TGF-β信號轉導通路在腦小血管病中的研究進展

劉子超，孔慶霞

(1.濟寧醫(yī)學院臨床醫(yī)學院，山東 濟寧 272000；2.濟寧醫(yī)學院附屬醫(yī)院神經內科，山東 濟寧 272000)

腦小血管病(cerebral small vessel disease，CSVD)指由各種顱內小動脈病變引起的臨床、病理及影像學改變綜合征[1]。根據影像學特點，可將CSVD分為腔隙性腦梗死、腦白質高信號、腦微出血、血管周圍間隙擴大和腦萎縮[2]。CSVD約占缺血性腦卒中的25%，可使腦卒中的患病風險增加1倍，是老年人群發(fā)生認知功能損害和癡呆的主要原因[3]。研究發(fā)現(xiàn)，血管平滑肌細胞在散發(fā)性和遺傳性CSVD終末期病理過程中均被膠原蛋白或其他非張力性纖維物質替代，導致CSVD的病理改變啟動因素可不同，但病理改變最終均可導致腦白質高信號、小梗死和微出血，引發(fā)認知功能障礙等臨床表現(xiàn)[2]。CSVD與轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號轉導通路的阻斷或抑制密切相關。TGF-β可以調節(jié)細胞外基質等蛋白的產生，參與血管結構的病理生理變化，多種遺傳性CSVD的發(fā)病機制均與TGF-β信號轉導通路密切相關[4]。目前，CSVD的病因及發(fā)病機制尚不明確，關于CSVD的分子遺傳學研究是CSVD的主要研究方向，可能提供CSVD的潛在治療靶點?，F(xiàn)就CSVD與TGF-β信號轉導通路關系的研究進展予以綜述。

1 TGF-β概述

1.1TGF-β的組成及功能 TGF-β是一種多肽二聚體，哺乳動物細胞中存在TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3三種亞型，三者均由112個氨基酸組成，生物學作用相似，其編碼基因分別定位于染色體19q3、1q41和14q24上。TGF-β在人體內分布廣泛，幾乎所有類型的細胞均可合成TGF-β并表達其相應受體。TGF-β具有抑制和促進的雙向作用，包括調節(jié)細胞生長、增殖、分化和凋亡，刺激多種細胞因子、炎癥介質的合成和分泌，參與細胞外基質的構成及降解等，與CSVD的病理改變存在密切關聯(lián)。在中樞神經系統(tǒng)中，TGF-β具有促進神經元生長、調節(jié)小膠質細胞和星形膠質細胞功能、參與細胞凋亡等作用，在維持中樞神經系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與損傷反應中發(fā)揮重要作用[5-6]。近年來，TGF-β在神經系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展與診治中的作用逐漸受到關注。

1.2TGF-β信號轉導通路 TGF-β信號轉導通路已被廣泛的研究，人體內TGF-β受體主要包括TGF-β受體Ⅰ、TGF-β受體Ⅱ和TGF-β受體Ⅲ。以前體TGF-β結合蛋白形式分泌的TGF-β經蛋白酶水解成為具有多種生物學作用的成熟TGF-β，TGF-β活化后與細胞表面TGF-β受體結合，通過細胞信號轉導發(fā)揮其生物學活性。

經典TGF-β信號轉導通路指TGF-β/Smad信號通路，當配體與TGF-β結合時，2個TGF-β受體Ⅱ與2個TGF-β受體 Ⅰ 結合成復合體，且TGF-β受體 Ⅱ可磷酸化復合體中TGF-β受體Ⅰ的絲氨酸/蘇氨酸激酶區(qū)域，激活下游信號分子Smad2和Smad3，并招募Smd4形成蛋白復合物，隨后進入細胞核發(fā)揮調控作用[7]。由于與Smad結合的連接蛋白具有多樣性，TGF-β/Smad信號轉導通路可與其他多條信號轉導途徑存在不同水平的相互作用，形成復雜信號轉導和調控網絡，共同實現(xiàn)精準協(xié)調的細胞生命控制。此外，TGF-β還通過促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)，NEMO基因產物激活核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)等信號轉導途徑發(fā)揮生物學作用，各種途徑均在TGF-β信號轉導通路發(fā)揮生物學調控效應的過程中發(fā)揮了重要作用。

