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基础医学类论文 肝纤维化相关信号转导通路研究进展

2018-11-28 15:01:41来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要 肝纤维化(Hepatic fibrosis,HF)是肝脏对各种慢性刺激所造成的损伤进行自我修复的一种病理过程,具有修复和损伤双重性,也是多种慢性肝病发展至肝硬化甚至肝癌的中间过程。因此及时的延缓、停止和逆转肝纤维化发生发展显得尤为重要。肝纤维化的发生是一个复杂的病理过程,是由多条信号转导通路和一系列细胞因子共同调控的结果。深入研究各信号转导通路的发生机制,有望寻找到有效的干预途径,以达到防治肝纤维化的目的。

  关键词 肝纤维化,信号通路,肝星状细胞

  肝纤维化是肝脏对各种慢性刺激造成损伤的一种修复反应,由细胞外基质( extracellular matrix,ECM)的产生和降解失衡造成,ECM主要沉积于肝小叶和汇管区内。研究表明ECM多由肝星状细胞( hepatic stellate cells,HSC)合成和分泌,因此HSC的活化是肝纤维化发生的重要环节,多种信号分子和细胞因子可通过错综复杂的信号转导通路直接或间接激活HSC。针对与HSC活化相关的信号通路进行干预,对于阻断肝纤维化的发展,进而防治肝硬化有着至关重要的意义,现就参与肝纤维化的主要信号通路加以阐述。

  TGF-β/Smad信号通路

  转化生长因子-β1(transforming growth factor,TGF-β1)是细胞因子TGF-β超家族的成员之一,因其能促进成纤维细胞的转化生长而得名,其主要生物学功能有:促进或抑制细胞增殖,诱导细胞分化,促进ECM合成与分泌,免疫抑制等。在肝纤维化的过程中TGF-β1可以促进HSC合成分泌胶原纤维ECM,抑制基质金属蛋白酶合成,并分泌基质金属蛋白酶抑制剂,阻止新合成的ECM 降解,从而打破ECM合成与降解的平衡,使胶原纤维ECM在细胞外沉积增多,从而加速肝纤维化发展。此外,TGF-β1细胞因子可上调由Smad2和Sp1反式作用因子介导的I型胶原蛋白合成,促进纤维化的发展[1]。Smad蛋白家族是目前研究发现的唯一TGF-β I型受体胞内底物,是TGF-β信号从膜受体进入细胞核的胞内转导分子。TGF-β1在体内为游离细胞外无活性的分子,活化后与细胞膜表面TGF-β I型受体相结合,磷酸化Smad蛋白,并形成共聚体,将信号转导入细胞核内,与各种转录因子相结合,从而调控目的基因表达。Smad蛋白在胞内介导TGF-β1的信号转导,目前研究发现至少有9 种Smad 蛋白,共分为三类,第一类为:受体型Smads (R-Smads),主要有Smad1、2、3、5、8,其中Smad2 和Smad3 被激活后介导TGF-β信号转导,Smad1、5、8 则转导骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)信号。Smad1、5、8 与BMP-7相互作用,可以抑制肝纤维化的形成[2];第二类为通用型Smads(co-Smads)是TGF-β信号转导必需的中转蛋白,主要有Smad4;第三类为抑制性Smads (I-Smads),抑制其他两类Smads蛋白转导信号,主要有Smad6、Smad7,Smad6可以抑制BMP信号转导,而Smad7则可以抑制TGF-β信号转导,因此Smad7可以抑制肝纤维化的形成。

  TGF-β1在细胞外均以无活性的形式存在,被激活后可以与TGF-β I型受体结合,活化膜受体,从而激活Smad2和Smad3羧基端4个保守氨基酸序列(SSXS),使Smad2和Smad3与Smad4形成复合物,将TGF-β1信号从胞内转导入细胞核中,调控目的基因的表达。Smad7是TGF-β1信号转导抑制蛋白,可与Smad2/3竞争性结合TGF-β1型受体或Smad4共结合分子,抑制Smad2/3磷酸化以及与Smad4分子共结合,抑制TGF-β1信号的转导。当Smad7表达被抑制时,可致TGF-β持续激活,引起肝纤维化,因此可以通过上调Smad7的表达来抑制肝纤维化形成。Liu等[3]研究表明用黄芪丹参提取物可明显抑制由TGF-β1引起的纤维化,显著减少Smad2/3蛋白的磷酸化,用黄芪丹参提取物还可抑制Smad2/3/4 复合物形成,并且上调Smad7的表达。Wu[4]等研究表明氧化苦参碱能有效抑制肝纤维化大鼠肝组织中胶原蛋白的产生和沉积,促进CCl4诱导肝纤维化大鼠Smad7的表达,抑制Smad3和CREB结合蛋白(CREB-binding protein,CBP)的表达。TGF-β/Smad信号通路中Smad蛋白分子之间精密合作,共同完成机体生理和病理状态下TGF-β的生物学效应,通过对其机制的深入研究,能够为肝纤维化治疗找到更加有效的针对性的治疗方法。

