MAPK信号传导通路在间充质干细胞向成骨细胞分化中的作用

吉林医学 2008年3月第29卷第 6期 ·443· · 综 述 · MAPK信号传导通路在间充质干细胞向成骨细胞分化中的作用 罗 杨 ，刘 一，张科强 (吉林大学第一医院脊柱外科，吉林 长春 130021) [关键词】 MAPK；信号传导；间充质干细胞；成骨细胞 丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen—activated protein kinase， MAPK)属于丝／苏氨酸蛋白激酶，广泛存在于哺乳动物细胞的 胞质中，参与调节细胞生长、发育、分裂、死亡以及细胞间的功 能同步等一系列生命活动。MAPK由多种同功酶组成 ，具有 两个显著特征：一是通过 VIII区域苏氨酸、酪氨酸双位点磷酸 化活化，二是由脯氨酸介导的 Ser／Thr蛋白激酶，具有最小共 同靶序列 Ser／Thr—Pro”-2]。目前 ，MAPK家族有五大类成 员。分别为细胞外信号调节激酶(Extracellular—signal regulated protein kinase，ERK)1／2、C—Jun氨基末端激酶(JNK)／应激激 活蛋 白激 酶 (Stress—activated protein kinase，SAPK)、p38 MAPK、ERK5／BMK1(big MAP kinase 1)和 ERK3／4等。现在 研究得最广泛的是 ERK1／2、JNK和 p38 MAPK。ERK1／2对生 长因子和细胞外的有丝分裂原信号发生反应，促进细胞增殖， 阻止细胞死亡；p38 MAPK和 JNK被称为压力激活激酶，可促 进炎症的发展，特定条件下激活细胞的程序化死亡。多种细 胞因子、生长因子可以通过相应受体或其他跨膜途径激活或 抑制胞内的蛋白激酶。并通过相应因子介导，最终激活或抑制 MAPK。MAPK被激活的过程是保守的三级酶促级联反应， MAPK激酶的激酶(MAPKKK)激活 MAPK激酶(MAP KK)，而 MAP KK又激活 MAPK。 骨髓间充质干细胞(Mesenchymal atem ceils，MSCs)是中 胚层发育的早期细胞，具有自我更新和多向分化能力。在体外 培养或体内微环境条件下可分化为骨细胞、软骨细胞、脂肪细 胞、成肌细胞以及神经系统的细胞 “ ，具有广泛的临床应用 前景。MSCs存在于多种组织中，如骨髓、骨膜、胸腺、皮肤、脂 肪、肌肉等，是 目前组织工程中常用的种子细胞。 成骨细胞又称骨母细胞，常见于生长期的骨组织中，多聚集 在新形成的骨质面，对骨组织的生长发育、损伤修复、骨代谢平 衡及髓 维持起关键作用。成骨细胞数目减少功能减弱将导致 骨形成降低，进一步引起骨质疏松。成骨细胞由骨内膜和骨外膜 深层以及骨髓的骨祖细胞分化而成。在膜内成骨和软骨内成骨 中，MSCs分化为成骨细胞，同时，分泌胞外基质(ECM)，随着ECM 的钙化，成骨细胞被包埋在骨质中成为骨细胞。 1 ERK 通路 ERK是 MAPK家族 中最早确认 的成员 ，它被 MEK1／2 (MAPKK)激活，进而磷酸化许多不同的靶蛋白。包括胞浆蛋 白(如 cPLA2、Raf一1、PLCT等)、膜蛋白(NGF受体等)及多种 转录因子(如Elkl、C—myc等)，对细胞的增殖、分化等进行调 节。国内廖清船等I 在利用维生素 C、B一磷酸甘油诱导 MSCs向成骨细胞分化过程中发现，与溶剂对照组相比，在促 成骨细胞分化剂作用下，骨髓问充质干细胞ERK通路提前5d 激活。ERK通路阻断剂(PD98059)能明显减少3H 甲基胸腺 嘧啶掺入率。但对 ALP活性、钙沉积量没有抑制作用，表明 ERK可能是参与MSCs的增殖调节。Suzuki等 的实验也发 现，ERK途径对细胞的增殖起重要作用。对其分化作用不明 显。然而Jaiswal等I 发现。在诱导成人 MSCs向成骨细胞分 化时有 ERK通路的激活。ERK阻断剂 PD98059能剂量依赖性 的阻断其向骨组织的分化。并且出现向脂肪组织分化的增强。 因此。认为 ERK在 MSCs向成骨细胞分化的过程中具有重要 作用。由于出现这种矛盾的结果，所以要最终确定 ERK通路 是起着增殖作用还是分化作用，或是两方面均起着一定作用， 尚需要近一步的研究。 2 paSMAPK通踌 p38MAPK主要是介导生理性应激、内毒素、渗透性应激、 紫外 线 等刺 激 J。 目前 已经确 定 了 5个亚 型。即 p38 (SAPK2)。p3813，p3882。p38 (SAPK3)，和 p388 。主要被上 游蛋白激酶 MEK3、MEK6激活。廖清船 的实验显示维生素 C、B一磷酸甘油能引起 p38MAPK途径的激活。