細胞凋亡系列篇【2】MAPK基因家族在細胞凋亡扮演的角色

在上期內容中，我們展現了細胞凋亡概念及細胞凋亡的主要途徑細，其中講到絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase, MAPK）基因家族作為細胞信號傳導的重要組成部分，在細胞凋亡中扮演着重要角色，本期將繼續為大家詳細展現絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase, MAPK）家族在細胞凋亡中的作用以及其調控細胞凋亡的作用機製。

一、MAPK基因家族的簡述

MAPK基因家族是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，由於其是在培養細胞過程中因細胞在受到生長因子等絲裂原刺激時被激活並被鑒定出來的而得名[1]。MAPK基因在所有真核細胞中都可以表達，其通路組成從酵母到人都是保守的三級激酶模式：通過三級激酶級聯反應（MAPKKK→MAPKK→MAPK）傳遞信號，最終調控下遊效應分子。MAPK級聯反應是多種信號通路的核心，是接收信號並將其帶入細胞核的一類重要分子，在許多細胞增殖凋亡相關信號通路中具有關鍵作用。在未受刺激的細胞中，MAPK處於靜止狀態。當細胞受到生長因子或其他因素刺激後，MAPK接收MKK和MKKK的活化信號而被激活，表現為逐級磷酸化。MAPK基因家族主要分為三個亞家族：ERK（extracellular-signal regulated protein kinase，細胞外信號調節激酶）、JNK（c-Jun N-terminal kinase，c-Jun氨基末端激酶）和p38 MAPK（p38 mitogen-activated protein kinase，p38絲裂原活化蛋白激酶）。哺乳動物中，ERK家族廣泛存在於各種組織，參與細胞的增殖分化調控。多種生長因子受體、營養相關因子受體等都需要 ERK 的活化來完成信號轉導過程。JNK 家族是細胞對各種應激原誘導的信號轉導的關鍵分子，參與細胞對輻射、滲透壓、溫度變化等應激反應。p38家族介導炎癥、凋亡等，是抗炎藥物開發的靶點。

MAPK pathways

1.1 ERK家族

ERK家族包括經典成員ERK1（MAPK3）、ERK2（MAPK1）和非經典成員ERK3/4、ERK5（BMK1）、ERK7/8，主要調控細胞增殖、分化、凋亡信號通路。

ERK1是第一個被鑒定出來的MAPK[2]。到目前為止，已報道了人類、小鼠、大鼠和斑馬魚基因組中存在ERK1的同源物。ERK2存在於人類、小鼠、大鼠、青蛙、雞和斑馬魚基因組中。值得註意的是，缺乏Erk2的小鼠無法形成胎盤錐和胚外外胚層，從而無法在胎兒中產生成熟的滋養層[3]。此外，根據E6.5和E7.5的組織學標準， Erk2−/− 胚胎也無法形成中胚層。

ERK3已被報道存在於人類、小鼠、大鼠、斑馬魚中。ERK3 主要受其蛋白質穩定性和自身磷酸化的調控。人類 ERK3 與 MAPK 活化蛋白 5 (MK5) 相互作用，ERK3 和 MK5 的時空表達表明兩種激酶共同表達。在小鼠中，mk5的缺失導致 ERK3 蛋白水平大幅降低，並在 E11 左右致死，此時erk3的表達水平在野生型小鼠胚胎中達到最大值，這表明 MK5-ERK3 模塊在發育過程中起着重要作用[4]。

ERK4與ERK3密切相關，最早在人類中發現，後相繼在小鼠、大鼠和斑馬魚中報道，在雞中也預測到了開放閱讀框（ORF）。在斑馬魚發育過程中，其時空表達模式主要定位於大腦[5]。

