白介素-6在中樞神經(jīng)形成和再生中的作用

鐘 憶，田茂強，束曉梅

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 兒內(nèi)一科，貴州 遵義 563099)

白介素-6(intrleakin-6,IL-6)是一種重要的炎性因子，可在病原體入侵或組織損傷部位傳遞防御信號，刺激急性期免疫反應(yīng)，為宿主防御做好準(zhǔn)備；IL-6的過量持續(xù)產(chǎn)生則作為一種促炎因子，與神經(jīng)系統(tǒng)炎性疾病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、炎癥性腸病、castleman病、抑郁癥和多種癌癥在內(nèi)的多種疾病相關(guān)[1-5]。近年來發(fā)現(xiàn)IL-6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中也發(fā)揮重要的正向作用，包括神經(jīng)細(xì)胞的形成和分化、神經(jīng)保護(hù)、神經(jīng)軸突再生等[6-9]。本文就IL-6在中樞神經(jīng)形成和再生中的作用進(jìn)行總結(jié)和展望，為IL-6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮有益作用提供理論依據(jù)。

1 IL-6信號通路

IL-6與細(xì)胞膜上IL-6受體(Membrane interleukin-6 receptor,mIL-6R)結(jié)合而對靶細(xì)胞發(fā)揮生物學(xué)作用。IL-6和mIL-6R復(fù)合物與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)膜蛋白gp130結(jié)合，促進(jìn)其二聚化并激活細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，包括janus激活的激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激活因子(JAK/STAT)、絲裂原激活的蛋白激酶/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(MAPK/ERK)、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B (PI3K/Akt)信號通路。這種方式的IL-6信號通常被稱為經(jīng)典的IL-6信號。體內(nèi)幾乎所有細(xì)胞中均表達(dá)gp130，而mIL-6R主要表達(dá)在肝細(xì)胞和某些白細(xì)胞(如中性粒細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞)[10]，在神經(jīng)系統(tǒng)中IL-6和IL-6R表達(dá)位置相同，主要表達(dá)在小膠質(zhì)細(xì)胞、海馬和小腦顆粒層[11]。只有表達(dá)mIL-6R的細(xì)胞才能結(jié)合并對IL-6產(chǎn)生反應(yīng)。但是之后的研究發(fā)現(xiàn)多種體液中含有可溶性白介素-6受體(Soluble interleukin-6 receptor,sIL-6R)，IL-6和sIL-6R組成的復(fù)合物也能與gp130結(jié)合并啟動細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，這種稱為反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。sIL-6R由兩種機制產(chǎn)生： mIL-6R蛋白質(zhì)水解和mIL-6R mRNA選擇性剪切后翻譯。sIL-6R的存在使IL-6刺激缺乏內(nèi)源性mIL-6R的細(xì)胞[12-13]。有研究認(rèn)為經(jīng)典信號通路的激活主要發(fā)揮抗炎作用以及促進(jìn)神經(jīng)再生發(fā)揮保護(hù)作用，而反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激活主要是促炎作用，最終造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷，與神經(jīng)退行性變以及神經(jīng)炎癥相關(guān)[14]。這種觀點似乎可以解釋關(guān)于IL-6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中的多種對立的研究結(jié)果，但是近年來關(guān)于IL-6和sIL-6R組成的復(fù)合物激活的反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究中發(fā)現(xiàn)，該通路的激活也可以促進(jìn)視神經(jīng)的再生和神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cell，NSC)的分化[15-17]。因此關(guān)于IL-6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中出現(xiàn)多種對立的研究結(jié)果，其原因仍然需要更多研究者繼續(xù)探索，如是否與IL-6介導(dǎo)的反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和經(jīng)典信號通路激活發(fā)揮不同的生物學(xué)作用有關(guān)還需要更多的研究證實。

2 IL-6和神經(jīng)形成

神經(jīng)形成主要是通過胚胎時期的前體細(xì)胞和成年后的NSC分化成不同亞型的膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞完成的。在IL-6基因敲除的成年小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，其與野生型小鼠相比祖細(xì)胞增殖、存活和表型成熟都受抑制，且海馬齒狀回和室下區(qū)神經(jīng)形成減少，因此IL-6可能是成年動物神經(jīng)形成的重要調(diào)控因子[18]。通過母體內(nèi)短暫給予IL-6刺激的研究發(fā)現(xiàn)，IL-6可直接與胚胎前腦前體的IL-6R結(jié)合，使成年前腦NSC池的神經(jīng)元數(shù)量增加和NSC池擴大，并且內(nèi)源性IL-6能促進(jìn)發(fā)育中的前腦前體的自我更新，加強前腦皮質(zhì)前體多能克隆的能力，由此可見IL-6在胚胎時期神經(jīng)的發(fā)育形成也扮演重要角色[19]。

