ERK1_2信号通路与脑创伤后神经细胞凋亡的研究新进展_赵雅宁

·综 述· [收稿日期]2007-11-16;[修回日期]2008-01-03[基金项目]河北省博士基金(06547008D -7);中国人事部留学人员科技活动项目择优资助基金(2007-17)[作者简介]赵雅宁(1974-),女,河北唐山人,华北煤炭医学院主管护师,医学硕士研究生,从事脑损伤与脑保护研究。

＊通讯作者ERK1/2信号通路与脑创伤后神经细胞凋亡的研究新进展赵雅宁(综述),高俊玲＊(审校)(华北煤炭医学院护理系,河北唐山063000) 【关键词】　信号传导;脑损伤;细胞凋亡;综述文献【中图分类号】　R651.15 【文献标识码】　A 【文章编号】　1007-3205(2008)06-0953-03 细胞外信号调节激酶1/2(ex tracellular -sig nalregulated kinase ,ERK1/2)是广泛存在于真核细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,属丝裂原活化蛋白激酶(mitogen -activated protein kinase ,M APK )家族成员。

从信号转导角度看,活化后的E RK1/2作用于胞浆或胞核内的底物蛋白,引起特定蛋白的表达或活化,调控细胞的增殖、分化、凋亡等。

关于ERK1/2信号通路与中枢神经系统疾病关系的研究,目前集中在脑缺血的资料,而在脑创伤方面尚处在起步阶段。

研究显示,ERK1/2信号通路在脑创伤后的继发病理过程中发挥关键作用,有可能成为脑创伤后治疗的新靶点。

本文对ERK1/2信号通路在脑创伤后神经细胞凋亡中的作用机制进行综述。

1　ERK1/2信号通路与脑创伤后的细胞凋亡1994年,Wieloch 等[1]首次提出脑缺血损伤中有ERK1/2和其他M APK 活化。

此后的10多年间,ERK1/2信号通路在中枢神经系统损伤中的作用逐渐为人们重视。

大鼠脑缺血后ERK1/2迅速激活,抑制剂PD98059(2′-amino -3′-methoxy -flavo ne )预处理封闭ERK 磷酸化,可减少22h 后局部梗死面积的55%,且这种保护作用呈剂量依赖性[2]。

Mo ri 等[3]应用控制性皮质冲击伤模型同时研究了体内和体外激活E RK1/2的表达情况,结果显示脑创伤后ERK1/2活性显著增高,抑制剂PD98059可明显减少神经细胞死亡数目,减小脑创伤后7d 皮质的损伤体积,并改善了损伤后的神经功能。

这些研究都说明ERK1/2信号通路的活化与脑创伤后神经细胞凋亡密切相关。

最近,Clausen [4]在闭合性脑创伤模型,应用激光共聚焦显微镜观测到损伤中心及周边区磷酸化的细胞外信号调节激酶1/2(phosph o ry lated ERK /2,p -ERK1/2)与末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP 缺口末端标记(terminal deo xy -nucleo tidy l transfe rase -media ted dUTP nick end labelling ,TUN EL )阳性细胞共同定位,这为脑创伤后ERK1/2通路活化可导致神经细胞凋亡提供了最为直观的证据。

2　ER K1/2信号通路介导细胞凋亡的分子机制2.1　ERK1/2与内源性细胞凋亡通路:内源性细胞凋亡通路以线粒体通透性增加、细胞色素C (cy tochrome C ,Cy tc )释放、caspase -3激活为主要特征。

离体的研究证实激活的E RK1/2信号通路中,细胞凋亡伴随线粒体跨膜电位和线粒体质量的降低,因此有学者认为E RK1/2活化是线粒体膜去极化、Cy tc 释放、caspase -3活化、细胞凋亡的必要前提条件。

大鼠短暂性脑缺血损伤10m in ～3h 时间内,p -ERK1/2活性显著增高,与此同时,Cy tc 在胞浆中大量表达,免疫荧光法检测p -ERK1/2与Cy tc 共同定位同一神经细胞[5,6]。

