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与表皮黑素细胞增殖和黑素生成有关的信号转导

来源:论文汇编 作者:自动采集 2005-1-1
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摘要: 摘要 本文简要介绍了与黑素细胞增殖和黑素生成有关的4条信号转导途径,如二脂酰甘油/蛋白激酶C(DAG/PKC)途径,一氧化氮/环磷酸鸟苷/蛋白激酶G(NO/cGMP/PKG)途径,丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)级联途径和环磷酸腺苷/蛋白激酶A(cAMP/PKA)途径。自1982年Eisinger和Marko用向培养基中添加促癌剂十四烷酰佛波醇乙酯(TPA......



  摘要 本文简要介绍了与黑素细胞增殖和黑素生成有关的4条信号转导途径,如二脂酰甘油/蛋白激酶C(DAG/PKC)途径,一氧化氮/环磷酸鸟苷/蛋白激酶G(NO/cGMP/PKG)途径,丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)级联途径和环磷酸腺苷/蛋白激酶A(cAMP/PKA)途径。随着对信号依赖性黑素细胞增殖动力学和黑素代谢的研究将有助于阐明色素障碍性皮肤病的发病机制。同时针对信号转导环节而设计的增(减)色素性药物对色素障碍性皮肤病的临床治疗有着极其广阔的前景。

  自1982年Eisinger和Marko用向培养基中添加促癌剂十四烷酰佛波醇乙酯(TPA)、霍乱毒素的方法在体外对黑素细胞(MC)进行选择性纯培养获得成功以来[1],许多能刺激MC体外增殖的丝裂原相继被人们发现[2,3]。最近人们用一些生长因子肽组成协同对(synergistic pairs),如碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)与肝细胞生长因子/扩散因子(HGF/SF)、bFGF与内皮素-1(ET-1)、ET-1与HGF/SF配伍,在不添加其它任何物质的情况下也能很好地使MC在体外增殖[2]。这些具有丝裂原作用的生长因子肽不但能促进体外MC增殖,大多数还能刺激酪氨酸酶活性,使MC高度色素化[2,3]。许多学者已经关注到这些外界的信号因子很可能是通过MC膜表面的相关受体进入细胞内,经下游信号转导来调控相应的靶点,逐步引起细胞物质主要是蛋白质变化,而发挥对MC增殖和分化调节的[2,4]。目前有4条与MC增殖和黑素生成有关的信号转导途径研究得较为清楚的,即DAG/PKC途径;NO/cGMP/PKC途径;MAPK级联途径和cAMP/PKA途径[2,4,5]。现就此作一综述。

  一、DAG/PKC途径

  有研究表明PKC主要是通过对酪氨酸酶磷酸化或改变酪氨酸酶和酪氨酸酶相关蛋白-1的组成型表达(constitutive expression)来影响黑素生成[6,7]。Mengeaud等用PKC抑制剂(calphostin)对体外培养的S91鼠黑素瘤细胞进行干预,观察它们对5-甲氧补骨脂素诱导黑素生成的影响,结果发现OAG明显刺激酪氨酸酶活性,促进5-甲氧补骨脂素诱导的黑素合成;而calphostin作用与之相反[8]。有趣的是,用OAG直接外按搽豚鼠皮肤也会引起类似中波紫外线(UVB)照射皮肤所产生的皮肤晒黑着色[7]。

