信號通路與急性肺損傷纖維化進(jìn)展范文
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1TGF-β1-Smads信號通路概況
1.1TGF-β亞型:TGF-β1最早是由Delaro和Todaro于1978年在研究病毒轉(zhuǎn)化細(xì)胞過程中發(fā)現(xiàn)的,哺乳動(dòng)物體內(nèi)主要有3種亞型,即TGF-β1、2和3。TGF-β不同亞型在創(chuàng)傷愈合中的作用不同。如TGF-β1、2有助于瘢痕組織形成,TGF-β3具有抗瘢痕作用。
2.2TGF-β的激活:TGF-β分泌后必須經(jīng)過激活才能發(fā)揮效應(yīng),即TGF前體分子LTGF必須激活為成熟的TGF-β形式才能與受體結(jié)合,然后激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。與大多數(shù)其他激素不同,成熟的TGF-β在分泌后仍然保持與它的前肽共價(jià)結(jié)合,成熟的TGF-β的這種復(fù)合物形式不能被信號受體識別,因此被稱為TGF-β前肽。潛在相關(guān)肽(LAP)與潛在TGF-β連接蛋白(LTBP)經(jīng)二硫鍵共價(jià)結(jié)合,LTBP有利于TGF-β/LAP復(fù)合物的分泌、儲存和激活。TGF-β的激活需要從蛋白氨基端去掉與LTBP連接的羧基端前區(qū),當(dāng)LTGF被蛋白裂解移至細(xì)胞外,TGF-β被激活。這是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及LTGF構(gòu)象改變。若機(jī)體受到炎癥或損傷因素如內(nèi)毒素[2]、纖溶酶、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)、活性氧等刺激后TGF-β可被激活[3]。
另一個(gè)TGF-β激活劑是血小板反應(yīng)蛋白(TSP-1),它具有調(diào)節(jié)細(xì)胞間的黏附、促進(jìn)血管發(fā)生和基質(zhì)再建的作用。TSP-1在體外可以通過改變LAP構(gòu)象激活潛在的TGF-β,激活TGF-β的整合蛋白αVβ6,后者正常時(shí)僅在上皮細(xì)胞少量表達(dá),在感染或損傷時(shí)誘導(dǎo)表達(dá)。通過基因敲除動(dòng)物的研究證實(shí),整合蛋白αVβ6誘導(dǎo)TGF-β的激活。整合蛋白αVβ6-/-動(dòng)物可以抵抗大劑量博萊霉素誘導(dǎo)的肺損傷和纖維化[4]。
1.3TGF-β受體:TGF-β受體(TGFR)有5種不同類型(Ⅰ-Ⅴ型),其中I型、Ⅱ型是跨膜絲/蘇氨酸激酶受體,其胞質(zhì)區(qū)段有絲-蘇氨酸激酶活性,與受體后細(xì)胞內(nèi)通訊有關(guān)。如I型受體胞內(nèi)區(qū)外側(cè)一段富含絲/蘇氨酸殘基稱GS區(qū),是受Ⅱ型受體磷酸化激活的部位。而I型、Ⅱ型受體細(xì)胞外區(qū)則富含半胱氨酸殘基。Ⅲ型受體,亦稱為β聚糖,是一個(gè)錨著蛋白多糖,無信號轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu)但可提高TGF-β對Ⅱ型受體的親和力[5]。
1.4TGF-β受體激活:TGF-β首先與相應(yīng)的Ⅱ型受體識別結(jié)合而被磷酸化激活成為具有激酶的活性,再由活化的Ⅱ型受體募集I型受體,并將I型受體的GS區(qū)磷酸化而將其激活,活化的I型受體與下游底物相互作用,再將信號傳遞下去[6]。給予TGFβⅡ型受體的嵌合體能減輕整合蛋白αVβ6對的TGF-β的激活,對博來霉素所致的肺損傷具有保護(hù)作用[7]
