半乳糖凝集素1對神經的保護作用

羅茗刈

(三峽大學第一臨床醫(yī)學院骨科，湖北 宜昌 443003)

趙紅衛(wèi)，陳海丹

(三峽大學第一臨床醫(yī)學院 三峽大學脊柱醫(yī)學與創(chuàng)傷研究所 宜昌市中心人民醫(yī)院骨二科，湖北 宜昌 443003)

Galectin-1是半乳糖凝集素家族成員之一，結構簡單，功能多樣。目前研究表明Galectin-1參與人體許多生理過程，如發(fā)揮抗炎癥作用、免疫調節(jié)功能、阻止細胞的凋亡、促進和抗粘附的作用、細胞與細胞外基質和其他細胞間連接的作用及神經保護作用等。許多研究小組對神經保護作用進行了大量研究，目前的研究表明，在神經系統(tǒng)發(fā)育的整個階段，Galectin-1廣泛分布于神經系統(tǒng)，參與神經系統(tǒng)的發(fā)育；Galectin-1有利于成體神經性疾病的預后，促進神經損傷后的保護。關于Galectin-1對神經保護作用的機制提出過5種假說：①Galectin-1直接促進神經軸突的再生；②Galectin-1促進了施旺細胞在神經損傷后的遷移；③Galectin-1通過結合到細胞表面受體而激活并聚集巨噬細胞或小膠質細胞到損傷部位，進行神經保護；④Galectin-1通過加速已壞死軸突破壞而間接促進神經的再生；⑤Galectin-1通過與反應性星形細胞的協同作用而保護神經。隨著Galectin-1神經保護作用及其機制的研究，Galectin-1有望為神經損傷性疾病提供新的治療策略。

1 Galectin-1的生物學特點

Galectin-1是一種分子量為14.5kD的內源性糖結合蛋白，其結構簡單，原型結構中只有一個糖類識別結構域，但常以二聚體形式存在，也能以氧化的狀態(tài)存在。Galectin-1的每種形式都有不同的生物學活性，還原型Galectin-1具有凝集素活性，引起神經元凋亡變性；相反，氧化型的Galectin-1沒有碳水化合物結合活性，但能促進外周神經元及軸突的再生[1]。但也有文獻報道還原型Galectin-1在小鼠的嗅覺系統(tǒng)中也能促進神經生長[2]。Miura研究小組報道了一種缺乏6個氨基末端殘基的Galectin-1，在氧化和還原狀態(tài)都能夠促進軸突末端再生和糖結合作用[3]。

2 Galectin-1在神經系統(tǒng)的表達及其作用

在哺乳動物胚胎中，中樞和周圍神經系統(tǒng)均有Galectin-1的表達。有研究顯示Galectin-1參與小鼠嗅球神經網絡的形成[2]。在向成體期過渡階段內，Galectin-1也在背根神經節(jié)發(fā)出的感覺神經元中表達[4]。在感覺神經元完成胚胎期的有絲分裂并向神經管背角延伸階段內，也有Galectin-1的表達[5]。Galectin-1在各種神經元及非神經元細胞中觀察到，如舌下神經、外展神經、眼球運動神經、滑車神經、三叉神經、面部神經施旺細胞、脈絡膜叢、松果體[5-6]?？梢姡珿alectin-1與神經系統(tǒng)存在著緊密的聯系。

3 Galectin-1在神經損傷后的表達和作用

在神經性疾病方面，對于肌萎縮性側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)，給予Galectin-1治療后，改善了疾病的發(fā)作、預后及運動功能[7]。對于多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)和實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)模型，Galectin-1也能顯著改善病變[8]。

在周圍神經中，氧化型Galectin-1能夠促進神經樹突的生長以及軸突的再生，如促進橫斷的坐骨神經生長[9]。研究表明，Galectin-1在體外環(huán)境下能夠促進神經干細胞的增殖，如前腦室管膜下區(qū)域(the subventricular zone，SVZ)[10]，這促進了Galectin-1在中樞神經系統(tǒng)表達和作用的研究。研究表明，人重組Galectin-1能促進脊髓損傷后脊髓內成熟神經細胞的分裂[8,11]。

