TGF-β/Smads信號通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進展

張鈺恒 崔 紅

1）內(nèi)蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050 2）首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院，北京 100050

哺乳動物中主要產(chǎn)生于調(diào)節(jié)性T 細胞的亞家族成員有轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-βs，TGF-βs）亞家族、激活素亞家族（activins）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白亞家族（bone morphogenetic proteins，BMPs）和生長分化因子亞家族（growth differentiation factors，GDFs）［1］。TGF-βs 亞家族至少包含6個特有亞型，其中TGF-βs1、TGF-βs2、TGF-β s3、TGF-βs1βs2 這4 個亞型的基因廣泛存在于人類和其他哺乳動物細胞中。人類TGF-β1、TGF-β2 和TGF-β3基因分別定位于染色體19q3、1q41和14q24，核苷酸序列極其相似，均包含7 個外顯子，相對分子質(zhì)量依次為53×103、（70～85）×103和（250～350）×103，且合成的蛋白質(zhì)生物學功能相似，其中TGF-β s1、TGF-βs2 的表達使增殖信號增強，而TGF-βs3 使增殖信號減弱，其參與TGF-βs信號轉(zhuǎn)導過程的機制也不盡相同［2］。

目前，TGF-βs 在腦組織中的功能還沒有完全闡明，一些實驗研究顯示，TGF-βs在調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮雙重作用，積極方面表現(xiàn)為營養(yǎng)神經(jīng)、抑制神經(jīng)細胞凋亡［3］，能夠刺激星形膠質(zhì)細胞，使之分泌一些細胞生長因子，如神經(jīng)生長因子、腦元性神經(jīng)生長因子等，使神經(jīng)元的存活和分化得到促進；消極方面表現(xiàn)為促進神經(jīng)炎癥反應，加重損傷神經(jīng)元等［4］。另外，TGF-βs可能影響突觸功能，減少突觸傳遞，減輕神經(jīng)損傷及興奮性毒性物質(zhì)損害所造成的后果。

1 TGF-βs1

在TGF-βs亞家族中，TGF-β1在體細胞系中所占比例最高，幾乎在所有細胞中都有TGF-βs1 及其異構(gòu)體的表達，可以與多種蛋白結(jié)合成復合體被分泌到細胞外基質(zhì)。TGF-βs1 是由兩條完全相同的單體借二硫鍵連接起來的蛋白多肽，分子量為25 kDa，分布于海馬、中央核、杏仁核、中腦、腦橋和延髓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等［5］，目前研究最多。研究表明人類與豬、牛、猴的成熟TGF-β1 基因序列完全相同，和鼠只有1 個氨基酸不同。TGF-β1 是由各類神經(jīng)細胞產(chǎn)生并表達的一種多功能細胞因子，生物學功能有：調(diào)控細胞和組織生長、增殖、分化和凋亡；抗炎、修復和保護神經(jīng)功能。小膠質(zhì)細胞和少突細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要產(chǎn)生TGF-β1 的神經(jīng)細胞，星形細胞產(chǎn)生少，已證明小膠質(zhì)細胞的活性與TGF-β1 的產(chǎn)生呈正相關(guān)。TGF-β1 可以激活雪旺細胞促進損傷神經(jīng)軸突再生。向大鼠鞘內(nèi)注射重組TGF-β1后，大鼠腦組織出現(xiàn)了類似交通性腦積水的病理改變：細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）增多并過度聚積，軟腦膜纖維化、蛛網(wǎng)膜顆粒增厚及下腔增生、腦脊液循環(huán)與吸收障礙［6-7］。TGF-βs1表達增加能促進合成膠原蛋白，刺激星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞增生，抑制金屬基質(zhì)蛋白酶及I 型膠原等ECM 的降解，導致膠原沉積，最終形成膠質(zhì)瘢痕，膠質(zhì)瘢痕可保護周圍組織并修復損傷；若膠原過度沉積，則會導致瘢痕增生，反而阻礙神經(jīng)再生和功能恢復及重建［8］。另外，TGF-β s1 可調(diào)控血管生成刺激因子及其受體的表達，抑制內(nèi)皮細胞增殖，穩(wěn)定血管內(nèi)皮基膜的完整。