1.5Smads蛋白家族:Smads家族蛋白在將TGF-β信號從細(xì)胞表面受體傳導(dǎo)至細(xì)胞核的過程中起到關(guān)鍵性作用,且不同的Smad介導(dǎo)不同的TGF-β家族成員的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。TGF-β作為配體形成的受體復(fù)合物,激活Smads進(jìn)入核內(nèi),共同激活或抑制它們調(diào)節(jié)的靶基因的轉(zhuǎn)錄。根據(jù)結(jié)構(gòu),Smad蛋白分成R-Smad,Co-Smad和I-Smad3個(gè)亞家族,至少包括9種Smad蛋白,用Smadl-9表示,按功能分為3類:即受體活化型或通路限制性Smad(R-Smads)、共同通路型Smad(Co-Smad)和抑制性Smad(I-Smads)。R-Smads能被I型受體激活并與受體形成短暫復(fù)合物,它又分為兩類,即由激活素TGF-β激活的AR-Smads,包括smad2、Smad3:和由BMP等激活的BR-Smads,包括Smadl、Smad5、Smad8和Smad9。Co-Smad包括Smad4,是TGF-β家族各類信號傳導(dǎo)過程中共同需要的介質(zhì)。I-Smads包括Smad6和Smad7,可與激活的I型受體結(jié)合,抑制或調(diào)節(jié)TGF-β家族的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[8,9]。
ARDS的纖維化(pulmonaryfibrosis,PF)是肺部炎癥導(dǎo)致肺泡持續(xù)性損傷及細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix,ECM)細(xì)胞反復(fù)破壞、修復(fù)、重建及過度沉積的過程,是機(jī)體組織遭受損傷后的過度修復(fù)反應(yīng)[10]。ARDS病理過程分為滲出期、增生期和纖維化期[11]。以往研究認(rèn)為肺急性炎癥和纖維化可能是兩個(gè)相對獨(dú)立的過程,但近年資料表明,在ALI、ARDS的早期TGF-β1即被激活[12,13],且肺纖維化程度與ARDS的死亡率密切相關(guān)[14]。
研究表明:ARDS患者早期肺泡灌洗液中即可發(fā)現(xiàn)高表達(dá)的TGF-β1,并且其高表達(dá)與隨后的肺水腫形成、促炎性細(xì)胞因子的釋放[7,15]以及患者氧合指數(shù)降低均密切相關(guān)[15,16]。Beer等[17]證實(shí)TGF-β能抑制肺表面活性物質(zhì)的生成,并能增加Fas誘導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞的凋亡[18]。多位學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同因素誘導(dǎo)的急性肺損傷模型中肺組織TGF-β1的含量均明顯增高。例如,在機(jī)械通氣誘導(dǎo)的大鼠急性肺損傷模型,Imanaka等[19]發(fā)現(xiàn)肺組織TGF-β1含量明顯增高的同時(shí)伴隨肺組織中性粒細(xì)胞浸潤和巨噬細(xì)胞活化;在失血性休克肺損傷大鼠模型中,Shenkar等[20]發(fā)現(xiàn)失血后1h肺泡巨噬細(xì)胞的TGF-βmRNA表達(dá)即明顯增加,并可見大量中性粒細(xì)胞浸潤和間質(zhì)充血水腫。若給予TGF-β單克隆抗體肺組織的損傷程度可明顯減輕。Wesselkamper等[21]進(jìn)一步證實(shí),在鎳所致ALI中,給予TGFβⅡ型受體的嵌合體,能有效減輕鎳所致的肺血管通透性的增高和肺水腫發(fā)生。
TGF-β具有多種生物學(xué)效應(yīng),不僅對多種炎性細(xì)胞如巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞或成纖維細(xì)胞有很強(qiáng)的趨化作用[22,23],還能刺激TNF-α,IL-1β,IL-6等炎性細(xì)胞因子釋放[24,25]。TGF-β可通過以下三種途徑影響IL-6的表達(dá):(1)誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)H2O2一過性增加。H2O2可劑量依賴性誘導(dǎo)IL-6的基因表達(dá)。而抗氧化劑則可抑制TGF-β誘導(dǎo)的IL-6的基因表達(dá);(2)刺激鈣離子的內(nèi)流,鈣離子可增加IL-6的表達(dá),同時(shí)調(diào)節(jié)激活蛋白一1的活性;(3)絲裂原激活的蛋白激酶參與了TGF-β所誘導(dǎo)的IL-6表達(dá)[25]。
3TGF-β對細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)合成的調(diào)控作用
