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第二节 蛋白激酶C的信号传导通路和作用
一、PKC的信号传导通路
PKC信号通道是一条重要的细胞内信息传递通道,它存在于多种细胞内,通过催化蛋白质磷酸化反应、影响受体的上下调节、细胞膜和骨架的重塑及对转录的正负调节来调整细胞内某些特定的过程,而将各种有关的细胞膜外的生物信息在细胞膜内传递下去,从而对细胞的增殖、分化、凋亡、转录、致癌性、细胞毒效应以及细胞迁移等多种生理活动产生调控作用。许多细胞可以表达多种PKC的亚型,而每一种亚型又可以引起细胞产生不同的作用。对所有的PKC来说,通过细胞膜的转运,可以作为调节作用底物的起始和被激活的标志,至少对于某些PKC来说,在特殊位点上的磷酸化被认为是PKC活化的标志。
图9-2 蛋白激酶C的信号转导通路
具体来说,PKC是一系列细胞级联信号传导途径的关键环节。PKC通常以无活性形式存在于胞质中,当胞外信号与受体结合后,通过G蛋白转导活化磷脂酶C,导致质膜上肌醇酯酶活化,水解磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP 2),产生肌醇三磷酸(IP 3)和二脂酰甘油。IP 3在膜上水解生成后,进入胞液内与内质网上的Ca 2+门控通道结合,促使内质网中的Ca 2+释入胞质中,导致细胞内Ca 2+浓度增高,使钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaM酶)激活,而CaM酶再通过激活腺苷酸环化酶、Ca 2+-Mg 2+ ATP酶、磷酸化酶、肌球蛋白轻链激酶、谷氨酰转肽酶等,产生各种生理效应(图9-2)。DAG可提高PKC与Ca 2+、磷脂的亲和力,当PKC易位到膜上,以膜磷脂(主要是磷脂酰丝氨酸)和一定浓度(10 -7mol/L)的Ca 2+为前提,蛋白酶C被激活,所以蛋白激酶C被认为是一种Ca 2+依赖型的蛋白激酶,故由此而得名。激活的PKC使多种蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化,从而影响细胞内生物信息的传递。当细胞所受到的刺激信号消失后,DAG首先从PKC复合物上解离下来导致PKC失活。因此在一般生理状态下,PKC的激活是一个动态过程。
二、PKC作用
(一)凋亡与细胞浸润
细胞凋亡是指为了维持内环境稳定,细胞自主的有序的死亡,它在机体防御及许多疾病的发生发展过程中发挥着重要作用。细胞凋亡与细胞坏死不同,它是一种主动过程,涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用,与细胞的其他生命现象一样,诱导凋亡的细胞外信号必须通过细胞内信号的转导才能激发自主的凋亡程序。由于PKC亚型的特异性,不同的PKC亚型对细胞凋亡的调节具有双相作用。
早期的研究提示蛋白激酶C对细胞凋亡有一定的调控作用。有学者曾利用佛波酯这一外源性的蛋白激酶C激活剂作为媒介工具,来验证蛋白激酶C在细胞凋亡中的作用。实验发现,佛波酯通过激活PKC,可抑制某些特定条件下的细胞凋亡,如糖皮质激素诱导的胸腺细胞的凋亡,撤去IL-2所致T淋巴细胞的凋亡以及无血清处理引起的成纤维细胞的凋亡,若同时加用蛋白激酶C的抑制剂如多黏菌素B、1-(5-异喹啉磺酰基) -2-甲基哌嗪(H-7)和神经鞘氨醇,则可以抵消佛波酯的上述作用,即PKC含量的减少会促进细胞凋亡。Pollak用类胰岛素生长因子进行相关研究,研究提示:在抑制PKC后,类胰岛素生长因子相关蛋白-3的浓度及稳定性得到提高,从而引起非小细胞肺癌癌细胞的凋亡。