無論是在發(fā)育腦還是成熟腦，IL-6主要通過激活JAK/STAT3信號通路參與前體細(xì)胞和NSC的自我更新及向膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞分化的過程。IL-6參與神經(jīng)形成主要依賴于P-STAT3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，P- STAT3結(jié)構(gòu)域和STAT3的SH2結(jié)構(gòu)域相互作用，產(chǎn)生穩(wěn)定的二聚體轉(zhuǎn)移至核內(nèi)與特定的DNA序列結(jié)合，參與神經(jīng)形成靶基因的調(diào)控。P-STAT3可以與轉(zhuǎn)錄輔助激活因子環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CBP/p300)結(jié)合，激活星形細(xì)胞特異性基因的表達(dá)。 P-STAT3也可以與Notch信號(Notch信號可以維持神經(jīng)干細(xì)胞并抑制神經(jīng)發(fā)生)協(xié)同調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的分化，通過上調(diào)Math1、Ngn3、NeuroD1和NeuroD2等基因表達(dá)，使NSC分化成脊髓、顆粒層、皮質(zhì)等不同亞型的神經(jīng)元[20]。也有研究發(fā)現(xiàn)STAT3通過Sox6基因調(diào)控神經(jīng)形成，但具體機制需要進(jìn)一步闡明[21]。在沒有STAT3激活的情況下，IL-6等細(xì)胞因子也可通過MAPK和其他的信號通路(如PI3K)促進(jìn)神經(jīng)形成。此外，生長因子受體潛在的反式活化，比如NGF受體酪氨酸激酶受體TRKA，是IL-6激活的另一種作用模式[22]。在帕金森治療方法研究中發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)NSC分化成多巴胺能神經(jīng)元移植入黑質(zhì)或者紋狀體部位，對其治療是有益的[23-26]。IL-6也可誘導(dǎo)NSC分化為酪氨酸羥化酶陽性的神經(jīng)元在神經(jīng)退行性疾病中具有潛在的應(yīng)用價值。同時IL-6 與其它神經(jīng)營養(yǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用，如NGF或BDNF，可以誘導(dǎo)多能干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞分化[17,27]，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)NSC受損的患者神經(jīng)功能恢復(fù)也提供了可能。由此提示IL-6發(fā)揮作用主要依賴于STAT3形成穩(wěn)定的二聚體活化形式進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控下游基因的表達(dá)，參與神經(jīng)細(xì)胞形成和分化的過程。以往對STAT3形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)激活STAT3信號的研究主要集中于金典的STAT3磷酸化機制，近年來STAT3乙?；脖蛔C明與STAT3形成穩(wěn)定的二聚體活化形式存在相關(guān)性，因此IL-6促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞形成和分化的過程中發(fā)揮重要作用的下游蛋白STAT3存在哪些修飾，以及各種修飾之間的相互作用也有待研究。

