【doc】磷脂酰肌醇-3激酶信号途径在红细胞生成过程中的作用

【doc】磷脂酰肌醇-3激酶信号途径在红细胞生成过程中的作用 磷脂酰肌醇-3激酶信号途径在红细胞生成 过程中的作用 磷脂酰肌醇一3激酶信号途径在红细胞 生成过程中的作用 易宗春孙艳综述庄逢源审校 国际输血及血液学杂志2007年第3O卷第1期 【摘要】红细胞生成素(Epo)是调节红细胞生成的重要细胞因子.磷脂酰肌醇一3激酶(PI3K)信号途 径是Epo通过结合红细胞生成素受体(EpoR)介导的胞内信号途径之一,在调节红系造血祖细胞生存,增 殖和分化等过程中起重要作用.本文介绍了EpoR介导PI3K激活的途径以及所需要的其他蛋白质分子, PI3K在激活后的下游信号分子及其在调节红细胞生成方面的作用. 【关键词】磷脂酰肌醇一3激酶;红细胞生成;红细胞生成素;红细胞生成素受体 红细胞生成素(Epo)是调节红系造血祖细胞生 存,增殖和分化的重要细胞因子.Epo与红细胞生成素 受体(EpoR)结合后,可诱导细胞内多条信号途径,其 中磷脂酰肌醇一3激酶(PI3K)信号途径在Epo诱导的 红细胞生成过程中扮演重要角色.PI3K因能使磷脂酰 肌醇第3位羟基磷酸化生成磷脂酰肌醇一3一磷酸系列 化合物(PI3Ps)而得名.PI3Ps作为第2信使激活下游 靶分子,调节一系列细胞活动,如囊泡运输,细胞骨架 重组,细胞生存,肿瘤发生和细胞分化等n].现就PI3K 信号途径在Epo促进红细胞生成过程中的作用作一 综述. 1Epo诱导的红细胞生成需要PI3K激活 研究发现,Epo刺激引起细胞EpoR—PI3K复合物 形成.例如,EpoR基因转染的FDC—P1细胞(FDC— P1EPo细胞)在Epo刺激后其表达的EpoR与PI3K 的p85调节亚基形成复合物;UT一7细胞,32D细胞和 Ba/F3细胞在Epo刺激下均发生EpoR和PI3K的 Tyr磷酸化,并相互结合.进一步研究发现,小鼠EpoR 的479位Tyr(Tyr479)和人EpoR的504位Tyr (Tyr504)磷酸化后与PI3K的p85亚基结合,并激活 PI3K,而当EpoR缺陷小鼠胚胎肝脏祖细胞在表达了 胞内部分只含有Tyr479一个Tyr的EpoR后可恢复 90的红系集落形成单位(cFu—E)形成能力E2,.而 且,PI3K特异性抑制剂渥曼青霉素(Wortmannin)和 LY294002均可抑制Epo诱导的红系相关细胞的生 长,增殖,生存和向红系分化[4删;反义p85寡核苷酸也 可抑制Epo诱导的K562细胞和人骨髓造血祖细胞的 红系分化].14.5d的PI3K基因敲除(p84)小鼠胚 胎色泽苍白,外周血成熟红细胞显着减少,胚胎肝脏的 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30400092) 作者单位:100083北京航空航天大学生物工程系 通讯作者:易宗春,Email:yizc@buaa.edu.cn ? 综述? 爆发式红系集落形成单位(BFU—E)和CFU—E红系造 血祖细胞数量也显着降低.表明PI3K在Epo诱导 的红细胞生成包括生存,增殖和分化等过程中发挥重 要作用. 2Epo结合EpoR后激活PI3K的机制 2.1EpoR介导PI3K激活的三条途径 一 条途径是在Epo刺激下EpoR直接结合并活化 PI3K.在这一途径,EpoR胞内部分最尾端的Tyr479 (小鼠)或Tyr504(人)在磷酸化后为p85亚基提供了 锚定位点,从而直接结合和激活PI3K. Epo还可通过Tyr磷酸化的接头蛋白胰岛素受 体底物(IRs)一2结合并介导PI3K激活L8].IRS一2表 达于具有红系特征的细胞,而同源的IRS一1不表达于 这些细胞.