TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與遺傳性腦小血管病

任倩倩 徐隋意 宋士娜 李常新

山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，太原 030001

腦小血管病（cerebral small vessel disease，CSVD）是包括小動(dòng)脈硬化、散發(fā)或遺傳性腦淀粉樣血管病、遺傳性小血管病、炎性或免疫介導(dǎo)的小血管病等在內(nèi)的一系列疾病，常累及小動(dòng)脈、小靜脈、毛細(xì)血管等，大多起病隱匿、病情進(jìn)展緩慢［1］。患者多表現(xiàn)為認(rèn)知功能障礙、癡呆、步態(tài)異常、精神行為異常等［2-3］。有研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor β，TGF-β）信號(hào)通路與CSVD 認(rèn)知功能損害和癡呆相關(guān)［4-6］。TGF-β 是一類由多種細(xì)胞分泌的具有生物活性的調(diào)節(jié)因子，其生物學(xué)作用是通過(guò)結(jié)合靶細(xì)胞表面的受體，將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至核內(nèi)而發(fā)揮作用，還可通過(guò)調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、分化、遷移導(dǎo)致顱內(nèi)小血管發(fā)生病理改變［7-8］。近年來(lái)，有關(guān)TGF-β 信號(hào)通路與遺傳性CSVD發(fā)病機(jī)制成為研究的熱點(diǎn)。

TGF-β蛋白家族及其受體

TGF-β 超家族包括TGF-β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenic protein，BMP）、激活蛋白及相關(guān)蛋白。其中TGF-β 在人體中分布廣泛，是通過(guò)二硫鍵連接2 條完全相同的多肽鏈（含112 個(gè)氨基酸）而形成的二聚體，哺乳動(dòng)物中多見(jiàn)TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3亞型，其編碼基因分別位于不同染色體上，具有高度的功能保守性和結(jié)構(gòu)保守性，可廣泛表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞以及間充質(zhì)細(xì)胞等［9-10］。

TGF-β 參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、凋亡、分化、遷移和細(xì)胞外基質(zhì)生成等多種過(guò)程，對(duì)不同種類細(xì)胞可表現(xiàn)出促進(jìn)或抑制兩種作用［9］。無(wú)論是在胚胎時(shí)期還是在成年后，TGF-β在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、功能維持等多個(gè)方面都起關(guān)鍵作用，不僅可以調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞功能、引導(dǎo)細(xì)胞遷移、突觸發(fā)生，還能調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)、促進(jìn)認(rèn)知功能障礙等［11-12］。

TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及其轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

TGF-β 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可通過(guò)Smad 依賴通路和非Smad依賴通路發(fā)揮作用，兩種通路均有賴于TGF-β 跨膜受體復(fù)合物［8，11］。TGF-β 受體依據(jù)分子量大小不同分為T(mén)GF-βRⅠ（TβRⅠ）、TGF-βRⅡ（TβRⅡ）和TGF-βRⅢ（TβRⅢ）。其中，TβRⅡ是一種絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，可與活化的TGF-β 配體特異性識(shí)別、結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)的Ser/Thr 激酶區(qū)域，并結(jié)合TβRⅠ共同形成跨膜受體復(fù)合物，進(jìn)一步介導(dǎo)后續(xù)細(xì)胞內(nèi)的連鎖反應(yīng)。

TGF-β/Smads 信號(hào)通路是最經(jīng)典、研究最廣泛的TGF-β 信號(hào)通路，當(dāng)其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能發(fā)生障礙時(shí)，可并發(fā)CSVD［7-8］、纖維化疾病［13-14］、結(jié)締組織疾病［15］等。Smads 蛋白家族在此通路中起到了關(guān)鍵介導(dǎo)作用。Smads 蛋白家族存在于細(xì)胞質(zhì)中，是最早被證明的TGF-β 受體復(fù)合物作用的底物，目前已知的Smads 蛋白至少有8 種（Smad1～Smad8）。受體復(fù)合物中活化的TβRⅠ磷酸化下游Smad2/Smad3 蛋白，與Smad4 三聚體結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，并與特異性結(jié)合蛋白結(jié)合，最終進(jìn)入細(xì)胞核激活目的基因［16］。在此過(guò)程中，Smad7 可通過(guò)緊密結(jié)合TβRⅠ，抑制Smads 磷酸化而發(fā)揮負(fù)性調(diào)控作用［17］。由此可見(jiàn)Smads蛋白是轉(zhuǎn)導(dǎo)TGF-β信號(hào)進(jìn)入細(xì)胞核的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

