肝星狀細胞活化相關(guān)信號通路的研究進展*

馬會會 夏超明

蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部病原生物學(xué)系 (江蘇 蘇州，215123)

肝纖維化是以細胞外基質(zhì)(ECM)網(wǎng)絡(luò)聚集為特征的一種動態(tài)過程，可因為各種不同的病因而導(dǎo)致慢性肝損傷，包括病毒感染，酒精性肝病以及非酒精性脂肪性肝炎[1]。肝纖維化實質(zhì)是肝臟對各種損傷所產(chǎn)生的一種修復(fù)反應(yīng)，其特征是ECM合成大于降解，在肝臟內(nèi)過度沉積。肝星狀細胞(HSCs)是肝纖維化的細胞學(xué)基礎(chǔ)，是肝纖維化的主要效應(yīng)細胞，其活化是肝纖維化形成的開端[2]。HSCs活化受多種細胞信號分子和胞內(nèi)信號通路的調(diào)控，研究作用于這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程或阻斷這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)的作用靶點，將成為防治肝纖維化的重要策略。

1 HSCs的起源與活化

1.1 HSCs的功能 19世紀(jì)70年代，HSCs首次被von Kupffer發(fā)現(xiàn)并命名為貯存維生素A的細胞。隨著醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，又被命名為貯脂細胞和肝竇周細胞。直到20 世紀(jì)80 年代作為產(chǎn)生ECM的主要細胞被發(fā)現(xiàn)并命名。以往的研究認(rèn)為HSCs起源于神經(jīng)外胚層，但近年來的研究發(fā)現(xiàn)HSCs起源于中胚層，且表達多能間充質(zhì)祖細胞分化而來的神經(jīng)細胞和其他間充質(zhì)細胞[3]，認(rèn)為HSCs起源于中胚層多能間充質(zhì)祖細胞。HSCs屬于肝臟間質(zhì)細胞，在正常情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)，位于竇間隙Disse腔內(nèi)，緊貼著肝竇內(nèi)皮細胞和肝細胞，其數(shù)量占肝臟細胞總數(shù)的5%～8%，約占肝間質(zhì)細胞的1/3[4]。

1.2 HSCs的活化 HSCs活化是以一系列形態(tài)和功能改變?yōu)樘卣鞯膹?fù)雜過程。在各種肝損傷因素刺激下，處于靜止?fàn)顟B(tài)的HSCs發(fā)生表型改變，維生素A丟失，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邪l(fā)達高爾基體和粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并具有增殖性、收縮性和成纖維性的肌成纖維樣細胞(MFBs)表型，即活化的HSCs。MFBs在損傷部位增殖、遷移和收縮，表達各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，大量合成以Ⅰ型和Ⅲ型膠原為主的ECM并沉積在肝臟，最終導(dǎo)致肝纖維化的形成[5]。眾多研究證實，MFBs是導(dǎo)致肝纖維化發(fā)生、發(fā)展的主要細胞。整個活化過程大致分為兩個主要階段：啟動階段和持續(xù)階段。

1.2.1 啟動階段 是指早期HSCs基因表達的改變及在胞內(nèi)各種因子等刺激作用下產(chǎn)生的細胞表型改變。當(dāng)肝臟受到損傷因子(如病毒感染、酒精性肝病、血吸蟲感染等)刺激時，HSCs周圍鄰近細胞(如肝細胞、巨噬細胞、肝竇內(nèi)皮細胞、血小板等)通過旁分泌作用分泌多種細胞因子，如纖維連接蛋白(FN)、轉(zhuǎn)化生長因子β1(TGF-β1)、結(jié)締組織生長因子(CTGF)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、血小板源性生長因子(PDGF)、胰島素樣生長因子-1(IGF-1)等，這些細胞因子共同作用于HSCs，誘導(dǎo)其早期基因轉(zhuǎn)錄的發(fā)生，使HSCs基因表達和表型發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性鲋承浴⑹湛s性和促纖維性的MFBs。此時靜止期HSCs轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨贖SCs，啟動了HSCs的活化。