  PDGF信号通路

  PDGF分子能够与PDGF受体相结合,进而激活多条信号转导通路参与HSC的活化、增殖以及胶原分泌。主要涉及的信号转导通路有Ras/ERK、MAPK 、PI3-K、JAK/STAT等信号通路。

  2.1 Ras/ERK通路

  Ras是PDGF信号转导通路的关键分子,其能够通过将GTP分解成GDP,进而将胞外信号传递到胞内,Ras蛋白在与生长因子受体结合蛋白-2(Grb2)等蛋白形成多聚体后与PDGF受体结合,将PDGF信号传导级联放大,从而使ERK蛋白活化将信号传入细胞核内,进而对HSC增殖及ECM合成分泌产生影响。研究表明,黄芩萃取物能促进Ras/ERK通路信号转导,进而阻滞细胞G2/M期细胞周期,并激活caspase系统,导致HSC-T6细胞凋亡,阻断肝纤维化发生。Kaji[6]等用猪血清诱导大鼠肝纤维化模型,评估西他列汀抗肝纤维化效果,发现对其每天小剂量西他列汀灌胃治疗,能抑制HSC增殖和胶原合成,显著抑制肝纤维化发生发展。

  2.2 MAPK通路

  MAPK信号转导通路中,JNK 、ERK1/2和p38MAPK信号转导在诱导细胞凋亡和调节肝脏炎症过程中有着重大意义。ERK作为MAPK家族蛋白中的重要分子,在肝纤维化过程中发挥着重要作用。 ERK1/2主要由生长因子活化,能够促进HSC的增殖。JNK和p38则主要由细胞因子(如肿瘤坏死因子和白细胞介素-1等)、病原体、药物、活性氧(ROS)等因素激活。3条通路相互联系,共同参与调节肝纤维化过程。Fan等研究发现硫氢化钠可通过抑制p38的激活从而抑制HSC的活化。Schnabl[8]等发现p38和JNK对HSC的细胞增殖起着不同的作用,阻断JNK的磷酸化能抑制HSC细胞增殖,而阻断p38磷酸化却能促进HSC细胞增殖,表明JNK对HSC的增殖起正性调节作用,而p38对HSC的增殖起负性调节作用。

  2.3 PI3-K通路

  PI3-K通路是PDGF激活的另一条重要信号通路。PI3-K蛋白能与活化的膜受体相结合。PDGF受体在HSC活化时表达增加,导致PI3-K活化也随之增加。活化的PI3-K蛋白进一步影响细胞胶原分泌及细胞周期。研究表明,阻断PI3-K信号通路能够抑制HSC的迁移和黏附作用,进而显著抑制Ⅰ型胶原蛋白表达[9]。PI3-K特异性的阻断剂LY294002能够阻断该途径后能够显著抑制HSC细胞增殖。Bai等研究发现百里醌作用于活化的HSC-T6,能通过阻断PI3-K的活化及TLR4的表达,抑制HSC的活化,显著降低TLR4和CD14的表达,并且抑制PI3-K和Akt的磷酸化, 使α-SMA和Ⅰ型胶原蛋白表达下降。因此PI3-K通路可能是一个潜在的治疗肝纤维化途径。

  2.4 JAK/STAT 通路

  PDGF可通过JAK/STAT信号通路对肝纤维化过程中细胞增殖周期及胶原蛋白合成分泌进行调控。PDGF激活JAK/STAT 信号通路的过程为:PDGF首先与其膜受体结合,激活细胞内JAK蛋白,活化的JAK蛋白进一步激活STAT及其受体Tyr残基,活化的STAT可与其受体或者活化的JAK蛋白结合形成复合物从而将信号转入细胞核内,调控相关目的基因表达。Lakner[12]等研究发现JAK/STAT信号通路能同时从基因水平及蛋白水平发挥作用进而增加胶原蛋白合成分泌。在HSC活化的早期,STAT3 、IL-6和JAK2 mRNA水平升高,阻断JAK/STAT信号转导通路能够抑制HSC激活,从而减少胶原蛋白和α-SMA的表达。许多动物模型研究表明STAT或JAK-STAT信号通路表达紊乱的动物易发生肝纤维化。STAT1作为抗肝纤维化重要的信号分子,通过诱导HSC凋亡和阻滞细胞增殖周期发挥作用。STAT3和STAT5也表现为抗纤维化的信号分子,然而STAT3和STAT5激活HSC的机制依然不明朗,有待进一步研究。STAT2、STAT4和STAT6在肝脏疾病包括肝纤维化的发病机制中生物学功能仍是未知的[13]。JAK/STAT通路与肝纤维化的关系有待更深层次的研究。

  NF-κB信号通路

  NF-κB主要由Rel蛋白家族中的p50和p65构成,静息状态下与κB抑制蛋白IκBs结合,以无活性的形式游离于细胞质中。当细胞受到LPS、TNF-α和IL-1刺激时,IκBs活化并逐渐降解,从而NF-κB逐渐活化,将信号转入细胞核中调控目的基因的表达,使IL-6和细胞间黏附分子1( intercellular adhesion molecule 1) 表达增加,促进活化的HSC分泌大量细胞因子,从而加重肝损伤。

