胶原代谢相关信号通路研究进展
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[摘要] 胶原蛋白是一类结构独特的蛋白质，广泛存在于哺乳动物中，是结缔组织的主要结构元素，与机体的疾病和衰老关系密切。胶原的代谢过程由一系列信号转导通路和细胞因子共同调控，TGF-β/Smad、PI3K/Akt、MAPK、Wnt、NF-κB等众多信号通路网络交互影响，共同介导胶原合成与分解的代谢过程。本文将对参与胶原代谢主要的信号通路进行综述。
[关键词] 胶原代谢；MMPs；TIMPs；信号通路
[中图分类号] R589 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）04（a）-0056-04
[Abstract] Collagen， a kind of protein with special structure， which is widely found in mammalian tissues. It is the main structural element of connective tissue， which is closely related to the disease and aging. Collagen metabolism is mediated by cytokines and a series of signaling transduction pathways.Signaling pathways such as TGF-β/Smad， PI3K/Akt， MAPK， Wnt， NF-κB and many other signaling pathways interactions co-regulate the procedure of collagen synthesis and degradation. This paper will review the main signaling pathways involved in collagen metabolism.
[Key words] Collagen metabolism； MMPs； TIMPs； Signaling pathways
z原蛋白是结缔组织的主要成分，存在于大多数薄壁器官的间质，作为细胞外基质的支架结构起到稳定组织的作用并维持它们的完整性。胶原代谢对某些疾病的发生发展至关重要，纤维化病变最常见类型由Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白比例失衡导致，Ⅰ、Ⅲ型胶原的合成和降解失衡是肝纤维化的重要机制[1-2]，Ⅳ型胶原合成异常可导致肾细胞外基质沉积，肾小球间质纤维化，最终可发展为肾功能衰竭[3]。胶原代谢是由一系列信号通路共同控制的结果，研究胶原代谢的信号通路对诊断及治疗由胶原代谢异常引起的疾病具有重要的意义。
1胶原蛋白生物学特性及代谢
1.1 胶原蛋白的类型、结构与分布
目前在脊椎动物中确认的胶原类型有28种，由至少46个不同的多肽链（α链）形成[4]，每种胶原蛋白均由3条左手螺旋构型的α链组成，3条链又相互缠绕形成右手超螺旋结构，α链由重复的GXY序列组成，G是甘氨酸，起着限制螺旋结构的作用，X和Y代表其他氨基酸，大多为脯氨酸和羟脯氨酸[5]。根据胶原的结构和功能不同，可分为以下7类：①纤维胶原，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅺ、ⅩⅩⅣ和ⅩⅩⅦ型胶原，分布在皮肤、骨、韧带等部位；②网状胶原，包括Ⅳ、Ⅷ和Ⅹ型胶原，分布于皮肤、基底膜、肾脏等部位；③FACITs（纤维相关胶原），包括Ⅸ、Ⅻ、ⅩⅣ、ⅩⅥ、ⅩⅨ～ⅩⅩⅡ型胶原，分布于皮肤、胃肠、软骨等部位；④MACITs（膜相关胶原），包括ⅩⅢ、ⅩⅦ、ⅩⅩⅢ、ⅩⅩⅤ型胶原，分布于心、上皮等处；⑤锚状纤维，主要是皮肤和膀胱的Ⅶ型胶原；⑥串珠状胶原，包括Ⅵ、ⅩⅩⅥ和ⅩⅩⅧ型胶原，软骨、肌肉等部位较多；⑦内皮抑素胶原，包括ⅩⅤ和ⅩⅧ型胶原，主要分布于基底膜等部位[4]。
1.2 胶原蛋白合成与降解
胶原蛋白主要由成纤维细胞合成和分泌，再经过一系列修饰后形成。首先以mRNA为模板在粗面内质网核糖体上合成前肽链，链间再形成二硫键以合成前胶原α链，每三条链羟化形成前胶原分子后由高尔基体分泌至胞外，前胶原肽酶切除其N和C端肽形成原胶原，最后经共价交联聚合成胶原纤维。正常情况下，大部分新合成胶原分泌至胞外前已被降解，只有少部分胶原形成成熟的胶原纤维。
