促分裂原活化的蛋白激酶信號通路與能量代謝的關系

張可可 伍梅芳 謝杜紅 李 菁 李韶菁

(1 中國中醫科學院中藥研究所，北京，100700；2 長沙衛生職業學院，長沙，410000；3 湖南中醫藥大學第一附屬醫院，長沙，410000)

生物體的生長、發育、衰老等一切生命活動均需要能量。以物質代謝為基礎，與物質代謝的過程相伴隨發生的能量轉化過程，叫能量代謝[1]。能量代謝是一切生命過程的基本環節。能量代謝每時每刻在機體內有條不紊地進行著，各種物質轉運小到細胞膜上的主動轉運、繼發性主動轉運，大到三大物質的分解合成，都與能量代謝相關。正是能量代謝的正常完成，保證了機體維持著細胞內環境的穩態、系統之間的穩態、生物體的協調運作。

正常狀態的能量代謝可以維持生命體、細胞的各個生理活動。異常狀態的能量代謝則造成了各種疾病的病理過程，不同病理狀態下物質代謝的途徑也有不同。在眾多的疾病中，能量代謝異常已成為其中的重要病理生理環節。如糖尿病因糖代謝的異常，造成一系列病理環節，最終導致血糖的升高[2]；如炎癥的患者，多呈高代謝狀態，每日出入的補液量都要特殊計算；如各種腫瘤類疾病，大多代謝呈增高狀態，也有其代謝特點：瓦爾堡效應，即有氧環境下的糖酵解[3]。這種特殊狀態下的糖酵解途徑，不僅為腫瘤細胞的生長提供了ATP，同時又為腫瘤細胞侵襲周邊組織創造了有效的微環境。因此，通過改變機體的能量代謝狀態，可達到治療某些疾病的目的，且對于一些治療藥物，能量代謝促分裂原活化的蛋白激酶(Mitogenactivated Protein Kinase，MAPK)通路與腫瘤的耐藥性也是相關的[4]。本文匯總了一些與能量代謝相關的MAPK家族通路及靶點，對于今后的實驗研究，阻斷相關靶點，從而阻斷腫瘤細胞的能量代謝提供研究方向。

1 能量生成和三大代謝

生物體內供能的物質基礎是糖類和脂質、氨基酸[1]，而能量代謝則與三大物質代謝相伴而行。機體利用能量不能直接利用物質代謝，而是需要通過物質代謝氧化分解產生的能量貨幣——ATP進行能量的使用。

糖代謝主要是通過糖的無氧酵解和有氧氧化產生ATP為機體提供直接能量，同時產生遞氫體和遞電子體還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸進入線粒體，在線粒體內膜上，進入氧化呼吸鏈，發生氧化磷酸化，產生更多的ATP，從而為生物體供能。糖代謝的另一條旁路稱為磷酸戊糖旁路，反應部位位于細胞胞漿，則可以為細胞提供大量的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，參與細胞的氧化呼吸。另外，糖原的合成可以為機體儲存能量；而糖原的分解可以調節血糖；糖異生可以維持機體血糖穩定，補充糖原儲備，維持體內酸堿平衡。當糖代謝發生異常，則出現糖尿病等內分泌系統疾病。正常細胞在有氧環境下進行有氧呼吸，在無氧條件下進行無氧酵解；而腫瘤細胞則在有氧環境下也會進行糖酵解，這種過程稱為瓦爾堡效應[2]。

脂類代謝包括脂肪的代謝和類脂的代謝。三酰甘油是機體重要的能量來源，1 g三酰甘油完全氧化可以產生38 kJ的能量，是相同重量蛋白質或碳水化合物的兩倍多。其中脂肪酸的β氧化可以放出大量ATP。研究表明，在腫瘤等一些疾病狀態下，脂類代謝的關鍵酶呈高表達狀態[3]。

氨基酸代謝主要包括2個過程，一個是由各種小分子合成各種蛋白質、肽類、含氮化合物，一個是通過轉氨、脫氨等作用從大分子含氮化合物分解成為α-酮酸、胺類及二氧化碳，并釋放出能量。正常情況下各種氨基酸的代謝能夠維持機體的正負氮平衡狀態，維持細胞組織的生長、更新和修補，承擔了各種生命活動的物質基礎。在一些腫瘤類疾病中，腫瘤細胞通過增加谷氨酰胺等一些非必需氨基酸的攝取和利用，以達到維持自身氧化還原狀態的目的[5]。

