Smad家族在肺纤维化中作用的研究进展(1)
关键词：肺纤维化转化生长因子-βSmad肌成纤维细胞
中图分类号：R563 文献标识码：A 文章编号：1672-5085(2008)3-0259-05
肺纤维化以肺泡上皮细胞损伤、肺泡间质炎细胞浸润、成纤维细胞增生灶的形成、以及细胞外基质(ECM)的过度沉积为病理特征。现在的观点普遍认为肺纤维化的机制是肺泡上皮细胞损伤后激活巨噬细胞等前炎症细胞，释放多种细胞因子和生长因子，这些活性因子又刺激成纤维细胞增殖、活化，转化为以α平滑肌肌动蛋白(α-SMA)为标志的肌成纤维细胞，后者合成了大量ECM，同时ECM降解减少，最终导致肺纤维化的发生。在这一过程中，转化生长因子β(TGF-β)起到了关键性调控作用，它是通过Smad蛋白相关的信号转导途径来实现其调控作用的。本文就Smad信号蛋白在肺纤维化中作用的研究进展作一综述。
1 TGF-β与肺纤维化
, 百拇医药
1.1 TGF-β简介
TGF-β由Moses& Roberts 1981年发现并命名，其结构是由两个相同或相近的、分子量为12.5kDa亚单位借二硫键连接的同源或异源二聚体碱性蛋白。它存在三种亚型，分别为TGF-β1、2、3，是一个分泌型的多肽信号分子超家族，包括激活素( activins)和骨形态发生蛋白(BMPs)等，具有转化作用，参与许多细胞学的进程，通过自分泌和旁分泌等不同的方式调节细胞的增殖、分化、凋亡、移行，刺激多种细胞因子、炎症介质等活性物质的合成、分泌及细胞外基质的产生，调适细胞与细胞间、细胞与细胞外基质间的相互作用[1]，体内多数细胞分泌的TGF-β都以活性前体的形式存在,这种前体在体内经蛋白水解酶等作用后,才能发挥效应。
1.2 TGF-β与肺纤维化的关系
在肺发育过程中TGF-β的三种亚型都有高水平的表达，在成年人肺中还存在少量的TGF-β，参与着损伤肺组织的修复。它是公认的促纤维化因子，是细胞外基质如胶原纤维、蛋白多糖和纤维连结蛋白等最重要的刺激因子。已经有大量实验证实，肺纤维化与TGF-β的过度表达、ECM的过度积累有直接关系。Evans的研究显示：在经TGF-β1处理后，继而在肺成纤维细胞中加入无血清的DMEM继续培养仍然不能逆转TGF-β1对肺成纤维细胞表型的促分化作用，说明了TGF-β1这一作用具有相对稳定性，这一表型的改变引起Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原基因的表达[2]。在肺纤维化过程中TGF-β过量表达于成纤维细胞、巨噬细胞、上皮细胞、内皮细胞等。它的促纤维化作用是通过以下几个方面实现的：1：刺激成纤维细胞活化，转化为肌成纤维细胞，并刺激巨噬细胞一起表达间充质生长因子和细胞外基质元件；2：刺激Ⅱ型肺泡细胞合成生长因子，调节该细胞的分化及功能；3：抑制细胞外基质的降解(抑制ECM降解酶如：基质金属蛋白酶、纤维溶酶原激活物的活性)；4：增加ECM受体的表达，调节细胞与细胞外基质间的相互作用，促进ECM与细胞间的粘附[3]。TGF-β可刺激成纤维细胞增殖分化成为以重组细胞骨架肌动蛋白为特征的肌成纤维细胞，上调α-SMA基因表达及诱导细胞外基质(ECM)的沉积，并可减少ECM降解，这被认为是肺纤维化形成的关键环节。
, 百拇医药
2 TGF-β信号转导通路
2.1 TGF-β信号转导通路所需元件
TGF-β的这些生物作用是通过其信号转导途径来完成的，该途径元件包括跨膜受体(TGF-β的Ⅰ型、Ⅱ型受体，都是单次跨膜的丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶受体)和结合蛋白系统，包括β聚糖、Endoglin(是一个TGF-β受体复合物的膜表面与磷脂酰肌醇连接的糖蛋白分子)、BAMBI(一种自然发生的截短的Ⅰ型受体)。细胞内信号转导还需要胞质内的Small Mothers Against Decapentaplegic (Smad)蛋白家族的参与。
