縫隙連接蛋白43 (Cx43)與神經(jīng)炎癥的研究進展

王亞楠(綜述) 方 浩,2(審校)

(1復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院麻醉科 上海 200032; 2復(fù)旦大學(xué)附屬金山醫(yī)院麻醉科 上海 200540)

隨著人口的老齡化,阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)、腦中風(fēng)、術(shù)后認(rèn)知功能障礙等疾病的發(fā)生率越來越高,神經(jīng)炎癥是這些中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)疾病的一個共同特征。近年來有較多研究發(fā)現(xiàn)縫隙連接蛋白43(connexin43,Cx43)在神經(jīng)炎癥中起著重要的作用并且能夠影響神經(jīng)功能,但是其具體的作用機制還未確定。本文基于已有的研究對Cx43與神經(jīng)炎癥的關(guān)系及其對神經(jīng)功能的影響作一總結(jié),為臨床上CNS疾病的治療提供新的思路。

縫隙連接蛋白43的結(jié)構(gòu)及功能1986年P(guān)aul克隆測序出第1個縫隙連接蛋白(connexin,Cx),至今在人類和鼠類中發(fā)現(xiàn)至少分別有20個和19個成員。Cx依據(jù)其分子量大小進行命名,如Cx43的相對分子質(zhì)量為43 000。Cx43是含有4個跨膜域的高度調(diào)節(jié)的內(nèi)在膜蛋白,它包括2個細(xì)胞外環(huán)、1個胞質(zhì)環(huán)及胞質(zhì)氨基(-NH2)和羧基(-COOH)。羧基端在長度上差異很大,被認(rèn)為是發(fā)揮主要調(diào)節(jié)功能、提供蛋白-蛋白相互作用的區(qū)域[1]。半通道(hemichannel,HC)是由Cx43組成的六聚體結(jié)構(gòu),介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外的信息交流。相鄰兩細(xì)胞的HC對合形成縫隙連接(gap junction,GJ),介導(dǎo)細(xì)胞間的信息交流。Cx43廣泛分布于身體的各個部位,如心、腦、肺、毛細(xì)血管等[1-2]。在腦中共有11種Cx,其中含量最多的是Cx43,主要分布于星形膠質(zhì)細(xì)胞,也少量表達(dá)于小膠質(zhì)細(xì)胞,幾乎不分布于神經(jīng)元[3]。

Cx43的功能與其形成的GJ和HC密切相關(guān)。生理情況下GJ處于開放狀態(tài)。GJ允許小分子細(xì)胞間被動擴散,如:谷氨酸、谷胱甘肽、糖、ATP、離子(如Ca2+、Na+、K+)[4]。Cx43是星形膠質(zhì)細(xì)胞中含量最多的Cx,而星形膠質(zhì)細(xì)胞在正常的神經(jīng)活動中起主要作用,它們?yōu)樯窠?jīng)元提供代謝和結(jié)構(gòu)支持,控制細(xì)胞外谷氨酸、鉀、氫離子濃度,調(diào)節(jié)細(xì)胞外液的容量。這些功能取決于相鄰兩個星形膠質(zhì)細(xì)胞通過GJ形成的功能合胞體,對谷氨酸、鉀等起到“空間稀釋”作用[5]。當(dāng)受到外來侵犯時,受損細(xì)胞通過GJ將谷氨酸等有害物質(zhì)釋放到相鄰細(xì)胞,起到了自我保護作用。

曾經(jīng)認(rèn)為HC的主要功能是形成GJ,后來發(fā)現(xiàn)了不形成GJ的功能性HC的存在。大量研究證實HC可將細(xì)胞內(nèi)大量自分泌/旁分泌信號分子如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)、谷氨酸、前列腺素E2等釋放到細(xì)胞外環(huán)境中。生理情況下,HC主要處于關(guān)閉狀態(tài),以形成GJ為主,另外也允許與細(xì)胞信號有關(guān)的分子釋放,如傳播細(xì)胞間Ca2+波動所必需的ATP和NAD+[6]。病理情況下,如腦缺血、炎癥、氧糖剝奪、細(xì)胞外低鈣時,HC開放,導(dǎo)致靜息膜電位的紊亂、ATP和谷氨酸毒性物質(zhì)的釋放、大量攝取水分導(dǎo)致細(xì)胞水腫和破裂[4,7]。在一些細(xì)胞類型(如星形膠質(zhì)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、腎小管)中,Cx43HC活性增加可加劇細(xì)胞死亡,表明它可以決定細(xì)胞損傷的傳播[8]。目前普遍認(rèn)為,病理情況下HC的開放能加重神經(jīng)損傷。

