综述：DUSP家族磷酸酶在细胞信号传导、炎症及慢性疾病中的作用

《Journal of Biomedical Science》：DUSP family phosphatases in cell signaling, inflammation, and chronic diseases

　　

双特异性磷酸酶（DSP）家族的多个成员（DUSP1–29）是丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）的关键调节因子，调控众多生理反应。其中八个DUSPs也被称为MAPK磷酸酶（MKPs）。DUSP的失调参与了多种人类炎症和慢性疾病的发病机制。DUSP1、DUSP3、DUSP11和DUSP22的下调，以及DUSP4、DUSP6和DUSP23的上调参与人类自身免疫性疾病。除自身免疫性疾病外，DUSP1、DUSP2和DUSP14的减少以及DUSP8的诱导促进了过敏性疾病的发病机制。此外，DUSP2、DUSP11、DUSP22和DUSP28水平的降低与人类炎症性肠病相关。而且，10种DUSPs的缺失以及DUSP4的诱导与代谢疾病相关。5种DUSPs的下调参与心血管疾病的发病机制；相反，其他5种DUSPs的上调与心血管疾病相关。总之，失调的DUSPs可能成为炎症性疾病的诊断生物标志物和治疗靶点。由于DUSPs复杂的表达模式，研究其在各种炎症和慢性疾病中单个DUSPs的调节机制至关重要。本综述总结了DUSPs在人类炎症和慢性疾病中的作用及调节机制，并讨论了DUSP激动剂/抑制剂在人类炎症和慢性疾病中的潜在治疗应用。

背景

双特异性磷酸酶（DSP）家族属于基于半胱氨酸的I类蛋白酪氨酸磷酸酶（PTPs），含有保守的PTP特征活性基序C-X₅-R。值得注意的是，双特异性磷酸酶亚群缩写为DUSP。除了去磷酸化酪氨酸残基外，DSPs还能去磷酸化丝氨酸/苏氨酸残基，这归因于其比经典PTPs更宽且更浅的催化口袋。例如，PTP1B包含一个9–10 ?深的催化口袋，而MKP（典型DUSP）DUSP6包含一个5.5 ?深的催化口袋。人类DSP家族包含63种磷酸酶，分为7个亚群，包括10个MKPs（典型DUSPs）、20个非典型DUSPs、3个PRLs、4个CDC14s、8个PTEN样磷酸酶、3个Slingshots（SSHs）和15个肌管素（MTMs）。MKPs（典型DUSPs）和非典型DUSPs的分类基于是否存在MAPK相互作用基序（KIM）。rhodanese结构域是CDC25催化结构域的同系物；它存在于所有MKPs（典型DUSPs）和一个非典型DUSP（DUSP24）中。KIM仅存在于MKPs（典型DUSPs）的rhodanese结构域中，而不存在于DUSP24中。KIM的作用是促进MAPK募集并将MAPK的磷酸化残基引导至MKPs的磷酸酶催化口袋。在这10个MKPs（典型DUSPs）和20个非典型DUSPs中，26个成员被命名为DUSPs，除了4个非典型DUSPs（PTPMT1、Laforin、RNGTT和STYX）。所有10个MKPs（典型DUSPs）通过去磷酸化MAPKs细胞外调节激酶（ERK）、c-Jun N-末端激酶（JNK）和/或p38亚群的激酶结构域中的T-X-Y基序来下调和失活MAPK通路。值得注意的是，在20个缺乏KIM的非典型DUSPs中，DUSP3、DUSP14和DUSP23仍然可以直接去磷酸化一种或多种MAPKs，而其他17个非典型DUSPs已知不能直接去磷酸化MAPKs。除了去磷酸化MAPKs，DUSPs（如DUSP6、DUSP8、DUSP14和DUSP22）还去磷酸化非MAPK底物。总之，DUSPs可以靶向各种底物并调节多种生物学通路。

