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ERK1/2信号通路与骨关节炎软骨细胞活性及其治疗的相关性研究
作者：陈泽华 李楠
来源：《风湿病与关节炎》2015年第01期
【摘 要】 细胞外信号调节激酶1/2是丝裂原活化蛋白激酶家族中的一个重要亚型，参与骨关节炎发病的整个过程，其机制与细胞外信号调节激酶1/2可通过调节关节软骨细胞的增殖、凋亡活性有关。研究细胞外信号调节激酶1/2与骨关节炎发病机制的关系，为骨关节炎的临床治疗提供新方法和新思路。
【关键词】 骨关节炎;软骨细胞;细胞外信号调节激酶;信号通路;综述 doi：10.3969/j.issn.2095-4174.2015.01.016
骨关节炎（osteoarthritis，OA）是临床多发的老年代谢性骨病，其病理表现以关节软骨损害为主，常累及整个关节组织。大陆地区40岁以上人群原发性OA患病率46.3%，其中男性为41.6%，女性为50.4%，随着年龄的增大而逐渐升高，本病的致残率高达53%[1]。OA的发病机制尚不明确，现代医学治疗远期疗效尚不肯定，中医标本兼治，各有特色，目前中西医结合保守治疗仍为临床常用治疗方法[2]。近年来，信号通路在OA发病机制中的研究更加深入，发现细胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）通路在OA的发病与治疗过程中有关键作用，现将其综 述如下。 1 ERK
丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）级联途径是细胞信号转导的重要途径，它能将募集到的多种细胞外信号（如生长因子、细胞因子等）磷酸化活化后逐级传递到细胞核，并激活多种核转录因子参与多种生理过程[3]。软骨细胞的凋亡、炎症反应、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的激活等都与MAPKs信号传导通路有关[4]。MAPKs家族包括c-Jun N-末端激酶（c Jun N terminal kinases，JNK）、p38激酶、ERK、大MAPK通路（BMK1/ERK5）、ERK3、ERK27、NLK和ERK8等8个亚家族。ERK是脯氨酸导向的丝氨酸、苏氨酸激酶，1991年Sturgill等在哺乳动物细胞鉴定出，它广泛存在于哺乳动物细胞中[5]。ERK包括两个同源性高达90%的亚型：ERK1和ERK2，Ras和ERK相互之间构成了一条完整Ras/Raf/MEK/ERK信号通路，并依次顺序激活可参与细胞增殖和凋亡等信号传导[6]。在MAPKs家族中，目前已证实，参与OA发病的有JNK、p38激酶及ERK[7]，其中ERK1/2信号转导通路是受外界刺激时决定细胞命运的关键因素，它主要是促进
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增殖，调控细胞的终末分化[8]。杨丰建等[9]通过对家兔OA模型发病不同时期关节软骨中的ERK1/2蛋白表达水平的测定，发现蛋白激酶ERK1/2的表达水平从造模第
4周开始持续升高，说明了ERK1/2信号转导通路在OA发病过程中持续发挥作用。 2 ERK1/2对OA发病过程中关节软骨细胞活性的影响
近年来研究发现，ERK1/2信号转导在OA中呈现高表达[10]。ERK1/2信号转导通路是细胞增殖和凋亡信号途径，可被多种细胞外刺激信号激活，参与调节细胞的增殖、分化和凋亡，ERK1/2的激活使转录因子磷酸化来调节基因的表达，促进细胞增殖，阻止细胞凋亡[11]。 2.1 ERK1/2通路与软骨细胞的增殖 高世超等[12]指出，MAPKs家族中ERK1/2信号转导通路是受外界刺激时决定细胞命运的关键因素，ERK1/2信号通路能促进软骨细胞的增殖和肥大分化，导致软骨钙化和骨赘形成，从而影响OA的形成和发展。激活ERK1/2信号通路可促进患者OA软骨细胞增殖[13]，程亮[14]通过实验研究发现，p-ERK1/2在OA软骨细胞中表达水平较正常软骨细胞呈现上调趋势，同时增殖细胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）在OA软骨细胞中表达也呈上调趋势，认为ERK1/2通过调控PCNA而促进OA软骨细胞增殖。Xiao等[15]研究发现，血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor， PDGF）能够通过激活ERK1/2途径来促进软骨细胞增殖，抑制软骨细胞凋亡。同时有研究发现，骨保护素（osteoprotegerin，OPG）也可通过诱导ERK的磷酸化从而促进软骨细胞的增殖[16]。任科伟
