經(jīng)典MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)中功能的研究進(jìn)展①

呂君文 張愛鳳

(東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)和病理生理學(xué)系，東南大學(xué)發(fā)育與疾病相關(guān)基因教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210009)

一直以來，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)因?yàn)槿狈Ρ姸嗟拿庖叻肿佣徽J(rèn)為是免疫豁免區(qū)。近二十多年來，研究發(fā)現(xiàn)免疫分子例如細(xì)胞因子、補(bǔ)體、主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex,MHC)蛋白表達(dá)于發(fā)育和成年CNS中，其中經(jīng)典MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮經(jīng)典免疫學(xué)功能的同時(shí)，也具有非免疫學(xué)功能。許多證據(jù)表明經(jīng)典MHCⅠ類分子在調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和突觸可塑性中發(fā)揮重要作用。此外，經(jīng)典MHCⅠ類分子還與中風(fēng)、帕金森病(Parkinson′s disease,PD)、阿爾茲海默癥(Alzeimer,AD)等神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。本文就經(jīng)典MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能及其與神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期全面了解MHCⅠ類分子，從理論上為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制和治療提供新的思路和理論依據(jù)。

1 免疫系統(tǒng)中的經(jīng)典MHCⅠ類分子

MHC是脊椎動(dòng)物某一染色體上(小鼠第 17 號(hào)染色體，人第 6 號(hào)染色體)編碼主要組織相容性抗原，控制細(xì)胞間相互識(shí)別，調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答的一組緊密連鎖基因群，在人類中稱為HLA，小鼠中稱為H-2復(fù)合體。根據(jù)MHC 基因編碼產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與功能的不同可將其大體分為3大類：MHCⅠ類基因，MHCⅡ類基因，MHCⅢ類基因。MHCⅠ類基因可進(jìn)一步分為經(jīng)典及非經(jīng)典2類。人類經(jīng)典MHCⅠ類分子的編碼基因有大量的等位基因，分別為HLA-A，-B，-C，在小鼠中分別為H2-K，-D，-L[1]。其中經(jīng)典MHCⅠ類分子是免疫細(xì)胞發(fā)育、免疫突觸形成、控制T細(xì)胞以及自然殺傷細(xì)胞(nature killer cells，NK)介導(dǎo)免疫應(yīng)答的關(guān)鍵分子，由重鏈α鏈和輕鏈β2微球蛋白(β2-microglobulin，β2m)鏈構(gòu)成[2]。經(jīng)典MHCⅠ類分子在抗原處理相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transporter of antigenic peptide，TAP)的幫助下結(jié)合由蛋白酶體降解的大量抗原肽片段。MHCⅠ類分子/肽復(fù)合物隨即轉(zhuǎn)移到與質(zhì)膜融合的囊泡中，在細(xì)胞外提呈肽片段。細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞或NK細(xì)胞識(shí)別這些抗原為“自身”或“非自身”肽[3]。若識(shí)別為非自身抗原，則啟動(dòng)免疫反應(yīng)。

2 經(jīng)典MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)上的表達(dá)

既往研究認(rèn)為CNS是免疫豁免區(qū)，正常生理?xiàng)l件下，神經(jīng)元不表達(dá)MHCⅠ類分子。Corriveau等[4]在1998年的研究中首次證明MHCⅠ類分子的mRNA和蛋白在正常發(fā)育中的神經(jīng)元上表達(dá)。接下來一系列哺乳動(dòng)物和人類的研究表明MHCⅠ類分子以時(shí)空特異性的方式出現(xiàn)在CNS[4-7]。在CNS發(fā)育過程中，MHCⅠ類分子的mRNA及蛋白表達(dá)在絨猴、貓、大鼠、小鼠等哺乳動(dòng)物不同部位的神經(jīng)元上，包括視覺和嗅覺系統(tǒng)、皮質(zhì)、海馬和小腦等部位[8-14]。在老年大鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中MHCⅠ類分子和β2m的mRNA隨著年齡增長而增加[15]。此外，研究發(fā)現(xiàn)MHCⅠ類分子蛋白表達(dá)在軸突和樹突表面，并且定位于突觸前膜和突觸后膜上[4,5,16]。

研究證明MHCⅠ類分子在疾病過程中呈現(xiàn)誘導(dǎo)型表達(dá)。例如在局灶性皮質(zhì)發(fā)育不良、結(jié)節(jié)性硬化癥和神經(jīng)膠質(zhì)瘤病變部位神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞中均觀察到MHCⅠ類分子表達(dá)增加[17]。Xia等[18]研究發(fā)現(xiàn)在小鼠缺血性腦卒中模型中，MHCⅠ類分子在缺血側(cè)表達(dá)明顯上調(diào)。

