低氧對BDNF和TrkB受體及其信號通路影響的研究進(jìn)展

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(xué)院生物醫(yī)學(xué)研究中心與神經(jīng)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古包頭 014040；2.包頭醫(yī)學(xué)院內(nèi)蒙古自治區(qū)低氧轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古包頭 014040；3.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院低氧適應(yīng)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重的缺氧導(dǎo)致機(jī)體損傷，而適度低氧或低氧預(yù)適應(yīng)對機(jī)體有益的保護(hù)作用。這主要取決于低氧的程度和持續(xù)的時(shí)間。因此，這種雙重作用和其調(diào)節(jié)機(jī)制也越來越受到關(guān)注。研究表明機(jī)體嚴(yán)重短暫缺氧時(shí)能夠引起肺部與心血管等組織器官的損傷，尤其是對神經(jīng)系統(tǒng)的損傷作用最為突出，常造成神經(jīng)細(xì)胞的死亡[2]。而適度低氧或低氧預(yù)適應(yīng)(hypoxic preconditioning,HPC)作為機(jī)體抵抗缺氧損傷的一種內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制，當(dāng)機(jī)體經(jīng)過多次短暫、非致死性的低氧刺激后，神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)組織對低氧損傷的耐受性均有增加[3]，這種機(jī)制更傾向于對機(jī)體的保護(hù)是由多因素、多信號共同參與和相互作用的結(jié)果，目前該機(jī)制尚未明確。

腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)是在腦內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì)，廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，具有減少神經(jīng)元損傷和死亡、監(jiān)視神經(jīng)元病理狀態(tài)以及調(diào)控受損神經(jīng)元分化和再生等生物學(xué)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(jié)合后，自身產(chǎn)生磷酸化，進(jìn)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(jīng)元板層結(jié)構(gòu)的形成方面起著至關(guān)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(jīng)保護(hù)機(jī)制是否涉及BDNF和TrkB受體仍未有定論。因此，總結(jié)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(jīng)保護(hù)機(jī)制研究提供一些思路。

1 低氧對神經(jīng)系統(tǒng)的損傷機(jī)制以及保護(hù)作用機(jī)制

短暫低氧刺激時(shí)海馬神經(jīng)元的存活減少，細(xì)胞的凋亡增加，也就是說低氧損傷可能引起神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)與其相應(yīng)的信號通路的改變[6]。當(dāng)急性缺氧引起大腦神經(jīng)元的損傷后，試驗(yàn)結(jié)果顯示大腦中的直接基因c-fos和c-jun蛋白表達(dá)有增多的趨勢，然而當(dāng)大鼠給予間歇性低氧處理后即HPC，大鼠海馬神經(jīng)元損傷程度降低，產(chǎn)生了低氧耐受，直接基因有減少的趨勢，產(chǎn)生了神經(jīng)保護(hù)作用[7]。另外，HIF-1α是一種轉(zhuǎn)錄因子，在機(jī)體低氧時(shí)調(diào)控一系列反應(yīng)，有些反應(yīng)帶來一定的病理損傷，像低氧性動脈高壓病，而有些反應(yīng)在多次非致死性低氧后產(chǎn)生適應(yīng)代償，起到一定的保護(hù)作用[8]。研究還表明，在HPC中DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMT)還可通過改變腦內(nèi)某些基因的表達(dá)來提高腦組織的缺氧耐受性，從而在缺氧時(shí)發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[9]。在觀察動物行為學(xué)與腦水腫程度缺氧小鼠研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠不同程度低氧處理后，低氧預(yù)適應(yīng)小鼠組比急性缺氧組的促紅細(xì)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(jīng)保護(hù)作用[10-11]。由此可知,低氧對神經(jīng)系統(tǒng)作用具有雙重性，即短暫嚴(yán)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?qū)ι窠?jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的保護(hù)作用。