ERK5，也稱為BMK1，存在於人類、小鼠、大鼠、蛙和斑馬魚中。ERK5的激活由MEK5介導。氧化應激、高滲透壓和生長因子可激活ERK5通路。ERK5具有獨特的羧基末端結構域，可與轉錄因子肌細胞增強因子2 (MEF2)相互作用。使用 ERK5 或 MEK5 缺陷小鼠進行的基因研究表明，MEK5–ERK5 通路對血管發育和心血管發育至關重要。缺乏erk5或mek5的小鼠在E10 因胎盤發育、血管生成和心血管發育缺陷而死亡。使用誘導型啟動子 Mx1 驅動 Cre 表達的條件性敲除研究表明，在誘導 Cre 表達後2-4 周內，成年小鼠因 ERK5 敲除致死。組織學和體外分析表明，內皮細胞失去完整性，變圓並最終凋亡，這些發現表明內皮細胞的存活依賴於 MEK5 和 ERK5[6]。

ERK7存在於大鼠、小鼠和斑馬魚中，基於基因組的分析表明，人類erk8和啮齒動物erk7是直系同源物。據推測，ERK7 通過其特征性的 C 末端維持其組成性活性構象。目前尚未見對于其在脊椎動物發育中性能的研究報道。ERK家族基因通過磷酸化多種下遊靶標（如p90Rsk、CREB、c-Myc等），調控細胞核內的轉錄因子活性，從而影響基因表達[7]。

1.2 JNK家族

JNK家族包括三個基因：JNK1、JNK2和JNK3，其在細胞增殖、凋亡、應激反應等多種生理和病理過程中起着重要作用。它們分別表達 4 種 JNK1 剪接變體（α1、α2、β1、β2）、4 種 JNK2 剪接變體（α1、α2、β1、β2）和 8 種 JNK3 剪接變體。這些變體的分子量均為 46 KDa或 54 KDa，且帶有 C 端延伸，此外，部分JNK3剪接變體還帶有N端延伸。不同亞型在生物體中呈現特定的分布模式，例如，JNK1和JNK2在全身多個組織中普遍存在，而JNK3僅在心臟、睾丸和腦中表達。有研究表明，Jnk1−/−小鼠的 2 型輔助性 T 細胞應答受到影響，而jnk2−/− 小鼠的 T 細胞 1 型輔助性 T 細胞分化受損。兩種基因敲除均表現出 T 細胞活化缺陷和胸腺細胞凋亡。攜帶單個jnk2等位基因（jnk1−/− jnk2−/+）的小鼠可以存活至出生，但無法關閉視裂（視網膜缺損）[8]。此外，Jnk1−/− /Jnk3−/−或Jnk2−/− /Jnk3−/−胚胎中缺乏致死性，加之這些雙突變小鼠中缺乏凋亡改變，這表明 JNK1 和 JNK2（而非 JNK3）在腦胚胎發生過程中對特定腦區細胞凋亡的調控具有重要作用[9]。

1.3 p38 MAPK家族

p38 MAPK家族由四個同源異構體組成：p38α、p38β、p38γ和p38δ，主要響應應激和炎癥信號。p38 MAPK家族的四個基因在氨基酸水平上具有高度的同源性（約60%），都具有一個Thr-Gly-Tyr（TGY）雙磷酸化基序，這是其活性所必需的。

p38α和p38β都是廣泛表達的亞型，參與調節細胞增殖、分化、發育和應激反應。p38α基因敲除小鼠因胎盤血管生成缺陷而致命，而在某些遺傳背景下，p38α缺失會導致促紅細胞生成素 (Epo) 生成減少，從而引發貧血。有研究通過用大鼠erk3基因篩選，從人類骨骼肌cDNA文庫中分離出一個erk6克隆，該克隆似乎在成肌細胞分化為肌管的過程中起着信號轉導的作用。根據磷酸化結構域和性能，ERK6現被歸類為p38γ MAPK[10]。Eckert 及其同事將p38α描述為表面上皮細胞分化和細胞凋亡的調節因子[11]。迄今為止，已發現p38α在人類、小鼠和大鼠中表達，但在其他脊椎動物中尚未發現。