  dAG/PKC途径已证实它在多种生物活性物质调节细胞增殖和生长的信号转导中起重要作用[9-11,13],尤其引人注意的是PKC还是促癌剂佛波酯(phorbol ester)类化合物作用的主要受体和靶点[12]。以TPA为代表的佛波酯类化合物是目前公认的强促癌剂。它们和DAG在化学结构上极其类似,TPA可取代DAG活化PKC,但其性质稳定与短时(short-lived)DAG不同。在生理状态下PKC活化是短暂的,这是因为DAG自细胞膜产生后数秒或数分钟内即消失,但用TPA处理细胞,首先引起PKC持续活化,继而导致该酶降解,最终使细胞内PKC耗竭。Mahalingam等用不同的佛波酯衍生物处理B16鼠黑素瘤细胞,发现72小时后细胞裂解物中已不能检测到PKC活性,且酪氨酸酶相关蛋白-1的量也几乎不能检测到[6]。还发现PKC酶活性丧失的同时酪氨酸酶活性也随之下降[6,12]。但正常人MC在体外却呈TPA依赖性生长(TPA-dependent growth),Arita等认为这种现象除与PKC被TPA持续活化外,还与TPA刺激MC自泌特定生长因子有关[12]。TPA对PKC呈现先激活后抑制的双向调节可解释其对细胞增殖和分化所产生的特殊影响。当用TPA长时程慢性处理细胞时,细胞内的PKC被大量降解,DAG/PKC信号转导阻断,此时PKC耗竭细胞对那些经PKC转导的外部抑制信号反应性降低,很可能成为“失控”细胞而不断地增殖[6,9,10]。因此,有人担心用添加TPA的培养方法在体外获取大量纯MC进行移植治疗白癜风,是否会存在一定的致癌风险[12]。

  二、NO/cGMP/PKG途径

  uVB照射是人类皮肤着色的主要生理刺激,尽管人们对UVB所激发的分子事件认识已付出许多努力,但UVB诱导皮肤黑素生成的分子机制仍未阐明。有资料显示cAMP/PKA、DAG/PKC途径似乎不参与这一过程。而NO/cGMP/PKG途径与UVB诱导的黑素生成密切相关[5]。

  nO是一自由基气体,它是一氧化氮合酶(NOS)在催化L-精氨酸转变成L-瓜氨酸的过程中释放产生。通常NO是通过活化可溶性鸟苷酸环化酶,导致胞内cGMP水平升高,使PKG活化,PKG通过磷酸化来改变靶蛋白分子活性而发挥不同调节功能的。NOS主要有两种异构体,即原生型NOS(cNOS)和诱生型NOS(iNOS)。已发现在人MC仅有cNOS表达,而缺乏iNOS表达。UVB照射能立即引起cGMP含量增加,很可能是活化了cNOS而非增加了iNOS的表达[5]。

  已知UVB照射所引起的皮肤红斑是增加了皮肤微循环的血流量。最近有人用NOS抑制剂却能阻断这一过程,提示UVB照射诱导的红斑可能是通过释放NO所致。皮肤中NO存在以及它在UVB诱导红斑中的作用,使人注意到NO是否在UVB诱导皮肤黑素生成中也发挥着作用[5]。Romero-Graillet等的研究证实了这种假设。他们用不同的NO外源性化学供体(SNP,SNAP,NOR-4,DEA-NO),cGMP的一种可渗透的非水解类似物8-溴-cGMP,以及鸟苷酸环化酶和PKG特异性抑制剂(Ly83583,KT5823)对体外培养人MC进行处理,同时检测酪氨酸酶活性和[14C]标记多巴掺入新合成黑素量,结果发现4种NO供体均能刺激酪氨酸酶活性,提高新合成黑素的量;8-溴-cGMP同样也能提高酪氨酸酶活性和黑素合成量;而鸟苷酸环化酶和PKG的抑制剂却能阻滞NO供体和cGMP类似物这种诱导黑素生成效应。他们还发现用UVB照射培养MC,cGMP含量明显增加,这种作用能被NOS抑制剂所阻滞,同时UVB诱导的黑素生成也能被鸟苷酸环化酶和PKG的抑制剂所阻滞,提示UVB诱导黑素生成很可能是通过NO/cGMP/PKG途径介导的[5]。在皮肤正常生理环境中,UVB照射后除了引起MC自泌NO外,角朊细胞也反应性产生NO,作为一细胞间介质来激发邻近MC生成黑素,因此UVB诱导皮肤黑素生成还涉及到皮肤MC的NO自泌和旁泌调节[14]。最近,在鼠成纤维细胞,黑素瘤细胞和内皮细胞系中已发现经NO/cGMP/PKG介导的转录因子活化蛋白-1的存在。推测这种活化蛋白-1很可能与酪氨酸酶启动子中TPA反应元件样序列(TPA responsive element-like sequence)结合,上调酪氨酸酶基因表达,刺激黑素合成[15]。

