糖尿病腎病ERK信號通路激活機制的研究進展*

郝祥俊，王 鵬，喬志燕，付文亮，宋成軍，陳志宏△

(1.承德醫學院，河北承德 067000;2.承德醫學院附屬醫院)

糖尿病腎病(DN)是糖尿病的嚴重并發癥。DN的病理特征是腎小球肥大，系膜細胞增生、細胞外基質(ECM)積聚和基底膜增厚，從而導致腎小球高濾過和蛋白尿，最終導致腎小球硬化和腎間質纖維化。DN的發病機制目前尚未完全闡明，國內外醫學研究認為，DN與糖脂代謝紊亂、高血壓、血流動力學改變、RAS激活、多元醇通路激活及細胞因子、遺傳因素等多因素的綜合作用有關[1-3]。近年來，有關信號轉導通路在DN發病機制中的作用已成為人們的研究熱點，胞外信號調節激酶(ERK)通路即是近年來研究較為活躍的信號轉導通路之一，該通路參與了細胞的生長、發育、增殖、分化及細胞間的功能同步和細胞惡性轉化等多種生理、病理過程。本文就DN時，高血糖、轉化生長因子-β1(TGF-β1)及血小板衍生生長因子(PDGF)與ERK信號通路活化機制的研究進展進行綜述。

1 ERK信號通路的生物學特征

細胞具有極其復雜的生命活動，這些生命活動都必須受到嚴格的調控，人體在長期進化發展和自然選擇的過程中逐漸建立起一個復雜的信號轉導網絡。蛋白質的磷酸化與去磷酸化作為傳遞外界各種信號的信號轉導機制，在細胞的生物學活動中發揮著重要作用。一系列的蛋白激酶及其磷酸化構成了信號轉導的級聯反應。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)是細胞內一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，存在于真核生物的大多數細胞內。目前，真核細胞內已確定有五條MAPK信號轉導通路:ERK通路、c-Jun氨基末端激酶通路、p38通路、ERK3/4和ERK5通路[4]。ERK是MAPK家族的一員，它的信號傳遞途經是涉及調節細胞生長、發育及分裂的信號網絡的核心，其基本的信號傳遞步驟已經明了，即遵循MAPKs的三級酶促級聯反應:上游激活蛋白→MAPK激酶的激酶(MAPKKK)→MAPK激酶(MAPKK)→MAPK在ERKs的傳遞途經中，Ras作為上游激活蛋白，Raf作為MAPKKK，MAPK/ERK激酶(MEK)作為MAPKK，ERK即MAPK，即Ras/Raf/MEK/ERK途徑。

已發現有50種以上的細胞外刺激物可活化ERK信號通路。Ras受許多刺激因子的激活，如表皮生長因子(EGF)PDGF、TNF、PKC的激活物等。當細胞外信號與細胞膜上的特異性受體結合后，生長因子受體結合蛋白2(Grb2)作為接頭分子與激活的受體結合，再與SOS(son of sevenless)的C端富于脯氨酸的序列相互作用，形成受體-Grb2-SOS復合物。SOS與受體或受體底物蛋白上的Tyr磷酸化位點結合，使胞漿蛋白SOS向膜轉位，并在Ras附近形成高濃度的SOS，SOS與Ras-GDP結合，促使GTP取代Ras上的GDP，使Ras由失活態轉變為活化態，從而激活Ras，啟動Ras通路。活化的Ras作為銜接蛋白進一步與Raf的氨基端結合將Raf從胞漿轉移到胞膜，在胞膜上Raf被激活;Raf活化后可進一步磷酸化MEK1/2上的兩個調節性絲氨酸，從而激活MEKs;MEKs為雙特異性激酶，可以使絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸發生磷酸化，最終高選擇性地激活ERK1/2[5-6]。

當細胞外信號分子通過一系列上游信號傳遞事件激活Ras后，經Ras/Raf/MEK/ERK信號通路活化ERK。ERK活化后可能有三種去向:⑴保留在胞漿中，磷酸化一些重要的胞漿蛋白，如魚精蛋白、胞漿磷脂酶A2、核糖體S6激酶等;⑵在胞漿中使細胞骨架成分磷酸化;⑶進入細胞核，磷酸化轉錄因子如Elk-1、c-Myc，c-Fos、c-Jun，調控基因表達，以促進細胞的增殖、分化和凋亡[7]。

