Semaphorin 7A的結構、功能及其在呼吸系統疾病中的作用

張敏龍，王莉，陳向軍，金發光

Semaphorins由一系列進化上結構保守的糖蛋白組成，其特征性結構是由大約500個氨基酸構成的sema結構域[1-3]。sema結構域高度保守，表明該結構域是Semaphorins蛋白的關鍵信號元件。研究證實，僅包含sema結構域的截短的Semaphorins依然具有較為持久的生物學活性[1]。最初在禽類等脊椎動物中發現的Semaphorin蛋白—collapsin-1能夠誘導生長錐塌陷[4]，其哺乳動物的同源體—sema Ⅲ也被證實能夠促進某些感覺神經軸突亞型的生長[5]。其他幾種Semaphorin蛋白對于軸突生長、成束以及突觸的形成有促進作用[1]。另外一些Semaphorin家族蛋白表現出神經系統以外的功能，包括骨骼和心臟的形成、免疫功能調節、腫瘤抑制以及細胞耐藥性的誘導等[6-10]。

Semaphorin家族蛋白根據結構特點的不同分為8種亞型，其中Semaphorin 1、2表達于無脊椎動物，Semaphorin 8表達于病毒，另外5種蛋白表達于脊椎動物。表達于脊椎動物中的5種蛋白中，Semaphorin 4-6是跨膜蛋白，Semaphorin3是分泌性蛋白，Semaphorin 7與Semaphorin 3相似，但其通過磷脂酰肌醇(phosphatidyl inositol，PI)錨鏈在細胞膜上[11]。plexins 和neurophilins這兩個蛋白家族被認為是Semaphorin的主要受體。在這些Semaphorin蛋白中，作為一種糖基化磷脂酰肌醇(GPI)膜相關錨鏈蛋白，semaphorin 7A(SEMA 7A)依靠sema結構域中的整合素結合序列(精氨酸-甘氨酸-天門冬氨酸，RGD)發揮重要作用。

1 SEMA 7A的結構及其受體

SEMA 7A(CDw108)又被稱為John-Milton-Hagen(JMH)抗原，是一種分子量為80kD的GPI膜相關錨鏈糖蛋白。該蛋白是在研究脊椎動物與病毒Semaphorin同源體時被發現的。Yamada等[12]在研究SEMA 7A分子時證實其cDNA包含該基因的全部編碼序列，1998對堿基的cDNA開放閱讀框編碼666個氨基酸，其中包括由46個氨基酸組成的信號肽和19個氨基酸組成的GPI錨鏈基序(motif)。該蛋白非糖基化部分的分子量為68kD。RGD序列和5個潛在的N端糖基化位點都位于與細胞膜錨鏈的部位。SEMA 7A高表達于淋巴器官、成牙本質細胞、骨細胞、小鼠的神經系統、人類的上皮角蛋白細胞、成纖維細胞以及血管內皮細胞[13]。

SEMA 7A能夠與兩類不同的受體——整合素β1(β1-integrins)和Plexin C1結合。整合素是一種能夠連接細胞外基質和細胞骨架的跨膜異二聚體蛋白，在細胞的黏附及遷移中有重要作用。整合素的細胞內結構域與黏著斑蛋白、踝蛋白以及樁蛋白相耦聯形成黏著斑復合體。除此之外，整合素還與黏著斑激酶相耦聯，黏著斑激酶能夠通過磷酸化激活整合素。SEMA 7A與整合素β1相互作用可以誘導軸突延伸、細胞因子生成、神經元和單核細胞以及骨細胞的遷徙。Plexins是一種能夠連接分泌型或膜結合型Semaphorins的跨膜受體家族。該受體是在研究其同源體——輻散因子受體的細胞外結構域時發現的，其細胞內結構域的組成高度保守。Plexin信號通路的一些功能是通過與G蛋白耦聯實現的。Plexin還可抑制整合素及人肌動蛋白素的活化。研究證明，Plexin C1僅在某些細胞中作為SEMA 7A的受體，說明Plexin C1還有其他的配體。雖然在鼠類的樹突細胞中，Plexin C1信號能夠使人肌動蛋白素失活并抑制整合素，導致細胞黏附和遷移能力下降[13]，但目前對于Plexin C1下游信號通路仍知之甚少。

2 SEMA 7A的功能

SEMA 7A最主要的功能是誘導神經軸突生長以及調控炎癥免疫反應。此外，在腫瘤抑制、組織重塑等方面也有著重要作用[13-15]。

2.1 促進軸突生長及嗅覺通路的形成 Ohsawa等[16]研究發現，SEMA 7A在嗅束形成過程中發揮著重要作用。Apaf-1/caspase-9信號通路是嗅束形成的非凋亡過程中的關鍵通路。在Apaf-1?/?和caspase-9?/?的小鼠中，盡管嗅覺神經元數量沒有減少，但其成熟過程遭到了破壞，在嗅束軸突投射到嗅球的特定區域中，Apaf-1/caspase-9信號通路的喪失引起SEMA 7A的剪切，使結構域破壞，從而導致其失去原有功能。

