p 38丝裂原活化蛋白激酶信号途径调节骨骼肌生长发育的机理

张 勇马 勇朱宇旌邵彩梅

(1.沈阳农业大学畜牧兽医学院，沈阳 110866;2.辽宁禾丰牧业股份有限公司，沈阳 110164)

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族是一个高度保守、脯氨酸指向的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Raf)家族。MAPK家族主要参与细胞内的信号调节以应对细胞外信号刺激或生理应激(如辐射、渗透压改变和缺血性损伤等)，使细胞对外部诸多刺激进行协调性反应［1］，用来控制涉及细胞存活的应激活化蛋白激酶活性［2－3］。研究发现 p38 MAPK信号途径在动物成肌细胞分化中起到重要的调节作用。p38 MAPK途径的活化可以进一步地调节骨骼肌纤维的长度和横截面直径，使骨骼肌纤在数量不变的前提下，提高肌肉总量［4］。p38 MAPK信号途径调节骨骼肌生长发育与NF-κB信号途径有一定关系。

1 p38 MAPK的结构特征

p38 MAPK 有 4 种异构体即 α、β、γ、δ，其中p38α MAPK、p38β MAPK在人类和啮齿类动物的骨骼肌分化中起到主要的调节作用［5］。4种异构体分别由不同的基因编码，p38α MAPK与p38β MAPK蛋白片段同源性高达 75%以上，与p38γ MAPK 和 p38δ MAPK 同源性只有 60%［6］，4种异构体存在特征性保守结构(苏氨酸180－甘氨酸181－酪氨酸182)，在ATP作用下，位于口袋结构(停泊槽)内的保守性氨基酸残基的羟基经磷酸化而被活化。p38 MAPK蛋白分子结构的报道大多是关于p38α MAPK的(图 1)。哺乳动物 p38α MAPK由345～365个残基组成［7］。催化位点位于N端和C端结构域之间的停泊槽内。这些结构域通过1个单独的铰合链和C端的L16环状结构相连接，L16环返回缠绕在N端结构域，同时控制着相对呈刚性的结构域之间的联系。此外，p38 MAPK在抑制因子占据活化位点而未被磷酸化的状态下，其N端和C端的突起部分分别有1个错位排列，以阻碍位于N端突起部位的赖氨酸53残基和位于C端突起部位的天冬氨酸168残基的协同作用，从而分别阻碍了ATP α位磷酸基团和其邻近的核糖强制连结并稳定在p38 MAPK的活化位点上［8］。从而也说明p38 MAPK是在 ATP磷酸化作用下发生别构效应而被活化的。

图1 p38 MAPK晶体结构及其ATP活化位点Fig.1 The crystal structure of p38 MAPK and its ATP activation locus

2 p38 MAPK的表达及分布

p38 MAPK几种异构体在机体内的表达和分布具有组织特异性。p38α MAPK、p38β MAPK在骨骼肌中的分布较多，同时参与成肌细胞的分化。p38γ MAPK在骨骼肌中也有分布，但其是否参与骨骼肌分化过程存在争议。虽然Lechner等［9］在1996年克隆出人p38γ MAPK证实了它在骨骼肌中可促进成肌细胞向肌管的分化，但 Tortorella等［10］于2003年发现p38γ MAPK几乎不在成肌细胞中表达，只在完全分化的肌细胞中才能检测到，在成肌细胞分化晚期显著地增加，并指出它在调节和维持肌肉显型方面有重要作用。p38δ MAPK主要分布在肺、肾和某些腺体组织中，在骨骼肌中鲜有报道，鉴于在其他组织中均有不同程度分布，基本排除其在骨骼肌中发挥特异性作用的可能性［11］。

3 p38 MAPK的活化因子和抑制因子

p38 MAPK 同源物受胰岛素［12］、环境应激、炎性细胞因子［如白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子(TNF)以及环氧化酶2和一氧化氮合酶］［13］等刺激而活化。相关的刺激经过不同的信号途径活化p38 MAPK的上游分子，如胰岛素、MAPK激酶3(MKK3)、MAPK 激酶 6(MKK6)、TGF激酶 1(TAK-1)、TAK-1衔接蛋白1(TAB-1)和Zeta链子伴生的蛋白激酶(ZAP)等(图2)。这些分子均可磷酸化 p38 MAPK 使其激活［14］。目前，虽然对p38 MAPK信号通路有一定了解，但是由于 p38 MAPK信号途径与其他信号途径可能存在交叉，使得此信号途径的精细结构变得更加复杂，有关这一信号途径更加精细的描述有待进一步研究。

