丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶在心血管系统中的作用
作者：柴三葆 唐朝枢
单位：北京大学第一医院心血管研究所, 北京 100034
关键词：丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶；信号转导；血管平滑肌细胞增殖
生理科学进展000312 摘要 丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶是新近发现的一种双重底物特异性的蛋白磷酸酶，可使丝裂素活化蛋白激酶上的苏氨酸/酪氨酸去磷酸化失活。丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶维持血管壁的功能稳态，并参与对血管平滑肌细胞增殖、心肌细胞肥大及凋亡的调节，在心血管生理及病理生理中均发挥重要作用。
学科分类号 R54
丝裂素活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)介导的信号转导通路是生物信号引起核反应的重要通路，在细胞生长、增殖、分化及凋亡的调节中起到至关重要的作用[1]。研究表明，MAPK的活化与血管平滑肌细胞增殖、心肌细胞肥大及高血压的发生发展有着密切关系。各种刺激因素作用于细胞，可通过多种机制活化以MAPK为核心的底物磷酸化级联反应。MAPK家族主要有细胞外信号调节激酶(ERK1/ERK2)、应激活化蛋白激酶(JNK/SAPK)和P38MAPK,它们均可转位入核，调节核内不同的基因转录。其活性受到蛋白激酶的磷酸化及蛋白磷酸酶的去磷酸化调节。在MAPK去磷酸化调节中起主要作用的是丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶(mitogen-activated protein kinase phosphatases, MKPS)[1]。本文就MKPS在心血管生理及病理生理中的作用作一简要综述。
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一、MKPs概述
MKPS是一种双重底物特异性的蛋白磷酸酶，能使MAPK上的苏氨酸/酪氨酸去磷酸化，其基因中具有编码-HCXAGXXR(S/T)G-的核苷酸序列。目前研究发现，MKPS的家族成员有MKP-1(CH134、CL100)、MKP-2(hvH-2)、MKP-3(Pyst-1)、MKP-4、hvH-3(B23)、hvH-5(m3/6)、PAG1和Pyst-2八个成员，其中除MKP-3外，都是即刻早期基因编码的产物[2，3]。MKPs的分布十分广泛，应用Northern Blot分析表明，MKPs的mRNA几乎在所有的组织中都可以检测到，其中MKP-1在心脏及肝脏中的含量最高。MKPs在未受刺激的细胞中是不表达的，只有在丝裂原、热休克、氧化应激、紫外线照射的刺激下才被诱导，并且在转录水平上受到多种因素的调节。目前有关MKP-1的基因表达的调节机制还不是十分清楚，Scimeca等[4]证实Ca2+对于MKP-1的基因表达是必要的。
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二、MKPS与血管平滑肌细胞增殖
血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells, VSMC)增殖是动脉粥样硬化、高血压、再狭窄等心血管疾病的一个重要的病理改变。是多种因素如血管紧张素Ⅱ(angiotensin-Ⅱ，AngⅡ),内皮素，生长因子等共同作用的结果。很多研究证实，MAPK信号通路在VSMC增殖中起到重要作用。
Lai等[5]发现MKP-1在动脉组织是高表达的，原位杂交方法证实其主要存在于动脉平滑肌层，过度表达MKP-1的大鼠动脉SMC中，细胞生长周期明显受到影响，细胞生长只停留在G1期，不能进入S期。将MKP-1转染动脉SMC可抑制其生长。提示MKP-1对维持动脉壁结构的完整，保持VSMC处于静止的、非增殖状态至关重要。
Lai等在大鼠颈动脉球囊拉伤后观察到MKP-1 mRNA水平在拉伤后第2天开始下降，第5天达到最低水平，第14天又略有回升，MKP-1的活性下降与MAPK家族的ERK 活性增加是相关的。因此MKP-1在动脉SMC的下调可能与球囊拉伤后的VSMC增殖有直接关系。
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而Koyama等[6]同样在大鼠颈动脉球囊拉伤后发现，ERK的活性只在SMC开始增殖时可检测到，而在以后的VSMC增殖高峰则检测不到。并且ERK的活化只与中膜SMC增殖有关，而对内膜SMC增殖不起主要作用，但MKP-1对中膜及内膜SMC的增殖均有抑制作用，其活化主要与球囊拉伤后JNK的活化有关。
