微波(Microwave, MW)是指频率在300MHz~ 300GHz的电磁辐射, 是非电离辐射的一部分。微波在雷达、无线通讯、感应加热、医疗和科研等领域的应用十分广泛。以往研究表明微波辐射对生物体存在热效应(thermal effect)和非热效应(nonthermal effect)。随着微波技术的日新月异, 微波辐射已成为损伤人类健康的重要物理因素之一。生物体内的细胞信号转导(signal transduction)是受微波辐射影响的一个重要方面, 逐渐成为国内外学者关注的焦点。
1 相关的信号转导途径 1.1 G蛋白偶联受体信号转导途径G蛋白偶联受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体, 其胞浆部分首先与GTP结合蛋白(简称G蛋白)相互作用, 故称这类受体为G蛋白偶联受体。β1-肾上腺素能受体(β1-adrenergic receptor, β1-AR)和M2-胆碱能受体(M2-cholinergic receptor, M2- AchR)是两种G蛋白偶联受体。潘敏鸿等[1]采用平均功率密度为2 ~ 90 mW/cm2的微波辐射150只Wistar雄性大鼠, 研究辐射后大鼠心脏组织中β1-AR和M2-AchR的表达变化规律, 发现10mW/cm2以上的微波辐射后大鼠心肌细胞β1-AR表达增强, 3d达高峰, 14d逐渐恢复至正常水平, 于照射后1 d大鼠心肌细胞M2-AchR表达明显增强并达高峰, 14 d逐渐恢复至正常水平, 认为β1-AR和M2-AchR参与了高能微波辐射所致心脏损伤的病理生理过程。杨姝雅等[2]发现胸腺和淋巴结中有21个G蛋白偶联受体信号转导途径相关基因差异表达。Donato等[3]得到不同结论, 他们在用低功率微波辐射生肌细胞L6-C5时, 发现乙酰胆碱和抗利尿激素激活G蛋白偶联受体信号转导途径应没有发生变化。
1.2 PKC信号转导途径蛋白激酶C(protein kinaseC, PKC)信号转导途径即Ca-+磷脂依赖性蛋白激酶信号转导途径, 是以三磷酸肌醇(inositol triphosphate, IP3)和二脂酰甘油(diacylglycerol, DAG)为第二信使的信号转导途径, 又称为“双信使转导途径”, PKC的活化可增强特殊基因转录。低强度微波辐射对静止中性粒细胞(neutrophilicgranulocyte, NP)无影响, 却可对活化NP呼吸爆发产生的活性氧物质(reactiveoxygenspecies, ROS)有明显的正向调节作用[4]。ROS具有强氧化作用和细胞毒作用, 可以加强NP的吞噬作用, 特异性蛋白激酶C抑制剂可以消除微波辐射对其的作用, 表明微波是通过PKC信号转导途径调节NP功能的。Harvey等[5]应用频率为864.3MHz、功率为7W/kg的微波辐射鼠/人肥大细胞系(RBL-2H3/HMC -1), 每次20min, 每天3次, 持续7d, 再用聚丙烯凝胶电泳及蛋白质印迹(Western blot)检测PKC的定位, 发现细胞膜上免疫反应性PKC的含量增加, 伴有细胞质中PKC含量下降。
1.3 JAK/STAT信号转导途径近年来, Janus激酶/信号转导与转录激因子(janus activated kinase/signal transducers and activators of transcription, JAK/STAT)信号传导途径在中枢神经系统(central nervous system, CNS)中可能发挥着重要作用, 在中枢神经损伤过程中如脑缺血、脑外伤时, JAK/STAT信号转导途径相关蛋白质表达及磷酸化水平明显升高, 且与胶质细胞活化的程度呈显著正相关, 并直接参与调节小胶质细胞的活化过程及其功能。杨学森等[6]研究发现, 微波辐射后海马脑区Jak家族成员出现差别激活, Jak1、Jak2、Jak3在微波辐射诱导的小胶质细胞活化中可能具有不同的作用。Jak1可能主要与小胶质细胞的继发性激活有关, Jak2可能主要参与诱导急性期的反应。而Jak3的变化趋势与小胶质细胞活化时相不完全一致, 其发挥的具体功能尚不明确。
1.4 MAPK信号转导途径有丝分裂素激活蛋白激酶类(mitrogen-activated protein kinases, MAPK)信号转导途径包括细胞外调节蛋白激酶(extracellular signal regulataed kinases, ERK1/2), C-Jun氨基末端激酶/应激激活蛋白激酶类(C-Jun N-terminal kinases/stress activates protein kinase, JNK/ SAPK)和P38 MAPK三条途径。研究表明ERK1/2信号转导途径主要对细胞的生长, 分裂和分化信号进行传导, 而JNK/ SAPK信号转导途径和P38 MAPK信号转导途径主要对炎症细胞因子和多种类型的细胞应激信号进行传导。Ras/Raf/MEK/ ERK是MAPK信号转导途径中研究最为活跃也是最为重要的信号传导途径之一。MEK即MAPKK, ras和raf是原癌基因, 分别编码C蛋白和丝氨酸激酶, Ras蛋白是上游分子, Raf蛋白起桥梁的作用。Caraglia等[7]采用1.95GHz微波辐射人皮肤癌细胞KB 3h, 发现KB细胞的凋亡呈现时间依赖性, 辐射后3h 45%的KB细胞发生凋亡。同时检测到热休克蛋白HSP90表达降低, ras和raf-1减少了2.5倍, 并激活ERK1/2, 由此认为微波辐射可影响Ras/Raf/MEK/ERK信号转导途径, 并最终引起细胞凋亡。此外, Pacini等[8]使用900MHz、0.6W/kg连续波辐射人类皮肤成纤维细胞lh, 发现P38 MAPK表达增加。Leszozynski等[9]用900MHz、2W/kg连续波辐射人内皮细胞EA hy926, 发现P38 MAPK表达增高, 认为MAPK依赖的细胞信号抑制凋亡。Inoue等[10]采用2.45 GHz微波照射药物过敏症细胞系PC12m3, 结果表明PC12m3细胞生存主要依赖P38 MAPK信号转导途径。Yang等[11]采用抗磷酸化形式的ERK, JNK/ SAPK, P38 MAPK抗体, 进行蛋白质印迹(Western blot), 动态观察微波辐射后大鼠海马神经细胞这三种蛋白质磷酸化情况, 发现微波辐射可使海马神经细胞3条MAPK信号转导途径出现差别激活, 并且微波辐射导致的海马神经损伤可能是通过MAPK信号转导途径的差别激活实现的。杨姝雅等[2]采用基因芯片检测发现胸腺和淋巴结中有9个MAPK信号转导途径相关基因差异表达。