1.2.2 持續(xù)階段 HSCs活化后，其功能和表型發(fā)生改變，表現(xiàn)為增殖能力、收縮性和促纖維生成明顯增強，儲存的脂滴和維生素A 減少或消失、ECM分泌能力增加，并分泌大量的趨化因子和細胞因子[6]， 這些功能和表型的改變是HSCs活化持續(xù)的驅(qū)動力。其中，活化的HSCs產(chǎn)生大量ECM及細胞因子是其活化得以持續(xù)的重要因素。首先，過度沉積的ECM可激活HSCs的相應(yīng)受體參與HSCs活化，從而形成一個正反饋，促進HSCs進一步激活。其次，HSCs能通過自分泌產(chǎn)生多種細胞因子，如TGF-β1、TNF-α、IGF-1等，這些細胞因子對HSCs活化起級聯(lián)放大作用，并可促進HSCs的自分泌和旁分泌，促進HSCs的進一步活化。這些錯綜復(fù)雜的作用和多種因素的調(diào)節(jié)使HSCs持續(xù)活化，并促進其分裂增殖，分泌大量ECM，導(dǎo)致肝纖維化持續(xù)進展。此時即使去除原發(fā)損傷因素，肝纖維化仍將持續(xù)。

2 HSCs活化過程中所涉及的信號通路

2.1 TGF-β/Smad 信號通路 TGF-β/Smad 信號通路在HSCs活化過程中發(fā)揮重要作用。TGF-β是一種對細胞生長、增殖、分化起重要調(diào)節(jié)作用的分泌性多肽信號分子，廣泛存在于線蟲和哺乳動物中[7]。目前，TGF-β普遍被認(rèn)為是最強有力的促纖維化因子，包括TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β4、TGF-β5亞型，人體內(nèi)僅有TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3亞型，其中以TGF-β1為主[8]。Smad蛋白是線蟲Sma蛋白與果蠅Mad蛋白的同源蛋白，主要包括Smad 1～9。根據(jù)結(jié)構(gòu)Smads蛋白家族，可分為膜受體激活型Smad(R-Smad) 、通用型Smad(Co-Smad) 和抑制性Smad(Ⅰ-Smad)3個亞家族[9]。其中，R-Smad能夠與Co-Smad結(jié)合形成二聚體，并與胞核輔助激活蛋白或阻遏蛋白結(jié)合，從而調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄; Ⅰ-Smad則能夠與R-Smad 競爭性結(jié)合受體，從而阻止R-Smad 磷酸化或抑制Smad異源二聚體的形成，負(fù)性調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄[10]。在TGF-β/Smad 信號通路激活過程中，首先是配體TGF-β與細胞膜表面的TGF-β Ⅱ 型受體(TβRⅡ)結(jié)合，繼而促進TβRⅡ 二聚體與兩個TGF-β Ⅰ 型受體(TβRⅠ)的相互作用，使TβRⅠ在絲氨酸和蘇氨酸位點發(fā)生磷酸化以激活TβRⅠ的催化活力，接著TβRⅠ將磷酸基團傳給R-Smad(Smad2和Smad3)，然后R-Smad 與Co-Smad(Smad4)結(jié)合形成異源三聚體復(fù)合物，此復(fù)合物進入細胞核內(nèi)，與核內(nèi)DNA上的特異型受體結(jié)合，調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄，最終實現(xiàn)整個信號的傳遞[11]。當(dāng)肝臟受到損傷因子刺激時，TGF-β 與HSCs表面具有高度親和力的TβR結(jié)合，使下游R-Smad 持續(xù)磷酸化、Ⅰ-Smad 表達下降，將信號轉(zhuǎn)入細胞核內(nèi)，啟動HSCs活化[12]。在HSCs中，TGF-β1介導(dǎo)的Smad2/3激活能夠誘導(dǎo)Ⅰ型和Ⅲ型膠原的合成，進而促進肝纖維化的發(fā)生[13]。TGF-β1也能夠激活MAPK信號通路，包括Ras/ERK、JNK信號通路等，共同促進HSCs的激活[14]。