近年发现，花生四烯酸及其代谢产物在许多生物活动中都起着很重要的作用。许多因素如生长因子、血管激动剂、致炎因子和细胞因子都可以刺激其产生。Metzler等(1998)用Northern Blot分析表明用花生四烯酸处理后的VSMC中MKP-1 mRNA水平显著增加，其作用后20分钟，即有MKP-1的表达，1小时后达高峰。MKP-1的表达与花生四烯酸呈浓度依赖性。花生四烯酸诱导MKP-1表达的机制主要是通过其刺激引起过氧化物产生及酪氨酸激酶活化。花生四烯酸诱导的MKP-1的表达只与MAPK家族的JNKL/SAPK的活化有关，与ERK活化无关。因此MKP-1在生理情况下及花生四烯酸作用后引起的VSMC增生和肥大的病理变化中具有重要作用。
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活性氧可以刺激VSMC的生长和DNA合成，因此在球囊扩张术后再狭窄及动脉粥样硬化的发展过程中起着重要作用(Bass等. 1998)。H2O2和O-2均可诱导MKP-1产生，并以前者作用更强，但H2O2作用后MKP-1 mRNA升高程度及高峰出现时间均低于AngⅡ及PMA的作用。另外，MKP-1还参与AngⅡ的II型受体(AT2)诱导的VSMC凋亡。AT2发挥促凋亡作用是通过活化MKP-1及失活MAPK，引起Bcl-2去磷酸化及上调Bax的表达所致。
三、MKPs与高血压
许多研究证实，高血压可活化动脉组织中的MAPK，MAPK介导的信号途径可能在各种应激所致高血压的发生发展中起重要作用。精神紧张及各种体液因素如AngⅡ，血管加压素、苯丙肾上腺素等在活化ERK、JNK等诱导高血压的同时，还可引起MKP-1 mRNA表达增加。Xu等[7]研究发现，在紧张刺激作用下，大鼠主动脉中的MKP-1表达迅速增加，于30分钟达高峰，并可持续5小时以上。MKP-1的持续表达对于阻止MAPK的进一步活化，防止血压的进一步升高具有重要意义。值得注意的是，在应激刺激的大鼠，MKP-1的高表达具有血管特异性，其它组织如肾、肝、脾、肾上腺、睾丸中均未见有MKP-1 mRNA表达增加。MKP-1作为即早基因产物，本身的表达活化主要是由MAPK活化介导的，而MKP-1又可反馈调节MAPK的活性，这对于维持血管壁的稳态平衡可能具有重要作用。
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Begum等[8]发现，在培养的大鼠VSMC中，胰岛素可刺激MKP-1表达，其表达增加可能参与了胰岛素的舒血管降压作用。进一步研究发现，胰岛素诱导MKP-1表达是由PI3激酶/一氧化氮合酶-环鸟苷酸信号途径介导的。在自发性高血压大鼠VSMC中，由于PI3激酶活性降低因而MKP-1的表达明显减少，这可能是其血压升高和胰岛素抵抗发生的机制之一。有趣的是，诱导MKP-1表达的NOS通路与MAPK信号通路存在交互作用，用ERK抑制剂PD98059可完全抑制由胰岛素引起的iNOS及MKP-1的表达。
四、MKPs与心肌肥大
心肌肥大是心肌细胞对牵拉、AngⅡ、内皮素及生长因子等刺激的一种基本应答，MKP-1可能参与外界刺激诱导的肥大基因活化的调节。Faller等[9]在培养的乳鼠心肌细胞上，将MAP-1基因转染人心肌细胞可明显抑制心钠素，心室肌球蛋白轻链2，β-肌球蛋白重链，骨骼肌α-肌动蛋白等启动子活性。用苯丙肾上腺素刺激人心肌细胞不仅可增加心肌细胞的面积，也可改变其形状，MKP-1的表达对其引起的心肌细胞面积的增加有一定抑制作用，但对其细胞形态改变没有影响。有学者(Fischer，1998)在培养的成年大鼠心肌细胞及心脏微血管内皮细胞中观察到，AngⅡ作用后15分钟可显著增高MKP-1的表达水平， 其表达是通过AT2受体介导的。Horiuohi等(1998)亦发现AngⅡ作用于心肌细胞上AT2受体可活化MKP-1，并使MAPK(ERK1/ERK2)失活，MKP-1还可使Bcl-2去磷酸化及Bax上调，促进心肌细胞的凋亡。另外，研究发现，MKP-1还可通过抑制心肌葡萄糖转运体(GLUT1)的转录而影响心肌细胞基础糖代谢，参与心肌肥大的调节[10]。
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由于MAPK活化与许多心血管疾病如动脉粥样硬化、再狭窄、高血压、心肌肥大等的发生发展有着密切关系，MKP-1则通过对MAPK活性的调节维持细胞及血管壁的稳态。对MKP-1作用机制的深入研究，对于进一步认识心血管疾病的发病机制，探索新的治疗措施可能具有深远的意义。
国家自然科学基金(39970295)资助课题
参考文献
1，Shapiro PS, Ahn NG. Feedback regulation of raf-1 and mitogen-activated protein (MAP) kinase kinases 1 and 2 by map kinase phosphatase-1(MKP-1). J Biol Chem, 1998,273∶1788～1793.