2 TGF-β與Smads

TGF-β信號通路可通過TGF-β受體、R-Smads、I-Smads 及非經(jīng)典TGF-β信號通路發(fā)揮作用，這些信號通路彼此互相影響，形成的調(diào)控網(wǎng)絡復雜，共同控制細胞生命精準協(xié)調(diào)工作。其中Smad 蛋白家族是最主要的載體，承載著TGF-β1 大量的生物化學信息。通過TGF-β受體的TGF-β信號通路為：前體TGF-β蛋白形成分泌TGF-β蛋白，蛋白酶水解后為成熟TGF-β，具有多種生物學作用，成熟TGF-β活化后結(jié)合細胞表面TGF-β受體，通過細胞信號轉(zhuǎn)導發(fā)揮生物學活性。

TGF-β1/Smads信號轉(zhuǎn)導通路參與多種神經(jīng)系統(tǒng)難治性疾病的發(fā)生機制，干預神經(jīng)發(fā)育及損傷修復，如亨廷頓舞蹈癥、腦腫瘤、腦積水、肌萎縮性側(cè)索硬化癥等［9］。經(jīng)典R-Smads信號轉(zhuǎn)導通路為：TGF-βs與絲氨酸/蘇氨酸激酶家族跨膜受體TGF-β 受體II（TR-II）結(jié)合，形成的復合物再與TGF-β受體I（Tβ R-I）結(jié)合，TβR-II將磷酸轉(zhuǎn)移給TβR-I，使TβR-I磷酸化進而被激活；活化的TβR-I使R-Smads磷酸化而激活（主要為Smad2/3），活化的R-Smads 又與TGF-β輔因子co-Smad4 相互結(jié)合形成Smad 復合物向細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移，激活并啟動下游相關(guān)信號蛋白；Smad復合物完成轉(zhuǎn)錄后分解，分解產(chǎn)物被核內(nèi)的磷酸酶脫磷酸化后重新回到細胞質(zhì)內(nèi)，如此形成“Smad 循環(huán)”［10］。TGF-β/Smad2/3通路可參與調(diào)控凋亡基因轉(zhuǎn)錄；其對缺血性腦損傷的神經(jīng)保護作用機制包括抗炎、抗凋亡、抗興奮性毒性，以及疤痕的形成、促進血管生成與神經(jīng)再生。Smad2具有固有的核導入活性，不需要TGF-β受體介導的磷酸化；Smad3蛋白主要表達于細胞膜，少量表達于細胞質(zhì)，常在腦卒中中發(fā)揮神經(jīng)保護作用。也有研究［11］發(fā)現(xiàn)TGF-β信號并不影響Smad核導入和輸出過程本身，而是改變了這些Smad與其受體的親和力，使其保留在細胞核或細胞質(zhì)中。除Smad 信號轉(zhuǎn)導通路外，TGF-β也可通過TGF-β活化激酶1（TGF-βactivated kinase 1，TAK1）激活NFкB（nuclear transcription factor кB）等非經(jīng)典信號轉(zhuǎn)導途徑發(fā)揮作用。TGF-β1/Smads 信號通路作用機制復雜，受多因素調(diào)節(jié)，在不同的細胞、組織、疾病和疾病進程中所扮演的角色也不相同。