而 p3s阻断剂 SB203580能剂量依赖性地减弱ALP 活性、减少钙沉积量，但 对 刚2甲基胸腺嘧啶掺入率不仅没有抑制作用，甚至 1tunol／ LSB203580能 够 增 加 Ⅲ 一甲基 胸 腺 嘧啶 掺 入 率，表 明 #SMAPK对 MSCs向成骨细胞特异性分化可能起着重要的调 节作用。而他在最近的实验 训¨中，应用植物雌激素金雀异黄 酮诱导小鼠MSCs，能明显增加细胞内ALP活性和细胞外 ca 沉积量，并同时引起 #SMAPK通路的激活和ERK通路的抑 制，而应用p38通路抑制剂后，诱导剂的诱导作用显著减弱。 Hua Zhou等“ 以小鼠间充质干细胞为样本，诱导其向成骨细 胞分化，分别加入 ERK及 p38 MAPK的抑制剂，也发现 p3s的 抑制剂能明显减弱小 鼠间充质干细胞向成骨细胞的分化 ，而 ERK抑制剂却没有明显作用。以上表明，在 MSCs向成骨细 胞分化的过程中，p38 MAPK通路可能起着更为主要的作用。 3 JNK 通路 JNK最初被称为应激激活蛋白激酶(Stress—activated pro- tein kinase，SAPK)，它由三种亚型构成，JNK1，JNK2，和 JNl(3。 JNK1／2存在于全身各个系统，而JNl(3只存在于大脑、心脏、睾 丸等。其上游激酶主要是MKK4和MKK7。JNK对生长信号不 敏感。但许多能激活p38的因素也能激活JNK，例如TNF，11．一 1，渗透性应激、紫外线等【9】。目前认为，JNK通路对于机械刺 激更为敏感。李定宇等 ¨给予成骨细胞剪切应力的作用，发现 剪切应力能够促进 ERK、JNK、p38 MAPK的磷酸化 ，并进一步促 使成骨相关基因COX一2、E伊一l、c一§D8及骨桥蛋白大量表达。 MAPK被激活后，从胞浆进入到胞核内，作用于不同的下 游底物从而调控细胞的增殖、分化、凋亡等生理功能。在 维普资讯 http://www.cqvip.com chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 chen 线条 MSCs向成骨细胞分化的过程中，转录因子复合物 AP1是主要 的作用底物。 AP1由Jun和 Fos家族成员组成，属于 bZIP类 1)NA结 合蛋白。Jun与 Fos可以形成同源或异聚二聚体，并 可与其 他的转录因子家族 ，如 CREB／ATF，NFAT，E I'S，NF—KB及细 胞核激素受体结合。MAPK信号通路通过增加 AP1的含量 及直接刺激 AP1的活性而影响其活性。c—jun可以被 JNK 蛋白激酶磷酸化活化；ATF2既可以被 JNK又可被 p38蛋 白 激酶磷酸化活化。AP1在骨形成和成骨细胞分化中的具有 明确的作用” ：激活的骨形成细胞 ，表达高水平的c—fos和 c—jllII mRNA。体外培养成骨细胞 ，c—los、c—jliB和 junBm— RNA在增殖期高表达，而Fra一1、Fra一2则在分化期提高， 而且 Fra一2和 JunD构成 的 AP1复合物 可以激 发骨钙 素 (OCN)的表达。Jochum和 Sabatakos分别证实超表达 Fra一1 或 fosB的转基因鼠明显提高骨的形成和骨 基质蛋 白的表 达 ¨-151。成骨细胞 c—fos和 c—jHa蛋白的表达和活性增加 可使骨组织的代谢变得活跃 ，合成更多的胶原纤维，参与骨 组织的形成和重建。因此 ，利用 MAPK的介导作用，细胞外 信号通过增加 c—fos和 c—jan的表达和活性来促使 MSCs 向成骨细胞分化。 MAPK信号传导通路是一个复杂的网络系统，真菌中，并 行的 MAPK信号通路在细胞信号转导中并无相互作用 ，其每 一 条 MAPK通路都是相对独立的，通常不与其他通路发生交 联。但是，在哺乳类细胞中各的 MAPK信号通路之间通过复 杂的机制既可相互区别，又可相互调节，既有自身的独立性， 相互间又有千丝万缕的联系。ERK、JNK、p38MAPK三条通 路 ，或是在上游蛋 白激酶，或是在下游作用底物处 ，总是有其 通路的交汇” 。Hotokezaka¨ ”等发现 p38抑制剂引起 p38磷 酸化减少的同时伴随了 ERK磷酸化的增加；而 MEK抑制剂 减少ERK的磷酸化同样也使 p38的磷酸化程度增加。这种 复杂的、多联系的网络系统是确保细胞反应精确性和准确性 的关键，细胞对外界刺激的反应是综合了各个信号通路之问 的激活或／和抑制效应而产生的。 ， 虽然现在 MAPK信号传导途径的构成及调节方式基本清 楚，而且可以确定它在 MSCs向成骨细胞的增殖分化中有着重 要的作用。在但是由于其复杂性，在不同的刺激因素作用下、 不同的细胞中，各条信号途径的激活及具体的作用都不是完 全相同，同一刺激因素对 MAPK不同的通路可能会有不同的 作用，例如，植物雌激素金雀异黄酮可激活 p38MAPK通路 ，但 同时抑制 ERK通路 ¨。