Sema4D在心血管疾病中的研究進展

陳建綜述 夏豪審校

軸突導向蛋白(semaphorin)是一類蛋白的總稱，其家族成員由約30種結構高度保守的蛋白組成。根據(jù)結構特征和與細胞膜的連接方式，這些蛋白被分為了8類，其中1、2類表達于無脊椎動物，3～7類在脊椎動物中表達，V(viruses)類存在于某些DNA病毒中[1]。它們都具有一個包含500個氨基酸的sema區(qū)域[2]，又各自有其特異性結構，根據(jù)蛋白與細胞膜之間連接方式的不同，其具有分泌蛋白和跨膜蛋白2種存在形式，通過旁分泌和自分泌的形式調(diào)節(jié)細胞行為。最初它們被認為主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)，作為軸突導向因子參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育[3]，后來的研究發(fā)現(xiàn)，其廣泛分布于神經(jīng)、骨骼肌、內(nèi)皮、腫瘤等各個組織和器官，并參與細胞增殖、遷移、黏附、免疫應答、心血管發(fā)育等多種生理病理過程[4-5]。其中第四類家族成員Sema4D又稱CD100，最初于T細胞表面被發(fā)現(xiàn)，相關研究主要涉及腫瘤、神經(jīng)膠質(zhì)細胞生長及骨代謝等[6-7]，近年來發(fā)現(xiàn)，它也參與一些心血管疾病的病理過程，然而對此分子在疾病中發(fā)揮的作用和具體分子機制研究并未深入，對其進一步研究有望為相關疾病的預防和治療提供新的靶點。

1 Sema4D的生物學特征

Sema4D是一種Ⅰ型跨膜蛋白，從病毒到哺乳動物，Sema4D均有表達且結構保持著高度保守。人類的Sema4D蛋白由位于人類9號染色體9q22.2位置的SEMA4D基因表達，分子量約為150 kDa[8]。在人體淋巴結、脾臟、腦組織內(nèi)及各類免疫細胞中呈高表達，心臟、胃腸、肺等也顯著表達。Sema4D整個分子包含862個氨基酸，從胞外的N端開始依次為一個氨基末端信號序列、一個富含糖基化位點的sema區(qū)域、一個PSI(plexin-semaphorin-integrin)結構域及免疫球蛋白樣區(qū)域，胞內(nèi)的尾部則包含許多絲蘇氨酸磷酸化位點(圖1)。Sema結構域是Sema4D蛋白的特征性結構域，通過X線晶體學與3D建模顯示，它含有一個與整合素α結構相似的七葉β-螺旋結構，參與和整合素之間的信號轉導。Sema結構域是位于蛋白N端的一個單拷貝區(qū)域，以同源二聚體的形式表達于細胞表面，并可形成二聚體進行信號轉導[1]，它是與受體特異性結合和信號轉導的關鍵結構。Sema4D的羧基末端幾乎都包含一個與整合素β鏈同源的富含半胱氨酸的PSI區(qū)域，PSI區(qū)域對于sema結構域的同源二聚相當重要。Sema4D在人體內(nèi)分布廣泛，雖然它是一種膜固有蛋白，但在蛋白激酶A、干擾素基因刺激因子(STING)等分子的介導下，Sema4D分子可被金屬蛋白酶ADAM17裂解進入血液，成為游離狀態(tài)(sSema4D)[9]，sSema4D分子量約120 kDa，2種形態(tài)都可廣泛參與人體的病理生理過程[10]，并參與細胞間的黏附、T細胞啟動、血管生成、炎性反應的介導等。

注：所有成員都具有相同的Sema區(qū)域，但根據(jù)其所在種屬，與細胞膜的連接方式，以及IG樣區(qū)域、7次血小板反應蛋白-1重復等獨特結構，將semaphorin蛋白家族分為7類