MAPK是哺乳動物內廣泛存在的一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，可以被一系列的細胞外信號或刺激所激活，如物理應激、炎癥介質、生長因子、細菌復合物等。激活后的MAPK通路影響著細胞增殖、細胞分化、凋亡、應激反應等各種生物效應。生物體內細胞與細胞之間、細胞膜與細胞質細胞核之間的相互影響、相互作用主要依靠細胞之間的信號轉導。MAPK是一系列級聯反應的成分，是多種胞外刺激的關鍵因素，能夠調節基本的細胞過程。MAPK通路作為一種常見的蛋白激酶偶聯受體介導的信號轉導通路，研究發現，能量代謝與MAPK通路有著非常密切的聯系。MAPK信號通路主要途徑包括Ras-Raf-胞外信號調節激酶(Extracellular Signal-regulated Kinase，ERK)1/2通路、ERK5通路、P38通路(P38蛋白)、Jun激酶(Jun Kinase，JNK)通路[2-3]。見圖1。

圖1 能量代謝相關信號通路

2 能量代謝與細胞外信號調節蛋白激酶通路的關系

ERK是一種將信號從細胞表面傳遞到細胞核的一種關鍵蛋白，它包括ERK1、ERK2、ERK3。ERK通路的信號轉導，同樣遵循MAPK家族的三級激酶級聯反應，其基本過程是：受體配體相結合形成二聚體，激活了受體本身所具有的蛋白激酶活性，受體自身酪氨酸基團發生磷酸化，暴露其結合位點，從而與含有共同結構域Src同源物-2(Src Homology-2，SH2)的接頭蛋白生長因子蛋白,然后與生長因子結合蛋白(Growth Factor Receptor-bound Protein,GRB)相結合，緊接著，GRB將含有脯氨酸序列的鳥嘌呤核苷酸交換因子SOS蛋白活化，活化的SOS結合大鼠肉瘤病毒(Rat Sarcoma，Ras)蛋白，Ras從而結合GTP(鳥苷三磷酸)，激活快速生長纖維肉瘤(Rapidly Accelerated Fibrosarcoma,RAF)蛋白，即促分裂原活化的蛋白激酶激酶激酶(Mitogen-activated Protein Kinase Kinase Kinase，MAPKKK)，接著發生級聯反應，激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶(Mitogen-activated Protein Kinase Kinase,MAPKK)，進而激活促分裂原活化的蛋白激酶(Mitogen-activated Protein Kinase，MAPK)，即通過Ras→Raf→MEK→ERK1/2這一通路，通過激酶的連續激活從而改變蛋白質(包括轉錄因子、細胞骨架、酶等)的磷酸化狀態，進而影響著基因的表達，如樁蛋白、核糖體S6激酶(ribosomal S6 kinase，RSK)、分裂素-應激活化激酶(Mitogen-and Stress-activated Kinase，MSK)、cAMP反應元件結合蛋白、核因子κB、c-Myc(米克基因)、Elk1、熱激轉錄因子(Heat Shock Transcription Factor-1，HSF-1)等)、從而進一步調控細胞的生長和分化、形態、代謝等。另一條ERK通路是通過激活生長因子受體(Growth Factors Receptors,GFR)，進而激活賴氨酸缺乏蛋白激酶(With No lysine,WNK)接著激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶2/3(MEKK2/3)，激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶5(MEKK5)、激活ERK5(胞外信號調節激酶5)，從而進入細胞核，影響著TCF(轉移生長因子)、肌細胞增強因子2(myocyte Enhancer Factor 2,MEF2)等各種生物學效應的產生[5]。

2.1 ERK通路與糖代謝的聯系 近年來有學者發現，ERK-Elk-DNMT1通路與有氧呼吸有關，小分子抗腫瘤化合物奇果菌素(Grifolin)通過抑制該通路中的基因DNMT1表達，導致了線粒體有氧呼吸增強，無氧酵解減弱，從而抑制了腫瘤的異常的糖代謝途徑[6]。