急性肺損傷纖維化的發(fā)生是膠原蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)合成與降解不平衡的結(jié)果,在ECM降解過程中,金屬蛋白酶起著非常重要的作用。TGF-β是最強(qiáng)的細(xì)胞外基質(zhì)沉積促進(jìn)劑,使ECM合成增加,而降解減少[26]。TGF-β促進(jìn)ECM的合成體現(xiàn)在多個(gè)環(huán)節(jié):其一是上調(diào)基質(zhì)成分基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯等步驟。例如促使膠原、纖維粘連蛋白和基質(zhì)金屬蛋白酶-1抑制劑的mRNA表達(dá)水平增加[27],促進(jìn)胞外基質(zhì)受體的轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白形成,從而促進(jìn)ECM的沉積;其二是通過選擇性抑制膠原酶的合成、誘導(dǎo)膠原酶抑制物的產(chǎn)生或抑制蛋白酶抑制劑表達(dá)與激活,最終使膠原降解減少、細(xì)胞外基質(zhì)在肺內(nèi)積聚,使肺泡壁增厚,促進(jìn)纖維化形成。TGF-β對上述兩類酶合成的影響一定程度上可根據(jù)編碼這些蛋白的mRNA表達(dá)水平得到反映。例如TGF-β可刺激肺成纖維細(xì)胞產(chǎn)生膠原纖維,誘導(dǎo)I、Ⅳ膠原mRNA表達(dá);利用支氣管滴注TGF-β的方法建立小鼠支氣管周圍纖維化模型,在使用TGF-β7天,可檢測到小鼠氣道上皮I、Ⅲ型膠原mRNA表達(dá)明顯增加[28]。TGF-βmRNA及蛋白水平的增加均可上調(diào)大多數(shù)基質(zhì)蛋白mRNA水平,導(dǎo)致蛋白合成的增加。
激活蛋白-1(activatorprotein.1,AP-1)是血小板凝血酶敏感蛋白,也是TGF-β的主要激活物。現(xiàn)有資料證實(shí),TGF-β促進(jìn)膠原基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制與Smad家族的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)。AP-1被激活后,促使TGF-β與其細(xì)胞膜上的受體結(jié)合,將活化的信號傳遞至細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞內(nèi)的Smad家族(smadl、2、3、4、6等)將信號進(jìn)一步傳遞到細(xì)胞核內(nèi),激活核內(nèi)轉(zhuǎn)錄蛋白,即轉(zhuǎn)錄信號轉(zhuǎn)導(dǎo)劑和激活劑(signaltransducerandactivatoroftranscription,STAT)-1,啟動(dòng)膠原蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄,合成膠原蛋白。
4TGF-β1-Smads對肺泡-肺毛細(xì)血管屏障功能的影響
ALI的本質(zhì)是各種損傷因素導(dǎo)致的肺泡-肺毛細(xì)血管屏障功能受損,肺毛細(xì)血管通透性增高的血管滲漏綜合征[29]。近年一系列文獻(xiàn)均證實(shí),TGF-β呈劑量依賴性引起肺血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性增高[30,31,32]。為進(jìn)一步探討TGF-β1引起肺血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能障礙的分子機(jī)制,一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。發(fā)現(xiàn)TGF-β能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)多種信號途徑,如細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(MAPK,如P38,JNK,ERK)、RhoGTPase、蛋白激酶C、磷脂酰肌醇-3-激酶等。其中RhoA是小G蛋白家庭成員之一,能調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架和細(xì)胞間連接,導(dǎo)致應(yīng)力纖維形成[30,33]。