SEMA 7A在性腺發育過程中也發揮重要作用。Messina等[17]通過對小鼠模型進行研究證實，SEMA 7A對于促性腺激素釋放激素-1(gonadotropin releasing hormone-1，GnRH-1)分泌性神經細胞的發育至關重要。SEMA 7A表達缺失會改變GnRH-1神經元的遷移，并導致成年鼠腦中這類神經元數量明顯減少及性腺體積和生育能力的降低。在GnRH-1神經元遷移的不同階段，細胞表面會分別表達SEMA 7A蛋白的受體整合素β1和Plexin C1。對Plexin C1(?/?)小鼠的分析表明，Plexin C1受體并沒有對GnRH-1神經元的遷移過程產生任何影響，但整合素β1受體的抑制卻破壞了SEMA 7A蛋白誘導的神經元遷移[17]。該結果表明，SEMA 7A對于GnRH-1神經元的誘導遷移是通過整合素β1受體發揮作用的。

SEMA 7A在牙髓復合體的神經支配形成、角膜神經再生以及脊髓損傷中也有重要作用。Maurin等[18]在研究人類牙齒的神經支配時，將三叉神經節細胞與COS細胞聯合培養，結果發現COS細胞過表達SEMA 7A蛋白能夠促進三叉神經纖維的生長，并且牙髓神經纖維表達SEMA 7A的受體整合素β1。Namavari等[19]在研究角膜神經再生和炎癥反應時發現，SEMA 7A在角膜中的表達是組成性的，能夠促進神經再生。另外，Kopp等[20]證實SEMA 7A在脊髓損傷后的瘢痕形成和成熟過程中有重要作用。

2.2 SEMA 7A對免疫炎癥反應的調節作用 在免疫系統中，SEMA 7A通過與整合素α1和β1相互作用，刺激巨噬細胞產生前炎癥因子。另外，牛痘病毒semaphorin A39R——一種與脊椎動物SEMA 7A結構相似的蛋白，通過與Plexin C1相互作用導致人類單核細胞的聚集和活化，促進IL-6和TNF-α等炎癥因子的產生[21]。Suzuki等[22]在研究SEMA 7A缺陷(SEMA 7A?/?)小鼠時發現，表達于活化的T細胞中的SEMA 7A通過與整合素α1和β1相互作用刺激單核細胞和巨噬細胞產生細胞因子，同時，SEMA 7A對于炎癥免疫反應的效應階段也有重要作用。在接觸性超敏反應和自身免疫性腦脊髓炎中，SEMA 7A缺陷小鼠細胞免疫介導的炎癥反應是不健全的。盡管在SEMA 7A缺陷小鼠中抗原特異性和產生細胞因子的效應T細胞能夠發育并遷移到抗原集中部位，但SEMA 7A缺陷小鼠的T細胞甚至在直接注射到抗原集中部位時都不能誘導接觸性超敏反應。因此，SEMA 7A是T細胞介導的炎癥反應中重要的效應分子。Gras等[23]研究發現，SEMA 7A的變異體SEMA 7A_R461C能夠明顯引起抗原非依賴性T細胞的激活，且當存在抗原時其對T細胞的激活有共刺激效應。在SEMA 7A_R461C的刺激下，CD4+T細胞大量增殖并通過粒酶B(granzyme B)的表達上調表現出明顯的細胞毒性，這種效應在缺乏抗原的情況下也很顯著。抗體抑制實驗證實，SEMA 7A_R461C誘導T細胞活化是整合素β1依賴性的。

SEMA 7A參與了腸道黏膜免疫系統的維持。Kang等[24]在研究腸道黏膜免疫穩態時發現，腸道上皮細胞產生的SEMA 7A可誘導巨噬細胞產生IL-10，從而調節腸道炎癥反應。重組的SEMA 7A蛋白會減輕腸道炎癥的嚴重程度，而這種效果可被IL-10的抗體阻斷。

此外，SEMA 7A在皮膚炎癥、病毒感染以及多種自身免疫性疾病中也扮演著重要角色。Kamata等[25]在研究皮膚炎癥中角質上皮細胞與單核細胞相互作用時發現，SEMA 7A與整合素β1相互作用并激活單核細胞，引起單核細胞產生IL-8等炎癥因子，加重皮膚炎癥。Sultana等[26]在研究西尼羅病毒(WNV)時發現，WNV感染會導致血液及組織中SEMA 7A表達增加，而在SEMA 7A缺陷或腹腔注射SEMA 7A抗體的鼠中，WNV感染的致死率明顯降低，SEMA 7A缺陷鼠感染WNV后的炎癥反應也明顯減輕。Eixarch等[27]研究證實SEMA 7A可促進多發性硬化等自身免疫性疾病的進展。