二、MAPK基因家族在細胞凋亡中的作用

MAPK基因家族在細胞凋亡中扮演着重要角色，其作用復雜且多樣，主要通過調節下遊信號通路和相關蛋白的表達來達成。以下將分別對MAPK基因三個亞家族在細胞凋亡中的作用進行闡述。

2.1 ERK家族

ERK信號通路在細胞凋亡中的作用較為復雜。ERK家族主要參與細胞增殖和生存信號的傳遞，但在某些情況下，ERK的持續活化可通過磷酸化調控細胞凋亡。蛋白磷酸酶通過在不同水平調控Ras/Raf/ERK信號通路發揮着重要的負調節作用，對于ERK通路具有促進細胞凋亡性能的早期報道出現在1996年[12]。研究表明，用格爾德黴素消耗Raf可保護MCF-7細胞免於抗腫瘤化合物紫杉醇誘導的細胞凋亡，而MEK反義cDNA表達可阻止蟾蜍靈誘導的 U937 白血病細胞凋亡。越來越多的研究使用 MEK 抑製劑（PD98059、U0126）以及顯性負性或組成性活性形式的 Ras、Raf、MEK 或 ERK 的表達，證實了 Ras/Raf/ERK 通路在誘導細胞凋亡方面的作用[13]。

2.2 JNK家族

JNK在細胞增殖、凋亡和應激反應中發揮着重要作用，通過磷酸化激活c-Jun等轉錄因子，調控下遊基因的表達，影響細胞命運。JNK的激活可以誘導Bax的活化，抑製Bad的活性，從而促進細胞凋亡。例如，在谷氨酸脫氫酶 1 (GLUD1)誘導凋亡的小鼠肝癌模型中，發現JNK 通路激活與 Bcl-2水平下調、Bax 水平的上調同步發生。此外，JNK還可以通過調控Bcl-2家族蛋白的表達，進一步影響細胞凋亡[14]。JNK的激活通常與氧化應激、紫外線照射等環境壓力相關。JNK信號通路的失調與多種疾病相關，包括神經退行性疾病（如帕金森病）、糖尿病、癌癥、心臟肥大和哮喘等。

2.3 p38 MAPK家族

p38 MAPK是MAPK家族的重要成員之一，其信號傳導在細胞凋亡中起着關鍵作用，其激活通常與熱休克、病毒感染等應激條件有關。p38 MAPK家族的激活依賴於上遊激酶的雙重磷酸化，磷酸化後的p38從胞漿轉移到細胞核，調控轉錄因子的活性。p38α 在 Ras 過度活化下被磷酸化，通過抑製Ras依賴性基因表達和細胞生長發揮負調節作用。例如，有研究表明， p38α在致癌Ras 誘導的惡性轉化中充當 ROS 感應劑。在致癌 Ras 表達下會增加 ROS生成，並增強腫瘤形成，p38激活會在這些細胞中氧化應激爆發時觸發細胞凋亡[15]。p38 MAPK信號通路在細胞凋亡中具有復雜的調控作用，既可以通過激活下遊效應分子促進凋亡，也可以通過適度激活維持細胞存活。一方面，p38 MAPK可以激活c-jun和c-fos，促進Fas/FasL介導的凋亡途徑，同時通過磷酸化Bax誘導其轉位，從而促進細胞凋亡。另一方面，p38 MAPK的適度激活可以抑製caspase-3的活性，從而阻止細胞凋亡。

三、MAPK基因家族在細胞凋亡中的作用機製

MAPK基因家族在細胞凋亡中具有重要作用，其作用機製涉及多個信號通路和分子機製。以下將詳細解析MAPK基因三個亞家族在細胞凋亡中的作用機製。

3.1 ERK家族

許多研究表明ERK信號通路在調控細胞凋亡過程中嚴重依賴細胞狀態和刺激因子，既可抑製也可促進細胞凋亡，詳細機製如下：

1.抗凋亡作用

ERK信號通路可通過調控多種凋亡相關蛋白來影響細胞凋亡。例如，ERK通過催化促凋亡蛋白BAD（Ser112位點）磷酸化，阻止其與Bcl-2/Bcl-xL蛋白結合，同時上調抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL和Mcl-1的表達，穩定線粒體膜電位，抑製細胞色素C（Cyt C）釋放[16]。此外，ERK可激活轉錄因子NF-κB、誘導凋亡抑製蛋白（IAPs）如Survivin的表達，抑製Caspase-3/9的活化。ERK也可通過調節內質網Ca²⁺庫穩定性，防止胞漿Ca²⁺超載誘導線粒體凋亡途徑[17]。