Cx43與神經(jīng)炎癥神經(jīng)炎癥是腦損傷及許多急性、慢行退行性疾病的共同過程。這個過程的主要特征是反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞激活,而小膠質(zhì)細(xì)胞的激活導(dǎo)致大量炎性因子的釋放,如IL-1β和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)[6,8-9]。星形膠質(zhì)細(xì)胞中含量最多的Cx是Cx43。近年來,越來越多的研究表明神經(jīng)炎癥引起Cx43表達(dá)和GJ及HC通訊的改變,從而影響神經(jīng)功能。

神經(jīng)炎癥抑制Cx43GJ通訊 細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是小膠質(zhì)細(xì)胞的刺激器,被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建神經(jīng)炎癥模型。2006年,Meme等[9]發(fā)現(xiàn)LPS激活的小膠質(zhì)細(xì)胞可以抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞GJ通訊,并表明小膠質(zhì)細(xì)胞激活釋放的炎性因子IL-1β和TNF-α在該過程中起關(guān)鍵作用。后來證實LPS激活的小膠質(zhì)細(xì)胞或IL-1β和TNF-α均可以抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞GJ通訊,表現(xiàn)為劃痕標(biāo)記染料示蹤技術(shù)中熒光黃的轉(zhuǎn)移率明顯降低[8,10-12]。以上星形膠質(zhì)細(xì)胞系均來源于鼠類大腦皮層。隨著研究的深入,在其他部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞系中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。如大鼠脊髓原代星形膠質(zhì)細(xì)胞系,聯(lián)合給予炎性因子TNF-α和干擾素-γ(interferon-γ,INF-γ)可抑制Cx43GJ通訊[13]。這種現(xiàn)象在體內(nèi)實驗中也得到證實。向大鼠腦室內(nèi)慢性注射LPS,發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)Cx43GJ通訊減少[14]。最新一項研究表明小鼠肝炎病毒感染導(dǎo)致的急性神經(jīng)炎癥也伴隨著Cx43GJ通訊減少[15]。神經(jīng)炎癥時Cx43GJ減少,使星形膠質(zhì)細(xì)胞的“空間稀釋”作用減弱,剝奪了對神經(jīng)元的保護作用,加劇神經(jīng)元死亡。

相關(guān)機制 有關(guān)神經(jīng)炎癥抑制Cx43GJ通訊的機制研究很多,但尚無統(tǒng)一定論,目前主要集中在促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路激活、Cx43磷酸化、Cx43合成改變等3個方面。c-Jun氨基末端激酶(c-JunN-terminal kinase,JNK)信號通路是MAPK信號通路的另一亞類,有研究發(fā)現(xiàn)在脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中,神經(jīng)炎癥時產(chǎn)生的炎性因子TNF-α和INF-γ通過激活JNK信號通路引起Cx43GJ抑制[13]。進一步研究發(fā)現(xiàn),TNF-α和INF-γ通過激活泛素蛋白酶復(fù)合體系統(tǒng),導(dǎo)致Cx43降解,進而抑制Cx43GJ通訊,并且激活的泛素蛋白酶復(fù)合體系統(tǒng)可被JNK抑制劑所阻斷[16]。也有研究表明抑制p38MAPK信號通路可以阻斷IL-1β和TNF-α導(dǎo)致的Cx43GJ減少[8]。Liao等[10]研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)炎癥導(dǎo)致的Cx43GJ通訊抑制是由caveolin-3基因的下調(diào)所介導(dǎo)。另外,Cx43磷酸化狀態(tài)影響GJ通訊功能,但存在爭議。有的認(rèn)為Cx43絲氨酸368(serine368,s368)磷酸化導(dǎo)致GJ通訊功能降低[17],但有的認(rèn)為Cx43去磷酸化與GJ通訊功能降低有關(guān)[18-19]。Cx43的合成狀態(tài)也影響其GJ通訊,如小鼠肝炎病毒感染導(dǎo)致的急性神經(jīng)炎癥,伴隨著星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43表達(dá)的改變,大量Cx43停留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基復(fù)合體階段,使Cx43GJ形成障礙,進而抑制Cx43GJ通訊[15]?？傊?神經(jīng)炎癥抑制Cx43GJ通訊的機制尚未明了,仍處于探索階段。

