TAK1 在肝脏炎症性损伤中的研究进展

王天宇，邱涛，陈忠宝，马枭雄，邹寄林，张龙，周江桥，郑树森

（武汉大学人民医院器官移植科，湖北 武汉 430060）

炎症是生命活动过程中各种生理和病理现象的基础，它是由各种有害刺激引发的适应性反应过程。炎症也通常被认为是一种具有机体自我修复、维持体内平衡和保护组织功能的天然机制。持续刺激和慢性损伤均可引起肝脏炎症，寻找炎症过程中的关键分子将为肝脏炎症性疾病提供潜在的治疗靶点。肝脏炎症损伤可导致异常肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）信号被激活，它可导致下游核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号通路过度激活，进而放大细胞的炎症反应。转化生长因子-β 激活激酶1（transforming growth factorβ-activated kinase 1，TAK1）已被证明在介导信号转导和NF-κB 信号通路、丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路的活化中起着关键作用，同时，TAK1 也参与免疫应答、组织损伤修复、细胞死亡等过程。本文旨在阐述TAK1 在肝脏炎症损伤中的调控机制与研究进展，以期为改善肝脏炎症损伤提供理论依据。

1 TAK1 的分子结构和功能

TAK1 是丝裂原活化蛋白激酶（MAP3K）家族成员之一［1］，由丝氨酸和苏氨酸组成，TAK1 被认为是NF-κB 和MAPK 信号通路级联反应中常见的上游分子，它可通过泛素化和磷酸化介导下游信号通路的激活［2］，TAK1 已被证明参与炎症、增殖、细胞代谢、细胞凋亡、肿瘤进展等生命活动［3］，它能够与Toll 样受体（toll-like receptors，TLR）、白细胞介素（interleukin，IL）-1、TGF-β、TNF-α 结合而被激活，刺激NF-κB 和JNK 信号通路，是该通路中的关键分子［4］。NF-κB 信号通路的激活有助于降低活性氧（reactive oxygen species，ROS）导致的肝细胞炎症。

TAK1 的N 末端包含转化生长因子β 活化激酶结合蛋白1 （transforming growth factor β-activated kinase 1 binding protein 1，TAB1）结合区和激酶结构域，在C 末端包含TAB2 / TAB3 结合结构域。生理状态下TAK1 与TAB1、TAB2 和TAB3 结合形成复合物［5］。除了可以被TGF-β 受体信号传导激活外，TAK1 还可被IL-1R、TNF-αR 和TLR 等传导的信号激活［6-7］。上述细胞信号通过肿瘤坏死因子受体相关因子1（tumor necrosis factor receptor-associated factor1，TRAF1）和TRAF6 活化TAK1，进而激活下游的c-jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）/ P38MAPK 或NF-κB，最终影响细胞炎症、凋亡和坏死［8-11］。

TAK1 在细胞受到IL-1 或TNF-α 刺激后数分钟内即可被激活达到高峰，十余分钟后恢复至正常水平，这种瞬时激活、快速失活的特点有利于刺激炎症反应的快速活化，同时避免炎症反应的过度和长期化［12-13］。TAK1 在活化过程中一些关键氨基酸残基位点的磷酸化和去磷酸化对其激酶的活性至关重要，如Thr-178、Thr-184、Thr-187 和Ser-192［14-16］。在炎症因子刺激后，TAK1 的Thr-187 和Ser-192 发生自磷酸化，然后与TAB2 和TAB3 结合［14，17］。 活化后TAK1 通过MKK7 和MKK4 激活JNK，通过MKK6 和MKK3 激活P38［18-19］。同时，激活的TAK1 可以使IκB 激酶（inhibitor kappa B kinase，IKK）复合体活性增加，IKK 的亚基IKKα 和IKKβ 磷酸化IκB 蛋白氨基末端的两个丝氨酸残基，导致其泛素化并被蛋白酶体降解，最后使NF-κB 蛋白易位到细胞核，控制免疫和炎症反应的基因表达［20］。TAK1 的激活不仅受到磷酸化调节，还受到泛素化的调节，TAB2 和TAB3 通过两个不同的结合位点结合相邻的泛素部分［21］。此外，TAK1 在激活过程中也存在泛素化，但这些位点如Lys-158 尚存在一定争议［22］。既往认为TAB1对TAK1 的活化至关重要，可以促进TAK1 激活环内Thr-187、Thr-192 和Ser-1 残基的磷酸化［14，23］。但最新的研究对这种看法提出了质疑，Bertelsen 等［24］的研究显示，TAB1 在TAK1 调节中不具有关键性作用，TAB1 对促炎信号通路的不同影响可能和TAK1无关。除了激活调节，TAK1 的快速失活调节同样值得关注。在TAK1 激活后，Thr-187 被蛋白磷酸化酶6（protein phosphatase 6，PP6）去磷酸化，使TAK1 失活［13］。此外，E3 连接酶Itch 和去泛素酶Cyld 复合体的组合活性将TAK1 泛素化从K63 连接转变为K48 连接链，从而触发TAK1 的蛋白酶体降解，终止下游的NF-κB 和JNK 信号通路激活［25］。