2，Brondello JM, Brunet A, Pouyssegur J, et al.The dual specificity mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 and -2 are induced by the p42/p44 mapk cascade.J Biol Chem, 1997, 272∶1368～1376.
, 百拇医药
3，Tanoue T, Moriguchi T, Nishida E, et al. Molecular cloning and characterization of a novel dual specificity phosphatase,MKP-5. J Biol Chem, 1999,274∶19949～19956.
4，Scimeca JC, Servant MJ, Dyer JO, et al. Essential role of calcium in the regulation of MAP kinase phosphatase-1 expression. Oncogene,1997,15∶717～725.
5，Lai KY, Wang H, Lee WS, et al. Mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 in rat arterial smooth muscle cell proliferation. J Clin Invest, 1996,98∶1560～1567.
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6，Koyama H, Olson NE, Dastvan FF, et al. Cell replication in the arterial wall : activation of signaling pathway following in vivo injury. Circ Res, 1998,82∶713～721.
7，Xu Q, Fawcett TW, Gorospe M, et al . Induction of mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 during acute hypertension. ，Hypertension, 1997,30∶106～111.
8，Begum N, Ragolia L, Rienifer J, et al. Regulation of mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 induced by insulin in vascular smooth muscle cells. J Biol Chem, 1998, 273∶ 25164～25170.
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9，Fuller SJ, Davies EJ, Brown-J G, et al. Mitogen-activated protein kinase phosphatase 1 inhibits the stimulation of gene expression by hypertrophic agonists in cardiac myocytes. Biochem J, 1997,323∶313～319.
10，Montessuit C, Thorburn A. Transcriptional activation of the glucose transport GLUT1 in ventricular cardiac myocytes by hypertrophic agonists. J Biol Chem， 1999,274∶9006～9012., http://www.100md.com
单位：北京大学第一医院心血管研究所, 北京 100034
关键词：丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶；信号转导；血管平滑肌细胞增殖
生理科学进展000312 摘要 丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶是新近发现的一种双重底物特异性的蛋白磷酸酶，可使丝裂素活化蛋白激酶上的苏氨酸/酪氨酸去磷酸化失活。丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶维持血管壁的功能稳态，并参与对血管平滑肌细胞增殖、心肌细胞肥大及凋亡的调节，在心血管生理及病理生理中均发挥重要作用。
学科分类号 R54
丝裂素活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)介导的信号转导通路是生物信号引起核反应的重要通路，在细胞生长、增殖、分化及凋亡的调节中起到至关重要的作用[1]。研究表明，MAPK的活化与血管平滑肌细胞增殖、心肌细胞肥大及高血压的发生发展有着密切关系。各种刺激因素作用于细胞，可通过多种机制活化以MAPK为核心的底物磷酸化级联反应。MAPK家族主要有细胞外信号调节激酶(ERK1/ERK2)、应激活化蛋白激酶(JNK/SAPK)和P38MAPK,它们均可转位入核，调节核内不同的基因转录。其活性受到蛋白激酶的磷酸化及蛋白磷酸酶的去磷酸化调节。在MAPK去磷酸化调节中起主要作用的是丝裂素活化蛋白激酶磷酸酶(mitogen-activated protein kinase phosphatases, MKPS)[1]。本文就MKPS在心血管生理及病理生理中的作用作一简要综述。
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一、MKPs概述