陈万欣等[7]的研究发现大鼠重度弥漫性脑创伤后,大脑皮质损伤中心p -ERK1/2呈明显持续激活状态,高峰表达持续至伤后24h ,重要的是研究者在相邻切片作了p -ERK1/2和caspase -3双重标记,发现p -ERK1/2的分布情况与caspase -3标记有很大程度的重叠性,且两者的阳性细胞形态出现极大的相似性,提示脑创伤后ERK1/2通路的激活参与了线粒体受损启动的内源性细胞凋亡通路。

近年来,ERK1/2通路与细胞凋亡的关系引起人们的广泛关注,但对E RK1/2介导细胞凋亡的机·953·第29卷第6期2008年11月　河北医科大学学报JO U RN A L O F H EBEI M EDICA L UN IV ERSIT Y V ol .29　N o .6No v .　2008制研究主要集中在体外毒性物质对细胞的损伤。

这里,我们加以总结,期望对以后脑创伤的研究提供一定的指导意义。

ERK1/2通路可以通过以下途径启动细胞凋亡的内源性途径,①增强Bax表达。

用顺铂处理肾皮质细胞,ERK1/2被激活,同时伴随Bax 表达增加,U0126可明显下调Bax的表达[6]。

②p53活性增强。

用细胞毒素shiko nin处理He La细胞时,ERK1/2发生活化,胞浆p53大量堆积;抑制剂U0126封闭E RK1/2通路活化,p53表达显著下降,凋亡细胞明显减少[8,9]。

③参与Calpain介导的细胞凋亡。

Calpain是钙-依赖性半胱氨酸中性蛋白酶,活化后具有强烈的破坏作用,既可裂解细胞骨架蛋白及结构蛋白,破坏溶酶体膜、导致细胞溶解坏死,又可裂解bcl-XL、使其结合Bax的功能丧失,导致游离Bax增多、caspases蛋白活化,细胞发生凋亡。

研究显示Calpain是E RK1/2直接作用底物,大鼠帕金森病模型中,激活的ERK1/2可提高Calpain活性,其表达增多,神经细胞凋亡,免疫荧光显示p-E RK1/2与Calpain共同定位[10]。

尽管Bax 和p53部分说明了ERK1/2与内源性细胞凋亡通路的关系,但其不能完全解释内源性细胞凋亡通路上caspase-3的活化,Now ak[11]的研究发现,U0126或PD98059封闭E RK1/2活性,caspase-3的表达显著下降,但对线粒体Cy tc的释放无影响,这说明ERK1/2可直接调控caspase-3活性。

有学者认为, ERK1/2活化后通过核转录机制,激活立早基因c-fo s、c-jun,进而改变了凋亡晚期基因caspase-3的表达,最终导致凋亡。

2.2　ERK1/2与外源性细胞凋亡通路:外源性细胞凋亡通路指死亡受体介导的细胞凋亡通路。

肿瘤坏死因子α(tum or necrosis factor-α,TNF-α)或Fas与死亡受体结合后,诱导死亡受体寡聚化,形成死亡诱导信号复合体(death inducing signaling co mplex, DISC),导致caspase-8激活,进而直接活化效应caspase-3,细胞凋亡。

Jo等[12]在顺铂诱导大鼠急性肾功能衰竭的模型中,发现E RK通路抑制剂可减少TNF-α的表达、caspase-3活化和肾组织细胞凋亡。

这说明ERK通路可通过增加TNF-α的表达,参与外源性细胞凋亡通路。

W ang[13]在大鼠局灶性脑缺血模型中发现,抑制剂U0126可显著下调脑缺血后1～4h白细胞介素-1m RNA的表达,减小脑损伤面积。

U0126的这种保护性机制在脑创伤的模型中得到进一步证实,大鼠液压脑创伤模型中, U0126可显著抑制伤后6h TNF-α表达;脊髓损伤模型中,U0126可明显抑制伤后小胶质细胞活化,减少损伤因子白细胞介素-1β的表达[14,15]。