2.2 Smads蛋白家族
Mad和Smads家族于1995年被发现。Sekelsky等在研究果蝇Decapentaplegic(Dpp)(一种果蝇体内属于TGF-β超家族的细胞因子)作用时，克隆成功一种新的基因，称之为Mad (MothersagaInst Dpp)[4 ]。研究证实，Mad在Dpp的信号转导途径中是必需的，是细胞内Dpp受体下游的信号转导分子。随后从线虫和蟾蜍中也克隆成功Mads的同源基因，分别被称为SMA2，SMA3，SMA4和Xmad1，Xmad2。而且SMA和MAD有类似的基因结构，随后人们以果蝇的MAD和线虫的SMA之间保守区序列筛文库，分别克隆了爪蛙、小鼠和人的同源基因，并最终将这些基因的产物统称为Smad。对它们的功能研究证实，这几个基因编码的蛋白都是TGF-β家族的特异性细胞内信号转导分子。
, 百拇医药
迄今为止，已知并命名的Smads 家族的成员有11个(Smad1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和11)。根据Smad家族成员在TGF-β信号转导中所起作用不同，人们将其分为三种类型：受体激活型Smad(R-Smad)如Smad1、2、3、5、8、9，共用型Smad(Co-Smad)即Smad4、10及抑制型Smad (Anti-Smad)如Smad6、7[5]。Smads分子不具有任何内在酶活性，需要与其他蛋白相互作用，或与DNA结合后才具有信号转导功能。Smad1~5在其氨基端和羧基端都各有1个独特的高度保守的结构域，已命名为MH1和MH2结构域(MAD homologousdomain)。在MH1和MH2之间存在一个保守性相对较低的连接区。N末端的MH1是DNA结合结构域，而C末端的MH2是转录活化结构域，并含有进核信号，但不能与DNA结合。在非活性状态下，Smad 的MH1区和MH2区相互作用，形成自我抑制，被受体激活后，分子打开，Smad形成异源复合物，转移到核内。另外C末端SSXS区可被受体磷酸化并导致Smad在细胞内的激活和聚集，同时MH2还介导R-Smad与Ⅰ型受体、SARA(Smad-anchor for receptor activation)和各种核蛋白因子(包括 FAST、CBP、TGIF 和 Ski 等)的结合。Smad4缺少SSXS序列，不能与受体结合并被受体磷酸化，只有通过其MH2结构域与R-Smad相互作用才能发挥功能。
, 百拇医药
已证实，Smad1、5、8、9可特异地转导BMPs(骨形态发生蛋白)的信号。Smad2是TGF-β特异的细胞内信号转导分子，Smad3与Smad2有高度同源性。Smad4是BMPs和TGF-β信号转导途经的共同分子；而Smad6、7则对TGF-β、激活素、BMPs的信号转导起拮抗作用。Smad10即Smad4β,Smad11即Smad8β。
2.3 T G F- β 信号转导过程
在TGF-β信号转导途径的开始，β聚糖和Endoglin都可将TGF-β递呈给TGF-βⅡ型受体。首先，TGF-β与细胞膜表面的Ⅱ型受体结合，形成二元复合物，在Ⅱ型受体与T G F-β结合形成二元复合物后，Ⅰ型受体识别这个二元复合物，并与之结合形成三元复合物。Ⅰ型受体是在被Ⅱ型受体磷酸化后而活化的。活化的Ⅰ型受体，其胞浆区的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域便可发挥其活性，直接将Smad2分子中MH2结构域的SSXS基序磷酸化。磷酸化的Smad2与Smad4结合后，形成二元复合物。这个二元复合物向细胞核内聚积，与其他转录因子相互作用来调整目的基因的转录。Smad3的作用方式与Smad2相似。完成转录任务之后，Smad3最终被26S的蛋白体所降解。Smad7是TGF-β信号的拮抗因子，能够牢固地与TGF-βⅠ型受体结合，使之无法将Smad2磷酸化，从而阻断T G F-β 的信号转导途径。, 百拇医药(陈 琳 魏路清)
