誘導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)的合成和分泌。
3.2 增加活性氧類(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生ROS是一種重要的信號(hào)分子,它在炎癥紊亂的發(fā)生中具有重要作用[26],其家族包括超氧陰離子(O2-)、羥自由基(OH-)、過(guò)氧化氫等。DN中的高糖環(huán)境導(dǎo)致氧化應(yīng)激增加、ROS產(chǎn)生及抗氧化失衡,Osman等[27]研究發(fā)現(xiàn),使用 p38 MAPK的特異阻斷劑SB239063可以減少ROS的產(chǎn)生,在糖尿病大鼠的血管平滑肌中發(fā)揮抗氧化作用,說(shuō)明p38 MAPK的激活可以增加ROS的產(chǎn)生,促進(jìn)DN的發(fā)展。
3.3 促進(jìn)骨橋蛋白(osteopontin,OPN)形成 OPN是一種大的磷酸化糖蛋白黏附因子,它在患DN的人和小鼠中表達(dá)上調(diào),并促進(jìn)DN的發(fā)生、發(fā)展。Kato等[28]發(fā)現(xiàn),p38 MAPK及ERK通路的活化可以上調(diào)OPN的表達(dá)。Zuo等[29]研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是體內(nèi)還是體外實(shí)驗(yàn),OPN在DN中表達(dá)均增加且p38 MAPK明顯活化,而給予阿托伐他汀處理后,p38 MAPK活化被抑制,同時(shí)OPN表達(dá)減少,因此認(rèn)為高糖誘導(dǎo)的OPN高表達(dá)是通過(guò)p38 MAPK通路實(shí)現(xiàn)的。
3.4 促進(jìn)腎損傷因子1(kidney injury molecule-1,KIM-1)的脫落 KIM-1是腎近曲小管分泌的跨膜蛋白,正常條件下在尿液中無(wú)法測(cè)出,Moresco等[30]發(fā)現(xiàn)在缺血及腎毒性誘導(dǎo)的急性腎損傷中KIM-1在尿液中大量出現(xiàn)并穩(wěn)定存在。Nielsen等[31]的研究證實(shí),KIM-1的水平可以預(yù)測(cè)DN的發(fā)生。Zhang等[32]也發(fā)現(xiàn),p38 MAPK的活化會(huì)促進(jìn)KIM-1的裂解和脫落,使用p38 MAPK的特異阻斷劑SB202190可以抑制這一過(guò)程,因此認(rèn)為p38 MAPK可以調(diào)節(jié)KIM-1的裂解和脫落。
3.5 調(diào)節(jié)血管緊張素酶基因的表達(dá)及活化腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system,RAS) 血管緊張素酶是RAS的重要組成成分,RAS的活化在DN的發(fā)生中極為重要[33]。DN中高糖環(huán)境可以促使系統(tǒng)和腎臟局部的RAS活化,最終導(dǎo)致腎臟細(xì)胞的肥大、毛細(xì)血管壓增高、炎癥、凋亡等[34]。Hasegawa等[35]發(fā)現(xiàn),DN中p38 MAPK明顯被活化并通過(guò)調(diào)節(jié)血管緊張素酶的基因表達(dá)活化RAS。Pan等[36]發(fā)現(xiàn),使用姜黃素類似物C66可以抑制高糖下的p38 MAPK活化,從而下調(diào)血管緊張素酶的基因表達(dá),降低RAS的活性,達(dá)到保護(hù)腎臟的目的。
3.6 調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞和炎性介質(zhì)的釋放 近年來(lái)的研究認(rèn)為炎癥是DN發(fā)生的主要機(jī)制,并把DN的發(fā)生看作是一個(gè)炎癥過(guò)程[37]。DN時(shí)大量的炎性細(xì)胞,如巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞等被活化并釋放一系列的炎性介質(zhì),如白細(xì)胞介素1、白細(xì)胞介素6、腫瘤壞死因子α、干擾素γ、單核細(xì)胞趨化蛋白1、細(xì)胞間黏附因子1、血管細(xì)胞黏附因子1、脂肪因子等,最終導(dǎo)致腎臟的纖維化[38]。p38 MAPK是調(diào)節(jié)炎癥的重要通路,研究發(fā)現(xiàn)[39]抑制p38α和p38β可以明顯減少DN的蛋白尿和炎癥反應(yīng)。Tzeng等[40]用乙醇提取的金銀花可以抑制p38 MAPK的活化從而減輕巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞的浸潤(rùn)和炎性介質(zhì)的釋放,最終延緩鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DN的發(fā)生、發(fā)展,因此認(rèn)為抑制p38 MAPK通路活化是治療DN的重要靶點(diǎn)。
p38 MAPK是細(xì)胞信號(hào)通路的交匯點(diǎn),對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、分化、增殖、凋亡等具有重要作用。在DN中,p38 MAPK可以被多種因子激活,發(fā)揮復(fù)雜多樣的生物學(xué)效應(yīng),可以促進(jìn)細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的合成,增加ROS的產(chǎn)生,促進(jìn)OPN形成,促進(jìn)KIM-1的裂解和脫落,調(diào)節(jié)血管緊張素酶基因的表達(dá)活化RAS系統(tǒng),調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞和炎性介質(zhì)的釋放等多種途徑,影響腎小球系膜外基質(zhì)的形成與降解來(lái)影響DN的進(jìn)程。因此,p38 MAPK在DN中的作用值得深入研究,其有可能成為DN治療的新靶點(diǎn)。
[1]Cargnello M,Roux PP.Activation and function of the MAPKs and their substrates,the MAPK-activated protein kinases[J].Microbiol Mol Biol Rev,2011,75(1):50-83.