2 ERK信號通路與DN

Toyoda等[8]對DN患者及正常對照組腎小球中PKC-β1、MEK1、MEK2、ERK1、ERK2及TGF-β1等基因進行檢測，結果發現DN患者腎小球各基因的表達均明顯高于正常對照組，p-MEK及p-ERK信號的強度與基因的表達相一致，說明在DN時，ERK信號通路處于活化狀態。DN時ERK信號通路的活化是多源性的，糖尿病時高血糖、腎素-血管緊張素系統激活、血流動力學異常、內皮素、TGF-β1及PDGF等細胞因子均可使ERK信號通路活化[9];ERK信號通路活化后可通過誘導腎小球系膜細胞肥大，ECM合成增加、降解減少，ECM進行性積聚以及細胞增殖等參與和促進DN的發生、發展[10]。

2.1 高血糖與ERK信號通路 糖尿病狀態下存在腎組織局部糖代謝紊亂，高血糖是導致DN發生的中心環節，但其分子機制并不十分清楚。Haneda等[11]研究發現，在鏈脲佐菌素(STZ)誘導的糖尿病大鼠腎小球及高糖條件下培養的腎小球系膜細胞中，PKC、MEK及ERK1/2活性均顯著增加，且PKC特異性抑制劑calphostin C可完全阻斷MEK及ERK1/2的活化，表明高糖誘導的ERK信號通路的活化可能為PKC依賴性。葡萄糖通過葡萄糖轉運蛋白(GLUT)進入細胞，高糖可誘導腎小球系膜細胞ERK1/2活性和GLUT1的表達增加，且ERK1/2的激活和GLUT1的表達增加在時間上保持一致，并且可同時引起細胞內總蛋白量的增加[12]。抑制ERK1/2的活性不僅可以降低高糖誘導的系膜細胞GLUT1的表達，而且也可降低高糖誘導的系膜細胞內總蛋白量的增加[13]。因此表明，高糖可通過ERK1/2的活化誘導系膜細胞GLUT1的表達增加，從而增加系膜細胞對糖的攝入，進而增強腎臟細胞肥大和ECM堆積等DN特征性病理改變。

細胞外高糖可刺激腎小球系膜細胞GLUT1表達及對糖的攝入，而細胞內高糖可誘導PDGF等細胞因子的產生，這些細胞因子進一步刺激GLUT1的表達和活化，促使更多的葡萄糖進入細胞內，形成惡性循環，促進DN的發生發展。研究發現[12]，高糖刺激下腎小球系膜細胞ERK信號通路激活，且TGF-β1表達升高。這些均提示ERK信號通路參與了高糖介導的腎臟損傷。

2.2 TGF-β1與ERK信號通路 目前發現TGF-β家族共有五種異構體，在哺乳動物體內主要存在的是TGF-β1、β2、β3三種，腎臟組織中TGF-β1的表達最多。眾多研究證實，TGF-β在DN的進展過程中起關鍵作用，TGF-β對蛋白聚糖和其它ECM代謝具有調節作用，它可誘導Ⅰ、Ⅲ型膠原，纖維連接蛋白(FN)，層粘連蛋白(LN)和蛋白多糖的合成，減緩蛋白聚糖降解，增加細胞與ECM的粘附，參與腎小球肥大和ECM進行性積聚的過程，被認為是腎臟損傷中的重要介質。Hayashida等[14]研究發現，TGF-β1可通過活化ERK信號通路誘導腎小球系膜細胞Ⅰ型膠原mRNA的表達，這種作用可被MEK抑制劑PD98059及ERK顯性失活所阻斷。研究證實，活化的ERK信號通路可以活化轉錄因子AP-1，而TGF-β1和FN的啟動子區域均存在AP-1的結合位點[15]。Grewal等[16]研究發現，5-羥色胺(5-HT)可通過活化ERK信號通路促進腎小球系膜細胞TGF-β1mRNA的表達，Grewal認為5-HT與其受體結合，通過一系列胞內信號轉導機制活化PKC，PKC活化后進一步激活還原型輔酶Ⅰ氧化酶產生活性氧，后者可通過ERK信號通路誘導TGF-β1mRNA的表達。近年的研究發現[17]，在人腎小球系膜細胞中TGF-β通過激活ERK及Smad兩條途徑誘導膠原蛋白合成，且兩條途徑之間具有協同作用。而Hayashida提出，高糖刺激可提高Smad信號轉運子對TGF-β的敏感性，該作用是由ERK通路所介導的，ERK通路的活化可強化TGF-β的致病作用。以上結果表明，TGF-β1的表達參與了ERK信號通路的活化，ERK信號通路的活化可以誘導TGF-β1mRNA表達，并介導TGF-β1的病理生理作用，從而形成惡性循環，加速腎小球硬化，參與DN的進展過程。