MKPs（典型DUSPs）和非典型DUSPs包含一个具有3个保守环的磷酸酶结构域：D-loop、磷酸结合loop（P-loop）和N-loop。N-loop与P-loop和D-loop合作形成氢键网络，维持DUSP催化口袋处于催化有利构象。DUSP催化口袋包含3个保守的催化残基：D-loop中的天冬氨酸（除DUSP23、RNGTT和DUSP11外）、P-loop中的半胱氨酸（除假磷酸酶DUSP24、DUSP27和STYX外）和P-loop中的精氨酸。去磷酸化过程可分为两个步骤：磷酸根去除步骤和水解步骤。在磷酸根去除步骤（步骤1）中，P-loop亲核半胱氨酸（未质子化）通过攻击磷原子打破磷酸基团上的磷-氧键，形成半胱氨酸-磷酸中间体。同时，D-loop天冬氨酸（质子化）将质子捐赠给底物的氧原子，促进磷酸基团的去除和去磷酸化底物的释放。此外，P-loop精氨酸残基通过形成盐桥（氢键和离子键的结合）相互作用稳定底物磷酸基团，随后稳定半胱氨酸-磷酸中间体。在随后的水解步骤（步骤2）中，未质子化的D-loop天冬氨酸激活水分子并从水分子中提取质子。激活的水分子促进半胱氨酸-磷酸中间体的水解，导致磷酸氢根的释放，DUSP催化口袋恢复到原始状态。体外结合和晶体结构分析表明，大多数DUSPs（除DUSP2、DUSP6、DUSP7、DUSP9、DUSP24和DSUP29外）包含一个相邻口袋，与催化口袋协同作用以与MAPKs的双磷酸化T-X-Y基序相互作用。具体而言，DUSP3的催化口袋和相邻口袋分别同时结合p38的11-a.a.双磷酸化底物肽的苏氨酸和酪氨酸残基。DUSP16 N-loop中的F-X-F基序直接与JNK相互作用，对JNK的去磷酸化至关重要。除了催化残基（天冬氨酸、半胱氨酸和精氨酸）外，MKPs（典型DUSPs）磷酸酶结构域中的保守酪氨酸残基（如DUSP10 Tyr435和DUSP16 Tyr271）或苯丙氨酸残基是催化活性和MAPK结合的关键变构位点。有趣的是，比对结果显示，MKPs（典型DUSPs）中发现的变构位点酪氨酸或苯丙氨酸残基以及F-X-F基序在非典型DUSPs中并不保守。研究非典型DUSPs中的比对残基/基序是否为潜在的变构位点或F-X-F样基序将是很有趣的。

DUSP的表达和激活受基因变异、转录调控和翻译后修饰的调节。DUSPs参与多种人类炎症和慢性疾病的发病机制，包括自身免疫性疾病、过敏性疾病、炎症性肠病（IBDs）、代谢性疾病、心血管疾病和癌症。本综述全面介绍了DUSPs（包括MKPs和非典型DUSPs）在人类炎症和慢性疾病中的作用。

DUSPs在自身免疫性疾病细胞信号传导中的作用

自身免疫性疾病是由B细胞、T细胞和巨噬细胞失调引起的慢性炎症性和不可治愈的疾病，导致过度活跃的炎症反应造成多器官损伤。DUSPs（包括DUSP1、DUSP2、DUSP3、DUSP4、DUSP5、DUSP6、DUSP7、DUSP11、DUSP12、DUSP14、DUSP16、DUSP22和DUSP23）在自身免疫性疾病（如类风湿性关节炎（RA）、系统性红斑狼疮（SLE）和强直性脊柱炎（AS））的发病机制中起重要作用。

DUSP1 (MKP1, PTPN10)

DUSP1通过去磷酸化ERK、JNK和p38作为MAPKs的负调节因子。DUSP1敲除（KO）小鼠在脂多糖（LPS）刺激下表现出促炎细胞因子IL-10和TNF-α的增加。使用DUSP1缺陷骨髓嵌合体小鼠的实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）模型症状加剧，表明DUSP1下调可能涉及自身免疫反应。与此一致，进展型多发性硬化症患者脑白质组织中DUSP1 mRNA和蛋白水平较非多发性硬化症个体降低。此外，DUSP1 KO小鼠在胶原诱导性关节炎（CIA）诱导期间表现出加速的关节炎症状。DUSP1 mRNA和蛋白水平在RA患者的原代成纤维样滑膜细胞中受促炎刺激（如IL-1β和TNF-α）诱导，导致ERK、JNK和p38激活的抑制。数据表明DUSP1通过抑制巨噬细胞、破骨细胞和滑膜细胞的活化来减弱RA的发病机制。DUSP1 mRNA和蛋白水平在LPS刺激的HaCaT角质形成细胞和银屑病患者的间充质干细胞及皮肤组织中降低。DUSP1过表达使HaCaT角质形成细胞在增殖因子刺激下失活ERK-Elk1-Egr1通路，导致角质形成细胞凋亡。肾小球肾炎患者的转录组分析显示，与健康对照组相比，患者肾小管间质组织中DUSP1 mRNA水平降低。免疫组化染色显示肾小球肾炎患者肾小管间质组织中ERK和p38的磷酸化水平增加。DUSP1过表达降低了人原代肾小管上皮细胞中TNF-α诱导的p38、ERK和JNK的激活。这些结果表明DUSP1下调有助于银屑病和肾小球肾炎的发病机制。

