半乳糖凝集素在神經(jīng)退行性疾病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

彭琴玉 張國新 郭笑迪 張振濤

武漢大學(xué)人民醫(yī)院，湖北 武漢 430060

神經(jīng)退行性疾病（neurodegenerative diseases，ND）是一類以進(jìn)行性、不可逆的神經(jīng)元變性丟失為特征的多種疾病的總稱，包括阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、亨廷頓病（Huntington disease，HD）、肌萎縮側(cè)索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）等。這些疾病共同的病理特征是病理性蛋白在腦內(nèi)異常聚集，但具體的病因及病理機(jī)制尚未明確［1］，越來越多的研究提示神經(jīng)炎癥在神經(jīng)退行性疾病發(fā)生中發(fā)揮重要作用［2-4］。半乳糖凝集素（galectins，Gal）是一類內(nèi)源性的β-半乳糖苷結(jié)合蛋白，參與細(xì)胞遷移、細(xì)胞凋亡、免疫應(yīng)答和炎性信號傳導(dǎo)等生理過程［5-6］。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，半乳糖凝集素作為促炎或抗炎因子，參與神經(jīng)調(diào)節(jié)、神經(jīng)炎癥在內(nèi)的各種生理病理過程［7-8］。近期有研究發(fā)現(xiàn)，半乳糖凝集素在多種神經(jīng)退行性疾病患者腦內(nèi)表達(dá)增高，并與腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞活化、自噬及神經(jīng)炎癥密切相關(guān)［9-10］。Gal-3/8/9通過參與受損溶酶體的識別、修復(fù)及清除發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［11-13］。其中，Gal-3 在ALS 及急性腦缺血疾病小鼠模型中發(fā)揮抗炎作用，可以延緩病理進(jìn)展［14-18］。另一方面，在AD 和PD 兩種疾病中，Gal-3 可通過與小膠質(zhì)細(xì)胞表面的Toll 樣受體4（toll-like receptor 4，TLR4）或髓系細(xì)胞觸發(fā)受體2（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）結(jié)合，誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞活化和促炎因子表達(dá)上調(diào)，介導(dǎo)神經(jīng)變性和功能損害［9，19］。

本文將圍繞半乳糖凝集素的結(jié)構(gòu)和功能，總結(jié)其在神經(jīng)退行性疾病中的最新研究進(jìn)展，以期進(jìn)一步深入認(rèn)識半乳糖凝集素與神經(jīng)退行性疾病之間的關(guān)聯(lián)，為疾病尋找新的潛在生物標(biāo)志物和治療靶點。

1 半乳糖凝集素的結(jié)構(gòu)、分布和生物學(xué)功能

半乳糖凝集素是內(nèi)源性凝集素家族成員，能夠與含β-半乳糖苷殘基的多聚糖結(jié)合，其典型特征是具有高度保守的糖識別結(jié)構(gòu)域（carbohydrate recog?nition domain，CRD）。目前已發(fā)現(xiàn)15個半乳糖凝集素家族成員，分別命名為Gal-1～Gal-15。根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)分為三類：原型（Proto）、串聯(lián)重復(fù)型（Tan?dem-Repeat）和嵌合型（Chimera）。原型半乳糖凝集素 蛋 白 包 括Gal-1、-2、-5、-7、-10、-11、-13、-14 和Gal-15，此型成員含有1個CRD，多以二聚體的形式存在。串聯(lián)重復(fù)型半乳糖凝集素蛋白包括Gal-4、-6、-8、-9和Gal-12，包含兩個由短肽相連的CRD，以單體的形式發(fā)揮作用。嵌合型半乳糖凝集素蛋白僅有Gal-3，由一個C端CRD結(jié)構(gòu)域和一個膠原蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域融合而成，此類型一般形成多聚體發(fā)揮作用。

半乳糖凝集素在體內(nèi)廣泛表達(dá)，但各型半乳糖凝集素在不同種屬和組織中存在表達(dá)特異［5］。Gal-2、-4、-6、-7、-9、-11 主要在胃腸道等消化系統(tǒng)組織中表達(dá)較高，Gal-12 在脂肪組織中表達(dá)較高，而Gal-4 在皮層及海馬神經(jīng)元中有顯著表達(dá)。目前認(rèn)為，半乳糖凝集素是一種胞質(zhì)蛋白，大部分位于胞質(zhì)或胞核內(nèi)，小部分可以通過非經(jīng)典分泌途徑分泌到胞外，與β-半乳糖苷配體結(jié)合發(fā)揮作用，包括半乳糖凝集素直接誘導(dǎo)的信號傳導(dǎo)和半乳糖凝集素介導(dǎo)的細(xì)胞表面暴露，進(jìn)而參與多種生理功能，如誘導(dǎo)T細(xì)胞凋亡、血管及淋巴管生成、慢性炎癥中的纖維化以及其他免疫調(diào)節(jié)過程［20-21］。此外，半乳糖凝集素還在受損的神經(jīng)突觸囊泡周圍表達(dá)，可以作為突觸囊泡破壞的標(biāo)志物［10，22］。