2 CSVD

2.1CSVD病因 目前，CSVD的病因及發(fā)病機制尚不明確。高血壓、高同型半胱氨酸血癥、高脂血癥、糖耐量異常等是CSVD常見的血管危險因素。近年來，CSVD的遺傳及分子學研究已逐漸成為CSVD的研究熱點。常見的遺傳性CSVD包括伴皮質下梗死和白質腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CADASIL)、伴皮質下梗死和白質腦病的常染色體隱性遺傳性腦動脈病(cerebral autosomal recessive arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CARASIL)、法布里病(Fabry病)以及近年被證明與大腦和視網膜微血管病變有關的色素失禁癥(incontinentia pigmenti，IP)等[8-9]。

2.2CSVD發(fā)病機制 CSVD的分子發(fā)病機制目前仍不明確。研究表明，CSVD是各種病理生理機制共同作用的結果，其主要機制包括：①血管結構改變及調節(jié)能力下降。多種因素引起小動脈管壁病變，使管腔狹窄、管壁變薄，導致血管閉塞、動脈硬化等，最終導致腔隙性腦梗死、腦白質疏松或腦微出血等[10]。血流動力學改變可加重腦血流低灌注及腦缺血，導致腦白質疏松、腔隙性腦梗死等病變，并與認知功能下降和癡呆的發(fā)生密切相關[11]。②血腦屏障損傷。小血管內皮組織功能紊亂導致血腦屏障通透性增加，血液中多種成分滲透到血管周圍間隙及腦實質中，損傷神經細胞和膠質細胞[12]。③炎癥反應。多種神經炎癥因子可在長期慢性腦缺血后釋放并損傷細胞外基質和神經血管單元，導致缺血灶及其周圍炎癥細胞浸潤明顯，此外，還可參與腦內免疫反應，通過級聯(lián)放大過程加重腦神經功能損傷[13]。④內皮細胞功能障礙。內皮細胞功能障礙可損傷血管，使血流自動調節(jié)能力下降，導致血腦屏障通透性增加，引起腦組織損傷[14]。

3 TGF-β與CSVD

3.1TGF-β與CADASIL CADASIL是遺傳性CSVD最常見的疾病類型，由壁細胞中Notch3基因突變引起Notch3異常表達所致[15]。Notch3是一種單次跨膜受體，與鄰近細胞表面的配體結合，起到釋放細胞內結構域、轉運到細胞核、參與細胞分化以及功能調節(jié)和信息傳遞的作用。Notch3基因突變可改變Notch3跨膜受體細胞外結構域的半胱氨酸殘基數(shù)量，導致細胞外嗜鋨酸顆粒沉積，產生細胞毒性作用，從而發(fā)生血管平滑肌細胞喪失、血管壁增厚以及小動脈狹窄等病理改變，嗜鋨酸顆粒的毒性作用還可導致內皮細胞和周皮細胞的喪失，其中周皮細胞對維持血腦屏障穩(wěn)定性具有重要作用[16-18]。

LTBP-1是TGF-β發(fā)揮生物學作用的關鍵因子。研究發(fā)現(xiàn)，CADASIL中，因Notch3基因突變改變的細胞外結構域與LTBP-1直接結合可改變TGF-β的生物活性，從而影響TGF-β下游信號通路的傳導[19]。此外，TGF-β信號轉導通路和Notch3跨膜受體之間可能存在直接的相互作用。既往研究表明，TGF-β的Smad3信號轉導通路可與Notch1的細胞內結構域直接結合發(fā)生相互作用，并調節(jié)下游轉錄[20]。由于Notch3與Notch1的細胞內結構域存在共同結構，尤其是錨定蛋白重復區(qū)域的共同結構占72%，故認為可能存在一個潛在的Notch3和Smad3結合位點[21]。因此，Notch3細胞內結構域也可能與TGF-β的Smad信號轉導通路相互作用，進而改變TGF-β的信號轉導，從而影響TGF-β的細胞調控等功能，引發(fā)一系列病理生理改變[22]。