通过条件性TAK1 敲除小鼠模型，研究发现TAK1 对于TLR、IL-1R、TNF-αR 和BCR 细胞反应和激活JNK 和/或NF-κB 的信号通路至关重要［26］。这说明TAK1 在细胞生存、炎症、凋亡和免疫应答中具有重要作用。TAK1 可以通过半胱天冬酶8-活化复合物（RIP1-FADD-capse 8）和坏死性凋亡细胞死亡复合物（RIP1-RIP3-FADD）调节细胞死亡，抑制TAK1 促进了RIP1 的磷酸化和活化，诱导细胞死亡［27］。已有研究显示，热休克蛋白27（heat shock protein 27，HSP27）磷酸化后促进了TNF-α诱导的TAK1 泛素化和磷酸化，以及p38 和ERK 的激活，从而拮抗HeLa 细胞凋亡［28］。POPX2 可以与TAK1 结合，从而使TAK1 去磷酸化，进而阻碍TAK1-IKK-NF-κB 轴的促生存、抗凋亡作用［29］。Wang 等［30］发现泛素特异性蛋白酶10（ubiquitinspecifc protease 10，USP10）可以与TAK1 直接结合，抑制其活化，从而下调了NF-κB 和JNK 活化，减轻炎症和细胞死亡。一些选择性ATP 竞争性mTOR 激酶抑制剂如PP242 和NVP-BEZ235 可以抑制TAK1-JNK/NF-κB 信号轴，从而阻碍肾细胞癌的进展［31］。

2 肝脏常见的炎症损伤类型

临床中导致肝脏炎症性损伤的因素众多，其中生物因素、物理化学因素尤为关键。常见的生物因素有肝炎病毒感染、细菌感染和寄生虫感染，常见的物理化学因素包括药物、放化疗、大量饮酒、胆汁淤积等。在器官移植领域中，最受关注的是肝脏缺血/再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury，IRI）。不管是何种原因导致的肝细胞损、细胞损伤后炎症和免疫系统的激活是肝脏炎性损伤的主要环节［32］。如果对肝脏的炎症损伤不加以干预，炎性病变可能进一步进展，导致肝脏的纤维化。

2.1 肝脏缺血/再灌注损伤：肝脏缺血/再灌注损伤是创伤、肝移植中常见的病理生理过程，当肝脏血流部分或完全中断时，氧气供应中断，随后重建血流和氧气供应，是肝IRI 过程的特征［33-34］，缺血/再灌注会加重缺血引起的细胞损伤，严重影响移植后肝脏功能恢复。目前，影响肝移植中IRI 的细胞和分子机制众多。涉及多种细胞类型，其中包括肝窦内皮细胞、肝细胞、库普弗细胞、中性粒细胞和血小板，通过相互连接的分子途径网络起作用，例如Toll 样受体信号传导的激活、ROS 的产生、自噬的调节和缺氧诱导因子的激活［35-37］。值得关注的是，肝脏IRI 中的细胞和分子事件可能与肝移植中IRI 的临床危险因素相关，例如供体器官脂肪变性，缺血时间、供体年龄以及供体和受体凝血疾病［38］。因此，了解肝脏IRI 的临床危险因素与控制它的细胞和分子机制的关系对于肝移植后肝脏功能的恢复至关重要［39］。这反过来将有助于发现肝移植中IRI 的治疗方法。肝脏IRI 可迅速导致急性炎症反应，进一步导致严重的肝细胞损伤和器官功能障碍。包括血清转氨酶水平中度升高、肝切除术后功能不全，或肝移植后原发性无功能或初始移植功能不佳。在极端情况下，可能会发生多器官衰竭和死亡。更准确地说，在肝移植中，高达10%的早期移植失败是由IRI引起的，急性和慢性移植排斥反应的发生率更高，增加了再次移植或者患者死亡的风险［40］。