Sema4D可作為配體且和受體結合發(fā)揮生物學功能，plexinB1是Sema4D的高親和力受體，在人體多種組織和細胞表面表達[7]，是一種跨膜受體。Plexin在胞外包含與Sema4D同源的sema區(qū)域，和sema蛋白形成二聚介導信號轉導；胞內(nèi)有一個高度保守的Ras家族GTP酶活化蛋白(GTPase activating protein，GAP)結構，當plexin受體結合sema區(qū)域時，GAP區(qū)域被激活導致Ras和Rap家族GTPase的激活，而Ras/Rap家族GTPase如Rac1、Rnd1、RhoD的激活可以促進整合素(integrin)的功能來調(diào)控細胞黏附和細胞骨架。另一方面，plexinB1可以招募并激活酪氨酸激酶受體met并與之形成受體復合物，激活下游的信號分子，介導細胞及腫瘤的侵襲性生長[11]。研究表明[12]，plexinB1對胞內(nèi)met的招募和激活是Sema4D介導的促血管生長作用所必須的。此外，plexinB1受體的C末端可以通過調(diào)控LARG——一種鳥苷酸交換因子(GEFs)的活性來介導小G蛋白RhoA的激活，對下游的MAPK、PI3K、ROCK通路產(chǎn)生調(diào)控作用，進而廣泛參與人體多種生理功能的調(diào)節(jié)。CD72是Sema4D的另一種受體，其對Sema4D的親和力相對較低，主要存在于免疫細胞中，如B細胞、T細胞、樹突狀細胞等。對免疫細胞的增殖、成熟、抗體的合成分泌起到調(diào)控作用，CD72尾部含有2個免疫受體酪氨酸抑制模體(immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif, ITIM)，可結合酪氨酸磷酸酶SHP-1使其發(fā)揮抑制細胞信號的作用[13]。Sema4D與CD72結合可使ITIM去磷酸化，從而減弱SHP-1的抑制作用，提高細胞免疫應答水平。

2 Sema4D在心血管疾病中的作用機制

2.1 Sema4D與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)是心血管系統(tǒng)常見的疾病，也是心肌梗死和腦卒中的主要原因。多年以來AS的發(fā)生一直被認為是經(jīng)典的單核細胞驅動過程[14]。單核細胞、血小板與內(nèi)皮細胞間黏附并向內(nèi)皮下遷移是粥樣硬化形成的關鍵步驟[15-16]，此外脂質(zhì)代謝異常和血小板異常激活參與了病變的進程，而Sema4D可能對這些病理過程起到了促進作用。

Gong等[17]研究發(fā)現(xiàn)，冠狀動脈粥樣硬化患者血清游離Sema4D水平較對照組顯著增高，且隨著冠狀動脈狹窄程度上升而升高。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠血管損傷模型的血栓形成過程中，Sema4D及plexinB1受體的表達明顯增加，并參與血小板與內(nèi)皮細胞的相互作用，促進血小板的黏附與聚集[18]。體內(nèi)外實驗均表明，Sema4D參與了血小板的過度激活，在血管損傷模型中，缺乏Sema4D的小鼠進行損傷處理后出現(xiàn)的動脈阻塞癥狀出現(xiàn)較輕且較晚。在血脂異常小鼠模型中同樣發(fā)現(xiàn)，Sema4D陰性小鼠的血小板聚集、脂質(zhì)沉積、動脈阻塞程度明顯下降[19]，在Zhu等[20]的研究中，通過對LDLR(-/-)和 Sema4D(-/-)LDLR(-/-)小鼠分別進行6個月的高脂飼養(yǎng)，Sema4D敲除組小鼠的主動脈脂質(zhì)沉積明顯低于對照組，血管損傷后阻塞的幾率降低了6倍，血小板聚集降低到野生型小鼠水平。這些結果表明，Sema4D促進了血小板的病理性激活及動脈的脂質(zhì)沉積，促進了AS的發(fā)生。另一方面，內(nèi)皮細胞表達的Sema4D可以與人單核細胞、巨噬細胞、泡沫細胞表面的plexinB2受體結合，介導單核細胞與內(nèi)皮細胞的黏附[21]，促進血液中的單核細胞向內(nèi)皮下的遷移。Cui等[22]的研究證實，巨噬細胞對富含Sema4D的表面具有更強的趨化性，而粥樣硬化區(qū)域的內(nèi)皮細胞、巨噬細胞、泡沫細胞的Sema4D表達均有明顯升高[23]，這可能促進了相關炎性細胞的趨化作用，參與了AS的病理性進程。同時一項臨床研究顯示[24]，血清水平sSema4D低的ST段抬高型心肌梗死患者行PCI術后，發(fā)生心血管不良事件的風險明顯降低。