等[17]发现，上皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）被抑制后，周期性机械应力促进的软骨细胞增殖和细胞外基质合成均显著降低，而且ERK1/2的磷酸化水平也下降，指出周期性机械应力可通过激活EGFRERK1/2信号通路促进大鼠软骨细胞增殖和细胞外基质合成。Shakibaei等[18]研究发现，姜黄素和白藜芦醇可以通过激活ERK1/2信号通路来维持软骨细胞的分化和生存，并且可抑制白细胞介素（interleukin，IL）-1β诱导的细胞凋亡。史冰楠[19]通过淫羊藿甙对关节软骨细胞增殖、凋亡的实验研究发现，淫羊藿甙能通过对ERK1/2通路的激活，减少关节软骨细胞分泌的NO/NOS和MMP-13，调节关节软骨细胞的增殖。复元胶囊含药血清可促进磷酸化ERK1/2表达、降低培养上清中NO水平、调节ERK1/2信号通路下游p53和caspase-3因子而抑制SNP诱导的软骨细胞凋亡[20]。而通过活化ERK通路促进关节软骨增殖修复关节软骨面而达到治疗OA的报道并不多见，由此可见，OA发病过程中，ERK通路的活化促进关节软骨细胞的增殖分化，其结果主要是导致软骨钙化和骨赘形成。Pelletier等[21]研究发现，阻断ERK1/2信号转导通路不仅能够有效降低关节软骨的破坏程度，还可以减缓骨赘形成。
2.2 ERK1/2通路与软骨细胞的凋亡 ERK1/2可以通过增加p53活性、增强Bax表达和通过calpain的介导等途径引起细胞凋亡[22]。Gómez等[23]认为，在OA发病过程中软骨细胞的凋亡与花生四烯酸乙醇胺协同肿瘤坏死因子（tumour necrosis factor，TNF）-α持续激活ERK通
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路密切相关。IL和TNF是引起OA的主要炎性分子，TNF-α是通过MEK1/2和核因子的途径来抑制Ⅱ型胶原和连接蛋白基因表达的，进而干扰了关节软骨的合成和重建，TNF-α能促进软骨细胞IL-1β的表达，二者产生协同作用，使软骨基质降解大于合成，导致软骨破坏[24]。TNF-α通过活化ERK引起MMPs活性增加，从而加速水分的丢失、细胞外基质的降解和细胞凋亡，ERK抑制剂又能下调TNF-α基因和蛋白质的表达，抑制细胞凋亡[25]。IL-1β在诱导MMPs表达时也需要ERK信号的转导[26]，IL-1β和TNF-α与相应的受体结合后，可经MAPK途径和核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）途径进行细胞内信号转导，最终引起MMPs增高、自由基生成、细胞凋亡等一系列过程，降钙素可以抑制IL-1诱导的大鼠膝关节软骨细胞中ERK1/2通路的激活，下调MMP-13的表达，对OA软骨细胞的损伤起到一定的预防作用[27]。Fan等[28]用ERK通路选择性抑制剂处理成人软骨细胞的体外实验显示，ERK的抑制剂能显著抑制IL-1β诱导引起的MMP-1和MMP-13表达上调及Ⅱ型胶原表达下调。王祥[29]指出，抑制ERK1或ERK2均能充分阻断IL-1β介导的OA，并通过实验研究发现，沉默ERK1或ERK2均能显著抑制IL-1β诱导人软骨细胞高表达COX-2、MMP-3、MMP-13及促进前列腺素E2的分泌，同时均能显著逆转IL-1β抑制软骨细胞表达Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖。因此，ERK通路活化可以通过TNF-α、IL-1β等炎性因子的诱导使MMPs表达上调，从而加剧软骨细胞外基质的降解，破坏关节软骨。抑制ERK通路的活化可以降低IL-1β和前列腺素E2、NO等炎性递质，从而下调MMPs的表达，对关节软骨起到保护作用。
总之，在OA的发病过程中，不同刺激因子下，ERK1/2通路活化参与软骨细胞的多种信号转导，既可以促进软骨细胞的增殖、抑制软骨细胞凋亡，同时又可以引起软骨细胞结构蛋白破坏、细胞外基质降解，从而加快软骨细胞的凋亡。 3 阻断ERK1/2通路在OA治疗过程中的应用
中药复方能抑制ERK的表达和磷酸化，从而抑制ERK信号转导通路，同时中药复方也能兴奋此通路[30]。程潭[31]通过对大鼠OA的研究发现，降钙素能有效下调磷酸化ERK1/2的表达而减少软骨细胞中MMP-13的合成，保护关节软骨及软骨下骨组织，延缓OA病情进展，以达到潜在的治疗作用。阿仑膦酸钠能通过抑制IL-1β刺激的大鼠膝关节软骨细胞中p-ERK1/2通路的激活，下调MMP-13因子的表达，从而对软骨细胞起到一定的保护作用[32]。在动物实验中，ERK抑制剂PD198306治疗OA疗效显著，其作用主要表现在能有效改善滑膜炎症、骨赘形成和软骨破坏[33];Prasadam等[34]也发现，透明质酸联合U0126（ERK抑制剂）的应用可以明显抑制ERK的磷酸化，减少RUNX2 及MMP-13 的表达，延缓软骨细胞肥大分化及软骨退化。
4 总结与展望
MAPK-ERK1/2通路对OA发病过程中的作用主要体现在调控OA软骨细胞的增殖和凋亡，可见ERK1/2通路参与细胞多种细胞信号转导，既参与了软骨细胞的凋亡，又参与了促进软骨细胞的增殖、抑制软骨细胞凋亡，因而ERK1/2特异性抑制剂在人体OA的治疗会存在一定的毒副作用。通过分析ERK1/2通路对软骨细胞增殖凋亡的调控作用，更加明确OA发病过