吳曉東，姜樹原,3，賈小娥,3，巴德仁貴,3，謝 偉,3*，邵 國,3*

(1.包頭醫(yī)學院生物醫(yī)學研究中心與神經科學研究所，內蒙古包頭 014040；2.包頭醫(yī)學院內蒙古自治區(qū)低氧轉化醫(yī)學重點實驗室，內蒙古包頭 014040；3.首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院低氧適應轉化醫(yī)學北京市重點實驗室，北京 100053)

低氧/缺血(I/H)是目前臨床醫(yī)療中常見的病癥，也是各類致死疾病的主要原因[1]。研究表明,低氧作用具有雙重性，即急性嚴重的缺氧導致機體損傷，而適度低氧或低氧預適應對機體有益的保護作用。這主要取決于低氧的程度和持續(xù)的時間。因此，這種雙重作用和其調節(jié)機制也越來越受到關注。研究表明機體嚴重短暫缺氧時能夠引起肺部與心血管等組織器官的損傷，尤其是對神經系統(tǒng)的損傷作用最為突出，常造成神經細胞的死亡[2]。而適度低氧或低氧預適應(hypoxic preconditioning,HPC)作為機體抵抗缺氧損傷的一種內源性保護機制，當機體經過多次短暫、非致死性的低氧刺激后，神經系統(tǒng)在內的多個組織對低氧損傷的耐受性均有增加[3]，這種機制更傾向于對機體的保護是由多因素、多信號共同參與和相互作用的結果，目前該機制尚未明確。

腦源性神經營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)是在腦內合成的一種蛋白質，廣泛分布于中樞神經系統(tǒng)內，具有減少神經元損傷和死亡、監(jiān)視神經元病理狀態(tài)以及調控受損神經元分化和再生等生物學功能。酪氨酸激酶受體B(trrosine kinase receptor B,TrkB)是BDNF的特異性受體，它與BDNF結合后，自身產生磷酸化，進而激活下游BDNF/TrkB一系列信號通路，能夠在大腦正常發(fā)育、突觸可塑性的遷移、定位以及神經元板層結構的形成方面起著至關重要的作用[4]。研究發(fā)現(xiàn)[5]，急性低氧損傷可造成BDNF和TrkB受體及其信號通路的改變。而HPC的神經保護機制是否涉及BDNF和TrkB受體仍未有定論。因此，總結不同類型低氧即急性低氧和HPC對BDNF和TrkB的影響以及對BDNF/TrkB信號通路途徑中發(fā)揮的作用，為后續(xù)低氧研究特別是為HPC神經保護機制研究提供一些思路。

1 低氧對神經系統(tǒng)的損傷機制以及保護作用機制

短暫低氧刺激時海馬神經元的存活減少，細胞的凋亡增加，也就是說低氧損傷可能引起神經系統(tǒng)相關基因的表達與其相應的信號通路的改變[6]。當急性缺氧引起大腦神經元的損傷后，試驗結果顯示大腦中的直接基因c-fos和c-jun蛋白表達有增多的趨勢，然而當大鼠給予間歇性低氧處理后即HPC，大鼠海馬神經元損傷程度降低，產生了低氧耐受，直接基因有減少的趨勢，產生了神經保護作用[7]。另外，HIF-1α是一種轉錄因子，在機體低氧時調控一系列反應，有些反應帶來一定的病理損傷，像低氧性動脈高壓病，而有些反應在多次非致死性低氧后產生適應代償，起到一定的保護作用[8]。研究還表明，在HPC中DNA甲基化轉移酶(DNA methyltransferase,DNMT)還可通過改變腦內某些基因的表達來提高腦組織的缺氧耐受性，從而在缺氧時發(fā)揮神經保護作用[9]。在觀察動物行為學與腦水腫程度缺氧小鼠研究中發(fā)現(xiàn)，當小鼠不同程度低氧處理后，低氧預適應小鼠組比急性缺氧組的促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)升高的更明顯，說明EPO對低氧損傷具有一定的神經保護作用[10-11]。由此可知,低氧對神經系統(tǒng)作用具有雙重性，即短暫嚴重的低氧有損傷作用,而適度低氧或非致死間歇性低氧能夠對神經系統(tǒng)產生一定的保護作用。