[2]Brewster JL,de Valoir T,Dwyer ND,et al.An osmosensing signal transduction pathway in yeast[J].Science,1993,259(5102):1760-1763.
[3]Han J,Lee JD,Bibbs L,et al.A MAP kinase targeted by endotoxin and hyperosmolarity in mammalian cells[J].Science,1994,265(5173):808-811.
[4]Cuenda A,Rousseau S.p38 MAP-kinases pathway regulation,function and role in human diseases[J].Biochim Biophys Acta,2007,1773(8):1358-1375.
[5]Cuadrado A,Nebreda A.Mechanisms and functions of p38 MAPK signalling[J].Biochem J,2010,429:403-417.
[6]Kuma Y,Sabio G,Bain J,et al.BIRB796 inhibits all p38 MAPK isoforms in vitro and in vivo[J].J Biol Chem,2005,280(20):19472-19479.
[7]Seternes OM,Mikalsen T,Johansen B,et al.Activation of MK5/PRAK by the atypical MAP kinase ERK3 defines a novel signal transduction pathway[J].EMBO J,2004,23(24):4780-4791.
[8]Mittelstadt PR,Yamaguchi H,Appella E,et al.T cell receptormediated activation of p38α by mono-phosphorylation of the activation loop results in altered substrate specificity[J].J Biol Chem,2009,284(23):15469-15474.
[9]Shi Y,Gaestel M.In the cellular garden of forking paths:how p38 MAPKs signal for downstream assistance[J].Biol Chem,2002,383(10):1519-1536.
[10]Swat A,Dolado I,Igea A,et al.Expression and functional validation of new p38α transcriptional targets in tumorigenesis[J].Biochem J,2011,434(3):549.
[11]Geest CR,Coffer PJ.MAPK signaling pathways in the regulation of hematopoiesis[J].J Leukoc Biol,2009,86(2):237-250.
[12]Goldsmith ZG,Dhanasekaran DN.G protein regulation of MAPK networks[J].Oncogene,2007,26(22):3122-3142.
[13]Whitmarsh AJ.A central role for p38 MAPK in the early transcriptional response to stress[J].BMC Biol,2010,8(1):47.
[14]Karin M.Nuclear factor-κB in cancer development and progression[J].Nature,2006,441(7092):431-436.
[15]Ronkina N,Kotlyarov A,Gaestel M.MK2 and MK3--a pair of isoenzymes?[J].Front Biosci,2008,13:5511-5521.
[16]Thornton TM,Rincon M.Non-classical p38 map kinase functions:cell cyclecheckpointsand survival[J].IntJBiolSci,2009,5(1):44.
[17]Lopes AA.End-stage renal disease due to diabetes in racial/ethnic minorities and disadvantaged populations[J].Ethn Dis,2009,19(1):47.
[18]Luis-Rodríguez D,Martínez-Castelao A,Górriz JL,et al.Pathophysiological role and therapeutic implications of inflammation in diabetic nephropathy[J].World J Diabetes,2012,3(1):7.
[19]Rane MJ,Song Y,Jin S,et al.Interplay between Akt and p38 MAPK pathways in the regulation of renal tubular cell apoptosis associated with diabetic nephropathy[J].Am J Physiol Renal Physiol,2010,298(1):F49-61.