2.2 病毒性肝炎损伤：病毒性肝炎是造成肝脏炎症的重要因素之一，根据病毒的不同，主要分成甲型、乙型、丙型、丁型、戊型肝炎。在欧美国家，主要的流行种类是丙型肝炎，在中国，以乙型肝炎最为多见。先天免疫系统通常被认为是对抗病原体的第一道防线，主要是非特异性防御，包括促炎因子、干扰素和NK 细胞来控制吞噬病毒。适应性免疫在清除急性肝炎病毒感染中起着至关重要的作用。一般来说，CD8+T 细胞通过识别感染细胞上的短病毒表位选择性地消除病毒感染细胞，而病毒特异性CD8+T 细胞是天然肝炎病毒控制的组成部分［41］。无法产生这种初始免疫反应的患者无法清除病毒并进展为慢性肝炎。慢性肝炎感染的免疫学特征包括特异性CD8+T 细胞数量和功能缺陷以及B 细胞功能下降［42-43］。鉴于CD8+T 细胞在清除急性病毒感染中的关键作用，增加CD8+T 细胞的数量和功能在治疗开发中具有极大的意义。

2.3 酒精性肝炎损伤：酒精性肝病的发病机制涉及多种因素，包括酒精及其代谢产物引起的肝细胞损伤、胆汁淤积、肠道衍生的促炎危险信号募集和激活先天免疫细胞、库普弗细胞以及肝脏中募集的巨噬细胞和中性粒细胞［44-45］。在长期过量饮酒期间，这些因素的永久存在会触发无效的抗炎途径，并导致肝脏中星状细胞和肌成纤维细胞的激活，从而导致纤维化和酒精性肝硬化。急性酗酒和长期过量饮酒导致肝脂肪变性，其特征是肝细胞中脂肪堆积。研究表明，缺氧诱导因子 1 （hypoxia inducible factor-1，HIF-1） 和脂肪酸代谢调节因子等关键转录因子受肝细胞中酒精的影响，从而导致脂肪变性。这些包括抑制PPARα 和上调ADRP（增殖细胞分化相关蛋白，也称为perilipin-2），这是一种稳定肝细胞中脂滴的蛋白质［46］。研究还表明，酒精会导致肝细胞凋亡途径的损伤和激活。酒精诱导的内质网应激激活导致干扰素调节因子3（interferon regulatory factor，IRF3）的磷酸化，其与线粒体凋亡途径相互作用并激活线粒体凋亡途径［47］。受损的肝细胞释放损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP），这些分子模式被肝脏中的免疫细胞识别为导致促炎反应的“危险”信号。其中一些危险信号包括尿酸和ATP，在酒精性肝病动物模型中抑制这些途径可改善肝损伤、脂肪变性和炎症［48］。

3 肝细胞中对TAK1 的调控影响肝脏炎症损伤进程

非酒精性脂肪性肝病是慢性肝病最常见的原因，如没有得到有效治疗，其往往会发展非酒精性脂肪性肝炎，进而可能导致肝细胞癌和一系列代谢紊乱。TAK1 在这个过程中，发挥着重要作用，TAK1 的磷酸化激活依赖于其本身的泛素化调节，所以泛素化与去泛素化在调控TAK1 的激活中起着重要作用。去泛素化酶，如USP4、USP18、DUSP7、DUSP26、CYLD 能与TAK1 直接结合并去泛素化，阻断TAK1 磷酸化，并抑制其激活以及随后的JNK/p38 途径和NF-κB 途径的激活，从而减轻肝脏脂肪变性和代谢紊乱［49-53］，而具有泛素化作用的酶，如TRIM8、TRAF3、TRAF6 则能作用于TAK1 导致TAK1 的泛素化和磷酸化，激活下游信号通路，加重肝脏损伤［54-56］。Liu 等［57］研究发现，TNIP3 能与TAK1 相互作用，并通过其AHD1 结构域阻断其下游信号传导，该过程能阻断TRIM8 与TAK1 的结合介导的TAK1 激活。TIPE2 也能类似地阻止TRAF6 介导的TAK1 泛素化，从而抑制TAK1的磷酸化及随后的JNK/p38 信号的激活［58］。此外，RGS5、SWAP70 则能够与TAK1 直接结合，阻断TAK1 的磷酸化，从而保护肝脏损伤，而STEAP3则能直接促进TAK1 磷酸化［59-61］。TRIM16 能够催化泛素介导的pTAK1 降解，Nlrp6 通过溶酶体依赖途径促进了TAK1 结合蛋白TAB2/3 的降解，阻断下游信号通路［62-63］。另外，药物如Breviscapine、Liensinine 可以通过抑制TAK1，起到保护肝脏的作用［64-65］。

