TGF-β/Smads信號通路在慢性阻塞性肺疾病氣道炎癥中的研究進展

江山，楊小瓊

(瀘州醫學院附屬醫院呼吸內一科，四川瀘州646000)

TGF-β/Smads信號通路在慢性阻塞性肺疾病氣道炎癥中的研究進展

江山，楊小瓊

(瀘州醫學院附屬醫院呼吸內一科，四川瀘州646000)

TGF-β/Smads信號通路包括轉化生長因子β(TGFβs)超家族以及Smads超家族，通過TGF-β/Smads途徑和非Samd途徑共同擔負著調節細胞生長、分化、凋亡等過程，在慢性阻塞性肺疾病的發生發展過程中起著重要的作用。本文對TGF-β、Smads以及TGF-β/Smads途徑及作用機制進行綜述。

TGF-βs；Smad蛋白；炎癥；慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是以氣流受限不完全可逆為特征的疾病，并呈進行性發展，其發病率高，引起生活質量下降、勞動力喪失、最終導致死亡[1]，但是目前尚缺乏有效的干預手段。COPD不完全可逆氣流受限的改變與氣道炎癥關系密切[2-3]，氣道慢性炎癥導致氣道重構是氣流受限的病理基礎[4]。轉化生長因子β(Transforming growth factor-β，TGF-β)/Smads通路為一種多功能信號通路，其與不同的靶基因結合發揮著不同的功能，其中其對平滑肌細胞、成纖維細胞、炎癥介質以及細胞外基質等的調控作用與氣道重塑的發生發展密切相關，通路中任何一個組成或相關調節因子異常均可導致信號轉導異常，導致一系列氣道重塑相關病理反應[5]。TGF-β/Smads在COPD氣道炎癥、損傷及修復等方面關系密切，其主要成員包括TGF-β超家族中的TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，以及Smads蛋白家族中的Smad2、Smad3、Smad4等。現就此通路及其在COPD慢性炎癥氣道重塑過程中的作用及相關機制綜述如下：

1 TGF-β家族

TGF-β超家族除TGF-β外，還有活化素(Activins)、抑制素(Inhibins)、骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins，BMPs)和繆勒氏管抑制質(Mullerian inhibitor substance，MIS)[6-7]。TGF-β是一類具有多種生物學功能的多肽類細胞因子，包括TGF-β同源二聚體、潛伏相關蛋白(Latency-associated protein，LAP)與潛伏TGF-β結合蛋白(Latent TGF-β binding protein，LTBP)。機體多種細胞可以分泌TGF-β，以自分泌或旁分泌的方式通過細胞表面的受體信號轉導途徑調節細胞的增殖、分化、凋亡，對細胞外基質的合成、創傷的修復、免疫功能等有重要的調節作用。成熟的TGF-β通過二硫鍵連接而成的同質二聚體。TGF-β在哺乳動物中有三種同分異構體，包括：TGF-β1、TGF-β2、TGF-。

1.1 TGF-β1TGF-β1存在于所有的哺乳動物中，上皮細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞、單核、巨噬細胞等細胞都能夠合成并釋放TGF-β1。TGF-β1被認為是重要的致纖維化因子，一方面可促進細胞組織修復，但同時也能促進纖維化的發生。它也是目前為止發現的最強的細胞外基質沉積的促進劑。TGF-β1產生后在組織中與潛伏相關蛋白和潛伏TGF-β結合蛋白相結合而沒有活性。整合素、氧自由基、炎癥因子或蛋白酶等可脫去LAP而活化，釋放有活性的TGF-β1，進而與其受體結合發揮生物學效應。TGF-β1通過TGF-β/Smad通路調節細胞的增殖、分化、生長、遷移以及細胞凋亡等過程。TGF-β1在機體的免疫過程中，能夠調節多種免疫細胞的增殖、分化及免疫應答等。

1.2 TGF-β2TGF-β2在正常以及間質化細胞中都有表達，如巨噬細胞、T細胞、腎小球旁器、血小板等。它是調節細胞功能的重要細胞因子，它參與和調節細胞的增殖、分化、凋亡、移行等過程中的組織修復、蛋白合成等多個病理及生理過程。TGF-β2同樣可以促進細胞增生，但對細胞的調節分化具有雙向作用，其取決于所作用細胞的類型、分化狀態以及環境中存在的其他細胞因子。