MKPS是一种双重底物特异性的蛋白磷酸酶，能使MAPK上的苏氨酸/酪氨酸去磷酸化，其基因中具有编码-HCXAGXXR(S/T)G-的核苷酸序列。目前研究发现，MKPS的家族成员有MKP-1(CH134、CL100)、MKP-2(hvH-2)、MKP-3(Pyst-1)、MKP-4、hvH-3(B23)、hvH-5(m3/6)、PAG1和Pyst-2八个成员，其中除MKP-3外，都是即刻早期基因编码的产物[2，3]。MKPs的分布十分广泛，应用Northern Blot分析表明，MKPs的mRNA几乎在所有的组织中都可以检测到，其中MKP-1在心脏及肝脏中的含量最高。MKPs在未受刺激的细胞中是不表达的，只有在丝裂原、热休克、氧化应激、紫外线照射的刺激下才被诱导，并且在转录水平上受到多种因素的调节。目前有关MKP-1的基因表达的调节机制还不是十分清楚，Scimeca等[4]证实Ca2+对于MKP-1的基因表达是必要的。
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二、MKPS与血管平滑肌细胞增殖
血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells, VSMC)增殖是动脉粥样硬化、高血压、再狭窄等心血管疾病的一个重要的病理改变。是多种因素如血管紧张素Ⅱ(angiotensin-Ⅱ，AngⅡ),内皮素，生长因子等共同作用的结果。很多研究证实，MAPK信号通路在VSMC增殖中起到重要作用。
Lai等[5]发现MKP-1在动脉组织是高表达的，原位杂交方法证实其主要存在于动脉平滑肌层，过度表达MKP-1的大鼠动脉SMC中，细胞生长周期明显受到影响，细胞生长只停留在G1期，不能进入S期。将MKP-1转染动脉SMC可抑制其生长。提示MKP-1对维持动脉壁结构的完整，保持VSMC处于静止的、非增殖状态至关重要。
Lai等在大鼠颈动脉球囊拉伤后观察到MKP-1 mRNA水平在拉伤后第2天开始下降，第5天达到最低水平，第14天又略有回升，MKP-1的活性下降与MAPK家族的ERK 活性增加是相关的。因此MKP-1在动脉SMC的下调可能与球囊拉伤后的VSMC增殖有直接关系。
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而Koyama等[6]同样在大鼠颈动脉球囊拉伤后发现，ERK的活性只在SMC开始增殖时可检测到，而在以后的VSMC增殖高峰则检测不到。并且ERK的活化只与中膜SMC增殖有关，而对内膜SMC增殖不起主要作用，但MKP-1对中膜及内膜SMC的增殖均有抑制作用，其活化主要与球囊拉伤后JNK的活化有关。
近年发现，花生四烯酸及其代谢产物在许多生物活动中都起着很重要的作用。许多因素如生长因子、血管激动剂、致炎因子和细胞因子都可以刺激其产生。Metzler等(1998)用Northern Blot分析表明用花生四烯酸处理后的VSMC中MKP-1 mRNA水平显著增加，其作用后20分钟，即有MKP-1的表达，1小时后达高峰。MKP-1的表达与花生四烯酸呈浓度依赖性。花生四烯酸诱导MKP-1表达的机制主要是通过其刺激引起过氧化物产生及酪氨酸激酶活化。花生四烯酸诱导的MKP-1的表达只与MAPK家族的JNKL/SAPK的活化有关，与ERK活化无关。因此MKP-1在生理情况下及花生四烯酸作用后引起的VSMC增生和肥大的病理变化中具有重要作用。
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活性氧可以刺激VSMC的生长和DNA合成，因此在球囊扩张术后再狭窄及动脉粥样硬化的发展过程中起着重要作用(Bass等. 1998)。H2O2和O-2均可诱导MKP-1产生，并以前者作用更强，但H2O2作用后MKP-1 mRNA升高程度及高峰出现时间均低于AngⅡ及PMA的作用。另外，MKP-1还参与AngⅡ的II型受体(AT2)诱导的VSMC凋亡。AT2发挥促凋亡作用是通过活化MKP-1及失活MAPK，引起Bcl-2去磷酸化及上调Bax的表达所致。
三、MKPs与高血压
许多研究证实，高血压可活化动脉组织中的MAPK，MAPK介导的信号途径可能在各种应激所致高血压的发生发展中起重要作用。精神紧张及各种体液因素如AngⅡ，血管加压素、苯丙肾上腺素等在活化ERK、JNK等诱导高血压的同时，还可引起MKP-1 mRNA表达增加。Xu等[7]研究发现，在紧张刺激作用下，大鼠主动脉中的MKP-1表达迅速增加，于30分钟达高峰，并可持续5小时以上。MKP-1的持续表达对于阻止MAPK的进一步活化，防止血压的进一步升高具有重要意义。值得注意的是，在应激刺激的大鼠，MKP-1的高表达具有血管特异性，其它组织如肾、肝、脾、肾上腺、睾丸中均未见有MKP-1 mRNA表达增加。MKP-1作为即早基因产物，本身的表达活化主要是由MAPK活化介导的，而MKP-1又可反馈调节MAPK的活性，这对于维持血管壁的稳态平衡可能具有重要作用。
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Begum等[8]发现，在培养的大鼠VSMC中，胰岛素可刺激MKP-1表达，其表达增加可能参与了胰岛素的舒血管降压作用。进一步研究发现，胰岛素诱导MKP-1表达是由PI3激酶/一氧化氮合酶-环鸟苷酸信号途径介导的。在自发性高血压大鼠VSMC中，由于PI3激酶活性降低因而MKP-1的表达明显减少，这可能是其血压升高和胰岛素抵抗发生的机制之一。有趣的是，诱导MKP-1表达的NOS通路与MAPK信号通路存在交互作用，用ERK抑制剂PD98059可完全抑制由胰岛素引起的iNOS及MKP-1的表达。
四、MKPs与心肌肥大