DUSP2 (PAC1)

DUSP2是一种典型的DUSP，在体外可去磷酸化ERK和p38。DUSP2还去磷酸化转录因子STAT3的Tyr705和Ser727残基，导致STAT3失活并随后抑制Th17分化。狼疮性肾炎（LN）患者肾组织中DUSP2 mRNA和蛋白水平较健康个体降低。一致地，通过腺相关病毒（AAV）转导在MRL/lpr LN小鼠中过表达DUSP2可减轻肾炎症状，包括蛋白尿、血尿素氮（BUN）和肾脏病理特征。DUSP2过表达降低了MRL/lpr LN小鼠血清和肾组织中促炎细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β的水平，减少了肾组织中STAT3的激活和COX2的表达。这些发现表明DUSP2可能通过其抑制STAT3激活来预防自身免疫性LN。有趣的是，DUSP2 mRNA水平在源自脐带血的肥大细胞以及活化的B细胞、T细胞、肥大细胞和嗜酸性粒细胞系中大大增加。与体外DUSP2对ERK/p38的失活作用不同，在活化的小鼠巨噬细胞和肥大细胞中，DUSP2 KO导致ERK和p38激活减少。DUSP2 KO小鼠对致关节炎血清K/BxN诱导的关节炎具有抵抗力。这些结果表明DUSP2可能促进巨噬细胞/肥大细胞介导的关节炎。

DUSP3 (VHR)

DUSP3是一种非典型DUSP，不含KIM，但仍显示出针对MAPKs的磷酸酶活性。DUSP3特异性地去磷酸化T细胞在TCR信号传导下的MAPKs ERK和JNK，但不作用于p38。此外，DUSP3抑制Jurkat T细胞中TCR诱导的NFAT和AP-1激活。此外，DUSP3缺陷小鼠表现出M2巨噬细胞增加和对LPS诱导的感染性休克的抵抗。这些发现表明DUSP3有助于T细胞和巨噬细胞介导的免疫反应。有趣的是，RA患者表现出携带miR-1246的高密度脂蛋白（HDL）增加，该miRNA靶向DUSP3的3'-非翻译区（3'-UTR）。来自RA患者的HDL触发人THP-1巨噬细胞中DUSP3 mRNA水平下调和IL-6 mRNA水平上调。数据表明DUSP3下调可能导致RA患者的巨噬细胞介导的炎症。

DUSP4 (MKP2)

DUSP4（也称为MAPK磷酸酶2，MKP2）被归类为典型DUSP，主要在细胞核中表达。DUSP4在体外去磷酸化MAPKs ERK和p38。DUSP4 KO小鼠的肝组织和LPS刺激的原代巨噬细胞中p38和JNK的激活受到诱导。DUSP4缺陷的小鼠巨噬细胞导致ERK过度激活和促炎细胞因子过量产生，导致铜绿假单胞菌诱导的细菌性肺炎过度进展。ERK和DUSP4之间存在负反馈回路。ERK磷酸化并诱导DUSP4的稳定和激活；激活的DUSP4随后去磷酸化并抑制ERK。DUSP4还通过STAT5抑制IL-2的产生和T细胞增殖。DUSP4过表达导致人T细胞中IL-2 mRNA水平降低。相反，DUSP4缺陷小鼠显示T细胞中STAT5磷酸化和IL-2产生的增强，导致CD4⁺T细胞过度增殖。DUSP4 mRNA水平在强直性脊柱炎（AS）或青少年发病的SLE患者外周血T细胞中较健康个体升高。DUSP4 mRNA水平与人Th1和Th17细胞中转录因子CREMα的mRNA水平呈正相关。染色质免疫沉淀试验数据表明，CREMα和组蛋白乙酰转移酶p300结合到Jurkat T细胞的DUSP4启动子区域。数据表明CREMα募集p300到DUSP4启动子区域，诱导SLE T细胞中DUSP4的转录。

DUSP5 (VH3)