3 經(jīng)典MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能

3.1MHCⅠ類分子和突觸 經(jīng)典MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮多重非免疫學(xué)作用，包括調(diào)節(jié)電活動(dòng)依賴的突觸修正及重塑、突觸連接的建立及突觸可塑性等。

3.1.1電活動(dòng)依賴的突觸修正及重塑 在β2m-/-和β2m-/-TAP1-/-小鼠中，神經(jīng)電活動(dòng)依賴的視網(wǎng)膜-外側(cè)膝狀體投射的突觸修正過程異常[8]。在H2-KbDb-/-小鼠中研究者發(fā)現(xiàn)了類似的表型，相較于野生型小鼠，H2-KbDb-/-小鼠單眼摘除后眼優(yōu)勢(shì)柱 (ocular dominance column，ODC)重塑增強(qiáng)[19]。這些結(jié)果均證實(shí)經(jīng)典 MHCⅠ類分子參與視覺系統(tǒng)發(fā)育過程中電活動(dòng)依賴的突觸修正及重塑過程。

3.1.2突觸連接的建立和功能

3.1.2.1軸突和樹突生長 研究表明MHCⅠ類分子還控制軸突和樹突的生長。體外研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)MHCⅠ類分子的海馬神經(jīng)元表現(xiàn)出更快的生長和極化速度[20]。而Washburn等[21]研究表明過表達(dá)MHCⅠ類分子使得小鼠視網(wǎng)膜外植體的軸突向丘腦外植體的延伸受到抑制，外源性加入重組MHCⅠ類分子同樣可以抑制視網(wǎng)膜外植體及背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞培養(yǎng)中的突起生長[22-24]。

3.1.2.2突觸密度 研究發(fā)現(xiàn)在β2m-/-小鼠和β2m-/-TAP-/-小鼠發(fā)育期和成年時(shí)視皮層第5層突觸密度增加。急性敲除MHCⅠ類分子后，培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元中突觸密度增加，過表達(dá)H2-Kb，突觸密度則降低[16]。同樣，在P39的過表達(dá)H2-Db小鼠中，海馬齒狀回和CA3區(qū)突觸前膜蛋白表達(dá)降低[24]。研究表明MHCⅠ類分子還負(fù)性調(diào)節(jié)皮層GABA能突觸密度[16]。

3.1.2.3突觸傳遞 MHCⅠ類分子還調(diào)節(jié)海馬和皮層神經(jīng)元的突觸傳遞。體外培養(yǎng)中，β2m-/-TAP1-/-小鼠成熟海馬神經(jīng)元的微小興奮性突觸后電流(MEPSC)增加明顯，超微結(jié)構(gòu)顯示其突觸囊泡數(shù)量顯著增加，同時(shí)，在P20β2m-/-TAP1-/-小鼠的皮層腦片中，mEPSC 頻率增加1倍[25]。此外，在發(fā)育皮層神經(jīng)元中，MHCⅠ類分子還調(diào)節(jié)抑制性突觸傳遞，敲除β2m后微小抑制性突觸后電流頻率和振幅均增加。因?yàn)榕d奮性突觸傳遞比抑制性突觸傳遞受MHCⅠ類分子影響的程度更大，所以可以通過改變MHCⅠ類分子表達(dá)來調(diào)節(jié)皮質(zhì)神經(jīng)元興奮與抑制的平衡[16]。

3.1.3突觸可塑性 控制和維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的突觸可塑性主要是兩種類型—Hebbian 可塑性和穩(wěn)態(tài)可塑性。MHCⅠ類分子對(duì)于Hebbian可塑性至關(guān)重要。在β2m-/-TAP1-/-小鼠中，海馬長時(shí)程抑制(long-term depression，LTD)缺失，長時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)增強(qiáng)，表明內(nèi)源性MHCⅠ類分子限制了突觸強(qiáng)度，影響突觸可塑性[8]。MHCⅠ類分子也調(diào)節(jié)小腦的突觸可塑性。H2-KbDb-/-小鼠表現(xiàn)出較低的LTD誘導(dǎo)閾值，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)[10]。研究發(fā)現(xiàn)LTP和LTD誘導(dǎo)的突觸傳遞強(qiáng)度變化通常需要NMDAR依賴性的AMPAR功能或運(yùn)輸?shù)母淖僛26]。

3.2MHCⅠ類分子與神經(jīng)系統(tǒng)疾病 隨著對(duì)MHCⅠ類分子功能的深入研究，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到CNS中神經(jīng)元經(jīng)典MHCⅠ類分子的異常表達(dá)與一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。MHCⅠ類分子在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用成為研究熱點(diǎn)。