当前，SB203580是抑制p38 MAPK生物活性应用最广泛的抑制剂。它是一种嘧啶、咪唑结构的化合物，其他一些针对p38 MAPK开发的抑制剂也是在SB203580基础上研制的嘧啶、咪唑类衍生物。但是p38 MAPK的4种异构体对抑制因子的敏感程度不同。p38α MAPK、p38β MAPK对SB203580的 敏 感 程 度 高，p38γ MAPK、p38δ MAPK对 SB203580有抗性。而 Kook等［15］报道，在C2C12肌细胞分化过程中，细胞可自身分泌一种叫肌抑素(calpeptin)的抑制蛋白，可以通过抑制p38 MAPK的磷酸化达到抑制骨骼肌细胞分化的目的。研究表明该肌抑素也是钙蛋白酶的特异性抑制蛋白，参与骨骼肌嫩度的调控［16］。

4 p38 MAPK信号途径的生物学功能

p38 MAPK信号途径参与调节细胞增殖、细胞凋亡、包括细胞周期、免疫作用和炎症反应等。相关文献报道，p38 MAPK在动物体内主要通过3条途径活化(图2)，即:1)MKK3/MKK6活化的经典途径;2)TAB诱导的p38自身活化途径;3)T细胞抗原受体(TCR)介导的ZAP-70磷酸化酪氨酸323途径［1］。其中经典的途径是参与骨骼肌分化的主要途径，其他活化途径则与一些疾病的诱发有关。p38 MAPK信号途径是缺血性心脏病、Ⅱ型糖尿病［17－18］等疾病发生的主要诱导途径，抑制p38 MAPK活性对治疗上述疾病行之有效。p38 MAPK可缓解肌肉萎缩［19］。Shin 等［6］报道p38 MAPK通过诱导热休克蛋白α、B晶体蛋白表达及其抗细胞凋亡的功能发挥来保护处于氧化应激状态的星状胶质细胞。Lee等［20］报道在骨骼肌分化过程中p38 MAPK通过对丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶－细胞外信号调节激酶(Raf-ERK)信号途径的抑制可诱导细胞停滞，而骨骼肌细胞停滞是骨骼肌细胞分化过程中必要的阶段。Aviad等［21］报道，干扰爪蟾生长发育过程中的p38 MAPK信号途径，Myf5基因的表达被选择性的抑制，但MyoD基因的表达不受影响，骨骼肌细胞结构基因的表达量下降，这导致了爪蟾的体节发育不良，体节间的界限不明显，其中肌肉的结蛋白和原肌球蛋白的表达量与对照组相比显著降低，大部分体节有细胞凋亡。Terzis等［4］认为p38 MAPK信号途径可影响由运动引发的肌肉代谢活动，即:运动可刺激骨骼肌细胞内的p38 MAPK途径活化，进而促进肌纤维的长度伸长和横截面直径加宽，改善肌肉萎缩及肌肉消耗状态。在代谢方面，p38 MAPK信号途径参与调控肝脏－节食－诱导通路。研究表明胰岛素抑制肝脏中的糖原异生和脂质降解，糖皮质激素则有相反的作用，即糖皮质激素可以增强参与糖原异生和脂质降解过程中相关分子的表达，而促进糖原异生和脂质降解过程。Miller等［22］报道p38 MAPK可能通过增强这些分子的转录活性促进糖原异生和脂质降解。p38 MAPK对于葡萄糖转运也是必需的，它可以使细胞膜上的葡萄糖转运蛋白4变构，从而易于葡萄糖在代谢过程中的跨膜转运。因此，p38 MAPK信号途径对于胰岛素敏感性组织中葡萄糖转运的调控非常重要［16］。综上可以推测，由于p38 MAPK信号途径在不同的组织细胞中发挥的生物学功能不同，应具有组织特异性。

