TGF-β-Smad通路及相关因子在肺纤维化中的“串话”现象*

张　秀综述，胡　静审校（.上海中医药大学，上海20203；2.上海中医药大学基础医学院温病教研室，上海20203）

·综述·

TGF-β-Smad通路及相关因子在肺纤维化中的“串话”现象*

张秀1综述，胡静2△审校（1.上海中医药大学，上海201203；2.上海中医药大学基础医学院温病教研室，上海201203）

转化生长因子β；肺纤维化；信号传导；综述

肺纤维化也称为间质性肺疾病（ILD）或弥漫性实质性肺疾病（DPLD），包括200多个临床病种［1］，虽然每一种疾病都有其自身的特点和基本机制，但存在一个共同的定律，即在肺部损伤修复过程中，纤维原性和抗纤维原性两大类细胞因子作用失衡，进而导致肺纤维化的形成。因此，研究导致肺纤维化的有效因子及通路成为当前医学界研究的热点。肺纤维化最主要的效应细胞是肺成纤维细胞，在转化生长因子β1（TGF-β1）介导下的Smad通路与非Smad通路激活调控下发挥作用［2-3］。现就近年来关于TGF-β1下游信号传导通路与相关因子的对话联系作一综述。

1　TGF-β1与肺纤维化

TGF-β1主要分布于支气管上皮细胞、增生的肺泡上皮细胞（Ⅱ型）、巨噬细胞及间质细胞，在肺纤维化中充当重要的刺激信号［4-5］。其以无活性前体形式存在，需经活化才具有生物学活性，而活性的发挥又有赖于正常的信号传导途径。研究表明，TGF-β1可引起成纤维细胞活化，胶原合成、沉积并致纤维化，在多数细胞的免疫调节、创伤修复、胚胎发生、细胞凋亡等过程中发挥不同的功能，特别是损伤部位的TGF-β1能够从损伤部位周围募集成纤维细胞，刺激未成熟的成纤维细胞增生和分化，直接导致纤维化后期的细胞外基质（ECM）过量沉积［6-7］。而肌成纤维细胞（MFB）构成成纤维细胞灶，其合成胶原纤维的能力是成纤维细胞的4～5倍，是造成ECM异常沉积的主要细胞。因此，对α平滑肌肌动蛋白（α-SMA）表达水平的检测可以间接反映MFB的增殖［8-9］。

TGF-β1作为关键的致纤维化因子，可导致多脏器如肝肾纤维化、动脉粥样硬化等。成纤维细胞受刺激后合成胶原蛋白纤维连接蛋白等成分，以此来抑制和降解蛋白酶的产生。Mi等［10］研究指出，依赖于TGF-β1的机制来增加肺泡上皮胶原蛋白的合成和分泌，促进上皮-间质转化；同时，这种依赖性和非依赖性机制通过阻断白介素（IL）-17A来消除肺部炎症和纤维化，以保持细胞网络的平衡。

胶原代谢失衡是ECM过度沉积的主要标志，其中起主要作用的是Ⅰ型和Ⅲ型胶原，Ⅲ型胶原过度沉积尚可逆转，Ⅰ型胶原过度沉积导致的肺纤维化则不可逆转。目前在胶原合成中最有效的刺激剂是TGF-β1，其也是修复肺间质的关键因子，可刺激MFB的生成与凋亡，标志着活动性肺纤维化的出现［11-12］。

研究表明，自身肺成纤维细胞的增殖，肺泡上皮的间质表型转化及骨髓来源的纤维细胞的转化构成了肺成纤维细胞的主要来源［13］。其中循环中的纤维细胞分泌的细胞外基质蛋白介导了心、肝、肺等多器官的纤维化，但其迁移、收缩和形成能力远大于成纤维细胞，是该过程中的作用细胞。以往的实验研究也证明，靶器官间质细胞的分化可以通过TGF-β1与Smads蛋白、蛋白激酶A、细胞外信号调节激酶等通路实现［14］。

