Nodal 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參與腦缺血損傷研究進(jìn)展

崔 楊，莽 靖綜述，徐忠信審校

Nodal 是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族成員，TGF-β/Nodal 信號(hào)已經(jīng)被證實(shí)為維持人類(lèi)胚胎干細(xì)胞多潛能的重要因素，在動(dòng)物器官形成、胚胎發(fā)育、上皮組織增生、細(xì)胞外基質(zhì)合成及組織穩(wěn)態(tài)等方面都發(fā)揮著重要作用［1，2］。隨著Nodal 受體克隆、受體功能研究進(jìn)展以及Nodal 受體信號(hào)傳遞下游分子的發(fā)現(xiàn)，豐富了對(duì)Nodal 作用機(jī)制了解，使Nodal 成為骨形成、骨分化、先天性心臟病以及腫瘤導(dǎo)致程序化細(xì)胞死亡機(jī)制等方面的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，近年來(lái)Nodal 被發(fā)現(xiàn)并證實(shí)參與多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，如PI3K/Akt 信號(hào)通路、JAK/STAT 信號(hào)通路、Notch 信號(hào)通路、ActA/Smads 信號(hào)通路、MARK 類(lèi)信號(hào)通路等，構(gòu)成信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，研究發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)通路參與了中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺血性損傷與修復(fù)，影響細(xì)胞代謝、增殖、分化及程序化死亡過(guò)程。本文對(duì)近年Nodal 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參與腦缺血損傷研究進(jìn)展綜述如下。

1 經(jīng)典的Nodal 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

Nodal 蛋白是一種跨膜糖蛋白，由260 個(gè)氨基酸組成，包括胞外配體結(jié)合域N 末端、跨膜段、胞內(nèi)C 末端［3］。其受體為細(xì)胞膜上絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶樣型受體ActR，包括ActRI(又稱(chēng)ALKs)和ActRII，ActRI 有ALK4 和ALK7 兩種，ActRII 同樣發(fā)現(xiàn)有ActRIIA 和ActRIIB 兩種［4］。Nodal 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制同TGF-β 超家族其它成員非常相似，不同的是I 型受體可直接與Nodal 配基結(jié)合，但親和力很弱，而在II 型受體同時(shí)存在的條件下，對(duì)受體的親和力大為增強(qiáng)［5］。

分泌至胞外的Nodal 以二聚體的形式與輔助受體EGFCFC 蛋白偶聯(lián)，結(jié)合并激活A(yù)ctRII，然后II 型受體磷酸化I型受體，組成異二聚體轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)，進(jìn)而激活胞質(zhì)內(nèi)Smads 蛋白。配體受體復(fù)合物磷酸化激活Smad2 和/或Smad3，被激活的R-Smad 再同Smad4 結(jié)合，形成的復(fù)合物進(jìn)入核內(nèi)激活下游特異基因的轉(zhuǎn)錄，通過(guò)Smad DNA 結(jié)合配體FoxH1、Mixer 等轉(zhuǎn)錄因子對(duì)Nodal 基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控［6，7］。Nodal 信號(hào)同TGF-β 信號(hào)通路共享了一些因子，例如Nodal、Activin、GDF1 和inhibin 都通過(guò)ActRIIB 和ALK4 受體傳遞信號(hào)，共享Smad2 和Smad3。

Nodal 與ActRl、ll 型受體的穩(wěn)定結(jié)合需要Cripto-1(EGFCFC 蛋白之一)的輔助，Cripto 通過(guò)糖基磷脂酞肌醇(GPI)錨定于細(xì)胞表面。Cripto-1 蛋白通過(guò)促進(jìn)Furin 基因的表達(dá)，增強(qiáng)Nodal 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能［8］。另外，Cripto-1 蛋白不僅僅是細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞外的可溶解成份，如其與糖基磷脂酰肌醇結(jié)合，還具有促進(jìn)Nodal 復(fù)合受體旁分泌功能［9］。Nodal通路的正常轉(zhuǎn)導(dǎo)也有賴(lài)于適度的負(fù)性調(diào)控。Lefty 可通過(guò)與Nodal 或者Cripto-1 結(jié)合阻斷Nodal 信號(hào)［10］。Cerberus 和Cerberus 樣蛋白通過(guò)阻斷Nodal 與其受體結(jié)合發(fā)揮作用［11］。此外，轉(zhuǎn)錄輔阻遏因子DRAP 1 等可通過(guò)結(jié)合FOXH1，阻止與Nodal 信號(hào)通路靶基因DNA 的結(jié)合，發(fā)揮其負(fù)性調(diào)控作用［12］。

2 Nodal 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)參與腦缺血損傷

而Nodal 除上述經(jīng)典的Nodal/Smads 通路以外，與MAPK、PI3K/Akt、Notch 等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在相互作用，與Activin 存在共同的下游分子。不僅如此，Nodal 信號(hào)在轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，也受到其他生長(zhǎng)因子信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的交叉調(diào)節(jié)，影響其固有的生物學(xué)效應(yīng)。