1.5 核转录因子(NF-κB)信号转导途径核转录因子NF- κB是一类关键性的核转录因子, 它与免疫细胞的活化、T和B淋巴细胞的发育, 应激性反应, 细胞凋亡等多种细胞活动有关。Natarajan等[12]首次观察了微波辐射对核转录因子NF-κB活性的影响。选用8.2GHz的高功率脉冲波, 辐射培养的单核细胞Mono-Mac-6, 37℃条件下连续辐射90min后继续培养4h, 采用凝胶迁移率分析法检测细胞核提取物, 发现辐射组NF- κB的DNA结合活性是对照值的3.6倍, 表明微波辐射可以激活NF-κB活性。
1.6 GluR信号转导途径谷氨酸受体(Glutanicacidreceptor, GluR)分为两类:一类为离子型受体, 包括:N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-asparticacidreceptor, NMDAR)、海藻酸受体(kainateacidreceptor, KAR)和α-氨基-3-羟基- 5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5- methyl-4-isoxazole propionic acid receptor, AMPAR), 它们与离子通道偶联, 形成受体通道复合物, 介导快信号传递; 另一类属于代谢型受体, 它与膜内G-蛋白偶联, 这些受体被激活后通过G-蛋白效应酶、脑内第二信使等组成的信号转导途径起作用, 产生较缓慢的生理反应。Pabst等[13]微波低温照射沙鼠松果体, 使用mGluR2/3和mGluR5抗体双重萤光免疫组化法检测, 发现GluR表达增强, 认为松果体通过GluR信号转导途径发挥细胞内信号转导作用。隋建峰等[14]用5 ~ 20mW/cm2脉冲微波辐射孕鼠后, 10、20mW/cm2组子代成鼠NMDAR信号转导途径的活动性降低, 表现为通道电导下降, 开放时程缩短, 开放概率降低等, 进而影响突触传递长时程增强(long-term potentiation, , LTP)的产生过程, 导致记忆获得和保持障碍。赵黎等[15]采用大鼠寡聚核苷酸芯片对30mW/cm2微波辐射后大鼠海马差异表达基因进行筛选, 发现如钙结合蛋白calb2、突触蛋白syn1、热休克蛋白HSP70和立早蛋白egr2参与NMDAR信号转导途径, 表明微波辐射可能作用于突触, 影响神经递质的释放, 并通过NMDAR信号转导途径影响学习记忆过程。
2 信号转导途径之间的相互联系信号转导途径并不是完全孤立的, 有些信号转导途径之间可以相互交联对话(cross talk), 共同协调机体的生命活动。杨姝雅等[2]发现在微波辐射下G蛋白偶联受体信号转导途径、MAPK信号转导途径、Wnt信号转导途径同时有不同的基因差异表达。Lee等[16]采用克隆存活法分析研究了PKC与辐射敏感性的关系, 报道PKC-δ过表达能激活ERK1/2活性, 但并不会改变其他PKC亚型(PKC-α, -β1, -ε, -ζ), 提示PKC-δ可能通过ERK1/2的激活来增加辐射诱导的凋亡和辐射敏感性。Inoue等[10]发现微波照射下PC12m3在增强P38 MAPK信号转导途径同时也激活cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element bound protein, CREB)启动cAMP-蛋白激酶信号转导途径。说明微波辐射条件下, 信号转导途径之间的交联对话是错综复杂的网络。目前, 仍有部分信号转导途径, 如Ca-+CaM信号转导途径、PKG信号转导途径、TGP-β信号转导途径等还没有进行研究, 各个信号转导途径之间的联系及机制还不明确, 相信这方面研究的进展将对人们的生活带来更大的进步。
| [1] |
潘敏鸿, 彭瑞云, 高亚兵, 等. 高功率微波辐射后大鼠心脏β 1肾上腺素能受体和M2胆碱能受体表达的变化[J]. 中华劳动卫生职业病杂志, 2005, 23(3): 172-174. DOI:10.3760/cma.j.issn.1001-9391.2005.03.005 |
| [2] |
杨姝雅, 张天许, 崔玉芳, 等. 高功率微波辐射对大鼠免疫组织基因表达的影响[J]. 中国临床康复, 2006, 10(29): 132-137. DOI:10.3321/j.issn:1673-8225.2006.29.055 |
| [3] |
Donato A, Ceci P, Cannav A, et al. Low power microwave interaction with phospholipase C and D signal transduction pathways in myogenic cells[J]. Cell Biol Int, 2004, 28(10): 683-688. DOI:10.1016/j.cellbi.2004.06.005 |
| [4] |
Donnellan M, Mckenzie DR, French PW. Effects of exposure to electromagnetic radiation at 835 MHz on growth, morphology and secretory characteristics of a mast cell analogue, RBL-2H3[J]. Cell Biol Int, 1997, 21(7): 427-439. DOI:10.1006/cbir.1997.0162 |