2.2 Notch信號通路 Notch信號通路是正常胚胎發(fā)育過程中的一種保守的進化信號通路，在調(diào)節(jié)組織穩(wěn)態(tài)和成人干細胞分化和發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。1917年，Morgan及其同事在突變的果蠅中發(fā)現(xiàn)Notch基因，因該基因的部分功能缺失會在果蠅翅膀的邊緣造成缺刻(Notch)而得名，哺乳動物有4種Notch受體(Notch1～4)和5種Notch配體(Jagged 1,Jagged2 和Delta-like1,3,4),這些同源化合物共有高度保守區(qū)域。Notch信號的產(chǎn)生是通過相鄰細胞的Notch配體與受體相互作用，Notch蛋白經(jīng)過3次剪切，由胞內(nèi)段釋放入胞質(zhì)，并進入細胞核與轉(zhuǎn)錄因子CSL結(jié)合，形成NIVD/CSL轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體，從而激活HES、HEY、HERP等堿性-螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄抑制因子家族的靶基因，發(fā)揮生物學(xué)作用[15]。

2.3 Wnt /β-catenin信號通路 Wnt信號通路是調(diào)控細胞生長、增殖、凋亡等生理過程的重要信號通路，包括Wnt經(jīng)典信號通路( Wnt /β-catenin 信號通路) 和非經(jīng)典信號通路[16]。在經(jīng)典信號通路中，β-catenin是Wnt的下游信號分子，當(dāng)此途徑被激活后，分泌到胞外的Wnt蛋白與受體蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞質(zhì)內(nèi)，使末端磷酸化的β-catenin在胞質(zhì)內(nèi)蓄積并進入核內(nèi)，激活轉(zhuǎn)錄因子，最終通過引起某些特定基因的表達增強或減弱而發(fā)揮其功能[17]。在肝纖維化過程中，被異常激活的Wnt 信號主要通過Wnt /β-catenin通路調(diào)節(jié)HSCs的活化與增殖，進而參與肝纖維化的發(fā)生發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)用Wnt信號拮抗劑、miRNA、siRNA 等方法阻斷或抑制Wnt /β-catenin通路時，HSCs的活性也受到抑制[18]。

2.4 Integrin β1 信號通路 整合素(Integrin)是由α(120～185kD)和β(90～110kD)兩個亞單位組成的異源二聚體跨膜受體蛋白，迄今已發(fā)現(xiàn)18種α亞單位和9種β亞單位，其中Integrinβ1主要介導(dǎo)細胞與細胞外基質(zhì)成分之間的粘附，并介導(dǎo)細胞與細胞外基質(zhì)之間的雙向信號傳導(dǎo)。HSCs表達兩種類型的膠原受體，即Integrin和盤狀結(jié)構(gòu)域受體酪氨酸激酶(DDRs)，當(dāng)收到來自ECM成分的信號后，每一種類型的膠原受體都可以調(diào)控細胞的粘附、分化、增殖和遷移。Integrin也能夠控制TGF-β的釋放和激活，可以作為一個抑制TGF-β激活的潛在細胞表面靶點。在CCl4誘導(dǎo)的肝纖維化模型中，HSCs特定敲除整合素后，小鼠的肝纖維化明顯減輕，在腎臟和肺纖維化模型中也有相同的表現(xiàn)[19]。Integrinβ1也調(diào)控活化HSCs的促纖維化亞型，絲氨酸/蘇氨酸激酶PAK1和Yes相關(guān)蛋白1(YAP1)是促纖維化Integrin β1 信號通路中的中心介質(zhì)[20]，DDRs是其受體酪氨酸激酶，在急性肝損傷時，通過DDRs結(jié)合的膠原大大增加，同時也導(dǎo)致更嚴(yán)重的肝纖維化。