2 半乳糖凝集素在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用

Gal-1/3/4/8/9 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)顯著表達(dá)［23］。這些半乳糖凝集素可通過參與內(nèi)溶酶體受損修復(fù)、小膠質(zhì)細(xì)胞激活及神經(jīng)炎癥、去唾液酸化作用而參與神經(jīng)功能的調(diào)節(jié)。內(nèi)溶酶體功能障礙在神經(jīng)退行性疾病病理過程中發(fā)揮重要作用。神經(jīng)元或小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)吞Aβ、tau 和α-突觸核蛋白等病理性蛋白后，出現(xiàn)內(nèi)溶酶體受損破裂，繼而這些病理性蛋白種子被釋放至胞質(zhì)并加速播散［24-26］。作為抗炎因子的Gal-1可間接參與神經(jīng)保護(hù)，促進(jìn)髓鞘再生［27］。Gal-3/8/9可監(jiān)測、修復(fù)、清除細(xì)胞內(nèi)受損溶酶體，減少病理性蛋白的播散，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［11-13］。具體來說，Gal-8 通過識別內(nèi)膜受損，與核點蛋白52（nuclear dot protein 52，NDP52）結(jié)合激活自噬來發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［11］。JIA等［13］提出了Gal-3參與動態(tài)協(xié)調(diào)受損溶酶體清除的機(jī)制。早期，Gal-3 識別受損溶酶體，激活轉(zhuǎn)運所需的核內(nèi)體分選復(fù)合體（endosomal sorting complexes required for transport，ESCRT），進(jìn)而介導(dǎo)溶酶體修復(fù)，隨后Gal-3參與受損溶酶體的清除。以上兩種方法失敗后，Gal-3可通過轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）完成溶酶體替換［13］。然而，一項關(guān)于HD的研究發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞受到突變型亨廷頓蛋白（mutant Huntingtin，mHTT）刺激后，受損溶酶體上有大量Gal-3 表達(dá)而無自噬標(biāo)志物L(fēng)C3表達(dá)，表明Gal-3抑制了受損溶酶體的清除［10］。

神經(jīng)退行性疾病中的另一重要病理現(xiàn)象是小膠質(zhì)細(xì)胞的激活。小膠質(zhì)細(xì)胞被各種病理性蛋白激活后可向M1 促炎表型轉(zhuǎn)化，釋放大量促炎因子，進(jìn)而加重神經(jīng)元損傷［28-29］。Gal-3作為內(nèi)源性的免疫調(diào)節(jié)因子，可與小膠質(zhì)細(xì)胞表面TLR4 受體結(jié)合，誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的M1型促炎應(yīng)答反應(yīng)，同時激活NLRP3炎癥小體，加重神經(jīng)炎癥［10，19］。此外，Gal-3還可直接與TREM2 結(jié)合，通過TREM2-DAP12 信號通路誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞活化，加重神經(jīng)變性［9］。然而，部分研究報道了相反的結(jié)果，研究顯示在急性腦缺血后，Gal-3可介導(dǎo)抗炎及神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)［15-16］。RAHIMIAN 等［15］比較了Gal-3 在生理和缺血性損傷背景下對小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)、遷移和細(xì)胞因子分泌的影響。在體內(nèi)和體外實驗中用重組Gal-3蛋白處理小膠質(zhì)細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Gal-3 通過白細(xì)胞介素4 促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞活化。此外，缺血性腦損傷后腹腔注射Gal-3，24 h后可發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞向M2抗炎表型轉(zhuǎn)化，抗炎細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào)［15］。以上研究表明Gal-3 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮雙重效應(yīng)，這種由Gal-3介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞促炎及抗炎表型的轉(zhuǎn)化，可能與疾病類型、嚴(yán)重程度以及疾病所處階段有關(guān)［8］。