4 Galectin-1對神經保護作用的機制

總體來說，Galectin-1對神經保護作用的機制假說主要分兩類：Galectin-1的直接作用和間接作用。有趣的是，Starossom研究組與曾提出過Galectin-1直接保護神經假說的作者Horie研究組通過實驗證實：Galectin-1在體外環(huán)境下并不能促進離體神經元軸突再生[8-9]，這表明Galectin-1可能是通過體內環(huán)境中軸突附近的其它細胞來發(fā)揮作用的?，F就比較清楚的機制作如下介紹。

4.1 與小膠質細胞的相互作用

小膠質細胞是中樞神經系統(tǒng)中固有的巨噬細胞，與外周抗原遞呈細胞完全不同。小膠質細胞對中樞神經系統(tǒng)微環(huán)境進行持續(xù)免疫監(jiān)視，并維持中樞神經系統(tǒng)的穩(wěn)定、平衡。在靜止期，小膠質細胞表達少量CD45和極微量的MHC classⅠ和Ⅱ、CD80、CD86和CD40。但是，小膠質細胞一旦被炎癥刺激因子激活，小膠質細胞就會上調表達CD45、MHC和共刺激分子，加強吞噬作用，并刺激Th1和Th2的增殖。小膠質細胞通過不同途徑能分化成不同亞群：經典途徑激活的小膠質細胞(classically activated microglia,M1)和旁路途徑激活的小膠質細胞(alternatively activated microglia,M2)；M1被認為有神經破壞作用，因為它們的數量與MS中軸突破壞的范圍和實驗性自身免疫性腦脊髓炎中神經元功能障礙成正相關[12]；M2卻被認為有神經保護作用而促進神經修復[13]。

Starossom研究組[8]證明了Galectin-1是小膠質細胞活化的關鍵調節(jié)劑：抑制M1的活化，上調M2的表型。Galectin-1抑制M1、上調M2，主要是通過激活p38-MAPK(mitogen-activated protein kinase p38)、CREB(cAMP response element binding)和NF-Kb(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells)信號通路，進一步抑制了上游促炎因子，如一氧化氮合酶、干擾素、CCL2趨化因子等，從而抑制炎癥反應介導的神經損傷，起到神經保護作用。另外，Galectin-1結合于CD45的O聚糖核心(一種磷酸酶，能轉導M1活化的抑制信號)，促進糖蛋白保持在小膠質細胞表面，并加強了他的磷酸化活性，抑制M1的活性。Galectin-1與糖相互作用可能捕獲細胞表面的糖蛋白受體，從而阻止細胞被吞噬，因此阻止了神經退行性變，促進神經保護作用。進一步，在Galectin-1表達基因敲出模型中，與野生模型相比，可觀察到炎癥介導的神經變性損傷更為顯著；而體內應用外源性Galectin-1顯著地減弱了EAE的嚴重性。這一研究表明，在炎癥相關神經退行性變中，靶向性應用Galectin-1可能成為一種新的治療方法。

4.2 與巨噬細胞的相互作用

對游離的背根神經節(jié)細胞，如神經元細胞、施旺細胞、巨噬細胞應用熒光標記的氧化型Galectin-1，只有在巨噬細胞表面才可見清楚的熒光標記，表明氧化型Galectin-1只與巨噬細胞相結合[9]。

巨噬細胞表達神經營養(yǎng)因子、特異性受體、各種細胞因子、黏附分子和細胞外基質分子。在體外使用背根神經節(jié)移植模型，Shuto研究組[14]已經證實了各種神經營養(yǎng)因子(NGF，IGF-I，IGF-II，CNTF)和細胞因子(IL-1，IL-6)促進軸突再生。

Horie研究組[9]以坐骨神經損傷為例，研究Galectin-1促周圍神經生長：在損傷后，血液中單核細胞迅速流入損傷區(qū)而變成巨噬細胞。然后，坐骨神經殘端內的軸突在損傷部位被封閉，并開始形成生長圓錐。從這些軸突的生長圓錐分泌還原型Galectin-1。一部分Galectin-1分子結合了細胞表面的β糖苷鍵，但另外部分擺脫了碳水化合物而進入細胞外空間。損傷的軸突和施旺細胞失去了物質滲透的膜調節(jié)功能，允許細胞內的Galectin-1進入細胞外。還原型的Galectin-1在細胞外很快變成氧化形式，形成三個二硫鍵結合的化合物，導致凝集素特性的喪失；氧化型Galectin-1被認為促進施旺細胞遷移和有助于軸突再生。氧化型Galectin-1結合到巨噬細胞表明的特異性受體上，啟動了巨噬細胞內級聯信號傳導，導致分泌多種因子促進軸突生長及施旺細胞遷移。最后，促進了神經再生。