2 BDNF與TrkB的結構基礎與其在神經系統(tǒng)中的信號通路

2.1 BDNF與TrkB受體的分子生物學基礎

BDNF是一種堿性蛋白質體，分子質量為13.15 ku，由119個酪氨酸殘基構成，其主要結合區(qū)由N端無規(guī)則卷曲和β折疊構成。研究發(fā)現(xiàn)BDNF氨基酸殘基有大部分相同于神經生長因子，故稱為腦源性神經營養(yǎng)因子[12]。BDNF不僅對神經元的正常功能起重要作用，而且還能促進神經元有害損傷時的再生。Trk是原癌基因的產物，是經過酪氨酸激酶和原肌球蛋白融合后形成的單跨膜糖蛋白體，該受體有很多類似的生物結構，其中包括由一個磷酸化的配體結合部位和具有亮氨酸富集結構與IgG結構的胞外結合部位。而具有較好特異性的亮氨酸富集結構是區(qū)分Trk家族成員的關鍵。Trk根據(jù)分子質量分為短型的TrkB-T1/T2和全長型的TrkBFL，而短型的TrkB受體有自己的信號通路活性。

2.2 BDNF/TrkB信號通路及其下游途徑

研究發(fā)現(xiàn)，TrkB與神經配體BDNF蛋白結合后可形成高親和力的受體，從而使酪氨酸殘基磷酸化，導致下游基因上調，其相關信號通路產生生物學效應[13]。BDNF與TrkB 結合后通過激活多個重要的信號途徑發(fā)揮生物學效應，包括RAS-Raf-MAPK信號、PI3k/AKT信號途徑、GP-PLC-γ信號途徑與Ca2+/鈣調蛋白信號途徑。BDNF與TrkB 結合后，Ras基因被細胞外信號激活，下游Raf轉移到細胞膜上，Raf繼續(xù)激活下游分子產生磷酸化，最終使細胞外的轉錄信息轉入核內而發(fā)揮作用[14]。除此之外，在BDNF與TrkB通路中，PI3K/AKT途徑被認為是該信號通路的核心環(huán)節(jié)之一，當BDNF與TrkB 結合時，PI3K的調節(jié)亞基部位被活化，進而與TrkB受體的磷酸化末端序列相結合，最終經過調控Ras基因引起核心調控因子AKT的活化，從而發(fā)揮作用。Kim G S等[15]研究發(fā)現(xiàn)，G蛋白的激活也可以調節(jié)BDNF受體的底物磷酸化水平。另外，當BDNF與TrkB結合時，也能激活下游的鈣調蛋白(CaM)，最終引發(fā)細胞內的生物學效應?？梢娺@些信號途徑在BDNF/TrkB通路都發(fā)揮著重要的作用。

3 低氧對BDNF和TrkB受體的作用

研究結果顯示，急性低氧與低氧預適應都可能通過調控BDNF的表達，從而影響腦的結構和功能，但是激活下游途徑的機制不同，產生的結果也不相同。當機體缺氧時，BDNF與TrkB受體在調節(jié)中樞神經系統(tǒng)生存和死亡的過程中發(fā)揮著至關重要的作用[16]。通過檢測缺氧對BDNF表達的影響時發(fā)現(xiàn)，當急性缺氧處理后，其能夠調控BDNF在神經細胞中的表達，進而神經細胞的損傷。Tian X等[17]的小鼠低氧試驗通過低氧刺激誘導BDNF和TrkB受體的表達也證實了二者在神經系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。另外，將神經細胞置于24 h常氧和急性低氧情況下同時培養(yǎng)，BDNF與TrkB受體在急性低氧條件下的結合明顯增加[18]。研究還表明，BDNF誘導啟動子的活性增加，可能是啟動了相關缺氧反應元件的突變[19]。Scott A L等[20]研究發(fā)現(xiàn)，當BDNF作用于大鼠腎上腺髓質嗜鉻細胞TrkB受體(AMC)時，低氧預適應組、暴露在急性缺氧組和正常對照組三者相比，其AMC的TrkB受體興奮性升高，細胞內Ca2+和兒茶酚胺的分泌也明顯增加。TrkB通過與配體BDNF結合，在后期低氧損傷的神經元中發(fā)揮著重要調節(jié)作用[21]。小鼠HPC時可以刺激神經細胞中的BDNF表達下調。

4 低氧對BDNF/TrkB信號通路及其下游途徑的作用

越來越多的研究證明了低氧具有雙重作用，即嚴重缺氧導致?lián)p傷，適度低氧或低氧預適應對機體有保護作用。這主要取決于低氧的程度和持續(xù)的時間。因此，對于低氧的雙重作用和其調節(jié)的機制也越來越受到關注。特別是同一個信號通路如HIF1/VEGF[22]、BDNF/TrkB等信號通路在急性低氧與低氧預適應中的作用和調節(jié)也是不同的。因此，分析不同低氧類型的特點，如急性低氧、常壓低氧、間歇性低氧或低氧預適應等，對機體組織細胞的損傷和保護作用的不同。