在对细胞凋亡认识的过程中,部分学者认为半胱天冬酶(Caspase)是细胞凋亡和细胞凋亡抑制的核心执行者,因为他们能产生绝大多数的标志细胞凋亡的可见变化。进一步实验证明蛋白激酶系统如PKC、PKA、PKG参与了众多细胞凋亡时细胞内的信号传导,并对Caspase家族成员表现出双重作用:既可激活Caspase家族成员,又可抑制Caspase家族成员的活性。其起双重作用的原因是蛋白激酶具有多种亚型,不同的亚型对Caspase家族成员的活性可能起着相反的作用,由于作用的不同体现为对细胞凋亡的促进与抑制,细胞凋亡可导致组织损伤和器官功能衰竭,而抑制细胞凋亡将引起肿瘤的发生及免疫功能的异常。目前对PKC介导的细胞凋亡机制还不十分清楚。
蛋白激酶C对细胞周期也存在调控作用。Graham等发现,PKCα和PKCε对大鼠角膜内皮细胞(EC)增殖起促进作用,而PKCδ对细胞增殖起抑制作用。研究发现,PKC激动剂可加速IFN-γ诱导的EC凋亡,而PKC抑制剂可阻止EC凋亡,这提示PKC的激活可促进EC凋亡。在EC的细胞周期进程中,PKC主要参与调节G 1期及G 2期转换事件,对EC而言,G 1早期或G 1晚期激活PKC产生的效应有所不同。G 1早期激活PKC可刺激人EC的DNA合成、细胞周期蛋白(cyclin D,E)及S期细胞周期蛋白A(cyclin A) mRNA表达;而在G 1晚期PKC激活将完全抑制DNA合成,并抑制除cyclin D以外上述分子mRNA的表达。PKC的激活是内皮细胞功能紊乱的重要事件之一。但不同的PKC亚型在内皮细胞功能的各环节具有不同调节功能,进一步研究PKC的不同亚型对EC的作用有助于明确内皮细胞功能紊乱的发病机制及指导治疗。PKCα和PKCδ一般来说抑制细胞生长周期、促进凋亡和衰老。PKCε会影响有丝分裂。不同细胞间PKC所具有的多样性和特异性功能或许可以解释PKC抑制剂治疗的局限性。目前尽管使用了手术、化疗、放疗等常规或新技术来治疗,但总体预后仍然令人不满意。基于以上资料、数据,我们需要一些更为有效的方法。
(二)耐药
目前,对于大多数肿瘤,特别是肺部肿瘤,化学药物治疗仍是主要手段之一。新的抗肿瘤药物及化疗方案也日渐个体化,但治疗效果却不尽如人意,究其原因,大多数学者认为肿瘤细胞对化疗药物产生多药耐药(multidrug resistance,MDR)是肿瘤化疗失败的主要因素。
多药耐药是指对一种化疗药物耐药的肿瘤,同时对许多结构上与之无关、作用机制完全不同的其他抗癌药物产生交叉耐药性。体内外研究发现,肿瘤MDR产生机制非常复杂,是多因素的,目前MDR产生的原因可能有如下几个方面:① MDR1基因及其编码产物P-糖蛋白(P-GP)的过度表达;②谷胱甘肽及谷胱甘肽-S-转移酶;③拓扑异构酶Ⅱ的改变;④多药耐药性相关蛋白(MRP)及其基因过表达;⑤PKC酶活性及其分布的改变;⑥肿瘤凋亡途径的异常;⑦DNA损伤修复能力的改变;⑧细胞外环境(pH值、温度、基质、营养条件及氧浓度)的改变;⑨葡萄糖基化神经酰胺的变化;⑩肺耐药蛋白(LRP)。
目前认为 MDR1基因及其编码的P-糖蛋白表达增加是MDR产生的主要机制之一,因为已有实验证实将编码PKCα、PKCβⅠ的cDNA转染敏感细胞后,出现了 MDR1基因扩增和P-GP过度表达,敏感细胞变为MDR细胞,为PKC在产生MDR中的始动作用提供了直接证据。且有研究表明,PKC的激活剂佛波醇酯可上调 MDR1 mRNA,对应的抑制剂可下调 MDR1 mRNA及P-GP。如PKC抑制剂H-7可阻止某些MDR诱导剂诱导的 MDR1基因的表达和MDR的发生;另一方面,一些MDR逆转剂如吩噻嗪、硫氧杂蒽、维拉帕米和他莫西芬等均可抑制PKC活性,进一步证明PKC及抑制剂在MDR的调控中起重要作用。PKC对P-GP的功能调节机制可能如下:由于P-GP是PKC的底物,则PKC可以通过作用于P-GP连接区的2个丝氨酸残基来促使P-GP磷酸化,而P-GP的磷酸化状态影响细胞内药物的聚集,磷酸化速度越快,向胞外转运药物的能力就越强。上调PKC可增加P-GP磷酸化,减少细胞内药物积聚,增加耐药细胞的耐药性,下调PKC可减少P-GP磷酸化,增加细胞内药物积聚,部分逆转耐药细胞的耐药性。