TAK1在骨骼肌质量调节中的新作用

TAK1信令概述。

TAK1（也称为MAP3K7）是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，最初被鉴定为MAPK激酶，是非经典TGF-β信号传导的下游激酶(32,33). 随后，发现TAK1也被高度激活，以调节下游信号的激活，以响应各种细胞因子、生长因子、脂多糖和环境应激(28,34,35). TAK1与TAK1-结合蛋白（TAB）1和TAB2或TAB3形成异源三聚体复合物，分别与TAK1的N-末端和C-末端结合(36). TAK1信号体的激活由E2连接酶UBC13/UEV1A催化的K63连接的多-泛素化反应触发，环指E3连接酶TNF受体相关因子（TRAF）2或TRAF6对促炎症刺激（如TNF-α）作出反应。TRAF6/UBC13/UEV1A对TAK1的K63连锁多泛素化是TNF-α刺激后的一个重要事件(37,38). 一旦TAK1被多泛素化，它在其激活环内的Thr187处自动磷酸化，然后在其他位点依次磷酸化，包括Thr184和Ser192(39,40). TAK1介导许多信号级联的激活，包括MKK4/7-JNK、MKK3/6-p38 MAPK和IκB激酶β（IKKβ）-NF-κB(34,41–43). 有趣的是，还有一个反馈控制回路，其中TAB1的结合诱导Thr180和Tyr182残基上p38αMAPK的自动磷酸化，从而抑制TAK1的激活。事实上，p38αMAPK的基因缺失或药理学抑制导致TAK1的过度激活，从而导致JNK和IKKβ的虚假激活(44–46). AMP-activated kinase（AMPK）激动剂和缺血也能激活TAK1，进而激活LKB1/AMPK通路，这是细胞能量水平的主要传感器(47). 细胞外基质蛋白与整合素受体和细胞内酪氨酸激酶结合，在伤口愈合过程中激活TAK1(48). 此外，Wnt配体通过刺激MAPK相关NEMO样激酶激活TAK1，TAK1下调由β-catenin和T细胞因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）转录因子介导的转录激活(49). 此外，TAK1参与Smad信号的调节(50–55)表明TAK1是各种途径中产生特定细胞反应的汇合点(图1).

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图1：

TAK1调节的各种信号通路的示意图。

刺激TNF受体（TNFRs）、IL-1β受体（IL1R）、Toll样受体（TLRs）、转化生长因子-β受体（TGF-βRs）或骨形态发生蛋白受体（BMPRs）导致各种衔接蛋白募集到其细胞质域。这将激活TAK1。来自整合素受体或酪氨酸激酶（RYK）样孤儿受体2（ROR2）的信号也会激活某些细胞类型中的TAK1。一旦激活，TAK1触发多个下游靶点的磷酸化和激活，从而激活ERK、JNK、p38 MAPK和典型NF-κB信号。TAK1导致SMAD1/5/8磷酸化，也可能导致SMAD2/3磷酸化。此外，TAK1通过NEMO样激酶（NLK）拮抗某些细胞类型中的β-连环蛋白信号传导。AMPK，AMP-活化蛋白激酶；细胞凋亡抑制蛋白cIAP；FAK，粘着斑激酶；IKK、IκB激酶；白细胞介素-1受体相关激酶；丝裂原活化蛋白激酶；MyD88，髓系分化初级反应88；NEMO、NF-κB必需调节剂；受体相互作用蛋白1；肿瘤坏死因子受体1相关死亡域蛋白；TRAF、TNF受体相关因子；Ub，泛素。

