李 嵐,王 姣綜述,余昌胤,徐祖才審校

信號素(Semaphorin,Sema)是分泌和膜相關(guān)的糖蛋白,根據(jù)其結(jié)構(gòu)要素和氨基酸序列相似性分為8類, 1類和2類發(fā)現(xiàn)于無脊椎動(dòng)物;而3～7類存在于脊椎動(dòng)物;第8類則由病毒編碼[1]。 其中Sema 4D是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的具有免疫特異性的分泌和膜結(jié)合蛋白,其在神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的遷移和分化、中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥和神經(jīng)變性中起重要作用。本文擬對Sema 4D與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)性的研究進(jìn)展作一綜述。

1 Sema 4D的生物學(xué)特性

1.1 Sema 4D的分子結(jié)構(gòu) Sema 4D是分泌和膜結(jié)合蛋白家族Semaphorin的成員,Sema 4D cDNA胞外部分同時(shí)存在Sema和Ig樣域,是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的具有免疫特性的Sema成員。Sema 4D含有一個(gè)保守的400個(gè)氨基酸的“Sema”結(jié)構(gòu)域,這個(gè)結(jié)構(gòu)的中心特點(diǎn)是一個(gè)七葉片β螺旋槳折疊整體結(jié)構(gòu)[2],被歸類為第4類Semaphorin成員；其通常以二硫鍵連接的同源二聚體形式在胚胎及成年哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中都有較高的表達(dá),通過金屬蛋白酶依賴性水解過程成為可溶性分子從細(xì)胞表面釋放[3],其功能主要由水解后的可溶性Sema 4D(sSema 4D)實(shí)現(xiàn)。

1.2 Sema 4D的受體 Sema 4D通過結(jié)合3種不同的親和性受體發(fā)揮作用：Plexin-B1、Plexin-B2和CD72。高親和力受體Plexin-B1和中等親和力受體Plexin-B2都在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)并參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育[4],但Plexin-B2與Sema 4A親和性更高；Plexin-B1在血管內(nèi)皮細(xì)胞中也有表達(dá),二者均含具有PDZ結(jié)構(gòu)域,與LARG(白血病相關(guān)的Rho GEF)和Rho GEF分子的PDZ結(jié)構(gòu)域相互作用,其中,PDZ也稱為“盤狀同源區(qū)域”,是一種由80到100個(gè)氨基酸殘基組成的保守序列,生物作用主要是介導(dǎo)膜上的蛋白聚集,結(jié)合目標(biāo)蛋白的C端,目標(biāo)蛋白結(jié)合在由PDZ結(jié)構(gòu)域第一個(gè)α螺旋和第二個(gè)β折疊所構(gòu)成的溝內(nèi)[5]。低親和力受體CD72是主要由造血細(xì)胞表達(dá),CD72屬于Sema 4D的主要淋巴細(xì)胞受體[6]。

2 Sema 4D在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用

2.1 Sema 4D參與調(diào)控突起生長 神經(jīng)軸突再生包括軸突延伸、髓鞘形成、突觸形成等過程,Sema 4D通過其受體Plexin-B1參與軸突再生不同過程,同時(shí)抑制樹突生長。

Sema 4D通過其受體Plexin-B1調(diào)節(jié)微管末端的功能,調(diào)節(jié)軸突和樹突生長。在軸突再生過程中,其前端的生長錐,是軸突生長的執(zhí)行單元,其內(nèi)部以微絲、微管為支架,通過內(nèi)部肌動(dòng)蛋白的聚合和解聚向前延伸。有研究表明,Sema 4D通過不同作用通路誘導(dǎo)生長錐塌陷,從而抑制軸突再生。在樹突延伸過程中,Sema 4D也通過其受體Plexin-B1及其下游通路參與微管形成過程,抑制樹突生長[7]。

Sema 4D與Plexin-B1結(jié)合后,Plexin-B1被激活,PDZ RhoGEF和白血病相關(guān)的RhoGEF(LARG)通過將它們的PDZ結(jié)構(gòu)域與Plexin-B1的PDZ結(jié)構(gòu)域結(jié)合,這些GEF通過其DH/PH結(jié)構(gòu)域刺激Rho磷酸化而被激活,從而激活Rho以及其下游效應(yīng)分子。ROK信號刺激LIM激酶(LIMK),其通過磷酸化絲切蛋白(Cofilin)而抑制其活性,從而抑制肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維移動(dòng)。同時(shí)ROK也通過阻斷肌球蛋白磷酸酶活性而活化肌球蛋白輕鏈(MLC),從而增強(qiáng)由肌球蛋白激酶(MLCK)引起的磷酸化MLC的積聚,最終促使應(yīng)力纖維的聚合和收縮,軸突生長被抑制。在內(nèi)皮細(xì)胞,如果細(xì)胞通過整聯(lián)蛋白附著于細(xì)胞外基質(zhì),收縮應(yīng)力纖維產(chǎn)生的張力促進(jìn)組裝成熟的粘聯(lián)復(fù)合物(focal adhensions)和脯氨酸酪氨酸激酶2(Pyk2)的激活。Pyk2激活導(dǎo)致磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、蛋白激酶B(Akt)和蛋白激酶1/2(Erk1/2)的激活,是促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移的重要環(huán)節(jié)[1.7](見圖1)。