DUSP5蛋白在Cos-1细胞中被激酶ERK在Thr321、Ser346和Ser376残基磷酸化；在三种ERK介导的磷酸化残基中，Thr321磷酸化维持DUSP5蛋白稳定性。磷酸化和稳定的DUSP5随后去磷酸化并失活ERK。通过电穿孔在小鼠中过表达DUSP5可减轻CIA诱导。DUSP5过表达降低了症状小鼠踝关节组织中IL-1β、IL-6、TNF-α、ERK和STAT3的蛋白水平。此外，在CIA诱导期间，DUSP5过表达小鼠脾脏中Th17细胞百分比降低，Treg百分比增加。相反，DUSP5 siRNA敲低增加了症状小鼠脾脏中的Th17群体和STAT3激活。此外，DUSP5 mRNA水平在AS患者外周血T细胞中增加。这些发现表明DUSP5使STAT3失活并抑制Th17群体，从而导致自身免疫性疾病的抑制，如RA。

DUSP6 (MKP3)

DUSP6（也称为MAPK磷酸酶3，MKP3）去磷酸化并使ERK失活。ERK反过来在Ser159和Ser197残基磷酸化DUSP6，导致DUSP6蛋白的泛素蛋白酶体降解。DUSP6转录由FGF信号传导中的ERK反应性转录因子Ets1/2促进。DUSP6还参与抑制小鼠滤泡辅助T（T_FH）细胞增殖。DUSP6 mRNA水平与AS患者中的TNF-α mRNA水平呈正相关。除AS外，DUSP6还参与自身免疫性关节炎小鼠模型的诱导。DUSP6 KO小鼠对来自K/BxN小鼠的血清转移诱导的关节炎表现出抵抗力。此外，症状性DUSP6 KO小鼠显示血清IL-10水平和产生IL-10的T和B细胞增加。DUSP6/IL-10双KO（dKO）消除了DUSP6缺陷的保护作用，表明DUSP6缺陷的保护是由于IL-10信号传导。总之，DUSP6可能通过抑制小鼠IL-10的产生来促进关节炎的发病机制。研究这种机制是否适用于RA或AS患者将是有趣的。

DUSP7 (PYST2)

DUSP7（也称为PYST2）去磷酸化并使ERK2失活。DUSP7过表达导致ERK去磷酸化和染色体错位。相反，DUSP7敲低导致有丝分裂延长。此外，DUSP7去磷酸化并使常规蛋白激酶C亚型失活，阻止减数分裂恢复。DUSP7 mRNA水平在RA患者外周血T细胞中降低；相反，DUSP7 mRNA水平在AS患者外周血T细胞中增加。这些发现暗示DUSP7可能参与自身免疫性疾病；然而，DUSP7和染色体失调在自身免疫性疾病发病机制中的作用仍有待阐明。

DUSP11 (PIR1)

DUSP11（也称为与RNA/RNP复合物1相互作用的磷酸酶，PIR1）显示出对RNA和蛋白的高亲和力。DUSP11去磷酸化5'-三磷酸的miRNAs并增强miRNA的稳定性。在LPS刺激下，DUSP11直接去磷酸化并抑制巨噬细胞中的TGF-β激活激酶1（TAK1），导致促炎细胞因子产生的抑制。DUSP11缺陷小鼠显示血清促炎细胞因子水平增加和LPS诱导的内毒素休克增强。这些发现表明DUSP11通过抑制TAK1来抑制巨噬细胞介导的炎症。值得注意的是，RA患者血清中抗DUSP11和抗PTX3自身抗体水平较健康个体或其他自身免疫性疾病患者增加。此外，两种自身抗体的诱导与RA患者的疾病活动度呈正相关。因此，抗DUSP11和抗PTX3自身抗体是人类RA的潜在诊断生物标志物。目前尚不清楚抗DUSP11自身抗体促进RA是否在某种程度上涉及阻断DUSP11在巨噬细胞介导的炎症中的抑制功能。

DUSP12 (YVH1)

DUSP12（也称为酵母VH1相关磷酸酶，YVH1）是一种非典型DUSP。DUSP12在促进细胞周期进程和防止细胞凋亡中起重要作用。DUSP12过表达增加G₂/M期细胞群体，而DUSP12敲低增加G₀/G₁期细胞群体和细胞衰老。使用8名多重自身免疫综合征（MAS）患者、4名干燥综合征（SS）患者和38名健康个体的DNA样本进行的全外显子组测序分析显示，一个DUSP12变异体在两名MAS患者中被诱导，但在健康个体中未发现。此外，这两名MAS患者无论携带DUSP12基因变异纯合还是杂合均表现为RA和SS表型。该DUSP12变异体rs781449881导致Pro81残基变为Arg；该残基位于DUSP12的磷酸酶结构域中。这种变异可能通过将不带电荷的脯氨酸转变为带正电荷的精氨酸来抑制DUSP12磷酸酶活性，从而促进人类自身免疫。这些发现表明DUSP12可能在预防自身免疫性疾病中起重要作用。