TAK1控制骨骼肌质量。

TAK1信号体在哺乳动物的发育中起着关键作用，这一发现证明了生殖系缺失Tak1型,表1，或选项卡2导致小鼠胚胎死亡(34,56). 使用组织特异性敲除小鼠的研究表明，TAK1调节适应性和先天性免疫反应、血管系统发育、角质形成细胞、造血细胞和肝细胞的存活以及软骨的形态发生、生长和维护(56–60). 因为TAK1是NF-κB和p38 MAPK的上游激活物，与肌肉萎缩有关(19,61,62)据推测，靶向灭活TAK1将改善骨骼肌质量。然而，使用成肌细胞或肌纤维特异性Cre系的小鼠种系肌肉特异性灭活TAK1并不成功，因为幼崽出生后不能存活24–48小时以上。重要的是，他莫昔芬诱导出生后小鼠TAK1失活导致严重的肌肉萎缩和后凸畸形的发展。与成年（4个月大）小鼠相比，幼年（6周）TAK1失活时，这种效果更为显著。全基因组转录组分析也显示许多生长因子以及粗丝和细丝蛋白的基因表达显著降低1塔卡-骨骼肌缺陷提示TAK1对成人骨骼肌的生长和维持是必需的(63). TAK1促生长作用的进一步验证来自以下发现：机械负荷增加了TAK1在其激活域内的磷酸化，以及其他肌肉质量的正向调节因子(63,64). TAK1是出生后肌肉生长所必需的，因为TAK1的诱导性失活可减缓成年小鼠过载诱导的肌纤维肥大(63).

最近的研究表明，通过肌肉内共同注射表达TAK1和TAB1的腺相关病毒（AAV）来强制激活TAK1，会导致肌纤维横截面积显著增加。有趣的是，在TAK1和TAB1过度表达的骨骼肌中，NF-κB亚单位p65、p38 MAPK和ERK 1/2的磷酸化显著增加。虽然TAK1与组织炎症和纤维化有关(35,65,66)TAK1和TAB1表达的骨骼肌中没有纤维化或任何其他明显表型的迹象。这可能是因为TAK1在没有任何炎症或损伤的骨骼肌中被激活。事实上，有报道表明NF-κB或p38 MAPK信号传导在生理条件下促进肌肉生长和体内平衡(67,68).

TAK1调节蛋白质合成。

骨骼肌生长需要蛋白质合成的净增加，这取决于肌肉纤维内的翻译效率（每单位RNA的蛋白质合成量）和翻译能力（核糖体总含量）(69–72). 翻译是通过真核启动因子eIF4E与mRNA链的5'帽结合而启动的。eIF4E和mRNA之间的相互作用导致eIF4G、eIF4A和eIF4B因子的招募，形成eIF4F，翻译前启动复合体，将核糖体40S亚单位招募到mRNA链。40S亚单位还包含eIF2-GTP-Met-tRNA复合物。这组蛋白质一起形成43S起始复合物，这是启动cap依赖性翻译的速率限制步骤(73). TAK1促进骨骼肌生长的潜在机制之一是通过增加蛋白质合成。TAK1失活可抑制小鼠骨骼肌和培养的原代肌管中的蛋白质合成，而强制激活TAK1可增强蛋白质合成(63,64). TAK1失活似乎不会影响翻译能力，因为核糖体生物发生的标记物在Tak1型-骨骼肌缺陷，这可能是一种补偿机制，以减轻蛋白质合成速率的抑制(63).

直到最近，mTOR被认为是蛋白质合成和肌肉生长的主要机制，它形成两种不同的蛋白质复合物，当与猛禽结合时形成对雷帕霉素敏感的mTORC1，而当与瑞帕霉素结合时形成不敏感的mTORC2(16,74,75). 激活的mTORC1磷酸化eIF4E-结合蛋白1（4E-BP1），导致其与翻译起始因子eIF4E从抑制复合物中释放，使eIF4E与eIF4G结合，从而促进eIF4F复合物的形成和cap依赖性翻译起始(2,16). 此外，mTORC1磷酸化p70核糖体蛋白S6（rpS6）激酶β-1（S6K1），该激酶β-1通过磷酸化rpS6蛋白（40S核糖体亚基的组成部分）刺激蛋白质合成(16). S6K1还导致真核生物延伸因子2（eEF2）激酶（eEF2K）的抑制性磷酸化，从而抑制eEF2磷酸化，允许蛋白质翻译延伸。S6K1还磷酸化eIF4B和eIF4G以诱导蛋白质翻译。生长因子和阻力运动激活雷帕霉素敏感的mTORC1信号，导致翻译启动，导致骨骼肌蛋白质合成净增加(74,76,77). 事实上，强制激活mTORC1足以诱导S6K1磷酸化并刺激骨骼肌正常活动的蛋白质合成(78,79). 有趣的是，最近的一些研究提供了证据，证明肌肉蛋白质合成，尤其是在抵抗力运动的后期，在很大程度上对雷帕霉素不敏感(80,81). 通过猛禽在骨骼肌中的诱导性缺失抑制mTORC1并不能阻止被动拉伸或慢性机械过载反应中蛋白质合成的增加，这表明mTORC1非依赖性机制也有助于机械刺激反应中的蛋白质合成(82).