中图分类号：R563 文献标识码：A 文章编号：1672-5085(2008)3-0259-05
肺纤维化以肺泡上皮细胞损伤、肺泡间质炎细胞浸润、成纤维细胞增生灶的形成、以及细胞外基质(ECM)的过度沉积为病理特征。现在的观点普遍认为肺纤维化的机制是肺泡上皮细胞损伤后激活巨噬细胞等前炎症细胞，释放多种细胞因子和生长因子，这些活性因子又刺激成纤维细胞增殖、活化，转化为以α平滑肌肌动蛋白(α-SMA)为标志的肌成纤维细胞，后者合成了大量ECM，同时ECM降解减少，最终导致肺纤维化的发生。在这一过程中，转化生长因子β(TGF-β)起到了关键性调控作用，它是通过Smad蛋白相关的信号转导途径来实现其调控作用的。本文就Smad信号蛋白在肺纤维化中作用的研究进展作一综述。
1 TGF-β与肺纤维化
, 百拇医药
1.1 TGF-β简介
TGF-β由Moses& Roberts 1981年发现并命名，其结构是由两个相同或相近的、分子量为12.5kDa亚单位借二硫键连接的同源或异源二聚体碱性蛋白。它存在三种亚型，分别为TGF-β1、2、3，是一个分泌型的多肽信号分子超家族，包括激活素( activins)和骨形态发生蛋白(BMPs)等，具有转化作用，参与许多细胞学的进程，通过自分泌和旁分泌等不同的方式调节细胞的增殖、分化、凋亡、移行，刺激多种细胞因子、炎症介质等活性物质的合成、分泌及细胞外基质的产生，调适细胞与细胞间、细胞与细胞外基质间的相互作用[1]，体内多数细胞分泌的TGF-β都以活性前体的形式存在,这种前体在体内经蛋白水解酶等作用后,才能发挥效应。
1.2 TGF-β与肺纤维化的关系
在肺发育过程中TGF-β的三种亚型都有高水平的表达，在成年人肺中还存在少量的TGF-β，参与着损伤肺组织的修复。它是公认的促纤维化因子，是细胞外基质如胶原纤维、蛋白多糖和纤维连结蛋白等最重要的刺激因子。已经有大量实验证实，肺纤维化与TGF-β的过度表达、ECM的过度积累有直接关系。Evans的研究显示：在经TGF-β1处理后，继而在肺成纤维细胞中加入无血清的DMEM继续培养仍然不能逆转TGF-β1对肺成纤维细胞表型的促分化作用，说明了TGF-β1这一作用具有相对稳定性，这一表型的改变引起Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原基因的表达[2]。在肺纤维化过程中TGF-β过量表达于成纤维细胞、巨噬细胞、上皮细胞、内皮细胞等。它的促纤维化作用是通过以下几个方面实现的：1：刺激成纤维细胞活化，转化为肌成纤维细胞，并刺激巨噬细胞一起表达间充质生长因子和细胞外基质元件；2：刺激Ⅱ型肺泡细胞合成生长因子，调节该细胞的分化及功能；3：抑制细胞外基质的降解(抑制ECM降解酶如：基质金属蛋白酶、纤维溶酶原激活物的活性)；4：增加ECM受体的表达，调节细胞与细胞外基质间的相互作用，促进ECM与细胞间的粘附[3]。TGF-β可刺激成纤维细胞增殖分化成为以重组细胞骨架肌动蛋白为特征的肌成纤维细胞，上调α-SMA基因表达及诱导细胞外基质(ECM)的沉积，并可减少ECM降解，这被认为是肺纤维化形成的关键环节。
, 百拇医药
2 TGF-β信号转导通路
2.1 TGF-β信号转导通路所需元件
TGF-β的这些生物作用是通过其信号转导途径来完成的，该途径元件包括跨膜受体(TGF-β的Ⅰ型、Ⅱ型受体，都是单次跨膜的丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶受体)和结合蛋白系统，包括β聚糖、Endoglin(是一个TGF-β受体复合物的膜表面与磷脂酰肌醇连接的糖蛋白分子)、BAMBI(一种自然发生的截短的Ⅰ型受体)。细胞内信号转导还需要胞质内的Small Mothers Against Decapentaplegic (Smad)蛋白家族的参与。
2.2 Smads蛋白家族