在UT一7细胞,IRS一2与EpoR保持持续的 结合状态,Epo作用可使IRS一2的Tyr快速磷酸化,并 结合和介导活化PI3K和含SH2结构域的肌醇5L磷 酸酶(SHIP).可见,当Epo结合EpoR后活化了胞内 酪氨酸激酶,后者催化IRS一1的特异Tyr磷酸化,磷 酸化Tyr被PI3K的SH2结构域识别并为其提供锚 定位点,从而介导PI3K活化. 接头蛋白Gabl/2也属于IRS家族成员,也可介 导Epo诱导的PI3K活化Ilo].在HCD57细胞,Epo 可引起Gabl和Gab2快速Tyr磷酸化,并为含SH2 结构域的酪氨酸磷酸酶(sHP)2磷酸酶和PI3K的 p85亚单位提供停靠位点;而EpoR细胞质区域的425 和367位酪氨酸为Gab2磷酸化所必需.Epo也可诱 导UT一7细胞和人红系祖细胞Gabl的一过性Tyr磷 酸化,并结合PI3K.而且,HEL,TF一1和K562细胞等 其他红系相关细胞都有Gabl表达. 2.2参与PI3K活化过程的其他蛋白质分子 细胞表面的EpoR结合Epo后在细胞内侧募集许 多胞内信使分子,除Gabl/2和IRS一2之外,还有其他 多种蛋白分子参与了激活PI3K. 国际输血及血液学杂志2007年第鲞箜塑 EpoR,接头蛋白和PI3K的Tyr磷酸化是PI3K 激活过程的关键环节,因此蛋白酪氨酸激酶的作用非 常重要.Epo可诱导Jak2酪氨酸蛋白激酶/信号转导 子和转录激活因子(STAT)信号途径活化.其他类型 细胞因子诱导Jak2激活后,可以磷酸化IRS,后者结 合并激活PI3K.另外,ets样转录因子(TEL)易位到 Jak2基因(TEL—Jak2)见于某些白血病细胞,TEL— Jak2可使细胞表现出细胞因子非依赖性生长和组成 性的Jak2酪氨酸激酶活性,后者不仅磷酸化激活 .不过, STAT类转录因子,还能组成性激活PI3K_】在HCD一57细胞,EpoR募集的Jak2并不为Epo诱导 的40S核糖体S6激酶(p70S6k)活化所必需.由此看 来,Jak2在Epo诱导的PI3K信号途径活化方面的作 用还有待进一步研究. Src酪氨酸激酶家族可能参与了Epo诱导PI3K 信号途径活化.Lyn是Src酪氨酸激酶家族成员.Epo 诱导J2E细胞红系分化过程需要Lyn酪氨酸激酶参 与;在FDC—P1Ep0细胞,Src激酶抑制剂蛋白磷酸酶 (PP)1和PP2可消除Epo诱导的PI3K的Tyr磷酸 化,而且Epo诱导的磷酸化Lyn与Tyr磷酸化的 PI3K结合在一起,提示Lyn参与了Epo诱导的PI3K 活化. Src是Src家族中的另一重要成员.Src的反义寡 核苷酸可抑制人骨髓造血祖细胞Epo依赖性集落形 成和Epo诱导的K562细胞分化,同时还抑制Epo诱 导的PI3K活化,以及PI3K与EpoR之间的相互作 用;抑制剂PP1也能降低Epo诱导人F一36P细胞 EpoR的Tyr磷酸化,并抑制EpoR与PI3K的相互作 用;而且,Src可直接磷酸化EpoR的Tyr和结合 PI3KE. Vav是小G蛋白Rho家族的鸟苷释放因子,特异 表达于造血细胞,含有Src同源结构域2(SH2),SH3 等多个结构模体,并与胞内信号分子相互作用.在人 F一36P细胞系,Vav非Epo依赖性结合EpoR,而当 Epo存在时可引起Vav的Tyr磷酸化;而且,Tyr磷 酸化的EpoR和Vav与PI3K的p85相互作用;反义 Vav和p85寡核苷酸可抑制Epo诱导的细胞增殖和 PI3K活性.