STAT3信號(hào)通路在胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中作用的研究進(jìn)展

吳淑芳 潘 潔 孟曉芳 周靜瑩 劉學(xué)紅

(紹興文理學(xué)院醫(yī)學(xué)院， 紹興 312000)

胚胎神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育受多條信號(hào)通路的調(diào)控。在大腦皮質(zhì)的發(fā)育過程中，GTPase介導(dǎo)的信號(hào)通路在樹突的發(fā)育和神經(jīng)細(xì)胞的遷移中起著重要調(diào)控作用[1]。Wnt信號(hào)通路可以通過控制神經(jīng)板、神經(jīng)嵴的形成以及促進(jìn)小腦突觸的發(fā)育來調(diào)節(jié)胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育[2]。BMP信號(hào)通路則可以抑制BMP4的表達(dá)，來促進(jìn)海馬神經(jīng)的發(fā)生[3]，參與視網(wǎng)膜的膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育，從而調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生過程。此外，MAPK、mTOR、STAT3等信號(hào)通路均是神經(jīng)發(fā)育過程中的重要調(diào)節(jié)者，其中，STAT3信號(hào)通路無論是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)還是周圍神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中都發(fā)揮重要調(diào)控作用，尤其在產(chǎn)生和維持神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞方面。

1 STAT3信號(hào)通路

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducers and activators of transcription, STATs)是轉(zhuǎn)錄因子的一個(gè)家族，在細(xì)胞增殖、分化、凋亡、炎癥反應(yīng)、免疫、造血以及腫瘤等多個(gè)方面起著至關(guān)重要的作用。STATs屬于高度保守的蛋白質(zhì)家族，由STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5a、STAT5b和STAT6組成[4]。其中，STAT3是一種脫核苷酸結(jié)合蛋白，可以被許多細(xì)胞因子、生長因子和其他刺激所激活，在胚胎發(fā)育、腫瘤發(fā)生等方面發(fā)揮重要作用。

1.1 STAT3的結(jié)構(gòu)

人類STAT3基因位于第12號(hào)染色體。STAT3的結(jié)構(gòu)包含6個(gè)區(qū)域： 即N端結(jié)構(gòu)域(N-terminal domain, NTD)、卷曲螺旋域(coiled-coil domain, CCD)、DNA結(jié)合域(DNA-binding domain, DBD)、連接域、SH2域以及C端轉(zhuǎn)錄激活域[5]。NTD參與靜止細(xì)胞中未磷酸化的STATs形成同質(zhì)二聚體；SH2域則參與活化的STATs二聚物的形成；DBD與STATs基因啟動(dòng)子直接相關(guān)。連接域主要維持SH2域和DBD之間的正確構(gòu)象。CCD、C端轉(zhuǎn)錄激活域均與目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄與調(diào)節(jié)有關(guān)[4]。

1.2 STAT3的活化與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

STAT3的活化源于其C端轉(zhuǎn)錄激活域的酪氨酸705(Try705)和絲氨酸727(Ser727)磷酸化。目前有超過40種不同的多肽配體可引起STAT3磷酸化。白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、干擾素-γ(interferon-γ, IFN-γ)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1, MCP-1)等細(xì)胞因子均可以激活STAT3。許多細(xì)胞因子受體，比如表皮生長因子受體(epithelial growth factor receptor, EGFR)、血管內(nèi)皮生長因子受體(vascular endothelial growth factor receptor, VEFGR)、血小板生長因子受體(platelet-derived growth factor receptor, PDGFR)等也可促進(jìn)STAT3的活化[6]。此外，煙霧、壓力、輻射、致癌物、感染等因素也在STAT3的活化中發(fā)揮了巨大作用。STAT活化蛋白抑制劑以及細(xì)胞因子信號(hào)抑制劑等則可以阻止STAT3轉(zhuǎn)錄活化。

細(xì)胞表面或者胞質(zhì)內(nèi)的受體可以與細(xì)胞外信號(hào)蛋白或細(xì)胞因子結(jié)合，結(jié)合后受體的糖蛋白130(gp130)亞基形成二聚體，與其相連的Jak酶發(fā)生磷酸化，進(jìn)而使得STAT3分子C端的酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化，SH2域調(diào)控活化的STAT3形成二聚體[7](圖1)。而后STAT3二聚體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，與靶基因的啟動(dòng)子結(jié)合，誘導(dǎo)靶基因的轉(zhuǎn)錄。STAT3的活化與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育有著密切聯(lián)系。