神經(jīng)炎癥增加Cx43HC活性 神經(jīng)炎癥時,星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43GJ通訊被抑制,但Cx43HC活性增加。Retamal等[8]通過檢測Cx43HC對溴化乙淀(EthBr,EB)的滲透率來反映HC活性,發(fā)現(xiàn)神經(jīng)炎癥時星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43HC對EB的滲透率明顯增加,并且同時給予IL-1β和TNF-α也可以明顯增加Cx43HC活性,這說明小膠質(zhì)細(xì)胞激活釋放的炎性因子IL-1β和TNF-α在該過程中發(fā)揮重要作用。進一步研究發(fā)現(xiàn),敲除Cx43轉(zhuǎn)基因小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞系,給予激活的小膠質(zhì)細(xì)胞或IL-1β和TNF-α刺激后,EB的滲透率沒有增加,并且以上效應(yīng)可被HC阻滯劑La3+明顯抑制,更加說明神經(jīng)炎癥時星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43HC活性增加[8]。同樣,在小鼠大腦皮層星形膠質(zhì)細(xì)胞系,Froger等[11]和Orellana等[12]也證實神經(jīng)炎癥可以明顯增加Cx43HC活性。Abudara等[20]在急性海馬切片中發(fā)現(xiàn)LPS刺激導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43HC開放,且該過程需要小膠質(zhì)細(xì)胞激活釋放的炎性因子IL-1β和TNF-α的參與。近來一項最新研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)TNF-α處理的星形膠質(zhì)細(xì)胞其活性明顯增加,同時伴有Cx43HC活性增加[21]。腦缺血多伴有神經(jīng)炎癥的發(fā)生,在體內(nèi)實驗中,對足月生的綿羊行雙側(cè)頸動脈閉塞30 min來制造腦缺血模型,發(fā)現(xiàn)腦缺血后Cx43HC開放[22]。以上研究表明:在神經(jīng)炎癥狀態(tài)下星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43HC活性增加,而HC的開放影響神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用,使ATP、谷氨酸等大量毒性物質(zhì)釋放,促進損傷的擴散,加劇細(xì)胞死亡進而影響神經(jīng)功能。

相關(guān)機制 神經(jīng)炎癥增加Cx43HC活性的機制復(fù)雜,目前尚未明確,研究表明與神經(jīng)炎癥時細(xì)胞外鈣離子水平的改變、氧糖代謝紊亂、MAPK及N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)信號通路激活等有關(guān)。對細(xì)胞外低鈣敏感的Cx43轉(zhuǎn)染細(xì)胞出現(xiàn)Cx43HC的開放[23],因此人們猜想在神經(jīng)炎癥等病理情況下,細(xì)胞外鈣離子的改變可能是促進HC開放的一個重要機制。近來一項以AD為模型的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外高鈣導(dǎo)致Cx43HC的開放,首先他們驗證了AD小鼠海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞系細(xì)胞外靜息鈣離子水平增高,炎性反應(yīng)擴大,Cx43HC活性增加,然后降低細(xì)胞外鈣離子水平至基礎(chǔ)水平以下,發(fā)現(xiàn)Cx43HC活性增加被明顯抑制[24]。神經(jīng)炎癥多伴有氧糖代謝紊亂,Orellana等[26]在星形膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)基中模擬缺氧環(huán)境,發(fā)現(xiàn)缺氧增加Cx43HC活性,并且該效應(yīng)被細(xì)胞外高糖加劇,但是細(xì)胞外糖過低也增加Cx43HC活性,只是不如高糖明顯[25]。另外,神經(jīng)炎癥導(dǎo)致的Cx43HC開放可被提前給予的p38MAPK抑制劑阻斷[8,26]。Froger等[11]則發(fā)現(xiàn)IL-1β和TNF-α加劇了NMDA介導(dǎo)的神經(jīng)毒性反應(yīng),且該過程與Cx43HC活性增加有關(guān),因此猜測p38MAPK、NMDA信號通路的激活參與了該過程。目前針對該機制的研究比較局限,有待于進一步探索。