這些研究表明，Sema4D可能通過促進單核—內(nèi)皮細胞的黏附和遷移、血小板的病理性激活、血管壁的脂質(zhì)沉積及促進血管新生的方式促進AS的發(fā)生，Sema4D可能是防治AS的一個潛在靶點?，F(xiàn)代醫(yī)學研究表明，動脈粥樣硬化是急性心肌梗死發(fā)生的重要危險因素，Sema4D對于動脈粥樣硬及心肌梗死發(fā)生發(fā)展的影響和作用機制的研究目前尚缺乏，對此方向的研究將會具有重要臨床價值。

2.2 Sema4D與心房顫動和心房重構 心房顫動(atrial fibrillation，AF)是臨床上常見的一種心律失常，往往導致患者的生活質(zhì)量下降及心血管事件的發(fā)生。心房顫動患者心房內(nèi)血流的紊亂可導致心腔內(nèi)附壁血栓的形成進而增加缺血性卒中的風險。盡管心房顫動的機制還未完全闡明，但血小板的激活及炎性反應在心房顫動發(fā)生的過程中起到了重要作用，同時左心房直徑(LAD)也與心房顫動患者血清炎性因子的水平有關[25-26]。

Sema4D在血小板激活和凝血過程起到了重要的調(diào)控作用，參與血小板聚集與附壁血栓形成，心房顫動患者血清Sema4D的高表達可能對血栓形成起到了促進作用。另外Sema4D可通過RhoGTP、R-Ras、NF-κB等信號通路，介導細胞增殖分化、炎性反應等[27]，這可能也對心房顫動起到了促進作用。Xiang等[28]研究了心房顫動患者的血清Sema4D水平，并探究了Sema4D水平與LAD的關聯(lián)；113例住院患者被分成陣發(fā)性心房顫動、非陣發(fā)性心房顫動及無心房顫動的陰性對照3組，并測定血清Sema4D和LAD水平。結果表明，陣發(fā)性、非陣發(fā)性心房顫動患者sSema4D水平顯著高于陰性對照組，非陣發(fā)性心房顫動sSema4D水平高于陣發(fā)性心房顫動，此外其血清水平還與LAD呈正相關，這說明Sema4D可能參與了心房顫動及心房重構的過程。大量研究表明，血清Sema4D水平的升高可反映炎性細胞的激活，而心房顫動患者血清Sema4D水平升高提示Sema4D可能成為炎性反應和心房顫動之間的橋梁，對其進一步研究可能發(fā)現(xiàn)心房顫動的新型分子機制。

2.3 Sema4D與心力衰竭 心力衰竭是各種心血管疾病發(fā)展的終末階段，涉及炎性反應、神經(jīng)激素失調(diào)、生物力學改變、心室重構等多種病理過程[29-30]。IL-2、IL-6、TNF-α、淋巴細胞、巨噬細胞、內(nèi)皮細胞等多種細胞和炎性因子參與其中，在發(fā)生炎性反應時，這些細胞表面的Sema4D分子可脫落并進入血液循環(huán)，參與內(nèi)皮、單核細胞之間的黏附、趨化等相互作用，并可調(diào)控炎性細胞IL-6、TNF-α的表達[31]。這表明Sema4D可能參與心力衰竭的病理過程。Willner等[32]的研究比較了心力衰竭患者與正常對照組血清Sema4D和NT-proBNP水平及這2種分子之間的相關性，并評估了心力衰竭患者急性加重期和緩解期的Sema4D水平變化情況。結果表明，相較于對照組，心力衰竭患者的血清Sema4D和NT-proBNP水平均顯著增高，但區(qū)別于NT-proBNP，Sema4D基線水平與血漿肌酐水平相關，而與左心室射血分數(shù)無關，且在患者臨床癥狀改善后，Sema4D水平可迅速下降。這提示相較于NT-proBNP，Sema4D具有快速反映病情緩解和腎功能狀況的優(yōu)勢，這為心力衰竭提供了一個可能的生物標志物。另一方面，Sema4D本身是一種具有生物活性的分子，表達于T細胞、單核細胞、血小板等細胞表面，并在激活后通過金屬蛋白酶的裂解進入血液，參與炎性反應、血管生成等生理過程，這些都是心力衰竭的重要病理機制，并可參與多種疾病的進展。在心力衰竭的發(fā)生過程中，升高的Sema4D水平是否又促進了心室重構、炎性反應等過程，對Sema4D或其受體的干預能否成為新的治療靶點，這些都是值得進行進一步研究的方向。在最近的一項臨床研究中[33]，研究者通過對154例臨床病例的觀測，探討了心力衰竭、心室重構與血清sSema4D水平的關系，通過對weber心功能分級、左心室舒張末期內(nèi)徑、左心房內(nèi)徑及血清sSema4D水平的測定，發(fā)現(xiàn)血清sSema4D水平與心功能和心室重構密切相關，低水平sSema4D是心室重構的重要保護性因素。這項研究也為深入研究sSema4D對于心力衰竭影響的信號機制、發(fā)現(xiàn)新藥物、探究新的心力衰竭的病理機制提供了臨床理論支持。