在小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi),ERK1/2同時(shí)也激活小膠質(zhì)細(xì)胞,增加NO的產(chǎn)生,增強(qiáng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)[8]。有研究認(rèn)為,Sema 4D與Plexin-B1的結(jié)合后,Plexin-B1胞內(nèi)部分的酪氨酸殘基磷酸化激活其GAP活性[9],導(dǎo)致R-Ras活動(dòng)的下調(diào),其下游的PI3K信號傳導(dǎo)途徑隨之下調(diào),PI3K失活引起下游通路的Akt的去磷酸化和GSK-3β活化,誘導(dǎo)生長錐塌陷[10]。但有實(shí)驗(yàn)表明Sema 4D與Plexin-B1并非激活R-RasGAP活性的唯一條件[1],Sema3A與Plexin-A1結(jié)合同樣能激活R-RasGAP活性[10](見圖1)。

Ena/VASP蛋白家族參與微絲(F-actin)的成核和延伸,Ena/VASP通過將肌動(dòng)蛋白復(fù)合物裝配到活性肌動(dòng)蛋白前端,增強(qiáng)微絲的伸長。Lpd是Ena/VASP家族蛋白的一種調(diào)節(jié)因子,M-Ras與Lpd結(jié)合后,使Lpd被激活到微絲前端,作用于Ena/VASP介導(dǎo)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架形成。當(dāng)樹突受損后,其再生功能被激活,但Sema 4D與Plexin-B1 結(jié)合后,激活了Plexin-B1的GAP活性,其GAP活性抑制M-Ras活性,Lpd不能與Ena/VASP結(jié)合,F-actin不能形成,從而樹突形成過程也被抑制[7](見圖2)。

圖1[1]Sema 4D也通過其受體Plexin-B1及其下游通路參與神經(jīng)再生及內(nèi)皮細(xì)胞遷移過程

圖2[7]Sema 4D與Plexin-B1 結(jié)合后,抑制M-Ras活性,抑制樹突生長

2.2 Sema 4D參與少突膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)的髓鞘形成 少突膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘形成細(xì)胞,Sema 4D在少突膠質(zhì)細(xì)胞的遷移和分化過程具有重要作用。實(shí)驗(yàn)表明[11,12],Sema 4D缺乏導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞分化增強(qiáng)和遷移,而外源性添加可溶性Sema 4D則抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞分化,并進(jìn)一步促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡。所以,Sema 4D也通過抑制軸突髓鞘形成參與軸突再生過程。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明[13],大鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞Sema 4D敲除可促進(jìn)脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)后的功能恢復(fù)。也有研究稱[14],斑馬魚SCI后損傷部位Sema 4D表達(dá)上調(diào)有助于其運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)；抑制Sema 4D的表達(dá),延緩了運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)及損傷部位以下軸突再生。在SCI后,Sema 4D不僅在少突膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá),而且在內(nèi)皮細(xì)胞也有表達(dá)。Sema 4D在內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)促進(jìn)血管形成,而在少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞中的過表達(dá)抑制神經(jīng)元髓鞘形成,同時(shí)也激活了炎癥反應(yīng)。

2.3 Sema 4D促進(jìn)抑制性突觸形成 研究表明,Sema 4D不僅能促進(jìn)哺乳動(dòng)物海馬GABA能神經(jīng)突觸的發(fā)育, sSema 4D還可促進(jìn)GABA能突觸的形成；Sema 4D不需要其細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域來調(diào)節(jié)突觸形成,但sSema 4D促進(jìn)GABA能突觸的形成,需要其受體PlexinB1介導(dǎo)[15]。在癲癇小鼠模型中,海馬CA1區(qū)輸注Sema 4D,3 h后分離的海馬切片免疫組化顯示GABA能神經(jīng)神經(jīng)遞質(zhì)密度升高,且處理后的小鼠較對照組癲癇發(fā)作程度減輕,持續(xù)時(shí)間縮短,可能與Sema 4D調(diào)控哺乳動(dòng)物海馬GABA能神經(jīng)突觸形成有關(guān)[16]。其機(jī)制可能是 Sema 4D定位到GABA能突觸的突觸后膜,通過與GABA能突觸末端表達(dá)的PlexinB1的跨膜突觸相互作用,促進(jìn)突觸的形成[17]。