1.3 TGF-β3TGF-β3表達于肺泡上皮細胞、巨噬細胞，肺血管和支氣管平滑肌細胞[9]。TGF-β3的作用及機制現在還不是十分清楚。研究表明氣道重塑涉及TGF-β1或者TGF-β2，而不是TGF-；但另有研究顯示在小鼠氣道炎癥增加TGF-β3表達，但不改變TGF-β1或TGF-β2的基因[11]。Li等[12]研究顯示TGF-β3/ Smad2/3通路在氣道重塑中起著重要作用。

1.4 TGF-β受體幾乎所有的組織細胞都有TGF-β受體。目前已知的受體分三型，分別為：Ⅰ型( TβR-Ⅰ)、Ⅱ型(TβR-Ⅱ)、Ⅲ型(TβR-Ⅲ)其中，Ⅰ型和Ⅱ型受體參與信號的轉導，屬于絲/蘇氨酸激酶受體家族，由胞外區、跨膜區及含絲蘇氨酸激酶結構的胞內區3個部分組成[13]；Ⅲ型受體不直接參與信號轉導。Ⅰ型受體可以激活Smads，但不能與TGF-β直接結合；Ⅱ型受體可以與TGF-β結合，但不能激活Smads。TGF-β與Ⅱ型受體結合導致Ⅱ型受體被活化，活化的Ⅱ型受體募集并結合Ⅰ型受體，形成Ⅱ型受體-配體-Ⅰ型受體的異源三聚體[14]，使其GS區被磷酸化活化的Ⅱ型受體使Smad蛋白磷酸化，從而將信號轉導至細胞內。

2 Smads家族

Smads蛋白參與TGF-β細胞內信號傳導，它是TGF-β受體作用的直接底物，是將配體與受體作用的信號由胞漿傳導至細胞核的中介分子，TGF-β作為配體形成的受體復合物，激活Smads進入核內，共同激活或者抑制他們調節的靶基因的轉錄。目前有9種Smads，按其結構和功能不同可分為3類：受體調節性Smads、共同通路型Smads和抑制性Smads。在各種類型的Smads中Smad2、smad3、Smad4、smad7為參與TGF-β信號傳導的Smad蛋白[15]。

2.1 受體調節性Smads(R-Smads)R-Smads它能被Ⅰ型受體激活并與受體形成復合物，又分為兩類，一類為由激活素TGF-β激活的AR-Smads，包括Smad 2、Smad 3，另一類是由BMP等激活的BR-Smads，包括Smad l、Smad 5、Smad 8和Smad 9。R-Smad蛋白包括N端的MH1區、C端的MH2區及兩者之間的連接區(Linker)。其中N端還有核酸定位樣序列(NLS)基序；C端具有絲氨酸基序(SSXS)。未活化的受體調節型Smad蛋白的MH1區及MH2區相互抑制，不能發揮生物學效應。經活化后的R-Smad蛋白其MH1區的核酸定位樣序列使Smad蛋白向細胞核轉移，并與相應的靶基因結合；而MH2區的SSXS被磷酸化后，可解除MH1區和MH2區的相互抑制；可以與其他的Smad蛋白、DNA結合蛋白、協同轉錄活化因子結合，具有轉錄活化作用。

2.2 共同通路型Smads(Co-Smads)Co-Smads包括Smad4，是TGF-β家族各類信號傳導過程中共同需要的介質。Co-Smads目前在脊髓動物中只有Smad4屬于Co-Smad。其結構與R-Smad基本相似，但缺乏絲氨酸基序。Co-Smad不能與受體結合，也不能被磷酸化，但是能穩定Smad低聚體的結構，使Smad復合物保持有效的轉錄活性。

2.3 抑制型Smad蛋白(I-smad)I-Smads包括Smad 6和Smad 7，I-smads與R-smads結構相似，可更為有效地結合Ⅰ型受體，從而阻止R-smads與Ⅰ型受體結合，抑制或調節TGF-β家族的信號轉導阻止受體對R-smads的磷酸化，從而阻斷信號傳導。