3.2TGF-β與CARASIL CARASIL與TGF-β存在更直接的聯(lián)系。HTRA1基因是CARASIL的致病基因，可編碼HTRA1絲氨酸蛋白酶，而HTRA1絲氨酸蛋白酶可調節(jié)TGF-β信號。LTBP-1是HTRA1的作用底物[23]。HTRA1基因的純合突變可降低HTRA1絲氨酸蛋白酶的活性，從而減少TGF-β的釋放。研究表明，某些雜合HTRA1基因突變也可能導致CARASIL的發(fā)生[24]。

HTRA1基因與TGF-β的作用機制主要有以下兩方面。一方面，在正常生理狀態(tài)下，活化的HRTA1絲氨酸蛋白酶以細胞內蛋白或分泌蛋白的形式存在，可降解內質網中的LTBP-1和細胞膜上的TGF-β受體 Ⅱ，抑制TGF-β的信號轉導，HRTA1基因突變導致HTRA1絲氨酸蛋白酶水解活性降低，從而強化TGF-β信號轉導通路[25-26]。另一方面，Beaufort等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與降解TGF-β所需HTRA1相比，HTRA1基因突變后HTRA1的水平降低，但仍可裂解LTBP-1，減少HTRA1基因調控的TGF-β與細胞外基質的纖維蛋白連接，增加TGF-β的生物可利用性，此外，HTRA1基因突變引起的HTRA1活性降低還可減弱TGF-β的信號轉導。由此可見，TGF-β的信號傳遞在CARASIL發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，但關于其信號增強與減弱目前尚存在爭議，其潛在聯(lián)系仍需要進一步實驗研究的闡明。

3.3TGF-β與Fabry病 Fabry病是X連鎖隱性遺傳多系統(tǒng)溶酶體貯積病，由于編碼α-半乳糖苷酶A的基因突變，導致溶酶體α-半乳糖苷酶A缺乏，該基因位于Xq22.33～22[27]。Fabry病患者的α-半乳糖苷酶A活性喪失，神經酰胺三己糖苷在腦、心臟、腎臟等器官沉積，導致血管內皮細胞和血管平滑肌細胞損傷[28]。Eitzman等[29]對小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)abry病可引起動脈狹窄和血栓形成等小血管病變，而小血管病變是腦動脈硬化、短暫性腦缺血發(fā)作以及缺血性腦卒中等腦血管疾病的病理基礎。

目前，F(xiàn)abry病導致血管病變的機制尚不明確，對Fabry腎病的研究表明，溶酶體中神經酰胺三己糖苷的沉積可促進血管內皮生長因子、血小板反應蛋白1和TGF-β的表達，進而促進血管平滑肌細胞的增殖及細胞外基質蛋白的分泌，包括纖連蛋白和Ⅳ型膠原蛋白的產生[30-31]。研究表明，TGF-β信號轉導的減弱對神經酰胺三己糖苷沉積導致的細胞外基質蛋白的蓄積起抑制作用，可抑制動脈硬化的發(fā)生發(fā)展[32]。故推測，TGF-β在Fabry病所致動脈硬化的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，阻斷其信號通路可能抑制Fabry病的發(fā)展，但其具體病理生理機制仍需進一步的研究。