2.2 ERK通路與脂肪酸代謝的聯系 肝臟組織中的p-ERK蛋白，有助于改善高脂血癥的大鼠的胰島素抵抗，從而改善了血糖水平，減少脂肪組織的增多，從而改善了肥胖水平[7]。

2.3 ERK通路與氨基酸代謝的聯系 谷氨酰胺(GLUN)作為一種無毒的細胞運送氨的形式，為機體提供了谷氨酸，進而參與三羧酸循環循環，參與機體蛋白的合成，亦是一種嘌呤和嘧啶合成的原料。每合成1 mol尿素，消耗3 molATP。這無疑是一個耗能的過程。實驗發現，幼稚的T細胞激活成為成熟的T細胞，這一過程需要大量營養物質和能量，提供大量能量。谷氨酰胺，不僅可以作為一種腦、肌肉等組織向肝腎的運氨形式，在谷氨酰胺酶的作用下為機體提供谷氨酸，還影響著T細胞的增殖與細胞因子的產生。通過實驗表明，谷氨酰胺的損耗會阻斷T細胞增殖和細胞因子的產生，導致幼稚的T細胞不能順利地體積增大，增殖和分化。并且，通過補充其他氨基酸包括谷氨酰胺的直接生物前體并不能緩解對T細胞的損害。細胞攝取谷氨酰胺、代謝谷氨酰胺這一過程是通過ERK通路實現的。ERK作用于T細胞受體/CD28信號的下游，調節c-Myc基因的表達，調節谷氨酰胺酶mRNA的轉錄和穩定性，從而調節谷氨酰胺吸收。因此ERK信號通路是一個對于細胞能量代謝重要的調節器，其增強了對于谷氨酰胺的攝取和關鍵酶的活性[8]。

3 能量代謝與JNK通路的關系

在MAPK信號通路中的另一個亞類是c-Jun氨基端蛋白激酶(c-Jun N-terminal Protein Kinase，JNK)，又稱應激激活的蛋白激酶(Stress-activated Protein Kinase，SAPK)。這條信號轉導通路與細胞的凋亡、炎癥以及應激反應相關。與其他MAPK家族的信號轉導一樣，JNK信號轉導通路也是遵循級聯反應進行的。JNK位于該通路下游，在外界條件的刺激下，信號可以由上游經典的Ras蛋白轉導，經由Ras→PI3K→Rac1-GTP→MAP3Ks→posh/MEK→JNK，即：大鼠肉瘤(Rat Sarcoma,Ras)→磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)→Rac1-GTP結合蛋白→絲裂原活化蛋白激酶激酶激酶激酶(MAP3Ks)→絲裂原活化蛋白激酶激酶(MEK)→c-Jun氨基端蛋白激酶(JNK)，從而進入細胞核，作用于相應的基因轉錄調控因子(如HSF1(熱休克轉錄因子1)、STATs轉錄因子、TCF轉錄因子、ATF因子、BCL2因子、P53因子、c-JUN因子、c-Fos因子、HSC熱休克蛋白C等)，影響細胞的轉錄與翻譯，從而產生各種生物學效應，調控細胞的各種代謝，包括蛋白質合成、細胞的成活、腫瘤的遷移、腫瘤的擴散以及葡萄糖的代謝。在JNK信號系統中有幾個關鍵蛋白如磷脂酰肌醇-3-激酶(Phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)、PI3K-蛋白激酶B(Protein Kinase B，AKT)信號系統。

3.1 JNK通路與糖代謝的聯系 眾所周知，肌體的器官和組織主要的能量來源是糖，當機體產生胰島素抵抗或胰島素分泌不足的時候，糖代謝發生障礙，機體無法利血糖而造成的血糖升高，這是2型糖尿病的病因。產生胰島素抵抗的關鍵分子機制是由于胰島素受體底物(Insulin Receptor Substrate，IRS)的絲氨酸發生了磷酸化。腦組織的衰老過程中，涉及到一個代謝的三聯體，即線粒體，胰島素/胰島素樣生長因子-1信號轉導和JNK信號轉導，即胰島素抵抗往往伴隨著線粒體的受損。Ras-MAPK通路與細胞的生長、分化、蛋白的合成密切相關。大腦中的胰島素/胰島素樣生長因子-1(Insulin/insulin-like Growth Factor 1(IGF-1)Signaling，IIS)信號轉導與JNK二者之間的平衡對于線粒體功能的影響至關重要。JNK信號通路參與多種細胞應答的調節，包括在不同刺激下細胞的轉錄、成活和凋亡。作為一種促凋亡的激酶，活化的JNK的磷酸化14-3-3蛋白，這種蛋白是一種胞質B淋巴瘤-2相關X蛋白(B-cell Lymphoma-2 Associated X，Bax)的錨定物，從而促進Bax到線粒體的遷移，進一步啟動線粒體依賴性細胞的凋亡過程[9]。