| [5] |
Harvey C, French PW. Effects of protein kinase C and gene expression in a human mast cell line MHC-1, following microwave exposure[J]. Cell Biology International, 1999, 23(11): 739-748. DOI:10.1006/cbir.1999.0436 |
| [6] |
杨学森, 陈纯海, 郝玉通, 等. 微波辐射致大鼠小胶质细胞活化与JAKs磷酸化[J]. 中国公共卫生, 2008, 24(4): 456-458. DOI:10.3321/j.issn:1001-0580.2008.04.039 |
| [7] |
Caraglia M, Marra M, Mancielli F, et al. Electromagnetic fields at mobile phone frequency induce apoptosis and inactivation of the multi-chaperone complex in human epidermoid cancer cells[J]. J Cell Physiol, 2005, 204(2): 539-548. DOI:10.1002/(ISSN)1097-4652 |
| [8] |
Pacini S, Puggiero M, Sardi I, et al. Exposure to global system for mobile communication (GSM) cellular phone radiofrequency altersgy of human skin fibroblasts[J]. Oncol Res, 2002, 13: 19-24. DOI:10.3727/096504002108747926 |
| [9] |
Leszozynski D, Joenvaara S, expression RE, proliferation and morpholo IVINEN J, et al. Non-thermal activation of the hsp27/p38 MAPK stress pathway by mobile phone radiation in human endothelial cells:molecular mechanism forcancer-and blood-brain barrier-related effects[J]. Differentiation, 2002, 70(3): 120-129. |
| [10] |
Inoue S, Motoda H, Koike Y, et al. Microwave irradiation induces neurite outgrowth in PC12m3 cells via the p38 mitogen-activated protein kinase pathway[J]. Neurosci Lett, 2008, 432(1): 35-39. DOI:10.1016/j.neulet.2007.12.002 |
| [11] |
Yang XS, Gong QF, Zhang GB, et al. Differentiate activation of MAPK conductive gateway in hippocampus damages induced by microwave irradiation in rat[J]. Chinese Journal Of Clinical Rehabilitation, 2004, 8(4): 772-773. |
| [12] |
Natarajan M, Jayalaxmi V, Szilaygi M, et al. NF-κB DNA-binding activity after high paek power pulsed microwave(8. 2GHz) exposure of normal human monocytes[J]. Bioelectromagnetics, 2002, 23(4): 271-277. DOI:10.1002/(ISSN)1521-186X |
| [13] |
Pabst H, Redecker P. Interstitial glial cells of the gerbil pineal gland display immunoreactivity for the metabotropic glutamate receptorsm GluR2/3 andm GluR5[J]. Brain Res, 1999, 838(1-2): 60-68. DOI:10.1016/S0006-8993(99)01703-5 |
| [14] |
隋建华, 吴宗耀, 熊鹰, 等. 脉冲微波孕期辐射致仔鼠海马神经元N-甲基-D-天冬氨酸受体通道的变化[J]. 中华理疗杂志, 2000, 23(3): 150-152. |
| [15] |
赵黎, 彭瑞云, 高亚兵, 等. 微波辐射后大鼠海马差异表达基因筛选[J]. 中国公共卫生, 2007, 23(10): 1153-1155. |
| [16] |
Lee YJ, Soh JW, Dean NM, et al. Protein kinase Cdelta overexpression enhances radiation sensitivity via extracellular regulated proteinkinase 1/2 activation, abolishing the radiation-induced G(2)-Marrest[J]. Cell Growth Differ, 2002, 13(5): 237-246. |