3 IL-6在神經(jīng)軸突再生中的作用

IL-6是損傷后中樞神經(jīng)系統(tǒng)繼發(fā)性病理和炎癥反應(yīng)的重要因子之一。近年越來越多的證據(jù)表明，IL-6可通過促進(jìn)軸突再生參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的功能和結(jié)構(gòu)恢復(fù)。大多數(shù)成年哺乳動物神經(jīng)元損傷后無法自主再生，主要是由于髓鞘相關(guān)抑制蛋白的表達(dá)以及膠質(zhì)瘢痕形成的再生抑制環(huán)境。在視神經(jīng)和脊髓損傷的研究中發(fā)現(xiàn)，IL-6主要通過JAK-STAT3信號通路重新激活神經(jīng)元的內(nèi)在生長程序和促進(jìn)突觸形成來促進(jìn)神經(jīng)損傷后的再生和功能恢復(fù)。IL-6可以通過下調(diào)髓鞘相關(guān)抑制因子(myelin-associated neurite outgrowth inhibitor ，Nogo-A)及其受體NgR的表達(dá)，上調(diào)神經(jīng)生長相關(guān)蛋白43(Growth associated protein-43,GAP-43)，阻斷抑制信號通路，促進(jìn)軸突損傷后再生[8,16]。研究發(fā)現(xiàn)視神經(jīng)損傷后會引起凋亡依賴的caspases蛋白上升，IL-6- JAK-STAT3信號通路激活也可引起下游抗凋亡蛋白增加，減少神經(jīng)元細(xì)胞的損傷，為軸突再生提供有益的微環(huán)境[28]。綜上IL-6既可以上調(diào)促進(jìn)軸突再生的相關(guān)基因表達(dá)，也可以抵抗神經(jīng)元細(xì)胞凋亡引起的破壞，在視神經(jīng)和脊髓損傷修復(fù)中發(fā)揮積極作用。對IL-6家族成員白血病抑制因子(Leukaemia inhibitory factor,LIF)和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(Ciliary neurotrophic factor,CNTF)的研究還發(fā)現(xiàn)，它們可激活JAK-STAT3信號通路使反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞活化、層粘連蛋白和纖粘連蛋白基因表達(dá)增加，增加癌調(diào)蛋白(oncomodulin)表達(dá)，從而調(diào)控神經(jīng)元損傷后再生[29-30]。

4 IL-6依賴的神經(jīng)保護(hù)及可能的機制

缺血性腦卒中患者中發(fā)現(xiàn)IL-6可以作為一種保護(hù)性細(xì)胞因子，參與神經(jīng)損傷的修復(fù)過程[31]。通過海馬和小腦顆粒層神經(jīng)元體外研究發(fā)現(xiàn)IL-6可以通過激活JAK/STAT3、PI3K/AKT和RAS/MAPK信號通路抑制N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體激活介導(dǎo)的鈣超載所致的興奮性神經(jīng)毒性損傷[32]。激活NMDA受體可引起Na+內(nèi)流啟動電壓依賴性Ca2+通道開放，從而引起Ca2+內(nèi)流。研究發(fā)現(xiàn)IL-6可增加鈣調(diào)蛋白激活的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶(calcineurin,CaN)的表達(dá)和降低NMDA受體激活后的放電頻率，從而降低NMDA受體表達(dá)及抑制其活性，且NMDAR亞單位NR1、NR2B和NR2C是IL-6降低神經(jīng)元鈣超載的主要抑制靶點。IL-6也可下調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上IP3R表達(dá)，減少細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放。所以IL-6可能通過減少鈣內(nèi)流和胞內(nèi)鈣釋放減輕鈣超載所致的神經(jīng)元損傷。IL-6可激活STAT3、AKT和ERK1/2的磷酸化，且JAK/STAT3、PI3K/AKT和RAS/MAPK特異性阻斷劑可部分阻斷IL-6的神經(jīng)保護(hù)作用[33-35]。提示這些通路可能均參與了IL-6相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活的各信號通路怎樣發(fā)揮保護(hù)作用以及存在怎樣的相互作用還需要研究進(jìn)一步闡釋。

5 展望

基于目前的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，IL-6在神經(jīng)系統(tǒng)中，除作為炎性因子外，與神經(jīng)系統(tǒng)的形成、神經(jīng)細(xì)胞的分化以及神經(jīng)軸突再生也密切相關(guān)，是維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的一種重要細(xì)胞因子。IL-6可以通過JAK/STAT3信號通路激活使抗凋亡蛋白表達(dá)增加，減少細(xì)胞內(nèi)鈣負(fù)荷，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。并且，新近發(fā)現(xiàn)IL-6可誘導(dǎo)NSC以及多能干細(xì)胞分化為神經(jīng)元，為治療神經(jīng)退行性疾病帶來了新曙光。但是關(guān)于IL-6在中樞神經(jīng)形成和再生的研究還存在許多有待解決的難題，比如反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和經(jīng)典信號通路激活分別發(fā)揮怎樣不同的生物學(xué)作用？ IL-6激活的JAK/STAT3、PI3K/AKT和RAS/MAPK信號通路，除了蛋白磷酸化以外，是否存在蛋白乙酰化、甲基化、泛素化等其它蛋白修飾，以及各種蛋白修飾在IL-6信號通路激活中發(fā)揮的作用。