2.1 Nodal 與ActA/Smads 信號(hào)通路 經(jīng)典的Nodal/Smads 和ActA/Smads 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路極其相似。在膜受體水平，Nodal 信號(hào)激活了和ActA 相同或和ActA 高度相關(guān)的途徑［13］。在胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，Nodal 和ActA 均借助Smads 通路實(shí)現(xiàn)對(duì)核內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)控，繼而產(chǎn)生各自的生物學(xué)效應(yīng)。

ActA/Smads 通路在腦缺血性損傷中發(fā)揮重要的神經(jīng)保護(hù)功能。在體內(nèi)外模擬的腦缺血性損傷中存在內(nèi)源性ActA/Smads 通路激活［14］。外源性給予ActA 可下調(diào)一氧化碳合酶，提高超氧化物歧化酶的表達(dá)，從而通過(guò)抗氧化途徑發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［15］。靶向沉默抑制性Smad(Smad7)，可提高ActA/Smads 通路活性，減輕神經(jīng)元缺血性損傷［16］。Smad 錨著蛋白(Smad anchor for receptor activation，SARA)具有維持ActA/Smads 通路的基礎(chǔ)活化水平，促進(jìn)Smad2 蛋白磷酸化活化的作用［17］。膜受體水平阻斷ActA/Smads 通路，對(duì)ActA蛋白表達(dá)及Smad3 蛋白磷酸化水產(chǎn)生負(fù)性調(diào)控作用［18］。

2.2 Nodal 與Notch 信號(hào)通路 Nodal 受Notch 信號(hào)通路的誘導(dǎo)。細(xì)胞表面的Notch 受體激活后，胞內(nèi)區(qū)域(NICD)經(jīng)Y-分泌酶裂解并釋放，轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，與DNA 上的CSL蛋白相結(jié)合形成復(fù)合體啟動(dòng)靶基因的轉(zhuǎn)錄。Nodal 的增強(qiáng)子具有與CSL 結(jié)合的位點(diǎn)，因而是Notch 信號(hào)通路的直接轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)［19］。

在對(duì)缺血性腦損傷的研究中發(fā)現(xiàn)，成年小鼠腦組織發(fā)生缺血時(shí)Notch 信號(hào)通路被激活，該通路激活后可促進(jìn)缺血后神經(jīng)干細(xì)胞的存活。也有研究發(fā)現(xiàn)，大鼠局灶腦缺血Notch1信號(hào)通路對(duì)缺血損傷后的神經(jīng)修復(fù)起重要作用。但在大鼠大腦皮質(zhì)神經(jīng)元成熟過(guò)程中，低水平的Notch1 信號(hào)可能與神經(jīng)細(xì)胞的突觸發(fā)生有關(guān)，并有利于神經(jīng)細(xì)胞間的聯(lián)接數(shù)目增加［20，21］。缺血性腦損傷早期可以激活Notch 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，對(duì)細(xì)胞凋亡的調(diào)控起負(fù)面作用，其機(jī)制可能與下調(diào)細(xì)胞凋亡抑制蛋白Bcl-2 表達(dá)、上調(diào)促細(xì)胞凋亡蛋白Bax 表達(dá)有關(guān);阻斷Notch 通路可以使OGD 后PC12 細(xì)胞凋亡率下降，通過(guò)抗凋亡發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［22］。

2.3 Nodal 與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)類(lèi)信號(hào)研究已發(fā)現(xiàn)由EGF(或HGF)激活酪氨酸蛋白激酶產(chǎn)生的MAPK 類(lèi)信號(hào)可以磷酸化Nodal，但由于磷酸化部位不同，產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。TGF-β 信號(hào)族轉(zhuǎn)導(dǎo)引起的磷酸化，使Nodal 轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號(hào)從胞漿進(jìn)入核內(nèi)，效應(yīng)是抑制細(xì)胞增生;而由EGF 或HGF 激活其酪氨酸激酶產(chǎn)生的MAPK 類(lèi)信號(hào)引起的磷酸化結(jié)果是阻止其進(jìn)入核內(nèi)，抑制其調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的活性［23］。MAPK 類(lèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達(dá)，各種胞外信號(hào)均可經(jīng)其來(lái)影響神經(jīng)元形態(tài)分化、重塑、生存等，參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病病理生理過(guò)程。