3 SEMA 7A與呼吸系統疾病

3.1 SEMA 7A在缺氧性肺損傷中的作用 免疫系統和神經系統之間存在雙向聯系，這種雙向聯系包括細胞因子誘導的神經反應以及神經遞質和神經軸突誘導的蛋白對免疫系統的調節作用。其中，某些神經誘導因子不僅提供使神經細胞停止生長的信號，還可提供使白細胞停止遷移的信號。

作為神經誘導因子的SEMA 7A能夠促進多形核中性粒細胞(polymorphonuclear leucocytes，PMNs)穿過內皮細胞層。Morote-Garcia等[28]在研究缺氧性肺損傷的過程中發現，SEMA 7A可誘導細胞外免疫細胞的遷移并促進前炎癥反應。該研究表明，在缺氧環境中人毛細血管內皮細胞(HMEC-1)SEMA 7A的表達隨時間延長而增高。進一步研究SEMA 7A與中性粒細胞跨膜遷移的關系發現，SEMA 7A可促進PMNs通過血管內皮細胞遷移，且這種效應的產生依賴于Plexin C1受體。免疫共沉淀實驗表明缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)具有與SEMA 7A相互作用的結構，而且即使在常氧環境下，過表達的HIF-1α也會誘導SEMA 7A的產生。在相關的動物實驗中，缺氧環境同樣會誘導肺組織中SEMA 7A的表達，而在缺氧環境下SEMA 7A缺陷小鼠(SEMA 7A?/?)肺組織中髓過氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)活性和中性粒細胞的數量都顯著下降，同時，伊文思藍法證實在缺氧環境下SEMA 7A?/?小鼠肺部血管通透性低于對照組。因此，SEMA 7A不僅能夠通過激活炎癥部位的單核和巨噬細胞引起炎癥反應，還可以誘導PMNs在炎癥部位累積，增強炎癥反應并增加血管通透性。

3.2 SEMA 7A在肺纖維化中的作用 SEMA 7A在TGF-β1誘導的肺纖維化和自身免疫性疾病如硬皮病導致的肺纖維化中發揮關鍵作用。

Reilkoff等[29]在研究肺纖維化過程中SEMA 7A與淋巴細胞的關系時發現，特發性肺間質纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)的患者肺組織CD4+細胞和血循環中CD4+或CD19+細胞中SEMA 7A表達增加。在進行性肺纖維化患者中，CD4+細胞和CD4+CD25+FoxP3+調節性T細胞中SEMA 7A表達上調，但在CD19+細胞中卻未見此變化。動物實驗表明，SEMA 7A在TGF-β1轉基因小鼠肺組織和脾臟CD4+T細胞中表達增加，但CD19+T細胞中未見此變化。表達SEMA 7A的骨髓來源的細胞能夠誘導肺纖維化，并能改變T細胞生成的炎癥因子如IFN-γ、IL-4、IL-17A和IL-10的水平，這些效應均為CD4依賴而非CD19依賴性的。與SEMA 7A–CD4+CD25+FoxP3+細胞相比，SEMA 7A+CD4+CD25+FoxP3+細胞中某些調節基因如IL-10的表達下降，在TGF-β1干預的小鼠肺臟中，這些改變會引起纖維化和組織重塑。因此，SEMA 7A+CD4+CD25+FoxP3+調節性T細胞與肺間質纖維化患者病情進展有關，且能夠誘導TGF-β1干預小鼠的肺纖維化。

Gan等[30]在研究TGF-β1轉基因鼠時發現，移植帶有SEMA 7A的骨髓細胞可促進肺纖維化的形成，而抑制β1整合素可減少肺纖維化的產生。對硬皮病誘導的肺纖維化患者外周血單核細胞進行分析表明，SEMA 7A的mRNA及其受體表達增加，且外周血中產生膠原的成纖維細胞以及CD19+淋巴細胞增多。用重組的SEMA 7A刺激正常人外周單核細胞可促進纖維細胞的分化，且這種效應可被整合素β1抑制。這些結果表明，減少SEMA 7A的表達或者阻斷SEMA 7A與整合素β1的相互作用可減輕TGF-β1誘導的肺纖維化。

4 結 語

SEMA 7A是一種GPI錨鏈的膜相關糖蛋白，在多個系統中發揮重要作用。由于該蛋白還具有誘導中性粒細胞遷移以及在炎癥部位累積、增加血管通透性、促進炎癥介質產生、引起纖維化和組織重塑等作用，與呼吸系統疾病密切相關，從而為一些呼吸系統疾病如急性肺損傷、肺纖維化等的治療提供了新的方向。但SEMA 7A在呼吸系統疾病中的具體作用機制和信號通路還有待進一步探討。

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