3.2.1MHCⅠ類分子與神經(jīng)退行性疾病 研究表明經(jīng)典MHCⅠ類分子的異常表達(dá)與神經(jīng)退行性疾病如帕金森病(PD)、阿爾茲海默癥(AD)和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)等有關(guān)。

來自免疫標(biāo)記、RNA表達(dá)和尸檢樣本質(zhì)譜分析的證據(jù)表明正常人黑質(zhì)和藍(lán)斑區(qū)兒茶酚胺能神經(jīng)元表達(dá)經(jīng)典MHCⅠ類分子。與正常人腦樣本相比，PD患者腦樣本中MHCⅠ陽性細(xì)胞比例顯著下降，可能是由于疾病條件下，MHCⅠ類分子的表達(dá)導(dǎo)致免疫細(xì)胞的募集和受累神經(jīng)元的死亡，提示經(jīng)典MHCⅠ類分子可能在促進(jìn)PD疾病進(jìn)展中發(fā)揮一定作用[14]。Matthew等[27]研究發(fā)現(xiàn)在敲低α突觸核蛋白(α-syn)后，黑質(zhì)神經(jīng)元上MHCⅠ類分子表達(dá)上調(diào)。募集的免疫細(xì)胞包圍并吞噬 MHCⅠ陽性神經(jīng)元，最終導(dǎo)致黑質(zhì)神經(jīng)元變性死亡。因此，MHCⅠ類分子可能在促進(jìn)神經(jīng)變性過程中發(fā)揮重要作用，可能是PD發(fā)病的危險(xiǎn)因素。

MHCⅠ類分子與AD的發(fā)病也密切相關(guān)。早在2009年時(shí)就有研究報(bào)道HLA-A1的存在導(dǎo)致AD發(fā)展延遲[28]。Kim等[29]的研究表明MHCⅠ類分子受體LILR2(人)或PirB(小鼠)與AD也有一定相關(guān)性。在AD模型中，Aβ通過與PirB相互作用活化cofilin通路，誘導(dǎo)突觸毒性，最終導(dǎo)致突觸可塑性異常及認(rèn)知障礙。研究表明在AD發(fā)病過程中T細(xì)胞遷移入腦依賴于腦內(nèi)皮細(xì)胞MHCⅠ類分子的表達(dá)上調(diào)，該過程增強(qiáng)了T細(xì)胞黏附并促進(jìn)跨內(nèi)皮遷移[30]。Wang等[31]的研究首次討論了HLA-A基因變異與AD腦結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。HLA-A位點(diǎn)rs9260168和rs3823342顯示與左側(cè)海馬旁萎縮相關(guān)，rs7647551傾向于與右側(cè)杏仁核萎縮相關(guān)，研究者還發(fā)現(xiàn)單倍型 (TGACAAGG)與右側(cè)海馬萎縮呈正相關(guān)，該區(qū)域與臨床病理過程中認(rèn)知功能的下降密切相關(guān)，提示HLA-A攜帶者通過改變海馬體積增加患AD的風(fēng)險(xiǎn)。最新研究對(duì)11 690名白人進(jìn)行了大規(guī)模隊(duì)列研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HLA-A基因的變異與幾種臨床指標(biāo)相關(guān)，包括腦脊液中一種致病蛋白水平的增加和隨時(shí)間推移在認(rèn)知測(cè)試中的表現(xiàn)下降[32]，提示HLA-A的變異可能促進(jìn)AD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的增加。

ALS是一種以成人運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元(motor neurons，MNs)受累,骨骼肌萎縮,神經(jīng)功能障礙為主要臨床表現(xiàn)的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病。早在2013年Kim等[33]就發(fā)現(xiàn)β2m對(duì)SOD1G93A小鼠很重要，敲除β2m明顯縮短病程進(jìn)展。還有文獻(xiàn)報(bào)道MHCⅠ類分子在ALS中表達(dá)明顯下調(diào)，同時(shí)MNs死亡率增加。過表達(dá)H2-Kb以及人HLA-F可提高M(jìn)Ns的存活率和肢體的運(yùn)動(dòng)能力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MHCⅠ類分子通過與ALS星形膠質(zhì)細(xì)胞上特異性表達(dá)的抑制性受體KIR3DL2相互作用來調(diào)節(jié)ALS星形膠質(zhì)細(xì)胞顯示的細(xì)胞毒性[34]。因此在ALS發(fā)病中MHCⅠ類分子保護(hù)MNs免受星形膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)的毒性。最新研究報(bào)道表達(dá)SOD1突變體的CD8+T淋巴細(xì)胞選擇性浸潤ALS小鼠CNS并通過MHCⅠ類分子依賴性方式識(shí)別MNs來發(fā)揮細(xì)胞毒功能[35]。