由于激活后的RhoA能產(chǎn)生許多生物學(xué)效應(yīng),包括細(xì)胞骨架的重構(gòu)、轉(zhuǎn)錄因子的激活等,因此RhoA又被稱為肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和細(xì)胞形態(tài)異質(zhì)性的調(diào)節(jié)器。RhoA激酶拮抗劑Y-27632能部分減輕TGF-β1介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞通透性增高和細(xì)胞骨架的重構(gòu)。2006年Lu[34]等證實(shí)TGF-β1通過SMAD2磷酸化激活P38,進(jìn)而誘導(dǎo)RhoA活化和內(nèi)皮細(xì)胞通透性增高,且TGF-β1對RhoA的激活有賴于P38的活化,因?yàn)榻o予P38活化特異阻斷劑能部分抑制RhoA的激活。同時(shí)Lu還發(fā)現(xiàn),TGF-β作用后0.5-1小時(shí)SMAD2磷酸化達(dá)峰值,4小時(shí)后磷酸化水平下降。若應(yīng)用SMAD2iRNA技術(shù),那么TGF-β1所致內(nèi)皮細(xì)胞通透性增高的效應(yīng)則被逆轉(zhuǎn),提示SMAD2在TGF-β1所致內(nèi)皮細(xì)胞通透性增高機(jī)制中起主導(dǎo)作用。
5Smads信號通路對肺損傷纖維化的影響
Smads通路是TGF-β主要信號傳導(dǎo)分子,近年離體實(shí)驗(yàn)表明,TGF-β1處理后肺成纖維細(xì)胞中膠原纖維產(chǎn)生明顯增多。為進(jìn)一步探討TGF-β1上調(diào)Ⅰ型膠原的機(jī)制,Zawel[35]等發(fā)現(xiàn)TGF-β1處理后肺成纖維細(xì)胞Smad3,Smad4通路活化,進(jìn)而啟動(dòng)TGF-β1的靶基因collal,timp-1[35,36]的轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致Ⅰ型膠原的表達(dá)增多,從而部分揭示了TGF-β1促進(jìn)ALI向ARDS和肺纖維化發(fā)展的機(jī)制。
Zhao等[37]研究了博萊霉素誘導(dǎo)的大鼠肺損傷模型中Smad2、Smad3的表達(dá),發(fā)現(xiàn)Smad3mRNA在博萊霉素作用后第3天開始下降,一直持續(xù)到第8、12天,而Smad2基本保持不變。提示Smad3的表達(dá)在肺纖維化中可能起重要作用。一個(gè)更重要的發(fā)現(xiàn)是,將攜帶小鼠Smad7cDNA、Smad6cDNA的重組腺病毒分別通過氣管與博萊霉素同時(shí)進(jìn)入兩組小鼠肺內(nèi),結(jié)果Smad7cDNA重組腺病毒作用組與Smad6cDNA作用組相比,I型前膠原mRNA的表達(dá)和羥脯氨酸的含量下降,并且沒有肺損傷纖維化的形態(tài)學(xué)變化;Smad7的表達(dá)可以抑制博萊霉素引起的Smad2磷酸化。提示Smad7而非Smad6可以阻止博萊霉素誘導(dǎo)的肺損傷纖維化。Smad7可能成為肺纖維化治療的一個(gè)突破點(diǎn)[38]。
Smad3基因缺陷小鼠和野生型小鼠分別氣管滴注博萊霉素,結(jié)果前者與后者相比,I型前膠原mRNA的表達(dá)下降,肺組織羥脯氨酸含量降低,而且從形態(tài)學(xué)觀察,Smad3的缺失相當(dāng)程度上減輕了肺損傷纖維化。表明Smad3在博萊霉素誘導(dǎo)的肺纖維化中起一定作用,Smad3在肺損傷纖維化的治療中可能具有一定的實(shí)用性[37]。
總之,TGF-β1-Smads信號通路在ARDS發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用,但迄今為止它在急性肺損傷纖維化疾病中的確切機(jī)制仍不十分清楚,特別時(shí)在不同誘因所致ARDS進(jìn)程中,TGF-β與各種Smad蛋白表達(dá)的定時(shí)定位,不同Smad蛋白表達(dá)的意義,它們與其他信號通路是如何交叉,以及針對該通路的治療等方面,尚有待進(jìn)一步研究。相信隨著研究的深入,對TGF-β及其信號蛋白的調(diào)控可能是今后ARDS治療新的有效靶點(diǎn)。