3 TGF-β與疾病

3.1 缺血缺氧性腦血管疾病缺血缺氧性腦血管疾病包括腦缺血/再灌注損傷，通過氧自由基損傷、興奮性毒性、鈣超載、能量代謝障礙、炎癥性反應、細胞凋亡等發(fā)生機制導致細胞生物學功能喪失［12］，腦缺血急性期時的炎癥反應對腦細胞的損傷超過缺血本身帶來的影響。大量研究證實，在人類和其他哺乳動物中，缺血性腦損傷時腦組織中活性TGF-β的主要亞型為TGF-β1。TGF-β1 既是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)保護因子，又是營養(yǎng)因子，與腦缺血再灌注損傷密切相關(guān)。正常腦組織中不含或含少量潛在活性TGF-β1，當腦組織損傷，如出血、缺氧缺血后，TGF-β1表達明顯增高，具有促進血管生成、免疫調(diào)節(jié)、抗炎、抗黏附分子、抗氧化等作用，這種上調(diào)無疑是有益的［13］。在急性腦缺血大鼠模型中，關(guān)于TGF-β1 的變化，各研究中心結(jié)果也不相同，王艷國等［14］發(fā)現(xiàn)TGF-β1在缺血后1 d顯著升高，6 d達峰值；王社軍等［15］則探明TGF-β1在缺血后再灌注3 h開始表達，1 d時達峰值，并持續(xù)至第3天，3 d以后逐漸減弱；而程衛(wèi)華等［16］研究顯示TGF-β1 在缺血再灌注后6 h 表達開始增加，48 h達峰值，持續(xù)至第7天，7 d后明顯降低。研究發(fā)現(xiàn)CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細胞會隨著TGF-β1表達增加而增多，這提示急性腦缺血后TGF-β1可誘導調(diào)節(jié)性T 細胞增多。研究發(fā)現(xiàn)TGF-β1 可減輕興奮性氨基酸、缺氧/缺血損傷以及β淀粉樣肽誘導的神經(jīng)損傷，從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。MCNEILL 等［17］發(fā)現(xiàn)，TGF-β1增加后大腦神經(jīng)元受損程度減輕，皮層梗死面積縮小，而TGF-β1 減少后大腦梗死面積明顯擴大；這些研究表明TGF-β1在腦缺血中具有神經(jīng)保護作用。

在腦缺血再灌注損傷大鼠模型中，上調(diào)磷酸化Smad2/3 后能減少白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子和抗凋亡蛋白Bcl-2的產(chǎn)生、減少促凋亡基因caspase3，依賴抗炎和抗凋亡通路機制發(fā)揮腦保護功能。TGF-β1可以促進Thl7的細胞分化，增加中性粒細胞的趨化性。在腦缺血早期，TGF-β1明顯升高于生理動態(tài)平衡值，充分發(fā)揮的“抗炎作用”反而加重腦損害。另外，持續(xù)性局灶腦缺血的成年大鼠腦組織中的TGF-β1蛋白表達與缺血后凋亡相關(guān)，TGF-β1通過增加bcl-2、降低Ca2+濃度，進而控制星形細胞和小膠質(zhì)細胞相互作用，間接抑制神經(jīng)細胞凋亡。

3.2 腫瘤中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的腫瘤是膠質(zhì)細胞瘤，至今仍缺乏敏感且特異的腫瘤標志物。腦惡性膠質(zhì)瘤惡性程度高，導致嚴重中樞神經(jīng)損害，TGF-β的蛋白表達在腦惡性膠質(zhì)瘤患者中明顯升高，但在正常腦組織中低表達或不表達［18］，因此TGF-β可作為理想的血清腫瘤標志物應用于臨床。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β/Smads信號轉(zhuǎn)導通路是抑制上皮細胞惡性增殖的關(guān)鍵負性調(diào)控網(wǎng)絡之一，是調(diào)控細胞增殖、凋亡的關(guān)鍵一環(huán)，在人類機體中發(fā)揮抑癌作用。大多膠質(zhì)瘤患者TGF-β1、Smad7 mRNA 及蛋白異常高表達，也表明TGF-β1、Smad7 參與腦膠質(zhì)瘤的發(fā)生、發(fā)展，與腦膠質(zhì)瘤惡性程度呈正相關(guān)［19］。國內(nèi)王濤等［20］研究人腦星形膠質(zhì)細胞瘤時發(fā)現(xiàn)，TGF-β1在腫瘤組織中的表達量明顯增加，隨瘤細胞的數(shù)量而變化，而與臨床病理特征無關(guān)。