这些均表明Vav参与了激活PI3K. 3PI3K激活后的下游信号途径及其在红细胞生成过 程中的作用 3.1MAPK(ERK1/2) 在Epo/EpoR介导的信号途径中,既可通过ras 这一经典途径激活有丝分裂原激活蛋白激酶 (MAPK),还能通过PI3K以ras非依赖性方式活化 MAPK.在小鼠原代红系祖细胞,Epo刺激引起PI3K 依赖性的MAPK活化,这一活化途径与Shc/Grb2/ Sos/Ras/Raf途径无关,而可能是通过PKCe活化 Raf,后者再活化MAPK_3].另外,在32D/EpoR—Wt和 UT一7细胞,PI3K引起G蛋白Rac活化而引起 MAPK旁路激活[133.另外,人原代红系祖细胞在低浓 度Epo刺激下导致PI3K7依赖性MAPK激活,这种 激活也与经典的Ras途径无关,而与PI3K7激活PKC 有关口.由此看来,PI3K激活MAPK是多途径的,可 能与细胞类型和Epo浓度有关.MAPK在促进细胞增 殖,分化和防止凋亡等方面起重要作用.对于人红系集 落细胞,Epo诱导的PI3K依赖性MAPK活化参与维 持细胞生长增殖,而在小鼠原代红系祖细胞,MAPK 途径激活还与Epo诱导的分化密切相关_3].而这方面 的作用可能与TAL1/SCL为碱性HLH转录因子的 磷酸化,TIMP一1表达,MMP一9产生_】5_和调节c—myc 基因的表达[163等有关. 3.2PKB PI3K催化生成的PI3Ps作为第2信使可激活 PDK一1激酶,后者再磷酸化激活蛋白激酶PKB/Akt. 在Epo刺激的细胞,如UT一7细胞,HCD57细胞和人 原代红系祖细胞等红系相关细胞中,PKB/Akt也同样 会被激活.Epo刺激引起的PKB/Akt激活对维持红 系祖细胞的生存有重要作用.Epo撤出时UT一7细胞 出现凋亡,如同时过表达PKB/Akt,则可部分阻断细 胞凋亡.HCD57细胞的增殖和生存也与PKB/Akt活 化相关. Epo诱导PKB/Akt活化引起的抗凋亡作用与分 叉头型(Forkhead)转录因子家族有密切关系.Epo在 诱导UT一7细胞的PKB/Akt磷酸化的同时,还可诱导 细胞分叉头型转录因子家族成员FKHRL1的32位苏 氨酸和253位丝氨酸磷酸化.Epo也可引起人原代红 系祖细胞PKB/Akt活化和FKHRL1的磷酸化,而且 PI3K/Akt/FKHRL1途径对于Epo的凋亡抑制作用 是必需的_】.当PKB/Akt磷酸化FKHRL一1后,导致 FKHRL一1与14—3—3蛋白相互作用,从而被限制在细 胞质内不能进入核内,而其调节的靶基因之一就是死 亡受体分子Fas的配体FasL基因.此外,在人原代红 系祖细胞,Epo的撤出会引起FKHRLI与转录辅助活 化因子p300相互作用,Epo的出现会干扰FKHRL1 与p300相互作用;Epo的撤出还会引起FKHRL1的 乙酰化,Epo出现会逆转乙酰化,而FKHRL1与p300 相互作用以及FKHRL1的乙酰化均促进基因转 录.结合FKHRL1表达于正常人红系祖细胞和成 红细胞的现象,提示FKHRL1作为PI3K/Akt的下游 靶分子在红细胞生成方面有重要作用.在其他类型细 胞,PKB/Akt活化后的抗凋亡作用还体现在PKB/ AkT磷酸化凋亡因子Bad蛋白,导致其从抗凋亡蛋白 Bcl-xL上解离,解除对Bcl—xL的抑制,从而使细胞免 受凋亡_】. 葡萄糖合成酶激酶3(GSK一3)在调节糖原合成方 面起重要作用.胰岛素通过PKB/Akt磷酸化GSK一3 的Ser9(t3型)或Ser21(a型)残基,从而使GSK一3失 活,促进糖原合成.