3 TGF-β/Smads通路在慢性阻塞性肺疾病慢性炎癥氣道重塑中的作用及機制

氣道重塑主要表現為：上皮損傷、基底膜增厚、杯狀細胞化生、新生血管以及細胞外基質成分的改變，而氣道炎癥是氣道重塑的主要病理基礎[16-17]。在生理狀態下，單核細胞、巨噬細胞、淋巴細胞等浸潤細胞正常產生釋放TGF-β[18]。當相應細胞受到感染炎癥、煙霧等刺激時，單核細胞、巨噬細胞、淋巴細胞等大量產生和釋放TGF-β導致TGF-β/Smads通路被反復活化，炎癥因子誘導細胞內的鈣離子增加，促進TNF-α、IL-8等炎癥因子釋放增加[19-20]，使中性粒細胞趨化聚集于氣道，并大量釋放中性粒細胞彈性蛋白酶使氣道平滑肌細胞活化TGF-β表達增加此通路活化，成纖維細胞活化、增殖并轉化成肌成纖維細胞聚集[21]，而前因子、趨化因子的生成和釋放又促進TGF-β/Smads通路活化，形成正反饋，加強炎癥反應。同時TGF-β/Smads信號通路可調控ECM的代謝。此調控分為直接和間接調控兩方面。直接調控促進膠原等細胞外基質的分泌同時抑制降解細胞外基質的酶類的合成，使多種細胞外基質沉積于氣道壁，導致氣道重塑。而間接調控主要是通過基質金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinases，MMPs)/組織基質金屬蛋白酶抑制物(Tissue inhibitor of matrix metalloproteinase，TIMPs)途徑實現的。生理情況下，MMPs可以促進細胞外基質的降解、促進細胞遷移、參與調節細胞因子、趨化、生長因子的表達；在炎癥或煙霧的刺激下，MMPs生成與活化可導致過度的炎癥級聯反應及異常的組織破壞。TIMPs作為其特異性抑制劑能抑制MMPs活性，其過度表達可導致氣道壁上ECM過度沉積，而導致氣道重塑[22]。

4 結語

TGF-β/Smad信號通路在慢性阻塞性肺疾病的發生發展中起著重要作用。TGF-β在哺乳動物內有三種同分異構體TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，其中TGF-β1在COPD發病過程中起著非常重要的作用[23]，而TGF-β2/3在COPD發病過程中的具體作用及機制尚未研究清楚。TGF-β由多種細胞合成，通過與Ⅱ型受體結合活化并與Ⅰ型受體形成受體-配體-Ⅰ型受體的異源三聚體，使Smad蛋白磷酸化將信號轉導至細胞內。在胞核中，TGF-β/Smads通路調控各種炎癥細胞的增殖、分化、凋亡、遷移、粘附以細胞外基質的產生和組織修復等一系列過程促使炎癥因子釋放增加，TGF-β/Smads通路活化，通過正反饋級聯放大炎癥反應，直接和間接使細胞外基質代謝失衡、平滑肌細胞、成纖維細胞增殖增加導致氣道炎癥損傷與修復、氣道正常結構破壞從而使氣道重塑[24-25]。目前，對于TGF-β/Smads通路在COPD的動態變化中的及時作用是我們需要進一步研究的關鍵點，試圖找到合適的藥物或者干預措施通過影響此通路來抑制COPD的進展是以后研究的熱點方向。TGF-β2/3在COPD的發生發展以及具體機制也需要進一步的研究。

參考資料：

[1]中華醫學會呼吸病分會慢性阻塞性肺疾病學組.慢性阻塞性肺疾病診治指南(2013年修訂版)[J].中華結核和呼吸雜志,2013, 36(4):255-264.

[2]Vestbo J,Hurd SS,Agustí AG,et a1.Global strategy for the diagnosis,management,and prevention of chronic obstructive pulmonary disease:GOLD executive summary[J].Am J Respir Crit Care Med, 2013,187(4):347-365.

[3]夏杰,謝俊剛,徐永健.慢性阻塞性肺疾病發病機制的研究進展[J].國際呼吸雜志,2014,34(1):53-57.

[4]Tuder RM,Petrache I.Pathogenesis of the chronic obstructive pulmonary disease[J].J Clin Invest,2012,122(8):2749-2755.

[5]胡蓉,黃俊云,陳曉紅,等.慢性阻塞性肺疾病患者血清轉化生長因子β1的水平及意義[J].中華老年學雜志,2009,29(12): 1568-1569.