胶原蛋白的降解主要通过胶原酶实现，胶原酶一般以无活性形式存在于组织中，胶原代谢与基质金属蛋白酶MMPs的表达及活性有关，MMPs是一类含锌原子并依赖钙原子的内切酶，包括80个氨基酸残基组成的氨基端结构域和200个氨基酸的血红蛋白组成的羧基端结构域，除能降解胶原蛋白等细胞外基质外，还能激活其他MMPs[6]。组织可合成胶原酶抑制剂，如组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs），TIMPs可与活化的MMPs等比例结合成复合体以抑制其活性，进而抑制对Ⅰ、Ⅲ型胶原的降解[7]。生理情况下，胶原酶活化与抑制保持相对平衡，胶原的转化率维持相对稳定。
胶原代谢受TGF-β/Smad、PI3K/Akt、MAPK、Wnt、NF-κB等信号通路的调控，各通路之间纵横交错、相互影响，共同介导胶原代谢过程。
2.1 TGF-β/Smad通路
转化生长因子β（TGF-β）是与胶原代谢关系最密切的细胞因子，目前已在哺乳动物体内发现了3种异构体，即 TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3，其中以TGF-β1生物活性最强。Sefat等[8]发现3种TGF-β异构体均可增加骨细胞中I型胶原表达。TGF-β1能使大多数胶原基因mRNA水平提高或蛋白产物增加，还能抑制MMPs分泌和促进TIMPs表达来抑制胶原蛋白的降解[9]。TGF-β对胶原的调控机制主要有以下几种：①刺激胶原mRNA表达，在转录水平调控胶原基因表达；②抑制胶原酶等金属蛋白酶的分泌和刺激金属蛋白酶抑制剂的表达，抑制胶原降解；③增加成纤维细胞内脯氨酸强化，稳定原胶原分子；④抑制溶酶体产物，抑制细胞内部原胶原降解；⑤通过自分泌方式间接调控胶原表达。
Smad蛋白为TGF-β信使蛋白分子，通过介导TGF-β信号从胞膜传入胞核发挥功能。Yao等[10]发现Smad2和Smad3均可以激活纤维化过程；TGF-β可以诱导TIMP-1生成以抑制细胞外基质降解，肝星状细胞中Smad2基因敲减可以增加I型胶原蛋白表达，过表达Smad2可抑制TIMP-1，增加MMP-2表达来减少胶原蛋白表达，而敲减Smad3基因可减少I型胶原蛋白表达来减轻纤维化[11]；研究发现[12]肾小管Smad4基因敲除可以减少TGF-β1作用下肾脏成纤维细胞的细胞外基质降解。Smad在TGF-β信号转导中的作用可以分为3种类型：途径限制性Smad蛋白（R-Smads），公共介体性Smad蛋白（Co-Smads），抑制性Smad蛋白（I-Smads）。TGF-β1与细胞膜上受体TβRII结合后，TβRI激活，Smad2 或Smad3 C末端磷酸化再与Smad4形成异聚体转录复合物，移位至胞核与特定DNA结合，通过与转录因子相互作用来诱导目的基因转录，Smad7是抑制性Smad，抑制Smad2或Smad3磷酸化。
2.2 PI3K/AKT通路
PI3K/AKT通路是细胞中主要参与增殖、分化、凋亡等功能的重要通路，当受到胞外信号刺激后，PI3K的催化亚基将底物PIP2转变为PIP3，PIP3与细胞内信号蛋白AKT和PDK1结合，促使PDK1磷酸化AKT蛋白的Ser473和Thr308，进而完全活化通路。PTEN是通路的负性调控因子，可拮抗PI3K作用，有磷酸酶活性，使PI3K作用的底物发生去磷酸化，PIP3脱磷酸形成PIP2来阻断通路[13]。
PI3K/AKT通路是胶原代谢中重要的信号通路。研究[14]发现PI3K/AKT通路激活与Ⅰ型胶原蛋白增加有关，应用PI3K/AKT通路抑制剂可抑制Ⅰ型胶原蛋白增加。Yu等[15]研究发现，在结膜下注射miR-29b可以抑制PI3K/AKT通路，从而减少胶原沉积和抑制成纤维细胞增殖。王慧等[16]发现在大鼠肝星状细胞中应用硫化氢可以激活PI3K/AKT通路来增加Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白的表达。
2.3 MAPK通路
MAPK是细胞质与胞核联系的重要通路，在细胞生理过程中起重要调节作用。MAPK家族主要分为三大类：p38丝裂原活化蛋白激酶（p38）、细胞外信号调节激酶（ERK）和c-Jun氨基末端激酶（JNK）。MAPK级联反应中心环节主要由MAP3K、MAP2K和MAPK组成。当特异性刺激因素作用时，下游MAP3K激活，MAP2K的Ser/Thr残基磷酸化，活化的MAP2K磷酸化MAPK的Thr/Tyr位点，最大程度激活MAPK。