2.3 PDGF與ERK信號通路 PDGF最初是在血小板α顆粒中發現的，具有強烈的促有絲分裂和細胞趨化作用。后來的研究發現，機體多種細胞均可分泌產生PDGF，PDGF的活性體均以二聚體的形式存在，如PDGF-AA、BB、CC和DD。PDGF受體(PDGFR)由α、β兩個亞基組成，一般以單體或不穩定的二聚體的形式存在，當有PDGF存在時，PDGFR與PDGF結合，兩個分開的亞基聚合形成αα、αβ和ββ發揮生理功能。研究發現，PDGF-AA主要對細胞遷移發揮作用，對細胞DNA合成以及有絲分裂影響較小;PDGF-BB則能促進細胞DNA合成、細胞增殖、膠原合成和MAPK活性[18]。在腎臟組織中，PDGF-BB的生物學效應最強。PDGF B鏈基因位于22號染色體上，可通過誘導系膜細胞增生、刺激ECM積聚、促進腎間質纖維化等機制參與DN的發生和發展。

在糖尿病狀態下，高糖、糖基化產物、脂代謝紊亂、腎小球高壓、血管活性物質、浸潤的單核-巨噬細胞等多種因素均可誘導PDGF-BB的表達。近年的研究發現[19-20]，腎臟組織中PDGF-BB及PDGF-β的高表達可引起腎小球系膜細胞增生、ECM積聚，如Ⅰ、Ⅳ型膠原纖維及層粘連蛋白(FN)等，從而促進腎間質纖維化，參與DN的產生與發展。

Roeyen等[21]研究發現，在系膜增生性腎小球疾病中，PDGF-B通過激活ERK信號通路作用于YB-1蛋白，進一步誘導細胞分裂增生，促進腎小球系膜細胞增生。Kagami等[22]的研究發現，PDGF-BB刺激系膜細胞可加強整合素依賴的膠原基質重塑作用，參與其中的信號轉導通路，即ERK-AP1通路。Choudhury等[23]發現，PDGF與培養的腎小球系膜細胞表面PDGFR結合后，可磷酸化并活化磷脂酰肌醇3(PI-3)激酶，其脂代謝產物為系膜細胞增生所必需;采用激酶活性測定法研究發現，PDGF誘導的ERK活化為PI-3激酶依賴性，由此推測ERK是PI-3激酶的下游靶標，PI-3激酶和ERK信號通路相互作用，共同調節系膜細胞的增生和遷移。還有研究發現[24]，使用ERK通路特異性的抑制劑UO126可以部分抑制PDGF-BB誘導的腎小球系膜細胞PAI-1和FN基因的表達，減輕基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)基因表達減少的程度，且有劑量依賴性，提示PDGF-BB通過ERK通路誘導腎小球系膜細胞ECM沉積，發揮其致纖維化的作用。

3 結語

ERK信號通路是最重要的信號轉導途徑之一，它能夠調節細胞的增殖、分化等多種生物反應。在DN發生、發展的過程中，細胞因子的信號轉導極為復雜。一方面，同一條信號轉導通路可被多種細胞因子激活;另一方面，同一種細胞因子也可激活多條信號轉導通路。而且，細胞因子的信號轉導過程受多種因素的影響，形成了錯綜復雜的信號調節網絡。因此，針對諸多細胞因子和信號通路在DN發病機制中的作用，仍然需要不斷深入地探索和研究。

[1]Raptis AE, Viberti G. Pathogenesis of diabetic nephropathy[J]Exp Clin Endocrinol Diabetes, 2001, 109 (Supp12): S424-437.

[2]Tuttle KR. Linking metabolism and immunology diabeti nephropathy is an inflammtory disease[J]. J Am Soc Nephrol 2005, 16(6):1537-1538.

[3]蘇毅.糖尿病腎病發病機制研究進展[J].中國實用醫藥,2009,4(5):231-234.

[4]Robinson MJ, Cobb MH. Mitogen-activated protein kinas pathways[J]. Curr Opin Cell Biol, 1997,9(2): 180-186.

[5]Kolch W. Meaningful relationships: the regulation of the Ras/Raf MEK/ERK pathway by protein interactions [J]. Biochem J, 2000 351 Pt 2: 289-305.