當(dāng)腦缺血時(shí)，腦組織缺氧導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境發(fā)生嚴(yán)重改變，細(xì)胞壞死或凋亡，同時(shí)也會(huì)啟動(dòng)修復(fù)機(jī)制對(duì)缺氧損傷進(jìn)行自我修復(fù)。有研究表明，抑制MAPK 信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致減少促炎分子生產(chǎn)的炎癥細(xì)胞，特別是小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的高度活化后MAPK 級(jí)聯(lián)缺血再灌注損傷［24］。有研究者利用大鼠缺血再灌注模型，給予MAPK 抑制劑可通過(guò)抑制MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，防止缺血引起的腦損傷［25］。應(yīng)用抑制劑的研究證實(shí)，腦缺血損傷后，MAPK 的3 條主要信號(hào)通路均被激活，且促進(jìn)了神經(jīng)元的死亡，MAPK 抑制劑可對(duì)缺血性損傷起保護(hù)作用［26，27］。

2.4 Nodal 與JAK/STAT 信號(hào)通路 JAK/STAT 信號(hào)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達(dá)較為廣泛，已知JAK2 和STAT3 在大腦中高表達(dá)，多存在于突觸后膜。有研究發(fā)現(xiàn)，JAK/STAT 信號(hào)通路參與了瘦素誘導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)作用，在缺血性腦損傷中，在大鼠大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO)缺血后STAT1 表達(dá)增加，而敲除STAT1 基因可顯著減小大鼠腦梗死體積［28］，結(jié)果表明STAT1 在腦缺血損傷中可能起負(fù)性調(diào)控作用。大鼠MCAO模型的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，腦缺血后SOCS3 mRNA(細(xì)胞因子抑制物)表達(dá)增高，反義敲除SOCS3 基因，大鼠的抗缺血能力顯著下降。還有研究者阻斷IL-6 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)小鼠在皮質(zhì)缺血半暗帶磷酸化STAT3 表達(dá)顯著減少，梗死區(qū)凋亡細(xì)胞數(shù)明顯增多，梗死面積增大，神經(jīng)功能缺失加重，提示STAT3活化可能具有神經(jīng)保護(hù)的作用，阻止細(xì)胞凋亡［29，30］。

有研究證實(shí)，γ 干擾素通過(guò)其受體與有關(guān)酪氨酸激酶Jak1 參與STAT1 的磷酸化，激活的STAT1 引起基因轉(zhuǎn)錄，誘發(fā)抑制性smad7 的表達(dá)，阻礙了TGF-β 受體與Nodal 的結(jié)合，使Nodal 不能活化，即阻止了其下游一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程［31］。

MAPK 類(lèi)信號(hào)和STAT 信號(hào)均通過(guò)影響Nodal 蛋白來(lái)控制TGF-β 族信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，可能Nodal 蛋白是控制細(xì)胞命運(yùn)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中的一個(gè)交叉作用點(diǎn)［32］。

2.5 Nodal 與PI3K/Akt 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 除經(jīng)典途徑外，Nodal 能激活如絲裂原激酶的蛋白激酶和磷脂酰肌醇3激酶/Akt 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等很早就已被描述為非經(jīng)典的TGFβ 信號(hào)家族成員。在缺血性腦損傷的研究中顯示，將腦缺血后大鼠給予PI3K 抑制劑，可通過(guò)抑制PI3K/Akt 途徑抑制大鼠腦皮質(zhì)神經(jīng)祖細(xì)胞DNA 合成，而給予激活劑可激活該過(guò)程。還有研究顯示，酪氨酸磷酸酶受體抑制劑能促進(jìn)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的表達(dá)，在缺血后起腦保護(hù)作用。在建立永久大鼠大腦中動(dòng)脈缺血模型中發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt 信號(hào)途徑參與缺血性腦損傷的病理過(guò)程，在缺血早期即給予外源因子提高Akt 的表達(dá)可以減少缺血腦組織的損傷［33］。在對(duì)大鼠15 min 全腦缺血模型研究發(fā)現(xiàn)，在缺血再灌注24 h 后海馬CA1區(qū)神經(jīng)元Akt-Ser-473 位點(diǎn)磷酸化水平即明顯升高，再灌注36 h、48 h后細(xì)胞色素C 和Caspase-3 表達(dá)才升高，在表達(dá)時(shí)序上，磷酸化Akt 早于細(xì)胞色素C 和Caspase-3 表達(dá)，但后者的表達(dá)持續(xù)時(shí)間較磷酸化Akt 長(zhǎng);說(shuō)明Akt 可能參與抗細(xì)胞凋亡作用［34］。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，在目前被證實(shí)的多條參與缺血性腦損傷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，Nodal 在很多位點(diǎn)可能與這些通路存在Crosstalk(插話)，提示在腦缺血損傷這一特定病理及病理生理過(guò)程中，可能存在由Nodal 或者相類(lèi)似TGF-β 超家族成員為結(jié)點(diǎn)的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，但其參與腦缺血損傷模式、機(jī)制等尚處在對(duì)線性信號(hào)通路的研究以及在其他病理及病理生理過(guò)程研究中的推測(cè)。闡明其機(jī)制，尚需在腦缺血損傷這一特定背景下，以Nodal 或者TGF-β 超家族構(gòu)成的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)為靶點(diǎn)進(jìn)行更為直接及深入的研究。

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