2 BDNF與TrkB的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與其在神經(jīng)系統(tǒng)中的信號通路

2.1 BDNF與TrkB受體的分子生物學(xué)基礎(chǔ)

BDNF是一種堿性蛋白質(zhì)體，分子質(zhì)量為13.15 ku，由119個(gè)酪氨酸殘基構(gòu)成，其主要結(jié)合區(qū)由N端無規(guī)則卷曲和β折疊構(gòu)成。研究發(fā)現(xiàn)BDNF氨基酸殘基有大部分相同于神經(jīng)生長因子，故稱為腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子[12]。BDNF不僅對神經(jīng)元的正常功能起重要作用，而且還能促進(jìn)神經(jīng)元有害損傷時(shí)的再生。Trk是原癌基因的產(chǎn)物，是經(jīng)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(jié)構(gòu)，其中包括由一個(gè)磷酸化的配體結(jié)合部位和具有亮氨酸富集結(jié)構(gòu)與IgG結(jié)構(gòu)的胞外結(jié)合部位。而具有較好特異性的亮氨酸富集結(jié)構(gòu)是區(qū)分Trk家族成員的關(guān)鍵。Trk根據(jù)分子質(zhì)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(jīng)配體BDNF蛋白結(jié)合后可形成高親和力的受體，從而使酪氨酸殘基磷酸化，導(dǎo)致下游基因上調(diào)，其相關(guān)信號通路產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)[13]。BDNF與TrkB 結(jié)合后通過激活多個(gè)重要的信號途徑發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，包括RAS-Raf-MAPK信號、PI3k/AKT信號途徑、GP-PLC-γ信號途徑與Ca2+/鈣調(diào)蛋白信號途徑。BDNF與TrkB 結(jié)合后，Ras基因被細(xì)胞外信號激活，下游Raf轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上，Raf繼續(xù)激活下游分子產(chǎn)生磷酸化，最終使細(xì)胞外的轉(zhuǎn)錄信息轉(zhuǎn)入核內(nèi)而發(fā)揮作用[14]。除此之外，在BDNF與TrkB通路中，PI3K/AKT途徑被認(rèn)為是該信號通路的核心環(huán)節(jié)之一，當(dāng)BDNF與TrkB 結(jié)合時(shí)，PI3K的調(diào)節(jié)亞基部位被活化，進(jìn)而與TrkB受體的磷酸化末端序列相結(jié)合，最終經(jīng)過調(diào)控Ras基因引起核心調(diào)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(diào)節(jié)BDNF受體的底物磷酸化水平。另外，當(dāng)BDNF與TrkB結(jié)合時(shí)，也能激活下游的鈣調(diào)蛋白(CaM)，最終引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的生物學(xué)效應(yīng)。可見這些信號途徑在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(jié)果顯示，急性低氧與低氧預(yù)適應(yīng)都可能通過調(diào)控BDNF的表達(dá)，從而影響腦的結(jié)構(gòu)和功能，但是激活下游途徑的機(jī)制不同，產(chǎn)生的結(jié)果也不相同。當(dāng)機(jī)體缺氧時(shí)，BDNF與TrkB受體在調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)生存和死亡的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[16]。通過檢測缺氧對BDNF表達(dá)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)急性缺氧處理后，其能夠調(diào)控BDNF在神經(jīng)細(xì)胞中的表達(dá)，進(jìn)而神經(jīng)細(xì)胞的損傷。Tian X等[17]的小鼠低氧試驗(yàn)通過低氧刺激誘導(dǎo)BDNF和TrkB受體的表達(dá)也證實(shí)了二者在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。另外，將神經(jīng)細(xì)胞置于24 h常氧和急性低氧情況下同時(shí)培養(yǎng)，BDNF與TrkB受體在急性低氧條件下的結(jié)合明顯增加[18]。研究還表明，BDNF誘導(dǎo)啟動子的活性增加，可能是啟動了相關(guān)缺氧反應(yīng)元件的突變[19]。Scott A L等[20]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)BDNF作用于大鼠腎上腺髓質(zhì)嗜鉻細(xì)胞TrkB受體(AMC)時(shí)，低氧預(yù)適應(yīng)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(xì)胞內(nèi)Ca2+和兒茶酚胺的分泌也明顯增加。TrkB通過與配體BDNF結(jié)合，在后期低氧損傷的神經(jīng)元中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用[21]。小鼠HPC時(shí)可以刺激神經(jīng)細(xì)胞中的BDNF表達(dá)下調(diào)。