而雌激素则对 ERK和 p38MAPK通 路均有激活作用 。此外这些信号途径交叉性如何，特定胞 外信号与成骨细胞标志物的对应关系怎样等均未阐明，这些 问题尚需进一步研究证实。 当前，MAPK信号传导通路逐渐成为各个学科研究的热 点，而通过研究其在问充质干细胞向成骨细胞的分化中的作 用，有助于从分子水平了解骨形成的时空变化规律，为今后从 MAPK信号转导途径入手，研制促进骨修复和骨形成的新方 法奠定理论基础。 吉林医学 2008年3月第29卷第 6期 4 参考文献 [1] Koranteng RD，Swindle EJ，Davis BJ，et a1．Differentia1． regulation of mast cell cytokines by both dexamethasone and the p38 mitogen— activated protein kinase (MAPK) inhibitor SB203580．Clin Exp Inanunol[J]．2004，137(1)：81． [2] Waskiewicz AJ，Cooper JA．Mitogen and stress response pathways：MAP kinase cascades and phosphatase regulation in mammals and yeast[J]．Curt Opin Cell Bid，1995，7(6)：798． [3] Haynesworth SE，Goshima J，Goldberg VM，et a1．Charac- terization of cells with osteogenlc potential from human malYow [J]．Bone，1992，13(1)：81． [4] Pereira RF，Ha]ford KM，OHara MD，et a1．Cultured ad— hercnt cells from marrow can serve as long—lasting precursor eels for 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燥清洁、有无受压红肿、床铺是否整洁，及时评估、、制定 护理计划。③翻身与按摩：勤翻身，1次／h，夜间1次／2h(用充 气式气浪床可3—4h)，每次翻身后用d,JL爽身粉涂擦骨隆突 部皮肤。④保持皮肤清洁，预防臀红：截瘫患者常因大小便失 禁发生臀红 ，应及时为患者清洗会阴，用红霉素或氧化锌软膏 局部外涂，保持患者皮肤、衣被的清洁、干燥。⑤营养支持：多 吃水果、蔬菜、牛奶和易消化的事物。⑥功能锻炼：功能锻炼 能促进血管功能恢复。对于预防压疮具有重要意义。 2．2 对照组：术后2周拆线后出院，继续康复治疗，采用一般 的骨科护理常规⋯ ，住院期间无压疮发生。术后 3个月和 6 个月门诊复诊时观察并记录压疮情况。 3 结果 以上两组患者入院术后 2周内均无压疮发生，对照组患 · 护 理 经 验 · 者出院后 6个月由于与实验组护理方法不同，所致结果差异 明显 ：术后 3个月对照组发生 I度和 Ⅱ度压疮的例数分别是 3 例和4例，并有 1例出现Ⅲ度压疮；而实验组 度和Ⅱ度压疮 的例数各为 1例，没有出现Ⅲ度压疮。术后 6个月对照组发 生 I度和 Ⅱ度压疮的例数分别是2例和 5例，有 2例出现Ⅲ 度压疮 而实验组 I度和 Ⅱ度压疮的例数分别为 2例和 l例， 没有出现Ⅲ度压疮。 4 讨论 受压是发生压疮的主要原因。受压组织长期缺血、缺氧， 以及无氧代谢产物堆积对细胞组织产生的毒性作用，使细胞 变性坏死，皮肤发硬变色，形成水泡或表皮脱落心]。外伤性截 瘫患者神经营养功能失调。软组织抗压能力降低，这类患者软 组织承受的压力超过承受能力。当皮肤组织在承压 933kPa 下持续 2h，就可发生不可逆损伤。通常脊髓损伤后 51．2％的 患者伤后 6h发生压疮 。 截瘫患者由于卧床时间长，截瘫部位以下感觉缺失，自身不 能更换体位，而且大小便失禁，极易发生压疮。在护理过程中，护 理人员的责任心和工作主动性是预防压疮的关键。认真细致地 进行每项护理操作及交接班。制定严格的管理制度非常重要。对 照组出院后压疮发生较实验组明显，主要原因是住院期间医护人 员能及时纠正危险因素，防止压疮进一步发展。而出院后家属及 患者缺乏相对的医疗知识，发现问题、解决问题的能力相对欠缺。 所以出院随访的经常化及指导十分重要。 5 参考文献 [1] 张水兰，时红梅．压疮的护理进展[J]．实用护理杂志， 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