  过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)信号通路

  PPARγ属I型核激素受体超家族成员,是一类新的固醇类激素受体,可被脂肪酸及其代谢产物激活,是调节脂肪细胞能量代谢和分化的关键转录因子,分为PPARα、β、γ三型。目前研究较多的是PPARγ信号通路。PPARγ具有多种生物学效应,在细胞分化、脂质代谢、糖代谢、抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡等方面发挥重要作用。PPARγ受体激活剂刺激活化的HSC,能够抑制其胶原蛋白的合成分泌并且拮抗PDGF诱导的HSC细胞增殖,从而起到抗纤维化的作用。Bruck等研究发现PPARγ与维甲酸受体联合使用可更加显著抑制硫代乙酰胺诱导的小鼠肝纤维化,其机制可能是联合使用加强了对HSC细胞增殖抑制作用,减少了TGFβ1和TNF-α的分泌。研究发现采用肝脏原位灌注消化、密度梯度离心法分离大鼠HSC,动态观察HSC表型变化并检测PPARγ表达水平。发现PPARγ表达随着HSC活化表达不断下降。而激活PPARγ能显著抑制HSC增殖,抑制α-SMA、I 型胶原蛋白表达,显著升高MMP2和MMP9的活性。并且抑制抗凋亡因子Bcl-2的表达,促进促凋亡因子Bax表达,从而能诱导HSC细胞的凋亡。因此PPARγ是HSC维持静止期状态所必需的,PPARγ 表达减少与HSC活化密切相关,而激活PPARγ通路则可显著抑制HSC的活化,阻断肝纤维化形成。

  瘦素(leptin)介导的信号通路

  瘦素是一种分泌型蛋白,能够与瘦素受体(OB-R)结合,参与机体多种生理功能的调控。最早发现其与调节饮食和能量消耗有关,随着研究深入,发现瘦素也能参与免疫反应及炎症因子的释放,且在肝纤维化研究领域,越来越多的证据表明瘦素有促进肝纤维化的作用。许晶[19]等对大鼠肝纤维化模型中的肝组织进行检测,发现肝组织纤维化程度加重时瘦素蛋白表达升高,且瘦素的表达与TGF-β、α-SMA表达呈正相关,提示我们瘦素与HSC的活化及ECM的合成分泌密切相关。Dias[20]等发现瘦素能活化HSC-T6,但对HSC-T6的存活率无显著影响。其能呈剂量依赖性地增加OB-R,ERK和ELK1蛋白的磷酸化,上调细胞内Ob-Rb/ERK的信号,显著增加HSC-T6中α-SMA和I型胶原蛋白的表达。Tang[21]发现姜黄素能通过抑制活化的HSC中OB-R的基因表达,减少OB-R及其下游信号分子的活化水平,阻断瘦素信号通路,减轻肝脏氧化应激损伤,减少HSC的胶原合成分泌,从而阻碍肝纤维化的发生发展。因此,抑制瘦素介导的信号通路对于抑制肝纤维化发展具有重要的现实意义。

  Wnt信号通路

  Wnt信号通路与细胞的生长、增殖、分化、凋亡密切相关,包括经典及非经典通路,由Wnt蛋白、胞膜受体FZD家族、Dsh、APC、GSK3、β-catenin等蛋白共同组成。已有研究发现Wnt信号通路与肺纤维化、肾纤维化、瘢痕瘤组织形成有关。目前研究发现Wnt信号通路参与了HSC的细胞增殖与活化,起着促进肝纤维化发展的作用。Cheng等研究发现活化的HSC与静止的HSC相比,Wnt3a、Wnt10b、FZD受体1和2、LRP6、核β-catenin高表达。在大鼠肝纤维化模型中分离出来的HSC中,Wnt和FZD的基因表达也增加。此外,有研究表明,Wnt3a能显著活化人肝星状细胞,而在过表达Wnt信号抑制因子的人肝星状细胞中,这一活化作用消失[23]。Wnt通路抑制剂Dkk-1能使活化的HSC恢复至静止期,而Dkk-1的高表达将会诱导HSC的细胞凋亡。研究已证实Wnt信号通路在肝纤维化的发生发展中有着重要意义,但其具体作用机制有待进一步深入研究,相信Wnt信号通路将会成为抗肝纤维化的新的亮点。

  展望

  HSC的活化是肝纤维化发生的核心环节,多种细胞因子及信号转导通路共同参与肝纤维化的发生发展。除上述信号转导通路外,结缔组织生长因子信号通路、维生素A信号通路等信号转导通路也与肝纤维化发生发展有着密切关系。各种信号通路间相互联系、相互交错,构成了错综复杂的信号交流网络,深入研究各信号通路间的关键分子及其联系,抑制HSC活化,促进其凋亡,将为抗肝纤维化治疗提供新的策略。

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