神經(jīng)變性與小膠質(zhì)細(xì)胞及神經(jīng)元的“去唾液酸化”作用同樣有關(guān)。生理條件下，小膠質(zhì)細(xì)胞及神經(jīng)元處于“唾液酸化”狀態(tài)，表現(xiàn)為神經(jīng)元不易被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬［30］。受到外界因素（如LPS、Aβ和tau 蛋白）刺激后，小膠質(zhì)細(xì)胞表面吞噬補(bǔ)體受體3（complement Receptor 3，CR3）激活，小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生“去唾液酸化”，對神經(jīng)元的吞噬能力明顯增強(qiáng)，進(jìn)而加速神經(jīng)變性［31］。PUIGDELLíVOL 等［30］研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞被激活后發(fā)生“去唾液酸化”，可表達(dá)和釋放Gal-3，后者與細(xì)胞表面受體TREM2 和TLR4結(jié)合可以進(jìn)一步促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞激活，同時通過MerTK受體介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬能力的增強(qiáng)，促進(jìn)A β的聚集和毒性。 與之相反，Gal-8 在小膠質(zhì)細(xì)胞處于“唾液酸化”狀態(tài)時，表現(xiàn)出較強(qiáng)的自噬清除能力和神經(jīng)保護(hù)作用［32］。

3 半乳糖凝集素與AD

小膠質(zhì)細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究顯示，Gal-3是神經(jīng)退行性疾病相關(guān)神經(jīng)炎癥中的重要分子，Butovsky 等分析了AD 疾病小鼠模型（APP/PS1 和5xFAD小鼠）中小膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜，發(fā)現(xiàn)這些疾病相關(guān)性小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出了Gal-3 基因表達(dá)的明顯上調(diào)［33］。此外，Gal-3 在AD 患者、5xFAD 小鼠（家族性AD的動物模型）以及APP/PS1小鼠的腦組織中表達(dá)明顯升高，敲除Gal-3的AD模型小鼠腦內(nèi)Aβ斑塊負(fù)荷降低、促炎應(yīng)答反應(yīng)減低、認(rèn)知功能改善［9，34］。有研究報道，Gal-3 作為TREM2 的內(nèi)源性配體，激活TLR及TREM2-DAP12相關(guān)信號途徑，繼而誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的促炎反應(yīng)［9］。另一方面，Gal-3 可直接結(jié)合Aβ，介導(dǎo)其寡聚化和神經(jīng)毒性［34］。在AD 的體外培養(yǎng)細(xì)胞模型H4-APPsw細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，Gal-33結(jié)合蛋白（Galectin 3-binding protein，GAL3BP）可減少Aβ的生成［35］，這與Gal-3促進(jìn)AD病理的研究結(jié)果不相一致，可能與體外細(xì)胞培養(yǎng)模型的選擇有關(guān)。臨床相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照相比，AD患者血清中Gal-3表達(dá)明顯升高，且與疾病嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。Gal-3與認(rèn)知功能損害之間的關(guān)聯(lián)提示其作為AD 早期診斷生物標(biāo)志物具有一定的潛力［36-37］。

與Gal-3 不同，Gal-1 和Gal-8 在AD 中發(fā)揮潛在神經(jīng)保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，Gal-1 連續(xù)3 周處理PDAPPJ20 轉(zhuǎn)基因小鼠（AD 小鼠模型）后，其在新物體定位識別實驗中顯示出明顯的認(rèn)知功能改善，同時海馬區(qū)淀粉樣蛋白沉積減少了53.5%。該研究通過熒光素標(biāo)記海馬血管系統(tǒng)及Aβ斑塊，發(fā)現(xiàn)Gal-1處理的小鼠血管周Aβ降低了30%，提示Gal-1 可能通過保護(hù)血腦屏障完整性來促進(jìn)Aβ清除［38］。Gal-8可以保護(hù)原代海馬神經(jīng)元免受Aβ寡聚體、營養(yǎng)剝奪、谷氨酸興奮毒性和過氧化氫誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損害。這種神經(jīng)保護(hù)作用是通過激活β1-整合素、ERK1/2和PI3K-AKT 信號通路來實現(xiàn)的［39］。此外，Gal-8 可以監(jiān)測到tau 聚集體進(jìn)入細(xì)胞后所致的內(nèi)膜完整性受損，并通過募集貨物受體NDP52，激活自噬清除，減少tau 蛋白的聚集和傳播，進(jìn)而減輕AD 病理［11］。

Gal-9 是一種T 細(xì)胞配體，在先天性及適應(yīng)性免疫應(yīng)答中起多效調(diào)節(jié)作用。目前，Gal-9在神經(jīng)退行性疾病中的作用尚不明確。有研究發(fā)現(xiàn)，AD患者外周血中Gal-9 水平和回腸膽汁酸結(jié)合蛋白（ileal bile acid binding protein，I-BABP）水平均升高，且高于輕度認(rèn)知功能損害組。多因素分析顯示，I-BABP 和Gal-9 的水平與AD 癥狀明顯相關(guān)。該項研究提示，作為腸上皮受損標(biāo)志物的I-BABP可能與T細(xì)胞協(xié)同作用加速認(rèn)知障礙［40］。