2 STAT3與胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育

2.1 STAT3與胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育(圖1)

胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育主要包括神經(jīng)管的演變、神經(jīng)細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育。STAT3可以激活hgf/c-met信號(hào)通路，從而構(gòu)成hgf/c-met/STAT3途徑，抑制神經(jīng)管缺陷，促進(jìn)胚胎腦組織的血管生成以及正常分化發(fā)育[8]。STAT3在早期胚胎腦發(fā)育階段高度表達(dá)，晚期表達(dá)下調(diào)。早期STAT3的高度表達(dá)有利于內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和穩(wěn)定，晚期的表達(dá)下調(diào)則可以促進(jìn)相鄰細(xì)胞的神經(jīng)元分化[9]。STAT3也可以直接調(diào)控SOX2啟動(dòng)子[10]，使得SOX2下游的巢蛋白活化，巢蛋白的激活有助于神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和維持。STAT3/AMPK/ERK信號(hào)通路激活對(duì)海馬的發(fā)生，即軸突和突觸的形成具有重要意義[11]。IL-10可以使JAK1磷酸化，進(jìn)而活化STAT3，有助于神經(jīng)元和突觸形成，尤其是海馬突觸形成。Chen等[12]的實(shí)驗(yàn)表明，STAT3通過下調(diào)Bax的表達(dá)和上調(diào)Bcl-2的表達(dá)，增加了netrin-1的表達(dá)，促進(jìn)軸突分枝和神經(jīng)的生長。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，STAT3調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞等神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育。SUN等[13]認(rèn)為，STAT3在膠質(zhì)祖細(xì)胞的分化中起監(jiān)管作用，誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞以及髓鞘的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)錄因子Hes1(hairy and enhancer of split-1)是一種蛋白質(zhì)，能夠在胚胎干細(xì)胞分化過程中與STAT3結(jié)合，促進(jìn)它的表達(dá)和活化，而后作用于亨廷頓蛋白(huntingtin protein, Htt)，Htt對(duì)谷氨酸能神經(jīng)元、γ-氨基丁酸能神經(jīng)元以及少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化和成熟起著調(diào)控作用。而基因突變的Htt則會(huì)破壞損害各神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞以及其他器官祖細(xì)胞的成熟[14]。神經(jīng)損傷后，異丙酚可以激活JAK1，并使STAT3的Try705磷酸化從而參與細(xì)胞內(nèi)鈣離子止血，預(yù)防線粒體腫脹，對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞提供神經(jīng)保護(hù)以及促進(jìn)膠質(zhì)細(xì)胞的再生，神經(jīng)干細(xì)胞參與膠質(zhì)細(xì)胞的再生及胚胎發(fā)育中膠質(zhì)細(xì)胞的分化[15]。因此，在胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中，STAT3或許與小膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育也存在一定關(guān)聯(lián)。

圖1 STAT3信號(hào)通路在胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的作用示意圖

STAT3除了直接調(diào)控膠質(zhì)細(xì)胞的生成以外，也可以作用于神經(jīng)干細(xì)胞后再對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮調(diào)控作用。三碘甲狀腺原氨酸(T3)具有促進(jìn)神經(jīng)元分化生長的作用，其通過甲狀腺激素受體α降低JAK1、JAK2的磷酸化，從而抑制STAT3的C端酪氨酸磷酸化以及DNA結(jié)合域的活性[16]。STAT3的活性下降后，神經(jīng)干細(xì)胞的活性也顯著下降，神經(jīng)干細(xì)胞增殖受抑制，而后被誘導(dǎo)分化為神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞。在神經(jīng)系統(tǒng)中，mTOR調(diào)節(jié)神經(jīng)元的分化、生存和發(fā)展，可被神經(jīng)元細(xì)胞膜上各種類型的蛋白質(zhì)調(diào)控。STAT3的Ser727磷酸化可被mTOR信號(hào)通路調(diào)節(jié)，從而誘導(dǎo)早期神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞分化[17]。神經(jīng)干細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化也可受蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶-1(PRMT1)調(diào)節(jié)，其使STAT3甲基化而活性增高，促進(jìn)分化過程[18]。gp130也能夠通過JAK/STAT途徑誘導(dǎo)STAT3活化，調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞[19]。Luo等[20]運(yùn)用STAT3的抑制劑來阻斷STAT3的活化，結(jié)果顯示星形膠質(zhì)細(xì)胞的形成和增殖明顯下降，更加直觀地表明了STAT3對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞的作用。此外，STAT3可以直接調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的活性： STAT3活性下降后，神經(jīng)干細(xì)胞活性降低，其增殖和穩(wěn)定能力也顯著減弱，從而促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的分化和腦組織的分化。mTOR與STAT3合成的mTOR/STAT3信號(hào)通路被激活后可調(diào)控NogoA，抑制軸突纖維生長，促進(jìn)神經(jīng)再生[17]。