MAPK通路对胶原代谢有显著调节作用。研究[17]发现磷酸化的p38MAPK参与介导软骨细胞中MMP-13的合成，可导致Ⅱ型胶原降解。ERK通路由ERK1和ERK2组成，Ras/Raf/MEK/ERK是ERK通路的主要途径。研究[18]表明ERK通路与胶原代谢相关，丝氨酸蛋白酶抑制剂SERPINE2通过抑制ERK1/2通路和下游NF-κB转录因子来抑制MMP-13活性；Zhang等[19]报道在大鼠肺纤维化模型中，纤溶酶原激活抑制剂在抑制ERK1/2通路后，肺组织内Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白的表达明显下降；Huang等[20]抑制压力性尿失禁患者的原代阴道成纤维细胞ERK1/2通路后，发现阴道成纤维细胞分泌Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白的能力明显下降。
2.4Wnt信号通路
Wnt信号通路与细胞分化、生长、凋亡等过程有关，主要有Wnt/β-catenin、Wnt/Ca2+和Wnt/PCP 3条胞内转导途径，Wnt/β-catenin通路是最经典的信号通路。Wnt信号通路参与了人体肝、肺、肾等纤维化过程，有学者将β-catenin SiRNA转染至肝星状细胞发现Ⅰ、Ⅲ型胶原的合成明显下降[21]。He等[22]在梗阻肾模型中应用Wnt通路拮抗剂DKK-1发现Ⅰ、Ⅲ型胶原减少。MMP-13是Wnt/β-catenin信号传导通路的下游分子，能裂解Ⅱ型胶原，研究[23-24]发现β-catenin的过度表达会使软骨细胞中MMP-9、MMP-13基因表达明显增加，应用Wnt/β-catenin通路中关键蛋白LRP5的抑制剂能够使软骨细胞MMP-13的mRNA表达量明显下降。
2.5 NF-κB信号通路
NF-κB是一个转录因子蛋白家族，当其抑制因子I-κB磷酸化，失去与NF-κB结合的能力时释放出NF-κB，NF-κB激活后通过一系列级联放大反应调节基因转录。Makino等[25]发现抑制瘢痕成纤维细胞中NF-κB通路可有效减少Ⅰ型胶原积累。糖基化终产物AGE-RAGE 可通过NF-κB通路调节Ⅰ型胶原表达[26]。Wei等[27]抑制新生大鼠成纤维细胞NF-κB通路发现Ⅰ型胶原和CTGF的表达明显降低。研究[28]表明NF-κB在成骨细胞中还可通过增加β-catenin降解来抑制Wnt/β-catenin通路从而调节胶原代谢。
2.6其他
影响胶原代谢的因素很多，除了上述信号通路外，整合素和JAK/STAT等也参与胶原代谢。整合素（integrin）是表达在细胞表面的跨膜糖蛋白受体，可介导细胞与基质间的信号转导。有学者用低强度脉冲超声波作用于软骨细胞，可促进整合素βl的表达，进而诱导FAK磷酸化，并激活ERK1/2，p38信号通路，促进Ⅱ型胶原的合成[29]。研究[30]表明在单侧输尿管梗阻肾纤维化模型中，JAK/STAT通路介导MMP-2激活，起到抑制纤维化的保护作用。Wang等[31]发现用氯沙坦抑制JAK/STAT通路，可以下调TGF-β来改善心肌纤维化。研究[32]发现用IL-27抑制JAK/STAT通路可增加MMP-2、MMP-9，减少TIMP1表达来促进细胞外基质降解。
x子通道、细胞因子等也对胶原蛋白的代谢也起着重要作用。离子通道如Ca2+通道，Hwang 等[33]发现使用钙离子螯合剂来减少肿瘤细胞内钙离子能抑制MMP-9分泌；细胞因子如人类结缔组织生长因子（CTGF），有学者在体外培养成纤维细胞中发现，CTGF基因敲减可降低Ⅰ型胶原表达[34]；电流也能影响胶原代谢，有学者用20 μA，5 min低频电流作用于小鼠耳廓软骨，发现MMP-2活性明显改变[35]。
3 小结与展望
胶原代谢是由TGF-β/Smad、PI3K/Akt、MAPK、Wnt、NF-κB、整合素、JAK/STAT等多种信号转导通路参与的复杂生理过程，随着研究不断深入，目前还有更多信号通路如RhoA/ROCK、Notch、Hedgehog等被证实与胶原代谢关系密切。信号分子可以是多条通路的共同因子，也可激活或抑制其他信号通路的转导，因此各信号通路间并非互相独立，而是纵横交错、相互影响。虽然胶原代谢信号通路的具体机制还未完全阐明，但其代谢过程常由多条信号通路共同介导的。研究胶原代谢信号通路，不仅可以深入探讨胶原代谢相关疾病的病生过程，也为相关疾病的防治提供更可靠的干预靶点。
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（收稿日期：2016-11-29 本文辑：苏畅）
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