研究表明，肝臟、腦、骨骼肌、胰腺、脂肪、肌肉中的JNK通路激活會影響胰島素的靈敏度[10]。脂肪細胞的葡萄糖攝取可以通過人參皂苷Rb2來調節。這一現象是通過主要通過激活IRS(胰島素受體底物)-1-PI3K-AKT/PKB(蛋白激酶B)通路實現的，并且在脂肪組織中，其中作為靶點的AKT的Rb2磷酸化與糖代謝相關[11]。通過運用JNK1和JNK2缺失的小鼠、細胞進行的實驗，證明了JNK的活性增高，導致2型糖尿病的原因[12]。通過實驗發現，菊苣菊糖通過激活IRS，在體內和體外均抑制MAPK通路，從而改善了糖脂代謝[13]。通過研究發現，水飛薊賓可以通過激活PI3K-AKT從而調節CFLAR-JNK通路，最終改變葡萄糖攝取[14]。

一方面，胰島素分泌不足可以抑制己糖激酶、葡萄糖激酶、肝糖原合成酶的活性，造成糖原合成減弱；可以抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶活性，造成糖酵解減弱，導致機體紅細胞供能不足，攜氧能力變差，供氧耗氧平衡打破，導致能量代謝障礙；6-磷酸葡萄糖脫氫酶、6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶活性降低，造成磷酸戊糖旁路減弱，使得從該途徑產生的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸減少，進入氧化呼吸鏈的遞氫體減少，從而減少了機體ATP的生成。另一方面，胰島素分泌不足，使得磷酸化酶、磷酸酶活性增強，導致糖原分解加強；果糖1,6-二磷酸酶、丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶活性增強，導致糖異生加強[15]。

由于JNK通路的改變造成的發生糖代謝的紊亂，可引起脂代謝和蛋白質代謝相繼發生紊亂，最終又可造成新的能量代謝障礙。具體表現在，三酰甘油的大量分解，游離脂肪酸大量生成，造成不徹底氧化，乙酰乙酸、β-羥丁酸、丙酮大量生成，造成酮體增高，發生酮癥酸中毒、高滲性昏迷等嚴重并發癥。在機體發生這樣的代謝性酸中毒，反過來又可以刺激心血管系統，合并高血鉀癥，導致心律失常，心臟泵血供能障礙；又可導致血管擴張，大量血液滯留在微循環內，二者效果相互疊加，最終導致有效血容量不足，造成心、腦供血供氧不足，供氧與耗氧平衡被打破，造成休克，又造成了新的能量代謝障礙。

3.2 JNK通路與脂代謝的聯系 實驗發現，肝細胞中，胱天蛋白酶8和Fas相關死亡結構域樣細胞凋亡調節蛋白(Caspase 8 and Fas-associated Protein with Death Domain-like apoptosis regulator，CFLAR)-JNK通路與脂類代謝相關，且用一種用于穩定肝細胞膜的抗氧化劑水飛薊賓，可改變細胞的脂質代謝，從而治療非酒精性脂肪性肝炎，這是通過調節參代謝的下游靶基因(PPARα基因，SREBP-1C基因和PNPLA3基因)的機制而實現的[16]。研究發現，有藥物烏貢寧可以顯著降低核因子κB，通過抑制核因子κB和MAPK，ERK，C-Jun(JNK)和P38活性磷酸化，最終顯示出對對乙酰氨基酚誘導的肝損傷的保護作用，改善了脂質代謝，調節了血清中的總膽固醇和三酰甘油[17]。

3.3 JNK通路與氨基酸代謝的關系 谷氨酰胺作為一種非必需氨基酸，可以在三羧酸循環衰竭時作為對能量的補充[18-19]。它是合成代謝的重要燃料和關鍵細胞應答，如哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(Mammalian Target of Rapamycin Complex 1，mTORC1)的活化和自噬[20-23]，mTOR是一種關鍵蛋白，它可以介導細胞的自噬和蛋白質的合成、生長因子受體的表達[24]。實驗發現，當谷氨酸被剝奪時，可以引起白細胞介素-8的釋放，從而引起細胞自噬。這一現象的機制則是由于轉錄和細胞去化因子分泌的mTORC1-IRE1-JNK通路的激活所致[25]。