TAK1 在肝缺血/再灌注损伤中也发挥着重要作用，与非酒精性脂肪性肝病中类似，去泛素化酶，USP4、USP10、USP29、DUSP14 在肝I/R 中表达降低，这些分子能介导TAK1 去泛素化，抑制TAK1-JNK/p38 信号通路的激活，而发挥保护作用［66-69］，而TRAF3、TRIM8 则能促进TAK1 的泛素化和磷酸化，增强下游NF-κB和JNK途径的激活［70-71］。然而，TRIM27 则是能够促进TAB2/3 的泛素化降解，从而抑制TAK1-JNK/p38 信号通路，发挥保护作用［72］。此外，RGS14、CREG 则是通过抑制TAK1 磷酸化，而STEAP3 则是促进TAK1 的磷酸化［73-74］。

在乙型肝炎中，抑制或沉默肝细胞系中内源性的TAK1导致HBV复制、转录和抗原表达上调，相反，TAK1 的过表达显著抑制了HBV 的复制，这个过程与JNK 通路激活密切相关［75］。乙型肝炎表面抗原（hapatitis B surface antigen，HBsAg）与TAK1 和TAB2 特异性相互作用，抑制TAK1 的磷酸化和多泛素化，以及TAB2 的K63 链式多泛素化，有趣的是HBsAg 还通过与TAK1 和TAB2 形成复合物促进了TAK1 和TAB2 的自噬降解，从而抑制NF-κB 通路［76］。此外，乙型肝炎病毒蛋白x（hepatitis B virus x protein，HBx）通过TRAF2/TAK1 信号通路激活NF-κB，导致IL-10 表达上调，进而导致外周血白细胞的迁移，从而导致肝脏的免疫病理损伤［77］。

4 肝脏非实质细胞参与肝脏损伤的进程

肝脏巨噬细胞，也叫库普弗细胞，在肝脏损伤中发挥重要作用。在脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）诱导的肝脏损伤中，LPS 能够被TLR4 识别，从而刺激TRAF6 泛素化，而TRAF6 泛素化能够介导TAK1 磷酸化激活下游信号通路，导致肝脏损伤，药物吡啶基亚甲基苯并噻吩能够阻断TRAF6 泛素化，从而减轻小鼠免受肝损伤相关的出血和死亡［56］。Zhong 等［78］发现Fe2+能够促进TRAF6 的多泛素化，进而介导TAK1 的激活，从而促进了肝巨噬细胞的M1 活化。黄酮类药物Fisetin、槲皮素则是能够直接抑制TAK1 的磷酸化，显著减轻肝脏损伤［79-80］。当正常肝细胞受损时，邻近肝细胞和库普弗细胞会分泌多种炎症介质和细胞因子，可通过旁分泌激活肝星状细胞，而激活的肝星状细胞在自分泌和旁分泌的双重调节下进一步激活，肝星状细胞的增殖、活化以及分化为肌成纤维细胞是肝纤维化的重要环节［81-82］。因此，有效抑制活化和肝脏炎症可能会减缓甚至阻断肝纤维化的发展。Wang 等［83］发现在肝星状细胞中TGF-β 通过增加了NLRP3 炎症小体信号的启动，通过增加NLRP3 水平和激活NF-κB 信号传导，炎症小体介导的纤维化。五味子A 可以抑制TGF-β1 介导的TAK1/MAPK 信号通路抑制肝星状细胞的激活和炎症反应，改善肝纤维化［84］。此外，低浓度青藤碱抑制TNF-α 刺激的NF-κB 核转位以及TAK1 和JNK 磷酸化，抑制TNF-α 诱导的 HSC 活化，起到抗肝纤维化功能［85］。

5 总 结

肝脏炎症是导致肝脏功能障碍的重要原因，其中炎症、肝细胞凋亡以及持续的肝脏炎症损伤修复扮演关键角色。TAK1 作为细胞生存、炎症、凋亡和免疫应答的中枢调控者，在改善肝脏炎症损伤中发挥关键作用，通过阐述TAK1 在肝脏炎症损伤过程中主要的发生发展机制，干预调控TAK1 的生物学功能，为寻找肝脏炎症性损伤的潜在治疗靶点提供研究基础和理论依据。