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(yán)重缺氧導(dǎo)致?lián)p傷，適度低氧或低氧預(yù)適應(yīng)對機(jī)體有保護(hù)作用。這主要取決于低氧的程度和持續(xù)的時(shí)間。因此，對于低氧的雙重作用和其調(diào)節(jié)的機(jī)制也越來越受到關(guān)注。特別是同一個(gè)信號通路如HIF1/VEGF[22]、BDNF/TrkB等信號通路在急性低氧與低氧預(yù)適應(yīng)中的作用和調(diào)節(jié)也是不同的。因此，分析不同低氧類型的特點(diǎn)，如急性低氧、常壓低氧、間歇性低氧或低氧預(yù)適應(yīng)等，對機(jī)體組織細(xì)胞的損傷和保護(hù)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(dāng)機(jī)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(jié)合，進(jìn)而TrkB發(fā)生酪氨酸殘基磷酸化效應(yīng)，導(dǎo)致 BDNF/TrkB信號通路途徑發(fā)生變化，產(chǎn)生聯(lián)級反應(yīng)，阻礙原癌基因(RAS)活性，導(dǎo)致下游的RAS-Raf-MAPK信號通路途徑不能表達(dá)，神經(jīng)元難以修復(fù)[18-22]。因?yàn)镽AS-Raf-MAPK信號途徑能夠結(jié)合神經(jīng)元內(nèi)TrkB的重要靶端部位，又是BDNF/TrkB通路中刺激神經(jīng)細(xì)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(jīng)典信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在神經(jīng)元增殖分化的過程中能夠激活相應(yīng)靶向蛋白，產(chǎn)生機(jī)體級聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)揮特定的生物學(xué)效應(yīng)。研究表明，急性低氧時(shí)，能激活下游PI3K/AKT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路途徑，阻礙胰島素生長因子等的分泌，進(jìn)而阻止神經(jīng)細(xì)胞的增殖分化，起到外源性負(fù)性調(diào)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(shí)現(xiàn)的，GP-PLC-γ的激活部位主要是依賴于酪氨酸效應(yīng)區(qū)域和CRKL受體蛋白的形式。因此當(dāng)神經(jīng)元受到短暫嚴(yán)重的低氧刺激后[25]，該通路被激活，即酪氨酸殘基經(jīng)過與CRKL受體蛋白相互作用后，銜接蛋白CRK親和力增強(qiáng)，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(chǎn)生神經(jīng)調(diào)節(jié)作用，繼而損傷神經(jīng)元。

4.2 低氧預(yù)適應(yīng)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(xì)胞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低氧預(yù)適應(yīng)能夠引起B(yǎng)DNF/TrkB信號通路活性降低，從而抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡，降低腦部組織缺氧壞死，但相關(guān)機(jī)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(jié)果。如Ca2+/CaM信號通路是經(jīng)典的酪氨酸蛋白激酶受體信號通路[27]，在LTP低氧預(yù)適應(yīng)誘導(dǎo)試驗(yàn)中，突觸前膜谷氨酸釋放增多，激活突觸后膜TrkB受體蛋白，調(diào)節(jié)下游的鈣調(diào)蛋白(CaM)，觸發(fā)神經(jīng)細(xì)胞BDNF/TrkB信號通路，最終引起B(yǎng)DNF受體磷酸化和質(zhì)膜上的鈣泵(plasma membrane Ca2+-ATPase,PMCA)激活，PMCA1與Ca2+/CaM結(jié)合后，激活其周圍的磷脂類化合物產(chǎn)生活性，引起鈣離子向細(xì)胞內(nèi)流，鈣離子內(nèi)流導(dǎo)致多個(gè)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(diào)BDNF基因的表達(dá)，其旁路也激活了HIF1信號通路的途徑[29]。隨著對低氧保護(hù)機(jī)制研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)當(dāng)大鼠間歇性低氧即HPC時(shí)，使得受損神經(jīng)元產(chǎn)生耐受，HIF1抑制了泛素化的降解作用，進(jìn)而促進(jìn)了HIF1的蛋白表達(dá)，同時(shí)也激活了BDNF/TrkB信號通路，最終發(fā)揮協(xié)同作用，起到神經(jīng)修復(fù)的作用[30]。

5 展望

近年來，隨著低氧研究的不斷深入，已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn)了低氧具有雙重作用，既可能產(chǎn)生損傷，又可產(chǎn)生對機(jī)體有益的保護(hù)作用，這主要取決于低氧的程度和持續(xù)的時(shí)間，以及激活反應(yīng)體系的不同。而且隨著低氧對BDNF/TrkB作用機(jī)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(jī)制也越來越受到關(guān)注。本文歸納了BDNF與TrkB受體在神經(jīng)系統(tǒng)研究方面的最新進(jìn)展，并對影響B(tài)DNF/TrkB受體表達(dá)的幾種重要的信號通路途徑進(jìn)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(jìn)行了查新。然而，到目前為止，低氧損傷特別是低氧預(yù)適應(yīng)對BDNF和TrkB受體及其信號通路的具體機(jī)制還不夠明確，有待進(jìn)一步探究。