2　TGF-β1信号转导通路

TGF-β与其他信号途径具有以下交互作用：TGF-β的多条传导通路（主要是Smads）与其他蛋白质作出直接和动态的接触；TGF-β有很多目标基因发生转录和非转录活动［15-16］。但TGF-β1需要通过其受体介导才能激活相应的信号转导通路。受体共分为3型，其中Ⅰ型受体广泛分布于间质成纤维细胞、支气管上皮细胞、肺泡上皮细胞、血管内皮细胞及血管壁平滑肌细胞内，在间质纤维化区域有较多表达。TGF-β1首先与Ⅱ型受体结合，被活化的Ⅱ型受体使Ⅰ型受体的丝甘氨酸（GS）序列结构域磷酸化后，与Ⅰ型受体形成异源三聚体复合物，激活下游的信号转导通路［17-18］。总之，TGF-β1的信号转导通路可分为Smads蛋白通路和非Smads蛋白通路，其中非Smads蛋白通路，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路与TGF-β1的关系密切［19］。

2.1非Smads蛋白通路MAPKs属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，胞外信号的不同会引起多条信号通路的活化。三级酶促级联反应（即MAPKKK-MAPKK-MAPK）是一种不断激活的信号传递反应，细胞外刺激通过某些环节使MAPK激酶的激酶（MAPKKK）激活，转而激活MAPK激酶（MAPKK）；然后通过对苏氨酸和酪氨酸双位点的磷酸化，激活MAPK将外界信息转导到细胞核内，并激活其细胞骨架蛋白酶类及下游转录因子，调节细胞增殖、分化及凋亡，并与炎症、癌症等多种疾病密切相关。在哺乳动物细胞内至少发现了4种MAPK家族成员，即ERK、JNK、p38和大丝裂原活化蛋白激酶1/细胞外调节蛋白激酶5（BMK1/ERK5），这些通路之间形成一个复杂的转导网络［20］。

2.1.1ERK通路ERK1/2是一种脯氨酸导向的丝氨酸/苏氨酸激酶，能被生长因子刺激激活。研究发现，在小鼠肺上皮细胞及乳腺上皮细胞中，ERK MAPK磷酸化Smad2和Smad3的DNA结合域和转录激活结构域可以活化致癌性的Ras来达到抑制TGF-β1的抗增殖作用；相反，通路的串话能够促进TGF-β1作用的发挥［21］。如在NIH/3T3细胞中，ERK2可以促进TGF-β1合成胶原纤维，但其实现需要部分活化Smad2连接区，同时干扰ERK2后，降低了Smad2的活性，相应的TGF-β1诱导的胶原表达也会大幅减少；重要的是，纤维化时大鼠肺的α-SMA和ERK磷酸化（p-ERK）蛋白水平明显升高，Rasp21表达水平也上调，且Rasp/ERK通路在TGF-β1型受体的诱导下促进胶原合成，提示Smad和ERK通路之间在合成胶原上也存在着联合作用［22］。

2.1.2c-Jun氨基末端激酶（JNK）通路在受到刺激时，细胞内的JNK发生磷酸化而被激活，可部分由细胞质向细胞核移位后进一步磷酸化下游底物核内原癌基因（cjun），使其转录活性增强，形成c-jun转录因子蛋白，并与亮氨酸拉链结构结合形成异源或同源二聚体，形成转录调控激活蛋白-1（AP-1），细胞信号被传递，进而调控细胞的增殖和分化过程［23］。Wu等［24］在LMNA基因插入小鼠（Lmna H222P/H222P）模拟人家族性扩张性心肌病模型中，给予JNK信号转导通路抑制剂（SP600125）干预，发现SP600125能够下调磷酸化-JNK蛋白和Ⅰ型胶原基因的表达，减轻心肌间质的纤维化和心脏的扩张程度，同时增强了心脏的收缩功能。Galuppo等［25］也发现，当应用MAPK通路抑制剂（PD98059）干预博来霉素诱导的肺纤维化小鼠时，PD98059减少了磷酸化-ERK和磷酸化-JNK蛋白炎症因子（如肿瘤坏死因子-α、IL-1β）等表达，减轻了肺的炎性反应和间质纤维化程度，对博来霉素导致的肺损伤具有保护作用。