这些研究都提示脑创伤后ERK1/2与外源性细胞凋亡通路有关。

最近,Cagnol[16]观测了ERK通路活化对caspase-8的作用,人胚胎肾细胞可特异活化Raf-1,用人胚胎肾细胞延长ERK活化时间,可见Fas信号通路活性增高,caspase-8激活,外源性Bcl-XL抑制线粒体Cy tc的释放,但细胞凋亡的比率无显著变化,进一步证实活化的E RK1/2参与了外源性细胞凋亡通路。

3　ER K1/2的亚细胞定位对神经细胞凋亡机制的影响 在多种脑缺血和脑创伤模型中,都能观察到活化的E RK1/2,但其活化后的细胞区域分布因模型不同而不同。

如小鼠局灶性脑缺血模型中,半影区神经元中激活的ERK1/2持续表达24h,主要定位在细胞浆、核周体、神经毡,在谷氨酸介导的兴奋性毒性作用的模型中也可观察到相同现象;大鼠弥漫性脑创伤后p-ERK1/2主要定位在细胞浆,少数细胞核染色阳性;这与自由落体造成的闭合性局灶性脑创伤模型中p-E RK1/2细胞定位相反,在此模型中p-E RK1/2主要定位在细胞核,细胞浆阳性较少[17,18];有学者认为p-ERK1/2展示出的特殊亚细胞定位形式有助于我们对其作用机制的认识。

Bing ren[19]在流体液压伤模型中,发现创伤后30 min p-ERK1/2阳性表达明显增多,增多的阳性产物主要定位于齿状回颗粒细胞轴突形成的苔状纤维,并推测ERK1/2定位于神经细胞轴突是脑创伤增加癫痫易损性的主要原因,这种推测在随后的研究中得到证实,ERK1/2可使突触蛋白I磷酸化而激活,增强突触小泡与肌丝的接触,导致神经递质释放增加,阻断ERK通路可显著抑制谷氨酸对神经细胞的过度兴奋而对脑损伤有保护作用。

脑损伤后,细胞浆和细胞核介导的ERK1/2细胞凋亡通路机制可能不同,Clausen等[4]的自由落体脑撞击伤模型中,伤后30min活性明显增高的E RK1/2主要定位于细胞核,推测ERK1/2活化后迅速转位至细胞核,发生核滞留,通过转录调控改变立早基因c-fos的表达,最终改变凋亡晚期基因caspase-3的表达,从而导致神经细胞凋亡。

这种推测在我们前期的研究中得到证实[7]。

脑创伤后,p-ERK1/2阳性产物在细胞浆中大量堆积,可能与细胞浆对毒素的吸收有关,影响其对下游促存活因素的有效作用;同时E RK1/2直接与细胞浆中存在的凋亡相关蛋白,如Bax、p53等作用,从而诱导细胞浆或线粒体机制·954·河北医科大学学报 第29卷　第6期介导细胞变性死亡,细胞损伤模型中,这些凋亡蛋白的活性增加最终介导了E RK1/2信号通路上的细胞凋亡[20]。

总之,作为细胞浆和细胞核之间重要的穿梭蛋白,活化的ERK1/2定位于不同亚细胞器中,可能破坏了促凋亡和促存活信号之间的平衡,导致细胞最终不同的结果。

4　结语与展望ERK信号通路在脑创伤后神经细胞凋亡中的作用机制具有复杂性、多样性,应当认识到E RK1/2级联反应时空性的不同,即使级联反应激活同一转录因子,但最终转录的靶基因和底物可能不同;各种应激、刺激的强度、作用方式和持续时间的不同,均可造成实验结果的较大差异,因此需对ERK1/2信号通路介导细胞凋亡作用做更全面深入的动态研究,明确其作用的具体分子机制、具体靶基因和蛋白,以便为临床脑创伤的治疗提供新思路。