腫瘤細胞中TGF-β異常高表達會損害機體正常免疫系統(tǒng)功能，促使腫瘤細胞免受機體的免疫排斥形成免疫逃逸；還有研究發(fā)現(xiàn)TGF-β可以誘發(fā)血管內(nèi)皮細胞增生從而促進腫瘤新血管再生，使腫瘤進一步惡化［21］；另外，TGF-β自分泌功能的失調(diào)可能是腫瘤病變進展的標志。惡性膠質(zhì)瘤患者血清TGF-β也是升高的，認為此種升高與膠質(zhì)瘤患者預后密切相關(guān)，可能是膠質(zhì)瘤患者治療的靶點。目前關(guān)于TGF-β與顱內(nèi)腫瘤預后的研究較少，TGF-β水平的降低可能與患者生存率延長有一定的相關(guān)性。

3.3 神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變阿爾茲海默病（Alzheimer’s disease，AD）是以認知和記憶功能障礙為主要表現(xiàn)的一種神經(jīng)退行性疾病，病理特征主要是在大腦皮質(zhì)和海馬中出現(xiàn)β淀粉樣蛋白（amyloid-β protein，Aβ），Aβ異常聚集導致神經(jīng)纖維纏結(jié)形成，同時使大腦皮質(zhì)區(qū)和海馬區(qū)神經(jīng)細胞減少。AD腦組織中TGF-β1 含量明顯低于正常組。TGF-β/Smad 信號轉(zhuǎn)導通路通過調(diào)控神經(jīng)元分化、啟動和維持突觸重塑等過程參與AD 的發(fā)生發(fā)展，若該通路功能喪失，則Aβ產(chǎn)生增多，形成神經(jīng)纖維纏結(jié)；抑制該信號通路有助于活化小膠質(zhì)細胞，具有神經(jīng)保護功能。

帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）是一種神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，常見于中老年人，臨床表現(xiàn)分為運動癥狀（如姿勢反射障礙等）和非運動癥狀（如自主神經(jīng)癥狀等）。非運動癥狀通常較為隱匿，可發(fā)生在運動癥狀之前，臨床上常用NMSQuest評估量表進行評價［22］。高齡且伴有輕度帕金森樣體征（mild Parkinsonian signs，MPS）患者認知功能顯著減退［23］。TGF-β1/Smads 信號通路可能參與了PD 的發(fā)生，PD患者的精神狀態(tài)、認知功能及非運動狀態(tài)均與TGF-β1 變化有密切聯(lián)系。國內(nèi)于永鵬等［24］研究顯示，氧化應激調(diào)控及鐵代謝中也有TGF-β1/Smads 信號通路參與，而該因素是PD發(fā)病的原因之一；另外，TGF-β1 可能促進了PD 發(fā)生后CD4+CD25+調(diào)節(jié)性T細胞的表達；在PD 大鼠模型中，通過TGF-β1/Smad3信號通路，外源TGF-β1 可減輕小膠質(zhì)細胞活化，減少炎癥因子表達，減輕神經(jīng)損傷，保護神經(jīng)功能［25］。

3.4 腦積水腦室內(nèi)出血（intraventricular hemorrhage，IVH）預后不佳，由于顱內(nèi)血管破裂，血液進入腦室系統(tǒng)，最終導致腦室擴張、腦積水，是臨床常見急癥之一［26］。腦積水主要的影像學表現(xiàn)為腦室擴大、腦溝變淺、腦組織受壓萎縮及變薄。相關(guān)研究表明，腦積水患兒腦脊液TGF-β1水平較正常人明顯升高，可能是由于腦脊液系統(tǒng)出血后，血小板崩解，釋放大量TGF-β1 進入腦脊液造成的，提示TGF-β1 水平變化與腦積水發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。鞘內(nèi)注射重組TGF-β1 進入轉(zhuǎn)基因大鼠腦中后均發(fā)生腦脊液引流障礙，表明其參與腦積水的發(fā)生［27］。CREWS 和GALBREATH 等［27-28］證實交通性腦積水的發(fā)生與TGF-β1 過度表達相關(guān)。TGF-β1 參與形成腦積水的機制主要有兩方面：TGF-β1 釋放進入腦脊液，降低腦脊液回吸收能力，導致腦積水發(fā)生；TGF-β1 改變血管細胞外基質(zhì)環(huán)境，促進出血，影響腦積水發(fā)生。另外，腦脊液TGF-β1水平對腦積水患兒預后有重要意義，可作為預后不良的預測指標。