  三、MAPK级联途径

  大多数能刺激受体型酪氨酸激酶的丝裂原肽均能促进体外正常人MC增殖。这些丝裂原肽包括:bFGF及其FGFs家族中其它成员、HGF/SF和肥大细胞生长因子(MGF)。最近还发现与G蛋白偶联受体结合的神经肽内皮素-1和内皮素-2(ET-1和ET-2)也具有MC丝裂原活性[16]。上述单一种生长因子并不能激发体外 mC增殖,只有bFGF、MGF或HGF/SF同PKA激动剂(如霍乱毒素,双丁基环磷酸腺苷)或PKC激动剂(如TPA)一起添加到培养基中才能使MC分裂。此外特定的生长因子肽配对如bFGF与HGF/SF;bFGF与ET-1,在不添加任何其它因子的情况下也能很好地使MC体外增殖,但最好的协同配对是ET-1加HGF/SF。Halaban认为这种协同作用并非由于激活PKA和PKC途径中互补中间产物,而是上述每一个生长因子都刺激同一关键中间产物丝裂原激活的蛋白激酶2(MAPK2)和转录因子Ca++/cAMP应答元件结合蛋白(CREB)。它们在不同时相和不同水平活化MAPK,并通过MAPK级联反应使停滞在G1期的MC进入S期[2]。

  mAPK级联反应是转导胞外增殖信号进入胞核的一条重要信号转导途径[4]。已发现MC对多个生长因子配体的协同激活信号主要是通过MAPK激酶的激酶(MAPKKK)/MAPK激酶(MAPKK/MEK)/MAPK(ERK)组成的一条共同通路来转导的[2,4]。经受体型酪氨酸激酶介导激活MAPK是外界信号进入细胞内的主要途径。当配体与膜受体结合后,激活受体胞浆面的酪氨酸蛋白激酶,催化受体自身酪氨酸残基磷酸化,已磷酸化的酪氨酸区域能与生长因子受体蛋白2(Grb2)序列中的Src原癌基因同源区2(SH2)结合,Grb2上的两上SH2再识别并结合鸟苷酸交换因子SOS1,SOS1结合ras蛋白,促进无活性型ras-GDP转变成活性型ras-GTP,在膜上形成“受体-Grb2-SOS1-ras”复合体。 ras-GTP征募raf-1到质膜上。raf-1的激活需要其酪氨酸残基磷酸化,而ras无蛋白激酶活性。目前不十分清楚是否膜蛋白激酶参与激活raf-1[4]。有报道PKC参与raf-1的磷酸化。raf-1本身是一种蛋白激酶(MAPKKK),通过磷酸化激活MAPKK,MAPKK再磷酸化激活MAPK[17]。G蛋白偶联受体途径是激活MAPK的另一条途径。配体与膜上有7个跨膜结构域的G蛋白偶联受体结合从而引起受体构型的改变,激活磷脂酶C,后者水解磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸生成1,4,5-三磷酸肌醇和DAG。DAG则激活PKC,通过ras或不依赖ras激活MAPK,但对PKC激活MAPK的中间环节至今了解甚少[4]。

  mAPK激活后进入胞核,在核内激活myc、c-jun等多种转录因子[18]。myc是一种寿命短暂的磷酸蛋白,其N末端有转录激活区域,MAPK磷酸化该区域内的62位丝氨酸,增加myc与DNA序列的“E盒”(CACGTG)特异性结合,增加相应基因表达。c-jun的N端63位和73位丝氨酸残基被MAPK磷酸化,可增加转录活性;相反磷酸化C末端则降低c-jun的转录活性[18]。目前还发现用200nm~400nmUV照射MC能引起核内许多基因激活,这组能被UV活化的基因被称作“UV反应基因”。UV反应基因中的许多基因同时还能被生长因子和丝裂原所活化。活化PKC以诱导c-jun特定位点磷酸化和去磷酸化方式参与对UV反应基因的调节[18]。

