Smad蛋白調(diào)控角膜新生血管發(fā)生發(fā)展的研究進展△

曾 澳 閆 語 王淑榮 張 妍 何宇茜

角膜受到不利因素的刺激時，可通過產(chǎn)生角膜新生血管(CNV)來加強角膜的免疫防御功能，并且促進角膜的愈合。然而，CNV如果不加以治療，可促使角膜形成瘢痕組織，嚴重時可致盲[1]。在美國，CNV的致盲率高達4.14%，我國每年也有大量的患者因此失明。遺憾的是，CNV發(fā)生發(fā)展機制尚未研究透徹。由于Smad蛋白對血管因子有調(diào)控作用，因此，本文主要就近年來Smad蛋白調(diào)控CNV發(fā)生發(fā)展的研究進展作一綜述。

1 Smad蛋白的主要成員與特點

在脊椎動物中Smad蛋白有8種，根據(jù)其功能可分為三大類：第一類為受體調(diào)節(jié)型Smads(R-Smads)，包括Smad2/3和Smad1/5/8；第二類為共同通路型Smad(Co-Smad)，僅包括Smad4，其為轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)家族信號轉(zhuǎn)導(dǎo)共同需要的因子；第三類為抑制型Smads(I-Smads),包括Smad6和Smad7，主要作用為抑制TGF-β家族信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[2]。其中，R-Smads和Smad4具有兩個高度保守的結(jié)構(gòu)域：N-末端結(jié)構(gòu)域(MH1結(jié)構(gòu)域)和C-末端結(jié)構(gòu)域(MH2結(jié)構(gòu)域)，前者的作用是結(jié)合DNA，而后者的作用是介導(dǎo)蛋白質(zhì)與多種調(diào)節(jié)劑和效應(yīng)蛋白相互作用，從而發(fā)揮正向生物學(xué)作用[3]。與R-Smads和Smad4不同的是，I-Smads缺少這些保守結(jié)構(gòu)域，從而發(fā)揮負向調(diào)節(jié)作用[4]。Smad蛋白參與TGF-β超家族的下游調(diào)控，TGF-β超家族主要包括激活素、抑制素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)以及TGF-β家族(TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3)等。在TGF-β超家族激活的Smad信號通路中，不同的配體結(jié)合相應(yīng)的Ⅰ型受體，即激活蛋白受體樣激酶(ALK)和Ⅱ型受體(本質(zhì)為跨膜的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶)，隨后Ⅱ型受體磷酸化并且激活Ⅰ型受體，進而激活相應(yīng)的R-Smads[5](表1)。之后，磷酸化的R-Smads被釋放并與Co-Smad結(jié)合形成異聚物,再轉(zhuǎn)移至細胞核[4]，然后與其他輔因子一起調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄，進而發(fā)揮生物學(xué)作用[5]。

2 Smad蛋白在CNV發(fā)生發(fā)展過程中的作用

2.1 Smad蛋白調(diào)節(jié)莖細胞、尖細胞形成血管出芽是CNV形成的關(guān)鍵過程，且主要與莖細胞、尖細胞的分化有關(guān)。新生血管芽最前端的細胞被稱為尖細胞。尖細胞可以發(fā)出絲狀偽足，用于引導(dǎo)血管出芽，此外尖細胞還能控制血管生成的數(shù)量。緊鄰尖細胞后方的細胞被稱為莖細胞，其增殖能力強，主要起延長新生血管分支和形成管腔的作用[6-7]。ALK激活Smad蛋白后可參與調(diào)控莖細胞、尖細胞形成,并通過以下通路調(diào)控CNV的發(fā)生發(fā)展。

2.1.1 BMP-ALK-Smad信號通路BMP9/BMP10激活的ALK1-Smad1/5/8信號通路能與Notch信號途徑協(xié)同促進Notch信號靶基因的表達，從而促進莖細胞形成，抑制血管出芽[8-9]，進而抑制CNV的發(fā)生發(fā)展。另外有研究發(fā)現(xiàn)[10]，BMP6不僅可通過激活A(yù)LK2-Smad1/5信號來促進莖細胞形成，還可以通過激活A(yù)LK3-p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)-熱休克蛋白27(HSP27)信號來促進尖細胞形成。因此，BMP6通過調(diào)控ALK3-p38MAPK-HSP27信號和ALK2-Smad1/5信號來維持莖細胞、尖細胞的平衡，這種平衡有利于CNV的發(fā)生發(fā)展。然而，BMP2卻只能通過激活A(yù)LK3-p38MAPK-HSP27信號來促進尖細胞形成[10]。