心肌肥大是心肌细胞对牵拉、AngⅡ、内皮素及生长因子等刺激的一种基本应答，MKP-1可能参与外界刺激诱导的肥大基因活化的调节。Faller等[9]在培养的乳鼠心肌细胞上，将MAP-1基因转染人心肌细胞可明显抑制心钠素，心室肌球蛋白轻链2，β-肌球蛋白重链，骨骼肌α-肌动蛋白等启动子活性。用苯丙肾上腺素刺激人心肌细胞不仅可增加心肌细胞的面积，也可改变其形状，MKP-1的表达对其引起的心肌细胞面积的增加有一定抑制作用，但对其细胞形态改变没有影响。有学者(Fischer，1998)在培养的成年大鼠心肌细胞及心脏微血管内皮细胞中观察到，AngⅡ作用后15分钟可显著增高MKP-1的表达水平， 其表达是通过AT2受体介导的。Horiuohi等(1998)亦发现AngⅡ作用于心肌细胞上AT2受体可活化MKP-1，并使MAPK(ERK1/ERK2)失活，MKP-1还可使Bcl-2去磷酸化及Bax上调，促进心肌细胞的凋亡。另外，研究发现，MKP-1还可通过抑制心肌葡萄糖转运体(GLUT1)的转录而影响心肌细胞基础糖代谢，参与心肌肥大的调节[10]。
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由于MAPK活化与许多心血管疾病如动脉粥样硬化、再狭窄、高血压、心肌肥大等的发生发展有着密切关系，MKP-1则通过对MAPK活性的调节维持细胞及血管壁的稳态。对MKP-1作用机制的深入研究，对于进一步认识心血管疾病的发病机制，探索新的治疗措施可能具有深远的意义。
国家自然科学基金(39970295)资助课题
参考文献
1，Shapiro PS, Ahn NG. Feedback regulation of raf-1 and mitogen-activated protein (MAP) kinase kinases 1 and 2 by map kinase phosphatase-1(MKP-1). J Biol Chem, 1998,273∶1788～1793.
2，Brondello JM, Brunet A, Pouyssegur J, et al.The dual specificity mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 and -2 are induced by the p42/p44 mapk cascade.J Biol Chem, 1997, 272∶1368～1376.
, 百拇医药
3，Tanoue T, Moriguchi T, Nishida E, et al. Molecular cloning and characterization of a novel dual specificity phosphatase,MKP-5. J Biol Chem, 1999,274∶19949～19956.
4，Scimeca JC, Servant MJ, Dyer JO, et al. Essential role of calcium in the regulation of MAP kinase phosphatase-1 expression. Oncogene,1997,15∶717～725.
5，Lai KY, Wang H, Lee WS, et al. Mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 in rat arterial smooth muscle cell proliferation. J Clin Invest, 1996,98∶1560～1567.
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6，Koyama H, Olson NE, Dastvan FF, et al. Cell replication in the arterial wall : activation of signaling pathway following in vivo injury. Circ Res, 1998,82∶713～721.
7，Xu Q, Fawcett TW, Gorospe M, et al . Induction of mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 during acute hypertension. ，Hypertension, 1997,30∶106～111.
8，Begum N, Ragolia L, Rienifer J, et al. Regulation of mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 induced by insulin in vascular smooth muscle cells. J Biol Chem, 1998, 273∶ 25164～25170.
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9，Fuller SJ, Davies EJ, Brown-J G, et al. Mitogen-activated protein kinase phosphatase 1 inhibits the stimulation of gene expression by hypertrophic agonists in cardiac myocytes. Biochem J, 1997,323∶313～319.
10，Montessuit C, Thorburn A. Transcriptional activation of the glucose transport GLUT1 in ventricular cardiac myocytes by hypertrophic agonists. J Biol Chem， 1999,274∶9006～9012., http://www.100md.com