[6]Javelaud D,Mauviel A.Transforming growth factor-betas:Smad signaling and roles in physiopathology[J].Pathol Biol(Paris), 2004,52:50-54.

[7]ten Dijke P,Hill CS.New insights into TGF_beta—smad signaling [J].Trends Biochem Sci,2004,29:265-273.

[8]Xu P,Liu J,Derynck R.Post-translational regulation of TGF-β receptor and Smad signaling[J].FEBS let,2012,586(14):1871-1884.

[9]Kubiczkova L,Sedlarikova L,Hajek R,et al.TGF-β—an excellent servant but a bad master[J].Journal of Translational Medicine, 2012,10(1):1-24.

[10]Wójcik K,Koczurkiewicz P,Michalik M,et al.Transforminggrowth factor-beta-induced expression of connective tissue growth factor is enhanced in bronchial fibroblasts derived from asthmatic patients [J].PolArch Med Wewn,2012,122:326-332.

[11]Kariyawasam HH,Pegorier S,Barkans J,et al.Activin and transforminggrowth factor-beta signaling pathways are activated after allergen challenge in mild asthma[J].J Allergy Clin Immunol,2009, 124:454-462.

[12]Li GP,Fox JIII,Liu ZG,et al.Lyn mitigates airway remodeling by downregulating the TGF-β3isoform in house dust mite models[J]. Journal of Immunology,2013,191:5359-5370.

[13]辛宇鵬,袁光亞,盧一平.β轉化生長因子/Smad信號通路與慢性移植腎腎病[J/CD].中華移植雜志(電子版),2009,3:65-69.

[14]張畢,林斌,盧志有.TGF-β/Smads信號通路與脊髓損傷后膠質瘢痕形成研究進展[J].中華神經外科疾病研究雜志,2013,12 (3):277-280.

[15]O'Connor JC,Farach-Carson MC,Schneider CJ,et al.Coculture with prostate cancer cells alters endoglin expression and attenuates transforming growth factor-beta signaling in reactive bone marrow stromal cells[J].Mol Cancer Res,2007,5(6):585-603.

[16]Hogg JC,Macdonough JE,Gosselink JV,et al.What drives the peripheral lung-remodeling process in chronic obstructive pulmonary disease?[J].ProcAm Thorac Soc,2009,6(8):668-672.

[17]Mauad T,Bel E H,Sterk P J,et al.Asthma therapy and airway remodeling[J].JAllergy Clin Immunol,2007,120(5):997-1009

[18]Shi Y,Gochuico BR,Yu G,et al.Syndecan-2 exerts antifibrotic effects by promoting caveolin-1-mediated transforming growth factor-β receptor I internalization and inhibiting transforming growth factor-β1signaling[J].Am J Respir Crit Care Med,2013,188(7): 831-841.

[19]Kersul AL,klesias A,Rios A,et a1.Molecular mechanisms of inflammation during exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease[J].Arch Bronconeumol,2011,47:176-183.

[20]Brown V,Elborn JS,Bradley J,et a1.Dysregulated apoptosis and NFkappaB expression in COPD subjects[J].Respir Res,2009,10: 24.

[21]John AE,Luckett JC,Tatler AL,et al.Preclinical SPECT/CT imaging of αvβ6 integrins for molecular stratification of idiopathic pulmonaryfibrosis[J].J Nucl Med,2013,54(12):2146-2152.

[22]Asano K,Shikama Y,Shoji N,et a1.Tiotropium bromide inhibits TGF-β-induced MMP production from lung fibroblasts by interfering with Smad and MAPK pathways in vitro[J].Int J Chron Obstruct Pulmon Dis,2010,5:277-286.

[23]崔世超,于文成,劉嫻嫻,等.氣道平滑肌細胞TGF-β1表達與氣道重塑關系[J].青島大學醫學院學報,2012,48(1):57-59.

[24]Ikushima H,Miyazono K.TGFbeta signalling:a complex web in cancer progression[J].Nat Rev Cancer,2010,10:415-424.

[25]Baarsma HA,spanjer AI,Haitsma G,et a1.Activation of WNT/ B-catenin signaling in pulmonary fibroblasts by TGF-β1is increased in chronic obstructive pulmonary disease[J].PLoS One, 2011,6:e25450.

R563

A

1003—6350（2014）20—3039—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.20.1192

2014-04-23)

楊小瓊。E-mail：626140324@qq.com