  四、Camp/PKA途径

  过去很长一段时间,人们将MC增殖与黑素生成的信号转导研究主要集中在cAMP的作用上。并且发现将几种能提高胞内cAMP水平的物质如霍乱毒素、双丁基环磷酸腺苷[2]、8-溴-cGMP[6]、异丁基甲基黄嘌呤和毛喉素(forskolin)[8]添加到培养基中能促使MC分裂,诱导黑素生成。毛喉素为腺苷酸环化酶的激动剂,另外4种则为PKA激动剂,它们都通过不同方式激活了cAMP/PKA信号途径。相反当加入抑制性G蛋白(Gi)活化剂百日咳毒素,腺苷酸环化酶活性被抑制,cAMP水平降低则抑制黑素生成[8]。

  目前对G蛋白的了解已较清楚。G蛋白即GTP结合蛋白,是一大类具有信号传导功能蛋白质的总称。包括异源三聚体G蛋白(heterotrimeric g protein)和小分子G蛋白(small molecular G protein)两大类。异源三聚体G蛋白由三个亚基组成,其中β、γ亚基功能基本相同,导致G蛋白功能不同的主要是α亚基,α亚基有抑制型(αi)和激活型(αs)两种形式。α亚基具有与GDP、GTP结合位点和GTP酶活性,可与细胞膜跨膜受体偶联,通过α-GTP(活性)。/α-GDP(非活性)的“分子开关”将胞外信号转导到胞内下游效应器。小分子G蛋白是存在胞膜大约有180~200个氨基酸残基组成的小分子肽。目前研究较多的是ras蛋白,它们具有异源三聚体G蛋白α亚基相同的功能,许多生长因子和细胞因子均可与各自受体作用后,最终激活ras通道,通过ras-GTP/ras-GDP转换开关将胞外一系列促生长信号转导到细胞内,引起胞内下游效应器活化。腺苷酸环化酶是G蛋白α亚基活化的效应器之一。最近发现在体内β、γ亚基也可能存在有相应效应器,这使人们对腺苷酸环化酶调节的理解愈来愈陷入复杂[4]。

  细胞信号传导是一个复杂而精确的过程。细胞内不同的信号转导途径间常会发生交互调制(cross-talking)。Imokowa等在体外培养的人MC中加入10nM eT-1,孵育5分钟后,已在胞膜中检测到PKC,而胞浆和胞核中PKC减少,说明已发生PKC自胞浆向胞膜转位(translocation);在孵育10~60分钟后,胞内cAMP水平以及MAPK活性呈10倍提高。提示胞外一种生长因子或细胞因子信号作用于细胞膜相应受体后,可能会经胞内多条信号转导途径相互协调共同来完成信号转导任务[16]。

  随着对信号依赖性MC增殖动力学和黑素代谢的研究,将有助于对色素障碍性皮肤病的发病机制认识。同时人们还可以针对信号转导环节而调节增(减)色素性治疗药物,如OAG、NO供体、以及PKA/PKC/PKG激动剂或抑制剂。在体外用添加天然生长因子肽的培养方法以获得大量用于移植的MC,将不存在像佛波酯类化合物本身所具有的致癌风险,对色素障碍性皮肤病的临床治疗有着重要价值。

  本文所用主要缩写:MC:黑素细胞,DAG:二脂酰甘油,PKC:蛋白激酶C,PKA:蛋白激酶A,PKC:蛋白激酶G,cAMP:环磷酸腺苷,cGMP:环磷酸鸟苷,MAPK:丝裂原激活的蛋白激酶,OAG:1-油酰基-2-乙酰甘油,TPA:12-0-十四烷佛波醇-13-乙酯,NO:一氧化氮,NOS:一氧化合酶,UVB:中波紫外线

  参考文献

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