图2 p38 MAPK信号途径的活化Fig.2 Activation of p38 MAPK signaling pathway［1］

5 p38 MAPK信号途径在骨骼肌生长发育中的调节作用

骨骼肌分化是一个多步过程，包括肌形成蛋白的表达、细胞周期停滞、成肌纤维延长和细胞融合成多核肌管5个过程。分化过程涉及特定的信号途径的活化、生肌转录因子(包括基本螺旋－环－螺旋肌肉调节因子 MyoD、Myf5、myogenin、MRF4)和肌细胞增强子连接因子2(MEF2)等蛋白随后的诱导生成［5］。在骨骼肌分化过程中p38α MAPK、p38β MAPK是调节与骨骼肌分化相关因子的主要蛋白［23］。

双重特异性磷酸激酶MKK3和MKK6参与了骨骼肌细胞分化过程中p38 MAPK信号途径的活 化，其 中 MAKK3活 化 p38α MAPK、p38β MAPK 2种异构体，MAKK6则可以活化p38 MAPK蛋白的 4 种异构体［20］。Keren 等［23］总结了在成肌细胞生成过程中p38 MAPK活化的模型(图3)。在肌肉细胞中 p38 MAPK蛋白经MAPKK、MKK3、MKK6磷酸化后进入活性状态，随即活化一系列不同的底物，这些底物对生肌过程起到重要作用。p38可活化MEF2蛋白家族，p38 MAPK直接磷酸化MEF2A、MEF2C位于转录活性结构域的残基，增强其转录活性。分化中的骨骼肌细胞以p38 MAPK依赖型的方式磷酸化MEF2C蛋白使其活化，这一活化对于MEF2C蛋白的转录活性是必要的;虽然，p38 MAPK蛋白可以在体外通过磷酸化丝氨酸5而直接活化MyoD，但这并不影响 MyoD的转录活性［24］;活化 E蛋白47(E47)，促使形成MyoD-E47二聚体;磷酸化参与肌生成晚期阶段的MRF4，p38磷酸化位于MRF4氨基末端的反式激活结构域的丝氨酸残基以降低其转录活性，研究表明MRF4活性的降低引起特定的肌肉细胞分化晚期特定细胞的选择性沉默;p38还可能通过某种未知的中间蛋白的磷酸化来诱导Myf5的表达，从而影响Myf5的转录;p38通过磷酸化来募集染色体重建复合体(SWISNF)到肌肉细胞的启动子区域，影响肌肉特定位置染色质的重建。同时，p38蛋白还影响其他的信号途径，研究表明它可间接抑制ERK的活力，可诱导蛋白激酶B家族成员(Akt2)基因的表达，还可以激活 NF-κB 信号途径［25］。

6 p38 MAPK与NF-κB信号途径的关系

肌肉中蛋白质的合成和降解是维持肌肉总量和功能的基础［26］，有研究表明NF-κB是多种不同的生理和病理状态下与骨骼肌质量减少相关性最高的信号途径［27］。骨骼肌中 NF-κB的活化可以导致特定肌肉蛋白质的降解，诱导炎症反应和肌纤维变性。同时还可以阻止肌肉损伤或肌肉萎缩后肌纤维的再生［28］。p38 MAPK信号途径在调节骨骼肌生长发育的过程中肌细胞内蛋白质含量显著提高，这表明p38 MAPK对骨骼肌细胞内蛋白质合成代谢的调节起到了积极的作用。p38 MAPK信号途径在调节骨骼肌发育的过程中除了促进骨骼肌细胞分化外，还可以通过磷酸化转录因子 p65(RelA)蛋白达到活化 NF-κB的目的［29］。有研究表明 ERK信号途径也可以活化NF-κB信号途径［30］。因此，作者推测在骨骼肌细胞分化过程中，一方面p38 MAPK单独活化一些骨骼肌细胞分化过程中所必需的因子促进骨骼肌细胞的分化，还可以通过抑制ERK信号途径降低NF-κB的转录水平而达到促进骨骼肌细胞分化的目的;另一方面当p38 MAPK活化量升高到一定水平的时候，可通过一定的途径活化NF-κB以降低骨骼肌细胞中相关蛋白的含量。这2条信号途径以维持骨骼肌细胞内蛋白质含量的恒定状态。

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

7 小结

肌肉总量和功能的维持需要蛋白质合成与降解之间的平衡，涉及合成代谢与分解代谢之间的比例关系。p38 MAPK作为一种多功能的信号途径在调节骨骼肌生长发育过程中积极地调节蛋白质的合成。从分子水平对p38 MAPK促进骨骼肌生长发育机理的研究为改善肉品质提供了新思路。

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