2.促凋亡作用

在缺氧或氧化應激環境下，ERK持續激活可增加Bax表達，促進線粒體膜通透性改變，觸發Caspase-9激活。此外，ERK激活增加細胞內活性氧（ROS）水平，觸發DNA損傷和p53依賴的凋亡[18]。

3.2 JNK家族

JNK基因家族在細胞凋亡中的詳細作用機製主要通過以下途徑達成：

1.轉錄依賴的促凋亡調控

激活的JNK轉移至細胞核，磷酸化多種轉錄因子，調控促凋亡基因表達。比如，JNK磷酸化c-Jun的Ser63/73位點，增強其轉錄活性，促進FasL、TNF-α、Bax等促凋亡基因表達。JNK磷酸化p53（Ser6）和p73，抑製其泛素化降解，穩定蛋白水平，誘導PUMA、Bax等線粒體凋亡相關基因轉錄[19]。以及其他轉錄因子ATF2、Elk-1、c-Myc等，進一步擴大促凋亡信號。

2.非轉錄依賴的線粒體通路調控

JNK通過直接調控Bcl-2家族蛋白，誘導線粒體膜通透性改變，促進細胞凋亡。JNK磷酸化Bcl-2的Ser70位點，抑製其抗凋亡性能，釋放促凋亡蛋白Bax/Bak。磷酸化Bim和Bmf，促使其從細胞骨架釋放，結合並激活Bax/Bak，導致線粒體釋放細胞色素C。細胞色素C與Apaf-1結合，激活caspase-9，進而激活下遊caspase-3/7，執行凋亡程序[20]。

3.死亡受體通路的協同作用

JNK通過上調FasL和TRAIL等死亡配體，激活死亡受體（如Fas、TNFR），受體激活後募集FADD和caspase-8，形成死亡誘導信號復合體（DISC），直接激活caspase級聯反應，進而引起細胞凋亡[21]。

3.3 p38 MAPK家族

p38 MAPK信號通路在細胞凋亡中的雙重機製：

1.促凋亡作用

p38α可直接磷酸化抗凋亡蛋白Bcl-2的Ser87和Thr56位點，抑製其與促凋亡蛋白（如Bax）的結合能力，促進線粒體膜通透性改變和細胞色素C釋放。在神經元中，p38 MAPK通過激活一氧化氮信號，刺激Bax向線粒體轉位，引發caspase級聯反應。有研究發現，在胰腺癌細胞中，p38 MAPK的激活可調控Fas/FasL信號通路介導的細胞凋亡[22]。此外，p38 MAPK通過磷酸化p53和ATF2，上調促凋亡基因（如Bax、PUMA）表達。例如，在肝癌細胞中，p38活性降低導致p53性能抑製，促進腫瘤生長。

2.抗凋亡作用

p38 MAPK在某些情境下表現出促細胞生存效應，研究發現在嗜中性粒細胞中，p38磷酸化caspase-8（Ser364）和caspase-3（Ser150），直接抑製其酶活性，延緩凋亡進程。短期激活p38可誘導熱休克蛋白（如HSP27），增強細胞對氧化應激的耐受性[23]。

總之，MAPK基因家族通過多層級信號網絡精細調控細胞凋亡，其在細胞凋亡過程中具有重要作用。 目前，MAPK基因家族的研究熱點主要包含癌癥預後、進化機製，疾病治療等多個範圍。這些研究不僅揭示了MAPK基因家族在生物學過程中的重要性，也為未來的基礎研究和臨床應用供應新的方向。

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部分MAPK家族基因現貨

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