2.4 Sema4D與血管內(nèi)皮細胞功能障礙 內(nèi)皮細胞廣泛分布于血管壁，具有調(diào)節(jié)凝血反應、影響血管通透性、調(diào)節(jié)血管平滑肌收縮和舒張的功能。保持內(nèi)皮細胞的結構和功能正常，對維持血管內(nèi)的平衡和穩(wěn)態(tài)起著重要作用，其功能失調(diào)對動脈粥樣硬化、高血壓等心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展具有促進作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病視網(wǎng)膜微血管病變的小鼠模型中，轉錄因子IRF1可在低氧誘導下募集到Sema4D的啟動子區(qū)域，提高其轉錄水平。升高的血清Sema4D可結合內(nèi)皮細胞PlexinB1受體，并激活plexinB1-mDIA1/Src信號通路，使Src、FAK磷酸化，介導內(nèi)皮細胞的增殖和遷移，并促進血管內(nèi)皮鈣黏蛋白(VE-cadherin)的磷酸化，使血管的通透性增加[34]。在同樣的模型中，敲除plexinB1受體的小鼠，血管損傷后發(fā)生的血管新生和血管滲漏顯著降低，血管內(nèi)皮功能得到改善[35]。Chen等[36]研究發(fā)現(xiàn)，Sema4D水平和血管內(nèi)皮生長因子水平呈正相關，兩者具有協(xié)同促進內(nèi)皮細胞的增殖和遷移，增加血管通透性，抑制內(nèi)皮細胞的凋亡，從而促進新生血管的形成的作用。Sema4D對內(nèi)皮細胞生長、血管生成的促進作用可能與met、Rho/ROCK信號通路相關[37]。這些研究表明，Sema4D對內(nèi)皮細胞維持功能穩(wěn)定和生長修復具有調(diào)節(jié)作用，而目前對其在促進內(nèi)皮細胞增殖遷移和血管新生作用的研究多涉及腫瘤領域，在心血管方面Sema4D對內(nèi)皮細胞的影響則是值得進一步研究的問題。

通過總結以上基礎與臨床研究發(fā)現(xiàn)，Sema4D參與了眾多心血管系統(tǒng)疾病的病理進程，然而目前卻缺乏對其深入的完整的病理機制的研究，將目前Sema4D涉及心血管疾病的研究總結見表1。

表1 Sema4D在心血管疾病中的動物與臨床研究總結

3 總結與展望

綜上所述，Sema4D分子不僅是一個免疫調(diào)節(jié)分子，它也參與了許多心血管疾病的發(fā)生發(fā)展過程，并且具有促進炎性反應、細胞趨化、細胞增殖遷移的作用。大量研究表明，Sema4D在心血管發(fā)育和各種疾病中發(fā)揮了重要作用，盡管其在這些疾病中發(fā)揮作用的具體分子機制尚不明確，但Sema4D水平在這些疾病過程中的改變是確切的，進一步闡明其在心血管系統(tǒng)疾病中的信號機制，可能為腫瘤、動脈粥樣硬化、血管狹窄及其他相關疾病的促血管、抗血管治療提供新的機會。相信隨著研究的不斷深入，Sema4D在心血管疾病中的作用將被揭開，并有望為臨床治療相關心血管疾病提供新的治療靶點和生物標記。