2.4 Sema 4D參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng) 激活的小膠質(zhì)細(xì)胞可表達(dá)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS),從而增加NO生成,參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng),T細(xì)胞釋放的Sema 4D可與脊髓中小膠質(zhì)細(xì)胞的plexin-B1結(jié)合,從而參與自身免疫性腦脊髓炎(EAE)的發(fā)病。阻斷Sema 4D信號能有效抑制EAE的小膠質(zhì)細(xì)胞活化和神經(jīng)炎癥反應(yīng)；Sema 4D通過Plexin-B1機(jī)制激活小膠質(zhì)細(xì)胞增加NO生成；而細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)阻滯劑可抑制Sema 4D引起iNOS的表達(dá),換言之, Sema 4D通過ERK激活小膠質(zhì)細(xì)胞,從而iNOS合成增加,參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)[8]。 并且也報(bào)道稱,Sema 4D通過Plexin-B1加速急性腦卒中后血腦屏障(BBB)破壞和促進(jìn)炎癥反應(yīng)[18]。

2.5 Sema 4D與神經(jīng)退行性疾病 Sema 4D可能調(diào)節(jié)神經(jīng)退行性病變的發(fā)展過程,通過抑制Sema 4D信號可增加神經(jīng)元生長和增強(qiáng)少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟,這可能有助于治療神經(jīng)退行性疾病[19]。Sema 4D在阿爾茲海默病患者(AD)大腦皮質(zhì)和海馬中表達(dá)減少,但研究認(rèn)為,Sema 4D并非AD的危險(xiǎn)因素[20],Sema 4D表達(dá)減少與AD是否存在其他聯(lián)系目前還未見文章報(bào)導(dǎo)。亨廷頓舞蹈病(HD)是一種遺傳性致命性神經(jīng)退行性疾病,除了特征性運(yùn)動(dòng)缺陷和尾狀核萎縮外,HD的特征標(biāo)志還包括行為異常,免疫激活以及皮質(zhì)和白質(zhì)損失。通過抗Sema 4D,改善了HD模型小鼠的神經(jīng)病理學(xué)特征,包括紋狀體、腦皮質(zhì)和胼胝體萎縮,同時(shí),焦慮樣行為和認(rèn)知障礙等癥狀也得到改善,但是對運(yùn)動(dòng)障礙沒有明顯的影響[21]。

人淋巴細(xì)胞白血病病毒1型(htlv-1)可引起htlv-1相關(guān)脊髓病/熱帶痙攣性癱(HAM/TSP)是一種神經(jīng)退行性中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)疾病。這種病毒主要感染CD4+T淋巴細(xì)胞,而非感染神經(jīng)元。中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)浸潤的受感染的淋巴細(xì)胞可分泌Tax,Tax通過改變細(xì)胞內(nèi)通路與軸突骨架動(dòng)力學(xué)造成神經(jīng)損傷。經(jīng)培養(yǎng),感染者的PBMCs顯示出較高水平的CRMP-2,這種效果被Tax或Sema 4D抗體所阻斷,且PBMCs分泌培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)了Tax與sSema 4D的相互作用[22]。

2.6 Sema 4D刺激背根神經(jīng)節(jié)(DRG)生長 研究表明[23],胚胎DRG不僅含Sema 4D,也有其受體plexinB1和plexinB2的表達(dá),并且主要位于DRG神經(jīng)元的軸突。Sema 4D可增強(qiáng)神經(jīng)生長因子(NGF)刺激DRG神經(jīng)元的軸突生長作用,其機(jī)制可能是,Sema 4D誘導(dǎo)生長錐崩潰信號傳導(dǎo)過程中,PDZ-RhoGEF的PDZ結(jié)構(gòu)域與plexin-B1的C末端結(jié)合,其內(nèi)含有調(diào)節(jié)G蛋白信號(RGS)結(jié)構(gòu)域,可以被異三聚體G蛋白調(diào)控,PDZ-RhoGEFs通過這一機(jī)制促進(jìn)非活動(dòng)的GDP轉(zhuǎn)化為有活性GTP；因此,在胚胎發(fā)育中Sema 4D-Plexin-B1信號可能通過異三聚體GPCR,PDZ-RhoGEFs將抑制信號轉(zhuǎn)化為活化信號。也有研究認(rèn)為,Plexin-B2是神經(jīng)突生長的正性調(diào)節(jié)因子[24]；在胚胎組織發(fā)育過程中,是否可能存在某種機(jī)制,使得Sema 4D與plexinB2親和性增強(qiáng),或Sema 4D-plexinB1通路作用被抑制而Sema 4D-plexinB2通路作用被增強(qiáng),從而得到Sema 4D對神經(jīng)軸突生長表現(xiàn)為正性作用的結(jié)果；然而這些機(jī)制仍有待研究。

3 展 望

綜上所述,相關(guān)的基礎(chǔ)與臨床研究均表明,Sema 4D不僅與神經(jīng)系統(tǒng)的某些生理功能密切相關(guān),同時(shí)還可能參與了脫髓鞘、炎癥、癲癇、變性及神經(jīng)再生等相關(guān)疾病,通過對Sema 4D及其作用通路的干預(yù),在部分疾病的治療上也已取得了一定的進(jìn)步；但其更具體機(jī)制還有待更多的探究,通過對其更精確的調(diào)控和應(yīng)用,也許能夠獲得更多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療靶點(diǎn)。