表1 TGF-β超家族各主要成員對Smad蛋白的調(diào)控

2.1.2 其他信號通路實驗證明[11]，TGF-β激活的ALK1-Smad信號可促進血管出芽；而其激活的ALK5-Smad信號維持新生血管穩(wěn)定。當TGF-β1-ALK5-Smad2信號通路激活時，其通過改變血管生成過程中一些關(guān)鍵受體的表達量從而影響莖細胞、尖細胞形成，進而影響CNV的發(fā)生發(fā)展。相反，TGF-β-ALK1-Smad信號通路可通過間接抑制TGF-β-ALK5-Smad信號通路來促進血管出芽[11]，從而促進CNV的發(fā)生發(fā)展。此外，尖細胞高表達神經(jīng)纖毛蛋白-1(Nrp-1)，而Nrp-1可通過抑制TGF-β和BMP9/BMP10激活的ALK1/ALK5-Smad2/3信號通路來抑制莖細胞形成，進而促進血管出芽[12]，從而有利于CNV的發(fā)生發(fā)展。

2.2 Smad蛋白調(diào)控促血管生成和抗血管生成因子的表達角膜中促血管生成和抗血管生成機制的不平衡影響了CNV的發(fā)生發(fā)展[13]。Smad蛋白可能通過血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)途徑、Ras同源基因-Rho相關(guān)螺旋卷曲蛋白激酶(Rho-Rock) 途徑、Wnt途徑和Notch途徑，參與促血管生成和抗血管生成因子表達的調(diào)控，從而影響著CNV的發(fā)生發(fā)展(圖1)。

圖1 Smad蛋白相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在CNV發(fā)生發(fā)展過程中的作用

2.2.1 Smad蛋白與VEGF途徑VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E和胎盤生長因子(PLGF)。其中，VEGF-A是最有效的促血管生成因子。在角膜中，明確發(fā)現(xiàn)了VEGF-A表達的上調(diào)可促進CNV的形成[14]，其機制為VEGF結(jié)合其受體VEGFR2后，可激活多種細胞內(nèi)信號，如MAPK、磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B和一氧化氮信號，進而促進血管內(nèi)皮細胞增殖、遷移[15-16]。目前有研究證明，抗VEGF途徑的藥物可以有效抑制CNV的形成。此外，VEGF基因的啟動子區(qū)域受TGF-β/Smad通路的影響，這說明TGF-β/Smad是VEGF的上游通路[17]。有研究證明，TGF-β1-ALK1-Smad1/5-PLGF/VEGFR1-VEGF-A/VEGFR2信號通路能夠促進血管生成，但是，TGF-β-ALK5-Smad2/3信號通路卻抑制血管生成[18]。由此可見，TGF-β/Smad通路對血管生成有雙重作用，可能和參與通路的ALK及Smads的種類有關(guān)。此外，在腫瘤微血管環(huán)境中，BMP介導(dǎo)的Smad1/5/8信號通路可使缺氧誘導(dǎo)因子降解，從而對缺氧誘導(dǎo)的VEGF表達產(chǎn)生負調(diào)控作用，然而此結(jié)論是否適用于角膜血管還不清楚[19]。對于I-Smads來說，有研究發(fā)現(xiàn)，Smad7能下調(diào)VEGF的表達，從而發(fā)揮抑制CNV發(fā)生發(fā)展的作用[20]。