4 半乳糖凝集素與PD

對PD 患者和正常對照者的腦脊液進(jìn)行質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，Gal-1 在2 組中存在差異表達(dá)，PD 患者腦脊液中Gal-1 表達(dá)相對較低，與腦脊液中AD 經(jīng)典病理標(biāo)志物總tau、p-tau、神經(jīng)絲輕鏈水平以及簡易智能評分量表評分相關(guān)［41］。一項在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydro?pyridine，MPTP） 誘導(dǎo)的PD 小鼠模型中的研究顯示，紋狀體部位注射Gal-1 后，Gal-1 可通過調(diào)控MAPK/IκB/NF-κB信號通路，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和促炎因子釋放，從而減輕黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性，改善運動癥狀［42］。

Gal-3 在急性外周炎癥相關(guān)PD 模型發(fā)病中的作用也有報道。腹腔注射LPS或口服葡聚糖硫酸鈉所致的急性外周炎癥模型中，發(fā)現(xiàn)在中腦黑質(zhì)部位有大量促炎型小膠質(zhì)細(xì)胞活化，同時Gal-3和促炎細(xì)胞因子如IL-1β、TNF-α表達(dá)上調(diào)，而在敲除Gal-3后，黑質(zhì)部位小膠質(zhì)細(xì)胞活化減少，促炎細(xì)胞因子表達(dá)相對減少［43］。與健康對照者相比，PD患者血清中Gal-3水平明顯升高，且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)［44-46］，這為Gal-3作為PD早期診斷的外周標(biāo)志物提供了證據(jù)支撐。

5 半乳糖凝集素與HD

研究發(fā)現(xiàn)，血清及腦組織Gal-3 水平在HD 患者及HD小鼠模型中都明顯升高，且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)［10，47］。在HD小鼠中，Gal-3主要在小膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，這發(fā)生在運動功能受損之前并且可持續(xù)整個疾病過程。抑制Gal-3 表達(dá)后，HD 小鼠的神經(jīng)炎癥減輕，mHTT 聚集減少，神經(jīng)元多巴胺和環(huán)磷酸腺苷調(diào)節(jié)的磷酸化蛋白32（dopamine and cAMP regulated phosphoprotein of 32 kDa，DARPP32）水平及運動功能障礙得到了恢復(fù)和改善。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Gal-3通過NF-κB和NLRP3炎癥小體依賴通路參與炎癥反應(yīng)，加速神經(jīng)變性和運動障礙的發(fā)生［10］。因此，抑制Gal-3可改善HD小鼠腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，提示Gal-3作為HD新藥物治療靶點的可能性。

6 半乳糖凝集素與ALS

相較于健康對照者，ALS 患者血清中Gal-3 水平增高，尤其是女性患者，并且與ALS病程呈正相關(guān)［48］。此外，ALS 患者腦脊液中也觀察到了Gal-3 水平的升高，與認(rèn)知功能損傷明顯相關(guān)［36］。以上研究顯示出Gal-3 作為ALS 生物標(biāo)志物的可能性。與對照組相比，敲除Gal-3 的SOD1（G93A）小鼠顯示出更強(qiáng)的小膠質(zhì)細(xì)胞活化、炎癥因子釋放以及更快的疾病進(jìn)展速度，表明Gal-3在ALS病理進(jìn)展中發(fā)揮保護(hù)作用［18］。

7 結(jié)論

半乳糖凝集素是一類內(nèi)源性的β-半乳糖苷結(jié)合蛋白，在心臟病、糖尿病、肝炎、腎病、腫瘤及自身免疫性疾病中都發(fā)揮重要作用。近年來，越來越多的研究關(guān)注半乳糖凝集素在神經(jīng)退行性疾病中的作用，目前研究比較多的有Gal-1/3/8 和Gal-9。其中，Gal-1/8/9 主要發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，而Gal-3 具有雙重效應(yīng)，在AD中通過誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞活化介導(dǎo)神經(jīng)炎癥，抑制病理性蛋白的自噬清除，或直接與Aβ結(jié)合以加強(qiáng)其神經(jīng)毒性等多個機(jī)制來促進(jìn)疾病病理進(jìn)展。另一方面，在ALS小鼠模型，Gal-3通過抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化、促進(jìn)軸突及髓鞘再生等途徑發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［18，49］。在AD，PD，HD和ALS等多種神經(jīng)退行性疾病中，血清半乳糖凝集素蛋白表達(dá)水平升高，且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)，提示半乳糖凝集素可能成為神經(jīng)退行性疾病早期診斷方便有效的生物標(biāo)志物。