2.1.3P38通路TGF-β1通过受体介导促使磷酸化P38蛋白表达增加并发生由细胞质向细胞核的转位，激活P38MAPK信号转导通路，进而诱导和刺激肺成纤维细胞合成胶原蛋白。当应用TGF-β1受体特异性阻断剂干预后，肺成纤维细胞的TGF-β1Ⅰ型受体和Ⅱ型受体的mRNA和蛋白表达水平明显下降，磷酸化的P38蛋白在细胞核内的分布与表达减少，细胞质内的分布与表达增高，核质比值下降，而Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白表达水平也被下调，可以说TGF-β1受体阻断剂在有效阻断受体活性和表达的同时，通过抑制P38MAPK蛋白的核转位，阻抑了P38MAPK信号转导通路的激活，并使肺成纤维细胞胶原蛋白的合成与表达减少，也进一步证实了TGF-β1受体的介导在激活P38MAPK信号转导通路及其在肺纤维化形成过程中发挥着重要作用。

2.2Smads蛋白依赖型通路Smad信号作为TGF-β1下游的一条重要通路，是通过细胞膜上的特异性受体将信号传递至细胞核内的中枢性传递分子，保守的氨基端MH1区、羧基端MH2区和多变的连接区构成了其的主要功能区域。富含脯氨酸的链接区上有多个磷酸化的位点，包括ERK磷酸化位点和MAPK磷酸化位点，可以导致多个信号转导途径的活化。同时，更多的研究发现，TGF-β1因子的转录表达在相互串话平行和（或）交叉的多条信号通路之间发生［26］。

目前共发现9种Smad蛋白，根据不同功能分为：抑制性Smad（I-Smads）、通用型Smad（Co-Smad）和受体激活型Smad（R-Smads）。TGF-β1首先与Ⅱ型受体结合并将其激活，再通过磷酸化途径激活受体，活化的受体进一步磷酸化来激活Smad2、3。此时的Smad2、3形成二聚体，与Smad4连接形成三聚体，共同迁移到细胞核，间接或直接与靶基因结合以调节TGF-β1因子的转录活性。同时，激活核内ECM成分如纤维黏连蛋白、胶原等启动子的活性，从而促进ECM成分的合成。这一复合物也可以引起抑制性Smad7蛋白的启动子转录增加，并且Smad7可竞争性地与TGF-β1受体结合，反馈性地抑制Smad2，3磷酸化而起到调节作用［27］。

Smad7通过负性反馈并调控TGF-β1信号通路对靶基因的转录作用主要表现在：Smad7通过与Smad2/3竞争性结合而活化TGF-β1RI受体以抑制Smad2/3磷酸化，从而阻碍TGF-β1的信号转导。有研究指出，Smad7参与了TGF-β1对ERK通路的活化，同时拮抗TGF-β1对JNK通路的活化，在交互的信号通路间发挥平衡作用［28］。此外，Smad4缺失也可以抑制TGF-β1对ERK/ MAPK通路的活化，在此基础上，提出了TGF-β1活化ERK/MAPK通路同样需要Smad4存在的假设［29］。

在 TGF-β/Smads形成与逆转纤维化的过程中，Smads分子之间紧密协作，共同参与病理及生理状态下TGF-β的生物学效应，且MAPK通路之间存在一定的串话。在不同的培养条件下，不同的细胞类型，其信号途径之间可能会表现出不同的联络，这也证明了信号转导的纵横交错。目前还没有找到能防范肺成纤维细胞向MFB转化这一关键环节的负调控因素［30］，如果能中止其分化，或是逆转胶原合成，就有可能阻截纤维化的发展，以维持促纤维化细胞因子和抗纤维化细胞因子之间的平衡。

3　结语与展望

目前对TGF-β/Smad信号通路的研究已取得了大幅度进展，明确了抑制MFB募集和增殖分化方案可以成为治疗肺间质纤维化的途径之一，但对该通路下游基因的调控情况尚未完全清楚。鉴于信号网络的复杂性和多样性，应综合多因素来评价TGF-β与其他信号（如骨形态发生蛋白、Wnt等信号）的级联交互作用。随着更多细胞因子的不断研究，TGF-β与血小板源生长因子、结缔组织生长因子、TNF-α、γ-干扰素等已交织成庞大的细胞信号转导网络，需要以此为基点，探索TGF-β功能和调节的最新领域。

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（2015-09-09）