现知道GSK一3在细胞增殖,分化, 转化和生存等方面也有重要作用[】.Epo活化的 PI3K/PKB途径同样可以调节GSK一3的活性.Epo可 维持人原代红系祖细胞GSK一3的Ser9/Ser21磷酸 化,而撤出Epo可提高GSK3活性,并通过一条半胱 氨酸蛋白酶(caspase)非依赖途径——Bax构型变化, 调节凋亡的抑制过程【2.这一调节可能是通过PKB 调节细胞周期蛋白(cyclin)D1降解和表达实现的.首 先,GSK一3磷酸化cyclinD1的特定位点启动泛素依 赖性蛋白降解途径,而PKB/Akt磷酸化失活GSK一3 会维持cyclinD1稳定.GSK一3的另外一种靶蛋白是 连环蛋白,非磷酸化状态的p一连环蛋白可结合转录 因子LEF并提高其转录活性,其中LEF调节的靶基 因之一就是cyclinD,而GSK一3可磷酸化连环蛋白 从而促进p一连环蛋白泛素依赖性降解. 3.3p27Kipl p27Kip1是CDKs抑制剂,抑制细胞周期通过G 期.p27Kip1在调节造血细胞和其他细胞的生长因子 依赖性增殖方面起关键作用.Epo可通过下调 p27Kip1基因表达和刺激p27Kipl降解引起人原代红 系祖细胞增殖,而LY294002可引起p27Kip1的累积 和调节其降解的泛素连接酶E3(scFsKP2)表达的显 着下降J.Epo下调p27Kip1转录可能与PKB磷酸化 分又头型转录因子有关,因为p27Kipl基因表达受到 分叉头型转录因子的调控,而PKB磷酸化FKHRL1 导致其被限制在细胞质基质内.白细胞介素(IL)一3就 是通过调节FKHRL1以PI3K依赖方式抑制p27Kip1 表达的,Epo也可能是通过这一途径调节p27Kip1基 因表达;而SCFSKP2表达下降可能与PIP3磷酸酶 PTEN的负性调节作用有关[2. 3.4调节Bcl—xL的表达 Bcl一2家族在Epo抗凋亡方面的作用不是体现在 PKB磷酸化Bad蛋白以解除对Bcl—xL的抑制,而是 体现在抗凋亡蛋白Bcl—xL表达上调.人ECFC细胞, HCD一57,CD34+造血祖细胞和UT一7细胞都是Epo 依赖性的,加入Epo可维持细胞生存和Bcl—xL和/或 Bcl一2的表达,在Epo缺乏和撤出时细胞会快速出现 凋亡,同时Bcl—xL和/或Bcl一2表达下调.而且,Epo 刺激细胞Bcl—xL表达与PI3K有关,因为用 LY294002处理红系集落细胞在较低浓度(10,umol/ L)就能消除Epo的抗凋亡作用,同时LY294002还能 抑制Epo诱导的Bcl—xL表达L6].而PI3K调节Bcl—xL 表达可能与PKB活化NF—KB有关,因为有研究显示 国际输血及血液学杂志2007年第30卷第1期 Epo可以活化NF—KB,而PKB可以磷酸化活化IKKa 促进NF—KB抑制分子IKB的降解,从而解除对NF—KB 的束缚和抑制,NF—B进入核内发挥转录因子作 用.;而Bcl一2抗凋亡蛋白家族成员基因正是NF—KB 调节的靶基因.此外,PKB直接磷酸化活化CREB也 可能参Epo诱导的Bcl—xL表达. 3.5p70S6k p70S6k由于其在蛋白质合成方面的调节作用,在 调节细胞周期进展方面发挥重要作用.Epo可诱导 HCD一57细胞p70S6k活化,并存在PI3K依赖和非依 赖两条活化途径,表现为在Epo诱导的p70S6k活化 的早期阶段可为Wortmannin明显抑制,而在后期受 到影响不大.