TGF-β 相關(guān)蛋白還可以激活其他非Smad 依賴的信號(hào)通路級(jí)聯(lián)反應(yīng)，例如促分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、核 因 子 κB（nuclear factor κB，NF-kb）等。由于與Smads 受體結(jié)合的連接蛋白具有多樣性，MAPK 信號(hào)通路被酪氨酸激酶受體或Ras 激活后，可通過(guò)磷酸化Smads 調(diào)控TGF-β/Smads 信號(hào)通路，多條信號(hào)通路互相協(xié)調(diào)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞不同生命階段的精密調(diào)控。研究表明，體內(nèi)動(dòng)力學(xué)緩慢的激活過(guò)程常與Smad 依賴的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)相關(guān)，而對(duì)于應(yīng)激反應(yīng)等需要快速激活的過(guò)程，多以非Smad依賴的MAPK通路為主導(dǎo)［11，18］。

TGF-β信號(hào)通路與遺傳性CSVD

目前CSVD的病因及相關(guān)發(fā)病機(jī)制仍不明確，有研究證實(shí)TGF-β 信號(hào)通路在遺傳性CSVD 中起作用［19］，但相關(guān)研究多局限于平滑肌細(xì)胞［［7，20］和成纖維細(xì)胞［17］。有研究認(rèn)為，在血管發(fā)生和重塑過(guò)程中，TGF-β對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞有多重影響，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂［21］。內(nèi)皮細(xì)胞功能下降引起血管壁結(jié)構(gòu)改變，血腦屏障通透性增加，血液成分外滲損傷周圍腦組織，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)功能缺損［22-23］。伴皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)病變的常染色體顯性遺傳性腦動(dòng)脈病（CADASIL）是最常見(jiàn)的遺傳性CSVD，NOTCH3基因突變可通過(guò)介導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白等的異常募集，引起TGF-β 信號(hào)通路上調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致腦血管功能障礙［24］。NOTCH3細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域（extracellular domain，ECD）在血管壁的聚集和沉積是CADASIL 早期病理學(xué)標(biāo)志［25］，有學(xué)者通過(guò)研究其富集的腦區(qū)纖維連接蛋白、纖維蛋白1 和TGF-β 結(jié)合蛋白（latent TGF-β binding protein，LTBP）家 族 成 員 ，發(fā) 現(xiàn) 潛 在 的LTBP-1 與Notch3-ECD 沉積具有特異性聚集，是TGF-β 信號(hào)調(diào)節(jié)因子家族中的關(guān)鍵作用因子，可直接與Notch3-ECD結(jié)合改變TGF-β 活性，對(duì)下游信號(hào)通路產(chǎn)生影響［24，26］。NOTCH3基因突變的致病作用和后續(xù)對(duì)細(xì)胞的影響可能是基于Smads與其他因子的協(xié)同作用。研究表明，NOTCH3基因可阻斷TGF-β1 依賴的平滑肌細(xì)胞分化，而TGF-β1 又可通過(guò)Smads 和P38 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）導(dǎo)致NOTCH3表達(dá)的下降［27］。