3.5 脊髓損傷作為脊柱損傷最嚴重的并發(fā)癥之一，脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）常由外傷暴力、特殊疾病等引起。26%～96%SCI病人的神經(jīng)病理性疼痛常出現(xiàn)于1個月內(nèi)。SCI后常伴隨的病理變化包括：星形膠質(zhì)細胞持續(xù)激活增生、少突膠質(zhì)細胞凋亡、小膠質(zhì)細胞迅速活化等。TGF-β1/Smad2 信號通路激活可促進脊髓損傷后神經(jīng)軸突的再生和功能恢復［29］；在修復神經(jīng)細胞中發(fā)揮重要的作用，而抑制TGF-β1 表達可減少神經(jīng)細胞的氧化應激反應和炎癥反應，減輕脊髓損傷［30］。TGF-β1 有望作為SCI 的治療靶點。

3.6 其他（腦小血管病等）腦小血管?。╟erebral small vessel disease，CSVD）的病因為顱內(nèi)各種小動脈病變，腦白質(zhì)高信號是CSVD 突出的影像學表現(xiàn)，也可依據(jù)影像學表現(xiàn)進行腦白質(zhì)完整程度的評估，CSVD 的發(fā)病機制涉及炎癥反應、血腦屏障功能障礙、內(nèi)皮功能障礙、腦血流改變以及遺傳因素等，是卒中、認知障礙的重要病因［31］。TGF-β1對腦白質(zhì)具有保護作用，TGF-β1水平隨腦白質(zhì)高信號的分級呈下降趨勢，這提示TGF-β1可作為反映腦白質(zhì)病變及認知功能的血液標志物之一。彌漫性血管角質(zhì)瘤（又稱法布里病，F(xiàn)abry?。┦荴連鎖隱形遺傳多系統(tǒng)溶酶體貯積病，在Fabry 腎病中，神經(jīng)酰胺三己糖苷大量沉積于溶酶體中，這使TGF-β表達明顯增加，進而促進血管平滑肌細胞增殖及細胞外基質(zhì)蛋白分泌；相反，抑制TGF-β信號轉(zhuǎn)導可減少由于神經(jīng)酰胺三己糖苷沉積所致細胞外基質(zhì)蛋白的蓄積，從而抑制動脈硬化的發(fā)生發(fā)展。

色素失禁癥（incontinentia pigmenti，IP）屬X 染色體顯性遺傳病，由NF-кB基因調(diào)節(jié)體（NEMO基因）突變所致，IP 最常見突變類型是NEMO 基因4-10 外顯子的缺失。NEMO 基因突變導致TGF-β/NF-кB 信號轉(zhuǎn)導中斷，進而引起內(nèi)皮細胞死亡、微血管壁變薄，最終血腦屏障被破壞。NEGISHI 等［32］認為高血壓時動脈中血流剪切力影響TGF-β表達；當血壓升高時，TGF-β可激活血管NF-кB 因子，同時表達多種細胞因子改善血管平滑肌細胞功能以應對增高的血管壓力，避免血管硬化及重塑。另外，POITTEVIN等［33］發(fā)現(xiàn)TGF-β的表達減少促進糖尿病性微血管病變的發(fā)生發(fā)展。還有，TGF-β亞家族的基因多態(tài)性也與血管性癡呆相關(guān)，機制尚未闡明。在亨廷頓舞蹈病中，海馬區(qū)TGF-β1水平升高會損害神經(jīng)組細胞增殖，導致海馬功能障礙，最終導致學習及記憶能力下降［9］。

TGF-β參與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展及預后評價，在發(fā)病機制中發(fā)揮“雙刃劍”功能，涉及機制復雜多變，有些仍未明確，與預后的相關(guān)性仍需要進一步的研究綜述，有望為臨床治療提供實驗依據(jù)及新的思路。