2.5 Hedgehog信號通路 Hedgehog信號通路主要由Hedgehog配體、PTC和SMO兩個跨膜受體以及下游的GLI家族轉(zhuǎn)錄因子(GLI1、GLI2、GLI3)組成，其活性與HSCs的活化密切相關(guān)，在肝纖維化過程中扮演著非常重要的角色。在HSCs活化過程中，首先是通過自分泌、旁分泌或內(nèi)分泌機制分泌的Hedgehog配體自我活化 ，剪切掉自身C-末端，然后與膽固醇共價結(jié)合，活化為具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的蛋白，再進一步與跨膜受體PTC結(jié)合。隨著Hedgehog配體與PTC受體結(jié)合的增加，SMO蛋白被激活，激活的SMO蛋白進入細胞內(nèi)，促進核內(nèi)GLI2的積聚，GLI2再激活核內(nèi)GLI1，從而啟動靶基因的轉(zhuǎn)錄?；罨腉LI還能通過激活PDGF、TGF-β/Smad 等信號通路，促使HCSs活化[22]。此外，瘦素也可通過激活Hedgehog信號通路，來啟動HSCs的活化[23]。有研究發(fā)現(xiàn)，使用SMO基因敲除的小鼠構(gòu)建肝損傷模型，可明顯抑制HSCs活性及肝纖維化的發(fā)展[24]，在蛋氨酸-膽堿缺乏飲食誘導(dǎo)的非酒精性脂肪性肝纖維化模型中，與野生型小鼠相比，PTC雜合子小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的肝纖維化[25]，這些研究數(shù)據(jù)顯示阻斷Hedgehog信號通路有望成為防治肝纖維化的新策略。

2.6 HSCs活化過程中新興的信號通路 另有一些新興的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，如YAP1信號通路[26]、內(nèi)皮唾液酸蛋白(Endosialin)信號通路[27]、結(jié)構(gòu)域結(jié)合蛋白4(BRD4)信號通路、半乳糖蛋白3(Galectin3)信號通路、GATA結(jié)合蛋白4(GATA4)信號通路[28]、骨形態(tài)發(fā)生蛋白6(BMP6)信號通路[29]、生長停滯特異性蛋白6(GAS6)和受體酪氨酸激酶AXL信號通路[30]等,也參與了HSCs的活化過程，在HSCs活化及肝纖維化過程中發(fā)揮著重要作用。

3 結(jié)語與展望

綜上所述，HSCs活化過程十分復(fù)雜，涉及多種信號分子及多條信號通路，這些信號通路相互交錯、互相影響，共同作用于HSCs活化、增殖及肝纖維化的整個過程。TGF-β/Smad信號和Integrin β1信號主要通過促進誘導(dǎo)Ⅰ型和Ⅲ型膠原的合成，進而促進肝纖維化的發(fā)生，Wnt /β-catenin 信號主要調(diào)控HSCs的生長、增殖和遷移，從而促進HSCs的活化，而Hedgehog信號主要通過促進α-SMA的表達來促進HSCs的活化，Hedgehog和Notch信號通路的相互作用也許是HSCs活化的兩條關(guān)鍵通路，它們不僅能促進肝纖維化的發(fā)生，而且可以促進肝中肌成纖維樣細胞、膽管上皮細胞、肝細胞、肝臟祖細胞等的聚集和增殖，這些細胞可間接分泌致HSCs活化的細胞因子，促進肝纖維化的發(fā)生，值得進一步深入研究。雖然目前大多數(shù)研究仍局限于體外和動物實驗，涉及的信號通路干擾藥物也大多缺乏細胞特異性，但相信隨著對這些信號通路的深入闡明，必將為肝纖維化的發(fā)生機制提供新的認(rèn)知，繼而研發(fā)出臨床上可用于控制及防治肝纖維化的有效途徑和方法。