Gaudet研究組[15]也證實：無論外周神經損傷與否，Galectin-1都能夠促進巨噬細胞的聚集，巨噬細胞不僅可以分泌各種因子直接作用于損傷神經，同時也能清除各種變性軸突或髓磷脂殘骸，所以Galectin-1不僅能作用于損傷的神經元，也能營造友好的軸突再生環(huán)境，促進軸突再生。

Echigo研究組[16]在上述研究的基礎上作了進一步探索：氧化型Galectin-1除通過直接誘導RT4-D6P2T施旺細胞遷移外，也能通過巨噬細胞釋放的各種因子激活MEK/ERK1/2信號通路作用于施旺細胞，間接誘導RT4-D6P2T施旺細胞遷移而促進軸突生長；氧化型Galectin-1能夠調節(jié)RAW264.7巨噬細胞內的絡氨酸磷酸化酶活性，從而抑制RAW264.7巨噬細胞內的一氧化氮合酶的活性，減少損傷及γ干擾素誘導NO的產生，阻止了NO促炎癥反應對軸突再生的副作用，起到神經保護作用。

4.3 與星形細胞的相互作用

Han研究組[11]的研究顯示：共聚焦實驗顯示，在脊髓損傷后，Galcctin-1與反應性星形膠質細胞存在共定位，表明兩者具有高度的親和性；脊髓損傷動物實驗中給予Galectin-1后，星形膠質細胞增殖明顯，證明Galectin-1對星形膠質細胞具有某種特殊作用；外源性Galectin-1卻不能改善星形膠質細胞缺陷模型運動功能；Galectin-1可能保護星形膠質細胞并動員和加速反應性星形膠質細胞向損傷中心區(qū)域的遷移?？梢?，Galectin-1對神經保護調節(jié)作用是通過星形膠質細胞來發(fā)揮的。

有研究表明，Galectin-1間接通過星形膠質細胞促進腦源性生長因子(BDNF)的產生，并對神經元存活、分化及突觸塑形發(fā)揮作用[17]。Galectin-1誘導星形膠質細胞釋放如IL-6等各種因子，這些因子能夠調節(jié)脊髓損傷后的免疫反應，并促進未成熟神經膠質細胞向著星形系方向分化[18]。脊髓損傷后，星形膠質細胞能夠釋放神經調節(jié)素，促進神經膠質前體細胞的進一步分化[19]。反應性星形膠質細胞能夠增加神經前體細胞促進因子的表達，如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)[20]。

脊髓損傷后，反應性星形膠質細胞能夠保護神經元和少突膠質細胞，而改善損傷后的運動功能，主要是星形膠質細胞限制了炎性細胞侵潤損傷區(qū)域，修復受損的血腦(脊髓)屏障(the blood brain/spinal cord barrier,BB(S)B)[21]。對于神經元和少突膠質細胞的保護作用，也可通過阻斷谷氨酸鹽受體，防止損傷后谷氨酸鹽在細胞外基質(ECM)內的聚積，抑制細胞毒性物質的損害作用，從而改善損傷后的運動功能[22]。

5 問題和展望

隨著研究的深入，對Galectin-1結構及神經保護作用的了解越來越多，大量的研究對Galectin-1提供了不同的視角，但仍有一些問題尚未解決。如Galectin-1的神經保護作用是否存在廣泛性，Galectin-1是通過什么確切機制來發(fā)揮的神經保護作用，以及Galectin-1氨基酸空間結構在神經保護作用中發(fā)揮了什么具體作用；外源性和內源性Galectin-1的作用是否存在差異；在神經保護作用中是否存在著氧化型與還原型不同形式對應不同組織的差異。在未來對Galectin-1的研究將會更加深入，研究領域可能集中在對其空間結構的分析、具體信號轉導通路的研究、基因調控方面以及研究其在神經保護中的廣泛性。隨著Galectin-1生物特性及神經保護作用機制的揭示，必將為神經損傷性疾病診治提供新的策略。

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