哺乳动物细胞的蛋白质合成也通过ERK1/2和p38 MAPK的激活进行调节，后者通过磷酸化和激活p90核糖体S6激酶（RSKs）和MAPK相互作用激酶（MNKs）发挥作用(73). MNK1a和MNK2a通过eIF4G被招募到eIF4E，以磷酸化Ser209残基上的eIF4E，这可能对eIF4E-cap相互作用的稳定性和刺激选择性mRNA的翻译很重要(73,83). 有趣的是，虽然没有测量蛋白质合成，但野生型和非磷酸化eIF4E（S209A）敲除小鼠之间的肌肉肥大没有显著差异，这表明Ser209的eIF4E磷酸化可能对骨骼肌肥大是不必要的，这是对机械负荷的反应(84). ERK1/2还直接相互作用并磷酸化RSK。反过来，RSK磷酸化rpS6，从而提供mTOR/S6K非依赖性参与，将ERK1/2信号传导与mRNA翻译调控联系起来(73). RSK还直接调节eIF4B和eEF2K的磷酸化，以增强蛋白质翻译(85). 最后，RSK介导的磷酸化和GSK3β对Ser9的抑制激活了eIF2B，这是蛋白质合成的重要调节器(73,86)

TAK1促进蛋白质合成的信号机制仍然是个谜。虽然在正常肌肉中没有观察到明显的差异，但在14天的机械负荷下，跖肌中mTOR和4E-BP1蛋白的磷酸化降低1塔卡-基因敲除小鼠(63). 有趣的是，通过TAK1和TAB1的过度表达强制激活TAK1并不影响mTOR或S6K1的磷酸化，但会诱导rpS6磷酸化并增加骨骼肌中的蛋白质合成。此外，TAK1增加骨骼肌中ERK1/2、p38 MAPK、MNK1、eIF4E和RSK1蛋白的磷酸化。同样，TAK1和TAB1的过度表达刺激ERK1/2、MNK1、p90RSK、eIF4E和rpS6的磷酸化和蛋白质合成，而不影响培养的原代肌管中mTOR的磷酸化(64). 这些观察结果表明，TAK1介导的信号可能通过激活MAPK而增强蛋白质合成，并且与mTORC1介导的信息无关。或者，TAK1信号也可能与mTORC1协同刺激骨骼肌中的蛋白质合成。事实上，在某些条件下，已知ERK1/2通过磷酸化和灭活TSC2来激活mTORC1复合物(图2). 需要进一步研究以确定当mTORC1-rpS6轴受到抑制时TAK1信号是否有助于蛋白质合成。此外，强制激活TAK1是否足以诱导肌肉特异性猛禽基因敲除小鼠的蛋白质合成和肌肉肥大尚需研究。同样，确定mTORC1信号传导的激活是否能改善蛋白质合成并抑制成人肌肉特异性萎缩也将是一件有趣的事情塔卡1-击倒老鼠。