Mad和Smads家族于1995年被发现。Sekelsky等在研究果蝇Decapentaplegic(Dpp)(一种果蝇体内属于TGF-β超家族的细胞因子)作用时，克隆成功一种新的基因，称之为Mad (MothersagaInst Dpp)[4 ]。研究证实，Mad在Dpp的信号转导途径中是必需的，是细胞内Dpp受体下游的信号转导分子。随后从线虫和蟾蜍中也克隆成功Mads的同源基因，分别被称为SMA2，SMA3，SMA4和Xmad1，Xmad2。而且SMA和MAD有类似的基因结构，随后人们以果蝇的MAD和线虫的SMA之间保守区序列筛文库，分别克隆了爪蛙、小鼠和人的同源基因，并最终将这些基因的产物统称为Smad。对它们的功能研究证实，这几个基因编码的蛋白都是TGF-β家族的特异性细胞内信号转导分子。
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迄今为止，已知并命名的Smads 家族的成员有11个(Smad1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和11)。根据Smad家族成员在TGF-β信号转导中所起作用不同，人们将其分为三种类型：受体激活型Smad(R-Smad)如Smad1、2、3、5、8、9，共用型Smad(Co-Smad)即Smad4、10及抑制型Smad (Anti-Smad)如Smad6、7[5]。Smads分子不具有任何内在酶活性，需要与其他蛋白相互作用，或与DNA结合后才具有信号转导功能。Smad1~5在其氨基端和羧基端都各有1个独特的高度保守的结构域，已命名为MH1和MH2结构域(MAD homologousdomain)。在MH1和MH2之间存在一个保守性相对较低的连接区。N末端的MH1是DNA结合结构域，而C末端的MH2是转录活化结构域，并含有进核信号，但不能与DNA结合。在非活性状态下，Smad 的MH1区和MH2区相互作用，形成自我抑制，被受体激活后，分子打开，Smad形成异源复合物，转移到核内。另外C末端SSXS区可被受体磷酸化并导致Smad在细胞内的激活和聚集，同时MH2还介导R-Smad与Ⅰ型受体、SARA(Smad-anchor for receptor activation)和各种核蛋白因子(包括 FAST、CBP、TGIF 和 Ski 等)的结合。Smad4缺少SSXS序列，不能与受体结合并被受体磷酸化，只有通过其MH2结构域与R-Smad相互作用才能发挥功能。
, 百拇医药
已证实，Smad1、5、8、9可特异地转导BMPs(骨形态发生蛋白)的信号。Smad2是TGF-β特异的细胞内信号转导分子，Smad3与Smad2有高度同源性。Smad4是BMPs和TGF-β信号转导途经的共同分子；而Smad6、7则对TGF-β、激活素、BMPs的信号转导起拮抗作用。Smad10即Smad4β,Smad11即Smad8β。
2.3 T G F- β 信号转导过程
在TGF-β信号转导途径的开始，β聚糖和Endoglin都可将TGF-β递呈给TGF-βⅡ型受体。首先，TGF-β与细胞膜表面的Ⅱ型受体结合，形成二元复合物，在Ⅱ型受体与T G F-β结合形成二元复合物后，Ⅰ型受体识别这个二元复合物，并与之结合形成三元复合物。Ⅰ型受体是在被Ⅱ型受体磷酸化后而活化的。活化的Ⅰ型受体，其胞浆区的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域便可发挥其活性，直接将Smad2分子中MH2结构域的SSXS基序磷酸化。磷酸化的Smad2与Smad4结合后，形成二元复合物。这个二元复合物向细胞核内聚积，与其他转录因子相互作用来调整目的基因的转录。Smad3的作用方式与Smad2相似。完成转录任务之后，Smad3最终被26S的蛋白体所降解。Smad7是TGF-β信号的拮抗因子，能够牢固地与TGF-βⅠ型受体结合，使之无法将Smad2磷酸化，从而阻断T G F-β 的信号转导途径。, 百拇医药(陈 琳 魏路清)