在胚胎脊髓發(fā)育過程中，在時(shí)間和空間的調(diào)控下，沿神經(jīng)管腹背軸有序生長的大量神經(jīng)細(xì)胞逐漸分化成小的、獨(dú)立的細(xì)胞團(tuán)，這些小的細(xì)胞團(tuán)再逐漸分化為脊髓的各個(gè)部分。脊椎動(dòng)物的脊髓細(xì)胞最初來源于胚胎中具有中胚層特征的神經(jīng)祖細(xì)胞區(qū)域。在胚胎脊髓發(fā)育中，Pax3在背部聯(lián)合神經(jīng)元表達(dá)，以形成合適的脊髓大腦通路，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)通路的形成[21]。成纖維細(xì)胞生長因子-2(FGF2)通過調(diào)節(jié)STAT3信號(hào)通路來影響Pax3的表達(dá)[22]，F(xiàn)GF2受到外界的刺激后被激活分泌，與FGF2受體結(jié)合，促進(jìn)STAT3的轉(zhuǎn)錄活化，使得Pax3的表達(dá)。由此可見，STAT3在胚胎脊髓發(fā)育中與神經(jīng)通路的形成有著重要聯(lián)系。

2.2 STAT3與胚胎周圍神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育

胚胎周圍神經(jīng)系統(tǒng)由神經(jīng)外胚層形成的神經(jīng)嵴分化而來，可以分為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維和感覺神經(jīng)纖維。STAT3的Try705磷酸化可以保持胚胎干細(xì)胞的分化多能性，Ser727磷酸化則參與維持胚胎干細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。若失去Ser727磷酸化，神經(jīng)外胚層干細(xì)胞則表現(xiàn)為神經(jīng)分化潛能喪失[23]。在胚胎發(fā)育時(shí)期，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的分化離不開STAT3的活化。Seunghee等[24]報(bào)道，當(dāng)受到外部刺激時(shí)，STAT3信號(hào)通路被激活，觸發(fā)其C端酪氨酸705區(qū)磷酸化，提高運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元六聚物在其上游信號(hào)的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元六聚物的表達(dá)，從而促進(jìn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的基因表達(dá)。但Rajalaxmi等[25]認(rèn)為，抑制STAT3的活化，可以促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的分化。這可能是由于在不同的細(xì)胞環(huán)境中，所呈現(xiàn)的結(jié)果有一定差異。在施萬細(xì)胞的發(fā)育和髓鞘形成過程中，STAT3并沒有起決定性作用，但其在施萬細(xì)胞的損傷修復(fù)中被磷酸化后發(fā)揮重要作用[26]。STAT3對(duì)于周圍神經(jīng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的作用是促進(jìn)還是抑制仍需要進(jìn)一步研究。

STAT3可以通過激活JAK/STAT途徑、hgf/c-met/STAT3等多種途徑來調(diào)節(jié)胚胎神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，其活化可以促進(jìn)胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分化，但對(duì)周圍神經(jīng)系統(tǒng)分化具有促進(jìn)還是抑制作用仍存在爭議。胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，STAT3活化后可以激活哪些下游基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)？如何運(yùn)用該信號(hào)通路來解決臨床胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不全或障礙等問題都有待進(jìn)一步研究。