人原代红系祖细胞在Epo的作用下也出 现PI3K依赖性的p70S6磷酸化活化[8].PI3K依赖的 p70S6k的活化可由两条途径活化;一是PDK一1活化 后直接磷酸化p70S6k使之活化;另外一条途径是 PKB活化后先磷酸化激活蛋白激酶inTOR/FRAP, 后者再磷酸化激活P70S6k【】. 3.6PLC一"/2 在Epo刺激下,磷脂酶C一"/(PLC一7)也可因PI3K 的活化而被激活.在FDC—P1Epo细胞,LY294002和 Wortmannin均抑制Epo诱导的PLC一"/2的Tyr磷酸 化,LY294002还完全抑制Epo诱导的PLC一"/2向细 胞膜转移;在Epo刺激下,Tyr磷酸化的PLC一"/2与 Tyr磷酸化的Gab2,SHC和SHP2结合,LY294002 预处理并不影响Gab2,SHC和SHP2的Tyr磷酸化, 但抑制PLC一"/2与Gab2和SHP2结合.进一步研究 还发现,Epo诱导的磷酸化Lyn与Tyr磷酸化的 PLC一"/2和PI3K结合在一起,而且Epo活化的Lyn可 体外磷酸化PLC一"/2,Src激酶抑制剂PP1和PP2可消 除Epo诱导FDC—PI(EpoR+)细胞的PLC一"/2和 PI3K的Tyr磷酸化,表明Lyn参与Epo诱导的PLC一 2磷酸化和PI3K活化L1引. Epo诱导的PLC一"/2激活的作用之一就是参与糖 基化磷脂酰肌醇(GPI)水解.GPI具有脂质一磷酸一肌醇 一 寡糖结构,存在游离和蛋白结合(GPI锚定蛋白)两种 形式.GPI水解产生的二酯酰甘油和肌醇磷酸寡糖 (IPG)可作为第二信使参与信号传递事件.在大鼠红 系祖细胞和转染野生型EpoR的FDC—P1细胞,Epo 均诱导GPI水解,相应IPG水平也升高,而且纯化的 大鼠IPG可部分代替Epo刺激红系集落形成的功 能[2.Epo诱导GPI水解与PI3K和PLC一"/2活化有 关,因为在FDC—P1Ep细胞,LY294002抑制Epo诱 导的内源性GPI水解和Epo诱导的PLC一"/2的Tyr 磷酸化[24,25]. 综上所述,PI3K信号途径是Epo通过结合EpoR 介导的胞内信号途径之一,在Epo促进红细胞生成过 国际输血及血液学杂志2007年第3O卷第1期 程中发挥重要作用.EpoR介导PI3K激活有直接和间 接三条途径.除EpoR外,PI3K的激活还需要其他蛋 白质分子参与,包括蛋白酪氨酸激酶如Lyn,Src和 Jak2,以及鸟苷释放因子Vav等.PI3K活化后再激活 MAPK,PKB,PLC一72,p70S6k等下游信号分子,参与 红系造血祖细胞生存,增殖和分化调节. 4参考文献 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O 11 12 CantleyLC.ThePh0sph0in0sitide3-kinasepathway.Science, 2002,296(5573):1655-1657. DamenJE,CutlerRL,JiaoH,eta1.Ph0sph0rylati0noftyrosine 503intheerythr0p0ietinreceptor(EpR)isessentialforbinding theP85subunitofph0sphatidyIin0sit0l(PI)3-kinaseandfor EpR—associatedPI3-kinaseactivity.JBiolChem,1995,270 (4O):234O2—234O8. 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