4.1 急性低氧對BDNF/TrkB信號通路及其下游途徑的作用

當機體在急性低氧刺激下BDNF啟動區(qū)域基因被激活，釋放大量BDNF與其跨膜蛋白TrkB結合，進而TrkB發(fā)生酪氨酸殘基磷酸化效應，導致 BDNF/TrkB信號通路途徑發(fā)生變化，產生聯(lián)級反應，阻礙原癌基因(RAS)活性，導致下游的RAS-Raf-MAPK信號通路途徑不能表達，神經元難以修復[18-22]。因為RAS-Raf-MAPK信號途徑能夠結合神經元內TrkB的重要靶端部位，又是BDNF/TrkB通路中刺激神經細胞的增殖、分化及存活重要信號途徑[23]。PI3K/AKT通路是BDNF/TrkB中的經典信號轉導途徑，在神經元增殖分化的過程中能夠激活相應靶向蛋白，產生機體級聯(lián)反應，進而發(fā)揮特定的生物學效應。研究表明，急性低氧時，能激活下游PI3K/AKT信號轉導通路途徑，阻礙胰島素生長因子等的分泌，進而阻止神經細胞的增殖分化，起到外源性負性調控作用[21-24]。G蛋白的激活也是通過BDNF受體的底物磷酸化來實現(xiàn)的，GP-PLC-γ的激活部位主要是依賴于酪氨酸效應區(qū)域和CRKL受體蛋白的形式。因此當神經元受到短暫嚴重的低氧刺激后[25]，該通路被激活，即酪氨酸殘基經過與CRKL受體蛋白相互作用后，銜接蛋白CRK親和力增強，繼續(xù)激活G蛋白下游的PLC分子，使得PLC-γ信號通路得以發(fā)揮作用，產生神經調節(jié)作用，繼而損傷神經元。

4.2 低氧預適應對BDNF/TrkB信號通路及其下游途徑的作用

Hang H等[26]利用小鼠細胞試驗發(fā)現(xiàn)，低氧預適應能夠引起B(yǎng)DNF/TrkB信號通路活性降低，從而抑制神經細胞凋亡，降低腦部組織缺氧壞死，但相關機制尚不明確。僅有的研究表明，可能是RAS-Raf-MAPK途徑、PI3K/AKT途徑和PLC-γ途徑共同作用的結果。如Ca2+/CaM信號通路是經典的酪氨酸蛋白激酶受體信號通路[27]，在LTP低氧預適應誘導試驗中，突觸前膜谷氨酸釋放增多，激活突觸后膜TrkB受體蛋白，調節(jié)下游的鈣調蛋白(CaM)，觸發(fā)神經細胞BDNF/TrkB信號通路，最終引起B(yǎng)DNF受體磷酸化和質膜上的鈣泵(plasma membrane Ca2+-ATPase,PMCA)激活，PMCA1與Ca2+/CaM結合后，激活其周圍的磷脂類化合物產生活性，引起鈣離子向細胞內流，鈣離子內流導致多個信號途徑被激活，從而發(fā)生可塑性改變[28]，這有待于繼續(xù)研究和探索。而在組織缺氧的研究中發(fā)現(xiàn)，BDNF/TrkB信號通路也涉及到HIF1/VEGF信號通路，上調BDNF基因的表達，其旁路也激活了HIF1信號通路的途徑[29]。隨著對低氧保護機制研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)當大鼠間歇性低氧即HPC時，使得受損神經元產生耐受，HIF1抑制了泛素化的降解作用，進而促進了HIF1的蛋白表達，同時也激活了BDNF/TrkB信號通路，最終發(fā)揮協(xié)同作用，起到神經修復的作用[30]。

5 展望

近年來，隨著低氧研究的不斷深入，已經逐漸發(fā)現(xiàn)了低氧具有雙重作用，既可能產生損傷，又可產生對機體有益的保護作用，這主要取決于低氧的程度和持續(xù)的時間，以及激活反應體系的不同。而且隨著低氧對BDNF/TrkB作用機制中的一些新的信號蛋白和信號通路途徑的發(fā)現(xiàn)，其作用機制也越來越受到關注。本文歸納了BDNF與TrkB受體在神經系統(tǒng)研究方面的最新進展，并對影響B(tài)DNF/TrkB受體表達的幾種重要的信號通路途徑進行了剖析。除此之外，還分別對急性低氧和HPC對BDNF、TrkB受體信號通路的影響進行了查新。然而，到目前為止，低氧損傷特別是低氧預適應對BDNF和TrkB受體及其信號通路的具體機制還不夠明確，有待進一步探究。