3.4TGF-β與IP IP由位于染色體Xq28上的NEMO基因突變所致，NEMO基因4～10外顯子缺失是IP最常見的突變類型，其突變可控制IP的發(fā)生[33]。NEMO基因產物激活NF-κB可調節(jié)大多數(shù)細胞基因的表達[34]。有學者認為，腦血管壁NEMO基因突變并異常表達是IP患者發(fā)生腦部病變的主要原因，突變誘導的細胞凋亡導致血管受損(包括小血管的缺血、出血病變)，從而引起缺血性和出血性腦卒中[35]。

除Smad信號轉導途徑外，TGF-β可通過TGF-β活化激酶1(TGF-β-activated kinase 1，TAK1)激活NF-κB信號轉導通路。TAK1也可被其他細胞因子激活，如腫瘤壞死因子。在正常生理狀態(tài)下，NF-κB與NF-κB抑制蛋白結合而處于失活狀態(tài)，當上游信號激活NF-κB抑制蛋白激酶后，活化的NF-κB抑制蛋白激酶會發(fā)生泛素化、磷酸化，從而解除NF-κB抑制蛋白對NF-κB的抑制作用，使NF-κB激活并將其p65、p50兩個亞基釋放轉移到細胞核內，從而激活多種基因的轉錄。

研究表明，TAK1對NF-κB抑制蛋白激酶具有活化作用，IP中TAK1對NF-κB抑制蛋白的活化作用缺失[36]。Ridder等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，TAK1在小鼠IP模型大腦內皮細胞的表達缺失。在IP中，NEMO基因突變不僅可直接抑制或阻斷NF-κB活性，導致細胞凋亡，引發(fā)疾病，還可影響NF-κB正常表達導致TAK1功能缺陷，使IP中TGF-β的NF-κB信號轉導缺失，導致內皮細胞死亡、微血管壁變薄，破壞血腦屏障。由此可見，TGF-β可在IP發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮至關重要的作用，表明IP可能是發(fā)育性CSVD的原因，可見，CSVD不僅是老年人群發(fā)生血管性癡呆和殘疾的病理基礎，還可能是不同年齡段廣泛發(fā)生CSVD臨床表現(xiàn)的原因。但TGF-β在IP發(fā)生中的具體機制仍有待進一步研究的闡明。

3.5TGF-β與血管相關性CSVD TGF-β信號轉導通路不僅與遺傳性CSVD密切相關，還在血管性CSVD中發(fā)揮重要作用。TGF-β與血管危險因素相關的散發(fā)性CSVD存在潛在關聯(lián)。Poittevin等[38]對小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，小鼠大腦中TGF-β的表達降低與糖尿病性微血管病變的發(fā)生發(fā)展有關，為糖尿病微血管病變的研究開辟了一個新的方向。Negishi等[39]認為，高血壓動脈血管中血流剪切力的改變可影響TGF-β的表達。當血壓升高時，TGF-β可介導血管NF-κB的激活，并可通過表達多種細胞因子調控血管平滑肌細胞的功能，以應對過高的血管壓力，避免血管硬化、重塑等損傷[40]。高血壓是CSVD最常見的危險因素，TGF-β可能在CSVD血管損傷與保護機制中發(fā)揮重要作用。一項Meta分析發(fā)現(xiàn)，TGF-β家族的基因多態(tài)性與血管性癡呆和腦白質病變相關，其潛在分子生物學機制需要進一步探明[41]。

4 小 結

CSVD所致腦卒中、認知功能損害、癡呆等在很大程度上增加了患者及社會經濟負擔。目前，國內外開展了大量CSVD的研究，但其病因及發(fā)病機制仍不明確。目前已知，遺傳性CSVD與TGF-β信號轉導通路存在聯(lián)系，TGF-β對CSVD發(fā)病的影響較明確，但TGF-β信號轉導通路的調節(jié)異常并不是所有CSVD的主要原因和唯一的分子學機制。進一步研究CSVD病理生理學機制將為發(fā)現(xiàn)其潛在治療靶點及其臨床診治提供更多理論支持。