DUSP14 (MKP6)

DUSP14（也称为MAPK磷酸酶6，MKP6）是TCR信号的负调节因子，去磷酸化并使ERK和JNK失活。DUSP14磷酸酶活性由PRMT5介导的Arg17、Arg38和Arg45残基甲基化以及随后的TRAF2介导的Lys103残基K63连接泛素化诱导。相反，在人原代T细胞中过表达显性阴性DUSP14突变体诱导ERK和JNK的激活。一致地，DUSP14缺陷小鼠显示T细胞活化和增殖增强。除靶向ERK外，DUSP14通过去磷酸化其Ser438残基直接使TAB1失活，抑制TCR刺激下人Jurkat T细胞中TAK1及下游JNK/IKK的激活。此外，在EAE诱导期间，DUSP14缺陷小鼠显示IL-17A和IFN-γ血清水平增加，以及与野生型小鼠相比更严重的瘫痪。人全血样本的转录组荟萃分析数据显示，DUSP14基因表达在轴向脊柱关节炎/AS患者中下调。相反，DUSP14 mRNA水平在AS患者外周T细胞中诱导并与TNF-α水平相关。这些结果表明DUSP14在T细胞介导的自身免疫反应中被诱导；然而，DUSP14在人类AS发病机制中的作用尚需阐明。

DUSP16 (MKP7)

DUSP16（也称为MAPK磷酸酶7，MKP7）是一种典型的DUSP。DUSP16特异性地去磷酸化并使非洲绿猴COS-7细胞和小鼠T细胞中的MAPK JNK失活。相反，DUSP16被MAPK ERK在Ser446残基磷酸化，阻止DUSP16泛素化和蛋白酶体降解。稳定后的DUSP16结合JNK相互作用蛋白-1（JIP-1），导致JNK失活。除JNK外，DUSP16适度降低小鼠CD4⁺T细胞中ERK的酪氨酸磷酸化。DUSP16缺陷导致小鼠CD4⁺T细胞中Th17分化减少但IL-2产生增加。值得注意的是，DUSP16缺陷导致的Th17分化减少不能被抑制JNK所逆转。DUSP16缺陷（基因捕获）小鼠对Th17介导的EAE诱导具有抵抗力，表明DUSP16在Th17介导的自身免疫反应中起积极作用。矛盾的是，小鼠树突状细胞中DUSP16敲低导致抗原呈递能力升高，导致从实验性自身免疫性葡萄膜炎小鼠中分离的Th17细胞增殖增加。DUSP16 3'-UTR在小鼠树突状细胞中受miR-338-3p靶向，导致DUSP16 mRNA水平下调。数据表明DUSP16抑制树突状细胞介导的Th17免疫反应。总之，DUSP16在Th1、Th17和树突状细胞分化中的内在作用很复杂，需要使用条件性敲除（cKO）小鼠进一步研究。DUSP16在人类自身免疫性疾病中的作用仍有待验证。

DUSP22 (JKAP, JSP1)

DUSP22（也称为JNK通路相关磷酸酶，JKAP或JNK刺激磷酸酶-1，JSP1）通过两条不同的途径抑制TCR信号传导，抑制Lck活性。在TCR信号传导开启（起始）阶段，E3泛素连接酶UBR2被未知的丝氨酸/苏氨酸激酶在Ser1694和Tyr1697残基磷酸化。磷酸化的UBR2与Lck相互作用并诱导Lck在Lys99/Lys276残基发生K63连接泛素化，导致Lck Tyr394自磷酸化和随后的T细胞激活。在TCR信号传导关闭（激活后）阶段，DUSP22去磷酸化Lck Tyr394，导致Lck失活和T细胞受体信号传导的终止。此外，DUSP22去磷酸化并失活转录因子NFATc1和NF-κB p65，抑制它们向细胞核的易位。DUSP22缺陷小鼠显示T细胞过度活化、自身抗体产生增加以及对EAE诱导的易感性增强。转录组分析显示，DUSP22 mRNA水平在AS患者外周血T细胞中较健康对照组显著降低。此外，DUSP22 mRNA水平与AS患者的BASDAI评分呈负相关。