伴有皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)病變的常染色體隱性遺傳性腦動(dòng)脈病（CARASIL）是由HTRA1基因純合突變導(dǎo)致的遺傳性CSVD，典型臨床表現(xiàn)為顱內(nèi)小血管病變、脊椎病、脫發(fā)等，由于TGF-β家族中的骨形成因子可參與骨形成及毛囊干細(xì)胞的生長(zhǎng)，當(dāng)此家族中BMP分泌增多、功能亢進(jìn)時(shí)會(huì)促進(jìn)其脊柱病及脫發(fā)等相關(guān)臨床表型的產(chǎn)生［28］。TGF-β受體變異可導(dǎo)致毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)消失，導(dǎo)致影像學(xué)出現(xiàn)毛細(xì)血管擴(kuò)張征［29］。CARASIL 患者的腦小血管中膜可見(jiàn)TGF-β 沉積。目前HTRA1基因可參與TGF-β1 信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制TGF-β1 激活已被證實(shí)［8，30］。研究認(rèn)為，HTRA1基因純合突變（L364P）會(huì)下調(diào)HTRA1mRNA、蛋白水平，降低HTRA1蛋白酶活性，進(jìn)一步上調(diào)TGF-β/Smads信號(hào)通路，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞增殖、分化，促進(jìn)顱內(nèi)小血管內(nèi)膜纖維化、動(dòng)脈硬化［7，10］。另外，HTRA1 絲氨酸蛋白酶功能下降可減弱其對(duì)TGF-β1 表達(dá)的抑制作用，TGF-β1 的表達(dá)增多可引發(fā)腦動(dòng)脈病變［19］。

HTRA1基因突變相關(guān)CSVD 癥狀攜帶者發(fā)病與此基因雜合突變相關(guān)［31］，臨床表現(xiàn)大多與CARASIL 類似，但后者癥狀通常較重［32］。不同突變位點(diǎn)突變的致病機(jī)制不同［33］，部分基因位點(diǎn)突變存在顯性負(fù)效應(yīng)，可影響正常基因表達(dá)的蛋白發(fā)揮作用［17］；但當(dāng)HTRA1基因突變位點(diǎn)位于激活其蛋白酶關(guān)鍵部位時(shí)（例如L3 環(huán)、LD 環(huán)），可導(dǎo)致蛋白酶激活障礙，促使下游TGF-β1/Smads 信號(hào)通路傳導(dǎo)異常［32］。而CARASIL 患者錯(cuò)義突變位點(diǎn)通常位于蛋白酶結(jié)構(gòu)域，L3/LD 區(qū)域少見(jiàn)。因此，HTRA1基因潛在致病機(jī)制可能是通過(guò)表達(dá)絲氨酸蛋白酶來(lái)調(diào)節(jié)TGF-β 信號(hào)通路［19］，但個(gè)體化疾病嚴(yán)重程度與突變位點(diǎn)相關(guān)，仍有待進(jìn)一步深入探討。

Fabry病是一種由α-半乳糖苷酶A缺乏導(dǎo)致的疾病，臨床表現(xiàn)主要為動(dòng)脈相關(guān)并發(fā)癥，腦血管、腎臟、心臟疾病較常見(jiàn)，但此類血管病變的機(jī)制尚不清楚［34］。有研究發(fā)現(xiàn)，α-半乳糖苷酶A 缺乏可導(dǎo)致顱內(nèi)小動(dòng)脈硬化、血管狹窄等病理改變，是缺血性腦血管病發(fā)生的危險(xiǎn)因素［35］，TGF-β在此過(guò)程中起重要作用。當(dāng)TGF-β 信號(hào)通路下調(diào)時(shí)，可抑制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的積累，進(jìn)而抑制動(dòng)脈硬化的發(fā)生和發(fā)展［36］。

結(jié) 語(yǔ)

隨著人口老齡化的增加，CSVD 可能會(huì)變得越來(lái)越普遍，但其發(fā)病機(jī)制尚不十分明確，且治療措施上還存在許多爭(zhēng)議。我們已知遺傳性CSVD 發(fā)病與TGF-β 信號(hào)通路存在密切聯(lián)系，但此通路的調(diào)節(jié)異常不能作為一元論來(lái)解釋CSVD的發(fā)生，未來(lái)可能還需要在分子生物學(xué)水平上進(jìn)一步探索不同信號(hào)通路之間的聯(lián)系，以期為臨床治療提供潛在的分子靶點(diǎn)。