3.2.2MHCⅠ類分子與腦卒中及神經(jīng)損傷H2-Kb和H2-Db以及PirB受體限制了健康大腦的突觸可塑性和運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)[36]。研究表明腦卒中恢復(fù)同樣與MHCⅠ類分子及神經(jīng)可塑性有關(guān)。腦卒中后神經(jīng)元上H2-Kb和H2-Db以及受體PirB及其下游信號(hào)表達(dá)均增加。H2-KbDb-/-或PirB敲除小鼠在短暫大腦中動(dòng)脈閉塞后梗死灶變小，運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)增強(qiáng)[37]。Xia等[18]研究發(fā)現(xiàn)在小鼠缺血性腦卒中模型中，MHCⅠ類分子在缺血側(cè)表達(dá)明顯上調(diào)，其可作為缺血性腦卒中急性期的治療靶點(diǎn)。

神經(jīng)元上MHCⅠ類分子表達(dá)增加有助于神經(jīng)損傷后的軸突再生。Oliveira等[38]研究發(fā)現(xiàn)敲除β2m或TAP-1的小鼠軸突損傷程度比正常小鼠嚴(yán)重。用IFNβ治療可以誘導(dǎo)脊髓中MHCⅠ類分子表達(dá)上調(diào)并促進(jìn)小鼠坐骨神經(jīng)壓迫后的軸突生長和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[39]。Joseph等[40]表明神經(jīng)元中MHCⅠ類分子上調(diào)導(dǎo)致脊髓損傷小鼠運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的更好。以上結(jié)果均證明MHCⅠ類分子對(duì)損傷后神經(jīng)修復(fù)具有促進(jìn)作用，但其中具體機(jī)制目前仍不清楚。

3.2.3MHCⅠ類分子與癲癇 Rasmussen′s 腦炎是一種進(jìn)行性癲癇性疾病，臨床表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙和難治性癲癇。研究表明在該疾病臨床標(biāo)本神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了β2m的表達(dá)[41]。Prabowo等[17]的研究發(fā)現(xiàn)MHCⅠ類分子在局灶性皮質(zhì)發(fā)育不良、結(jié)節(jié)性硬化癥和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞膠質(zhì)瘤的癲癇患者腦組織中表達(dá)上調(diào)，并伴有血腦屏障的破壞。因此MHCⅠ類分子可能也與癲癇的進(jìn)展相關(guān)，但具體機(jī)制尚不明確。

3.2.4MHCⅠ類分子與神經(jīng)系統(tǒng)炎癥 研究結(jié)果顯示在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生各種炎癥損傷時(shí)MHCⅠ類分子呈誘導(dǎo)型表達(dá)。在布氏錐蟲誘導(dǎo)全身慢性感染和脂多糖誘導(dǎo)急性外周/中樞感染后大鼠下丘腦室旁核神經(jīng)元和紋狀體神經(jīng)元中MHCⅠ類分子mRNA表達(dá)增加[42]。此外，F(xiàn)reria等[43]研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎大鼠反復(fù)發(fā)生炎癥后，突觸可塑性下降可能與MHCⅠ類分子表達(dá)上調(diào)有關(guān)，即興奮性和抑制性輸入之間的比值增加。最新研究證明H2-Db在神經(jīng)炎癥泰勒氏鼠腦脊髓炎病毒模型中通過免疫應(yīng)答反應(yīng)影響腦萎縮的發(fā)展[44]。

4 展望

經(jīng)典MHCⅠ類分子不僅在發(fā)育和成年神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，且參與眾多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展并具有多種功能，一些與經(jīng)典免疫學(xué)功能有關(guān)，更多是非免疫學(xué)功能。MHCⅠ類分子在不同疾病中的非免疫學(xué)功能不同，或者是促進(jìn)神經(jīng)再生及功能修復(fù)，或者是誘導(dǎo)神經(jīng)毒性。作為高度多態(tài)性的基因，經(jīng)典MHCⅠ類分子的不同等位基因也與AD、ALS等發(fā)病密切相關(guān)。經(jīng)典MHCⅠ類分子受體和下游效應(yīng)分子及可能的信號(hào)通路目前尚不清楚。對(duì)于MHCⅠ類分子在各神經(jīng)系統(tǒng)疾病中作用機(jī)制的探究是非常必要的。隨著對(duì)MHCⅠ類分子功能認(rèn)識(shí)的不斷深入以及新理論與新技術(shù)的出現(xiàn)，該分子在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用將逐漸被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，并為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治提供新的思路。