2.2.2 Smad蛋白與Wnt途徑配體蛋白質(zhì)Wnt和膜蛋白受體結(jié)合可激活Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，經(jīng)典的Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑主要由β-catenin介導(dǎo)[21]。研究證明，Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑能直接促進VEGF和其他促血管生長因子的表達，進而促進新血管的形成[22]。此外，R-Smads蛋白可以與Wnt/β-catenin途徑協(xié)同激活靶基因轉(zhuǎn)錄，如VEGF基因，其中，Smad3可以促進β-catenin進行核易位，從而促進Wnt/β-catenin信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)[23]；同樣，Wnt信號可通過抑制糖原合成酶激酶-3β的活性，從而抑制Smad1和Smad3多泛素化和降解，進而促進Smad蛋白發(fā)揮作用[23]。另外，當β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受抑制后，TGF-β誘導(dǎo)的Smad3激活減少，進一步提示我們Wnt/β-catenin途徑可促進TGF-β/Smad信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[24]。由于TGF-β/Smad信號同Wnt/β-catenin途徑可相互刺激，因此，Smad7不僅可通過抑制TGF-β/Smad信號轉(zhuǎn)導(dǎo)間接抑制Wnt/β-catenin途徑，還能與β-catenin結(jié)合以促進β-catenin降解，從而直接抑制β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，這為CNV的治療提供了廣闊的思路，如過氧化物酶體增殖物激活受體γ激動劑可能通過刺激Smad7，以抑制TGF-β/Smad信號通路和Wnt/β-catenin途徑，從而抑制VEGF等血管因子的生成，進而抑制CNV的發(fā)生發(fā)展[25]。

2.2.3 Smad蛋白與Rho/Rock途徑Rho/Rock信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與血管內(nèi)皮細胞的遷移密切相關(guān)[26]。研究發(fā)現(xiàn)，Rho/Rock途徑能上調(diào)促血管生成因子，如基質(zhì)金屬蛋白酶-9和骨橋蛋白的表達，進而促進血管生成[27]。Smad蛋白可通過兩種途徑與Rho/Rock途徑相互作用：其一，VEGF是Rho/Rock途徑的上游信號[28]，因此，Smad蛋白可能通過VEGF間接地影響Rho/Rock途徑；其二，RhoA蛋白是TGF-β1的下游因子[29]，TGF-β1/Smad信號通路可以促進Rho/Rock信號途徑中的RhoA、RhoC和Rock1蛋白的表達，而TGF-β/Smad抑制劑則抑制它們的表達，同樣，Rho/Rock信號抑制劑下調(diào)Smad2蛋白的表達[30]。因此，TGF-β/Smad信號通路還可以直接與Rho/Rock途徑相互作用來調(diào)控CNV的發(fā)生發(fā)展。

2.2.4 Smad蛋白與Notch途徑在人體中，Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑主要包括五種Notch配體(Delta-like1、3、4即Dll1、3、4;Jagged1和Jagged2)和四種Notch受體(Notch1-4)[31]。Notch配體與受體結(jié)合后激活Notch信號，Notch胞內(nèi)段(NICD)被裂解并釋放，然后從細胞膜轉(zhuǎn)運至細胞核[32]。在人角膜上皮細胞中，Notch信號通路不僅可直接參與調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細胞的增殖和分化，還協(xié)助堿性成纖維細胞生長因子誘導(dǎo)角膜血管平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞增殖[33]。然而，Notch信號還可參與調(diào)節(jié)Smad6的表達，從而抑制內(nèi)皮細胞對BMP的反應(yīng)性，繼而抑制新血管形成[34]。因此，Notch信號對CNV可能起著雙重作用。有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β激活的Smad3可與NICD發(fā)生作用，從而促進Notch信號靶基因的表達[23]。此外，TGF-β/Smad信號通路誘導(dǎo)產(chǎn)生的VEGF是Notch信號的上游通路[26]，在血管內(nèi)皮細胞中，二者形成VEGF-VEGFR-Dll4-Notch-VEGFR調(diào)節(jié)反饋通路[35]，這表明，Smad蛋白還可能通過VEGF間接作用于Notch信號。另外，TGF-β抑制劑可以下調(diào)Notch信號通路中的RNA和蛋白質(zhì)的表達[36]，進一步說明TGF-β/Smad信號通路能促進Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。而且，BMP/Smad通路也可以直接與Notch信號靶基因的調(diào)控序列結(jié)合，進而促進Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[23]。

3 前景展望

雖然早有研究發(fā)現(xiàn)，Smad蛋白在促血管生成因子和抗血管生成因子的表達調(diào)控中具有關(guān)鍵作用[37]。但是近些年來，Smad蛋白直接調(diào)控CNV發(fā)生發(fā)展的研究相當少。本文主要總結(jié)了Smad蛋白對莖細胞、尖細胞形成的調(diào)控以及Smad蛋白與VEGF途徑、Wnt途徑、Rho/Rock途徑和Notch途徑的相互作用，從而推測Smad蛋白可能通過這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與CNV發(fā)生發(fā)展的調(diào)控，但是其具體機制尚未明確，尚需進一步研究，以為CNV的治療提供新的可能靶點。