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图2：

TAK1在骨骼肌蛋白质合成中的潜在作用机制。

胰岛素或IGF-1刺激IGF-1受体招募PI3K。PI3K催化磷脂酰肌醇的转化(4,5)-二磷酸盐（PIP₂)变成磷脂酰肌醇(三,4,5)-三磷酸盐_三)结合蛋白激酶B（AKT）。AKT随后在苏氨酸308处被PDK1磷酸化，在丝氨酸473处被雷帕霉素复合物2（mTORC2）的哺乳动物靶点磷酸化，以实现完全激活。AKT磷酸化并抑制TSC2蛋白，从而激活雷帕霉素敏感的mTORC1复合物。机械刺激还通过直接激活mTORC1的二酰甘油激酶zeta（DGKξ）导致内源性磷脂酸（PA）合成。mTORC1通过磷酸化S6K1和4E-BP1蛋白刺激蛋白质合成。这允许eIF4E蛋白形成eIF4F复合物，并结合到翻译起始所需的mRNA的5'cap结构。eIF4E、eIF4B、rpS6和eEF2K是S6K1的下游底物，磷酸化用于翻译起始和延伸。IGF和其他生长因子和营养素也可以刺激Ras/Raf/MEK/ERKs级联的激活。ERK1/2磷酸化并激活p90核糖体S6激酶（RSKs），这有助于eEF2K和rpS6的磷酸化以进行蛋白质翻译。TSC2蛋白也被ERK1/2磷酸化。此外，ERK1/2和p38 MAPK磷酸化Mnk1，Mnk1反过来诱导eIF4E和eIF4B磷酸化，从而启动蛋白质翻译。生长因子、营养素或机械应激激活TAK1导致ERK/2和p38 MAPK磷酸化，通过激活RSKs和Mnk1刺激蛋白质合成。

虽然这些初步研究表明TAK1介导蛋白质合成，但它是否有助于机械负荷后骨骼肌蛋白质合成的早期或晚期，仍有待研究。确定TAK1是否刺激一般翻译或调节骨骼肌中的选择性蛋白质也很重要。此外，TAK1刺激骨骼肌蛋白质合成的信号机制需要进一步研究。通过定量质谱鉴定TAK1相互作用蛋白和TAK1调节的磷酸蛋白质组将有助于阐明TAK1促进骨骼肌内环境稳定和生长的潜在机制。

TAK1维持氧化还原平衡和线粒体健康。

骨骼肌产生几种活性氧（ROS），这些活性氧通过抗氧化机制进行平衡。然而，氧化剂种类的过度产生和/或抗氧化剂种类的抑制会破坏氧化还原内稳态，从而导致氧化应激。虽然活性氧在运动后的再生、修复和促进线粒体生物生成等生理过程中充当信号分子，但活性氧水平升高会因氧化损伤导致组织损伤(26,87). 的确，氧化应激激活了各种蛋白水解酶系统，从而导致肌肉无力和萎缩(1,8,88). 越来越多的证据也表明，线粒体在维持骨骼肌质量、收缩特性和代谢功能方面发挥着关键作用。线粒体动力学的中断（例如线粒体生物发生、融合、分裂或有丝分裂）或线粒体氧化磷酸化能力的降低已被发现在许多情况下是骨骼肌消耗的主要驱动因素(27).

先前的研究表明，TAK1失活会触发活性氧的产生，从而导致肾脏和肠上皮组织的炎症和损伤。此外，TAK1的缺失也会导致角质形成细胞和卫星干细胞的氧化应激(31,89–91). TAK1失活也会破坏氧化还原平衡，导致活性活性氧和骨骼肌中不可逆氧化（羰基化）蛋白质的积累(63,92). 氧化应激在肌肉无力和萎缩中的作用得到了水溶性抗氧化剂Trolox改善肌肉特异性肌肉质量和收缩功能的研究结果的支持1塔卡-基因敲除小鼠(92). TAK1失活也会增加成年小鼠骨骼肌中IIA型（快速氧化型）肌纤维的比例和线粒体含量。线粒体含量的增加可能归因于线粒体生物发生的增强，因为塔卡1-缺乏骨骼肌表明AMPK激活增加，PGC-1α水平升高，这是众所周知的促进线粒体生物发生的因素(63). 有趣的是，线粒体1塔卡-缺乏的骨骼肌增大，并发现含有脂质样内含物或空泡。此外，线粒体氧化能力显著降低，表明线粒体功能失调1塔卡-骨骼肌缺陷(63). 值得注意的是，具有空泡化的线粒体聚集是肌萎缩侧索硬化SOD1突变小鼠模型骨骼肌和运动神经元的特征，其中氧化应激在疾病进展中起主要作用(93). 在老年人的骨骼肌中一直观察到线粒体增大(三,94). 虽然线粒体是ROS产生的重要来源之一，但氧化应激升高会导致包括骨骼肌在内的许多细胞和组织的线粒体功能障碍。事实上，使用Trolox缓解氧化应激可提高小鼠骨骼肌线粒体的氧化磷酸化能力1塔卡-基因敲除小鼠(92).