4 能量代謝與P38通路的關系

MAPK家族還有一類是P38MAPK通路，該蛋白有5個亞型，分別是P38α、P38β1、P38β2、P38γ和P38δ。該蛋白位于MAPK下游，在各種細胞因子如各種炎癥介質和應急刺激(如紫外線、過氧化物、熱溫、高滲狀態)等外界條件的刺激作用下，作用于白細胞介素受體(白細胞介素或者腫瘤壞死因子受體相關因子2(Tumor Necrosis Factor Receptor Associated Factor 2，TRAF2)，從而激活胞漿里的Rac1蛋白，接著激活抑瘤素M蛋白，然后激活MEK3/6，最后激活P38，即白細胞介素-Rs/TRAF2→Rac1(Rac1蛋白)→OSM蛋白→MEK3/6→P38，最后進入細胞核，作用于下游各種基因(如ATF、MAPKAPK2、P53、MNK、核因子κB、CHOP蛋白等)，從而產生細胞的氧化應激等各種生物學效應[26]。

4.1 P38通路與糖代謝的關系 P38通路與血糖的調節相關。有動物實驗證明，某些藥物，如丁酸鈉治療通過P38/ERK MAPK通路和凋亡通路的調節，改善了兒童糖尿病大鼠的B細胞增殖、功能和葡萄糖穩態，降低了其細胞凋亡[27]。另外，在相關研究中發現，在營養缺乏的饑餓狀態下，MAPK14/P38α激活導致SLC2A3蛋白/GLUT3蛋白表達和葡萄糖攝取的增加[28]。

4.2 P38通路與脂代謝的關系 在代謝旺盛的組織器官如脂肪組織、骨骼肌、胰島細胞、肝臟中，P38均參與了各種重要代謝[29]。在脂肪酸的代謝中，P38也起著很重要的作用。實驗發現，ERK通路與P38通路均參與了脂肪細胞對成骨細胞的脂毒性[30]。還有實驗發現，血漿游離脂肪酸的小幅度上升，會引起單核細胞中的Toll樣受體4上調，從而激活炎癥通路MAPK通路。這提示著部分肥胖患者或者2型糖尿病胰島素抵抗患者的低度炎癥癥狀，是由于體內游離脂肪酸過多刺激單核巨噬系統引起的[31]。

4.3 P38通路與氨基酸代謝的關系 有研究發現，氨基酸的增加會引起肝細胞內的關鍵酶2-6,二磷酸果糖濃度的增加，從而引起糖酵解的減弱，糖異生的增強。這一過程是PI3K和P38信號轉導通路的激活所致[30]。從而進一步激活mTORC1或mTORC2、AMP活化蛋白激酶。

綜上所述，MAPK家族信號通路與能量代謝關系非常密切，每個通路中均有與能量代謝相關的靶點，其中P38通路對代謝的影響尤為突出。掌握這些通路、靶點與能量代謝的關系，有助于我們就實現精準醫療。

5 討論

由于各種疾病可能會有能量代謝的改變，如腫瘤可引起糖代謝通量的改變，如非酒精性脂肪性肝炎的脂代謝改變。某些藥物通過抑制某條通路的某個靶點，阻斷信號轉導；或者抑制葡萄糖轉運體；或者通過抑制某個代謝環節的關鍵酶,如抑制己糖激酶、抑制磷酸果糖激酶、抑制丙酮酸激酶、抑制乳酸排出或轉運的單羧酸轉運酶和乳酸脫氫酶，藥物通過調節通路的代謝，以改變細胞糖代謝通量的方式，切斷細胞的某個能量代謝的環節，誘導細胞自噬、凋亡，阻斷了細胞的生長狀態，從而達到抑制腫瘤細胞生長、增殖的作用。通過對這些通路、通路、靶點的進一步深入研究，對于臨床上的疾病，特別是與能量代謝相關的腫瘤類疾病、與能量代謝相關的內分泌系統疾病的治療具有理論指導意義。但由于各通路之間存在交互作用，這些多條通路的研究還處于起步階段，需要今后對其更深入進行分析。