Cx43GJ及HC的改變影響神經(jīng)預(yù)后神經(jīng)炎癥引起星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43GJ抑制和HC活性增加,分別導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞“空間稀釋”作用減弱和大量谷氨酸、ATP等毒性物質(zhì)的釋放,引起神經(jīng)元死亡[2,11-12],加劇了神經(jīng)退變和認(rèn)知損傷的進程。

神經(jīng)退變 神經(jīng)退變疾病的主要特征是神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能進行性喪失,大量研究表明Cx43GJ和HC的改變推進了神經(jīng)退變疾病進程[4,6,27-28]。Aβ肽形成是AD患者的典型特征,在Aβ肽處星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43免疫活性增加[29]。同樣在AD模型中,接觸Aβ肽的海馬切片小膠質(zhì)細(xì)胞激活,炎性反應(yīng)放大,Cx43HC激活[24],猜測Cx43HC的改變可能促進了損傷的傳播。帕金森病(Parkinson’s disease,PD)也是常見的神經(jīng)退變疾病,PD患者伴有黑質(zhì)膠質(zhì)細(xì)胞激活,進而表達(dá)大量的促炎因子(如IL-1β、TNF-α、INF-γ)[27],這些炎癥因子可能導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43GJ和HC的改變。研究發(fā)現(xiàn)在PD動物模型中,總Cx43mRNA水平和星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43免疫活性明顯增加,而GJ通訊未發(fā)生改變[30],猜測是Cx43HC活性增加。另外,Cx43的改變也參與了多發(fā)性硬化[31]和亨廷頓病[32]的發(fā)展。總之,Cx43的改變推進了神經(jīng)退變進程。

認(rèn)知損傷 神經(jīng)炎癥引起Cx43GJ和HC的改變,近來研究發(fā)現(xiàn)這種變化與認(rèn)知損傷有關(guān)。自閉癥患者常伴有認(rèn)知功能損傷,神經(jīng)解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)其大腦結(jié)構(gòu)有許多畸形,其中額皮質(zhì)畸形可能與認(rèn)知損傷有關(guān)[33]。自閉癥患者伴有神經(jīng)炎癥和小膠質(zhì)細(xì)胞激活及促炎因子的增加,并且額上回區(qū)域Cx43表達(dá)量明顯增加,表明Cx43的改變參與了認(rèn)知損傷[34]。重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)是最常見的精神病之一,多伴有嚴(yán)重的認(rèn)知損傷,越來越多的研究證實MDD與星形膠質(zhì)細(xì)胞Cx43GJ通訊功能異常有關(guān)。Ren等[35]表明MDD大鼠Cx43 GJ通訊功能減退。腦缺血、神經(jīng)炎癥時Cx43HC活性增加。Li等[36]研究發(fā)現(xiàn)給予Cx43HC特異性阻斷劑Gap26可以改善大鼠的認(rèn)知功能,水迷宮結(jié)果提示空間記憶能力和學(xué)習(xí)能力明顯提高,說明神經(jīng)炎癥引起的Cx43HC活性增加導(dǎo)致認(rèn)知損傷。由以上研究推測Cx43的改變加劇了認(rèn)知功能損傷。

結(jié)語腦卒中、AD及術(shù)后認(rèn)知功能障礙等CNS疾病的共同特征是神經(jīng)炎癥,大量研究證實神經(jīng)炎癥抑制Cx43GJ通訊、增加Cx43HC活性,分別導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞“空間稀釋”作用減弱和ATP、谷氨酸等毒性物質(zhì)的釋放,加劇了CNS疾病的進程。闡明Cx43與神經(jīng)炎癥的關(guān)系,有助于進一步探索Cx43對CNS疾病的影響。目前針對Cx43的阻滯劑被廣泛研究,隨著對Cx43的深入探討,其有望成為延緩CNS疾病進展的新的靶點。