核因子红细胞样2（NF-E2）相关因子2（Nrf2）转录因子调节抗氧化能力以维持哺乳动物细胞内氧化还原平衡(95). 在正常情况下，Nrf2被KEAP1（类Kelch ECH-associated protein 1）固定在细胞液中。KEAP1还诱导Nrf2降解。氧化应激后，KEAP1经历硫醇修饰，触发Nrf2的脱离和随后的核移位，从而增加抗氧化反应元件（ARE）基因的表达，提高细胞抗氧化能力(95). 据报道，TAK1诱导p62/Sequestome-1（SQSTM1）的磷酸化，从而增强p62/SQSTM1和Keap1的相互作用以及随后的Keap1降解(91). 虽然确切的机制尚不清楚，但很明显，TAK1的失活失调了Nrf2/KEAP1信号轴，导致KEAP1蛋白水平升高，Nrf2在细胞质中隔离，并导致氧化应激和肌肉萎缩(92).

TAK1对神经肌肉接头（NMJs）的调节。

NMJ是一种胆碱能突触，由运动神经末梢、表达乙酰胆碱受体（AChRs）的连接后肌膜区域和覆盖神经肌肉接触的末端施万细胞形成。神经末梢产生的乙酰胆碱与NMJ肌膜上的乙酰胆碱酯酶受体结合，启动自主肌肉收缩(96). NMJ完整性对于维持骨骼肌质量和健康至关重要(97). 在老年人和包括癌症在内的各种肌肉消瘦情况下，一直观察到神经末梢面积减少和突触后形态学变化。NMJ形态的这些显著变化导致肌肉萎缩和虚弱(17,98,99).

骨骼肌特异性中观察到许多特征，如肌纤维萎缩、后凸发育、线粒体增大和功能障碍堆积塔卡1-敲除小鼠表明TAK1的失活加速了衰老表型(63). 有趣的是，成年小鼠骨骼肌中TAK1的诱导性失活也会导致NMJ在突触后区域的紊乱。agrin-LRP4-MuSK信号与其他辅助分子一起支持NMJ的积累、模式化和形成。在发育过程中，神经支配神经分泌出一种特定的Agrin亚型，该亚型与发育中肌纤维中的肌肉特异性受体酪氨酸激酶（MuSK）相互作用。Agrin通过共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白4（Lrp4）、激酶-7下游（Dok-7）激活MuSK，Rapasyn介导AChR的积累和聚集。一旦发育过程中的突触接触建立，AChRs基因的转录仅限于肌肉纤维的突触区域，并受到积极抑制。然而，神经损伤、肌肉减少和失神经导致NMJ的紊乱并增加AChR的周转。bHLH转录因子myogenin与AChR和MuSK启动子的保守序列结合，并在失神经或突触阻滞后触发这些基因的转录(99). 有趣的是，肌生成素还通过增加MAFbx和MuRF1的基因表达介导失神经诱导的肌肉萎缩(100). NMJ的中断塔卡1-肌生成素、HDAC4、AChRs、Agrin、MuSK、Dok7和FoxO水平的增加也证明了失神经肌肉的特征(64). 虽然分子基础仍不太清楚，但逆行信号可能影响NMJ动力学。早期研究表明，突触前肌肉中蛋白质合成的抑制会导致突触前NMJ异常(101). 虽然mTOR在保护NMJ结构和神经支配方面起着关键作用，但mTORC1的持续激活会触发NMJ不稳定，其特征是轴突变薄和萌芽，突触后AChR密度降低，突触后因抑制自噬和线粒体功能障碍而导致的结构断裂(102,103). 与mTORC1类似，TAK1失活也会抑制蛋白质合成，导致大的功能失调线粒体的积聚。然而，TAK失活会刺激UPS和骨骼肌中的自噬。尽管尚未研究TAK1抑制的长期效应，但强制激活或抑制TAK1不会导致成年小鼠肌病(63,64).

衰老或神经退行性疾病期间观察到的氧化应激与线粒体功能障碍和自噬通量受损有关，导致NMJ不稳定和肌肉萎缩，令人联想到失神经(99). 如上所述，TAK1失活会在体内和体外引起骨骼肌的氧化应激。因此，氧化应激增加可能与Tak1型-肌肉缺陷是NMJ退化的原因之一。事实上，通过长期服用Trolox抑制氧化应激可以改善骨骼肌质量和肌肉特异性收缩功能1塔卡-基因敲除小鼠(92). 确定氧化应激抑制是否能提高NMJ在1塔卡-击倒老鼠。总之，这些初步研究支持TAK1信号在维持NMJ中的重要作用(图3).