[20]邢玲玲.PI3K/Akt通路在糖尿病腎病足細(xì)胞損傷中的作用[D].石家莊:河北醫(yī)科大學(xué),2012.
[21]Lieberthal W,Levine JS.The role of the mammalian target of rapamycin(mTOR)in renal disease[J].J Am Soc Nephrol,2009,20(12):2493-2502.
[22]Yang Y,Wang J,Qin L,et al.Rapamycin prevents early steps of the development of diabetic nephropathy in rats[J].Am J Nephrol,2007,27(5):495-502.
[23]Toyoda M,Suzuki D,Honma M,et al.High expression of PKCMAPK pathway mRNAs correlates with glomerular lesions in human diabetic nephropathy[J].Kidney Int,2004,66(3):1107-1114.
[24]Adhikary L,Chow F,Nikolic-Paterson DJ,et al.Abnormal p38 mitogen-activated protein kinase signalling in human and experimental diabetic nephropathy[J].Diabetologia,2004,47(7):1210-1222.
[25]王麗暉,吳廣禮,張麗霞,等.p38 MAPK信號(hào)途徑在高糖誘導(dǎo)的大鼠腎系膜細(xì)胞中激活的意義[J].解放軍醫(yī)學(xué)雜志,2009,34(2):196-199.
[26]Mittal M,Siddiqui MR,Tran K,et al.Reactive oxygen species in inflammation and tissue injury[J].Antioxid Redox Signal,2014,20(7):1126-1167.
[27]Osman N,Ballinger ML,Dadlani HM,et al.p38 MAP kinase mediated proteoglycan synthesis as a target for the prevention of atherosclerosis[J].Cardiovasc Hematol Disord Drug Targets,2008,8(4):287-292.
[28]Kato A,Okura T,Hamada C,et al.Cell Stress Induces Upregulation of Osteopontin via the ERK Pathway in Type II Alveolar Epithelial Cells[J].PLoS One,2014,9(6):e100106.
[29]Zuo L,Du Y,Lu M,et al.Atorvastatin inhibits hyperglycemiainduced expression of osteopontin in the diabetic rat kidney via the p38 MAPK pathway[J].Mol Biol Rep,2014,41(4):2551-2558.
[30]Moresco RN,Sangoi MB,De Carvalho JA,et al.Diabetic nephropathy:traditional to proteomic markers[J].Clin Chim Acta,2013,421:17-30.
[31]Nielsen SE,Andersen S,Zdunek D,et al.Tubular markers do not predict the decline in glomerular filtration rate in type 1 diabetic patients with overt nephropathy[J].Kidney Int,2011,79(10):1113-1118.
[32]Zhang Z,Humphreys BD,Bonventre JV.Shedding of the urinary biomarker kidney injury molecule-1(KIM-1)is regulated by MAP kinases and juxtamembrane region[J].J Am Soc Nephrol,2007,18(10):2704-2714.
[33]Carey RM,Siragy HM.The intrarenal renin-angiotensin system and diabetic nephropathy[J].Trends Endocrinol Metab,2003,14(6):274-281.
[34]Singh R,Choubey D,Chen J,et al.Inhibition of intracellular angiotensinⅡformation blocks high glucose effect on mesangial matrix[J].Regul Pept,2009,158(1):103-109.
[35]Hasegawa K,Wakino S,Tatematsu S,et al.Role of asymmetric dimethylarginine in vascular injury in transgenic mice overexpressing dimethylarginie dimethylaminohydrolase2[J].Circ Res,2007,101(2):e2-10.
[36]Pan Y,Huang Y,Wang Z,et al.Inhibition of MAPK-mediated ACE expression by compound C66 prevents STZ-induced diabetic nephropathy[J].J Cell Mol Med,2014,18(2):231-241.
[37]Wada J,Makino H.Inflammation and the pathogenesis of diabetic nephropathy[J].Clin Sci(Lond),2013,124(3):139-152.
[38]Ma FY,Liu J,Nikolic-Paterson DJ.The role of stress-activated protein kinase signaling in renal pathophysiology[J].Braz J Med Biol Res,2009,42(1):29-37.
[39]Lim AK,Tesch GH.Inflammation in diabetic nephropathy[J].Mediators Inflamm,2012,2012:146154.
[40]Tzeng TF,Liou SS,Chang CJ,et al.The ethanol extract of Lonicera japonica(Japanese honeysuckle)attenuates diabetic nephropathy by inhibiting p-38 MAPK activity in streptozotocin-induced diabetic rats[J].Planta Med,2014,80(2/3):121-129.