[6]Sun H, King AJ, Diaz HB, et al. Regulation of the protein kinas raf-1 by oncogenic ras through phosphatidylinositol 3-kinase Cdc42/Rac and Pak [J]. Curr Biol, 2000, 10(6): 281- 284.

[7]丁桂霞,張愛華.Ras/Raf/ERK信號傳導通路在腎臟疾病中作用的研究進展[J].國外醫學-兒科學分冊,2009 27(5):231-235.

[8]Toyoda M, Suzuki D, Honma M, et al. High expression of PKC MAPK pathway mRNAs correlates with glomerular lesion in human diabetic nephropathy[J]. Kidney Int, 2004, 66 (3)1107-1114.

[9]Schramek H, Sorokin A, Watson R, et al. Differential longterm regulation of MEK and of p42 MAPK in rat glomerula mesangial cells[J]. Am J Physiol, 1996, 270 (1 Pt 1): C40-C48.

[10]Ha H, Kin KH. Pathogenesis of diabetic nephropathy: the role o oxidative stress and protein kinase C[J]. Diabetes Res Clin Pract 1999, 45(2-3): 147-151.

[11]Chen J, Chen JK, Harris RC. Angiotensin II induces epithelial-to mesenchymal transition in renal epithelial cells through reactiv oxygen species/Src/caveolin-mediated activation of an epiderma growth factor receptor-extracellular signal-regulated kinas signaling pathway[J]. Mol Cell Biol, 2012, 32(5):981-991.

[12]段惠軍,李英,張濤,等.高糖對大鼠腎小球系膜細胞ERK轉導通路的影響[J].中國病理生理雜志,2007,23(2):416.

[13]羅萍,許鐘鎬,孫廣東,等.ERK1/2對高糖刺激腎小球系膜葡萄糖轉運蛋白1和p27kip1表達的作用[J].中華腎臟病雜志，2006，22(9):569-571.

[14]Hayashida T, Poncelet AC, Hubchak SC, et al. TGF-beta activates MAP kinase in human mesangial cells: a possible role i collagn expression[J]. Kidney Int, 1999,56(5):1710-1720.

[15]Weigert C, Sauer U, Brodbeck K, et al. AP-1 proteins mediat hyperglycemia-induced activation of the human TGF-β promoter in mesangial cells[J]. J Am Soc Nephrol, 2000 11(11):2007-2016.

[16]Grewal JS, Mukhin V, Garnovskaya MN, et al. Serotonin 5-HT2A receptor induces TGF- beta1 expression in mesangial cels via ERK: proliferative and fi brotic signals[J]. Am J Physiol, 1999,276(6 pt 2): F922-930.

[17]Haashida T, Schnaper HW. High ambient glucose enhances sensitiveity to TGF-β1 via extracellular signal-regulated kinase and protein kinase Cdelta activities in human mesangial cells [J]. J Am Soc Nephrol, 2004, 15(8):2032-2041.

[18]Dubey RK, Gillespie DG, Mi Z, et al. Adenosine inhibits PDGF-induced growth of human glomerular mesangial cells via A(2B)receptors[J]. Hypertension, 2005, 46(3):628-634.

[19]Taneda S, Hudkins KL, Cui Y, et al. Growth factor expression in a murine model of cryoglobulinemia[J]. Kidney Int, 2003, 63(2):576-590.

[20]Imaawa T, Kitamura H, Ohkawa R. Unbalanced expression of sphingosine 1-phosphate receptors in diabetic nephropathy[J].Exp Toxicol Pathol, 2010, 62(1):53-60.

[21]van RCR, Eitner F, Martinkus S, et al. Y-box protein 1 mediates PDGF-B effects in mesangioproliferative glomerular disease[J]. J Am Soc Nephrol, 2005, 16(10):2985-2996.

[22]Kagami S, Urushihara M, Kitamura A, et al. PDGF-BB enhances alphal1 beta1 integrin- mediated activation of the ERK/AP-1 pathway involved in collagen matrix remodeling by rat mesangial cells[J]. J Cell Physiol, 2004, 198(3):470-478.

[23]Choudhury GG, Karamitsos C, Hernandez J, et al. PI-3-kinase and MAPK regulate mesangial cell proliferation and migration in response to PDGF[J]. Am J Physiol, 1999,273(6 Pt 2):F 931-938.

[24]吳偉玲,張愛青,殷勤，等.ERK通路抑制劑對PDGF-BB誘導的大鼠系膜細胞細胞外基質合成的影響[J].南京醫科大學學報(自然科學版),2007,27(10):1126-1129.