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图3。

TAK1在骨骼肌中的作用机制。

TAK1诱导肌肉蛋白质合成、神经肌肉接头稳定性和氧化还原平衡。TAK1还限制泛素-蛋白酶体系统（UPS）的激活和自噬，防止线粒体功能障碍，以维持骨骼肌质量并促进肌肉生长。

TAK1抑制骨骼肌中的分解代谢信号。

肌肉质量的丧失包括肌原纤维蛋白的加速降解(1,5,8). 由于TAK1调节多种信号通路，在某些情况下，对促炎细胞因子或肿瘤衍生因子的反应中发生的TAK1过度刺激可能是肌肉萎缩的原因(19,104,105). 然而，使用遗传小鼠模型的研究表明，TAK1的生理水平可以阻止骨骼肌中的蛋白质分解。骨骼肌中20S蛋白酶体活性、UPS多组分水平和自噬增加塔卡1-敲除小鼠。TAK1失活会降低磷酸化p38MAPK的水平，但不会影响骨骼肌中典型NF-κB信号的激活。有趣的是，TAK1失活会在体内外骨骼肌中引起非规范NF-κB信号的显著激活(63). 研究发现，非标准NF-κB信号与线粒体生物发生以及废用期间的肌肉萎缩有关(19,106,107). While期间1塔卡-骨骼肌缺陷显示线粒体含量增加并伴随萎缩，目前尚不清楚其中一些影响是否由非规范NF-κB信号介导。

TAK1还调节参与肌肉蛋白水解的其他途径的激活。如上所述，TAK1的靶向失活导致NMJ不稳定和失神经。诱导各种E3泛素连接酶基因表达的FoxO转录因子是肌肉萎缩的一些最重要的介质(2,15). 此外，HDAC4和肌生成素构成另一个触发肌肉蛋白水解的主要信号轴，特别是在失神经肌肉中(1,8). 与失神经表型一致，1塔卡-骨骼肌缺陷显示FoxO3a、FoxO4、HDAC4和肌生成蛋白水平升高，E3泛素连接酶MAFbx、MuRF1和MUSA1的基因表达增加(64).

TAK1调节骨骼肌质量的另一个潜在机制是通过协调TGFβ和骨形态发生蛋白（BMP）信号通路的激活，这两个信号通路对肌肉质量的调节具有相反的作用激活Smad2/3转录因子，通过增加MAFbx和MuRF1的基因表达以及抑制蛋白质合成来刺激肌肉萎缩(1,18,108). 事实上，阻断Smad2/3介导的信号传导可防止骨骼肌在各种分解代谢条件下以及遗传性肌肉疾病中的消瘦(109,110). 相反，BMP配体激活Smad1/5/8信号轴，正向调节骨骼肌质量(18,110–112). 强制激活该通路足以诱导骨骼肌生长并减轻失神经诱导的肌肉萎缩(18,110,111). 因此，Smad2/3和Smad1/5/8信号之间的微妙平衡对于维持骨骼肌质量至关重要，TAK1失活导致小鼠骨骼肌中各种BMP和TGFβ家族配体和受体的基因表达显著增加，Smad2和Smad1/5/8的磷酸化增加(64). TAK1可能直接激活Smad1/5/8以防止肌肉质量的过度损失，特别是在对去神经支配的反应中。TAK1在失神经肌肉中与Smad1形成复合物，TAK1失活会加剧蛋白水解和失神经诱导的肌肉萎缩。事实上，重组BMP7或BMP13蛋白需要TAK1在培养的肌管中诱导Smad1/5/8磷酸化(64). 然而，目前尚不清楚TAK1是否直接磷酸化失神经肌肉中的Smad2/3。此外，TAK1在萎缩骨骼肌中Smad2/3的空间分布（细胞质与细胞核）中的作用值得进一步研究。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）向AK拨款AR059810和AR068313，向VAN拨款HL152108的部分支持。