CXCL12-CXCR4/CXCR7信號軸相關疾病研究進展

牛坤汀，莫碧文，王志霞，韋江紅，黃劍偉，饒立宗，呂欣

(1 桂林醫學院，廣西桂林 541004;2 桂林醫學院附屬醫院)

CXCL12又稱基質細胞衍生因子-1(SDF-1)，屬于趨化因子蛋白家族。CXCR4、CXCR7是 CXCL12的受體，CXCL12-CXCR4/CXCR7在多種細胞和組織中廣泛表達，對免疫系統、循環系統及中樞神經系統發育起重要作用。在胚胎發育期，CXCL12-CXCR4/CXCR7通過調節祖細胞遷移，參與造血、神經和內皮組織及上皮細胞的生長和歸巢;成年后，CXCL12-CXCR4/CXCR7在干細胞和免疫細胞運輸中起重要作用。CXCL12-CXCR4/CXCR7信號軸相關疾病較多，CXCL12-CXCR4/CXCR7結構及相互作用是其發揮病理生理功能的基礎。現就CXCL12-CXCR4/CXCR7信號軸相關疾病的研究進展作一綜述。

1 CXCL12-CXCR4/CXCR7信號軸的結構、功能

CXCL12以單體形式存在，其二聚體活性最強。N端的特定氨基酸殘基是決定衍生肽與CXCR4結合活性的關鍵因子，衍生肽與CXCR4的相互作用界面有顯著立體化學彈性。N端功能區是CXCL12與CXCR4相互作用的主要結構基礎，C端維持CXCL12的構象和生物活性，CXCL12β鏈選擇性與蛋白聚糖(GAG)作用，調節其生物活性。C末端環化的CXCL12小分子類似物對CXCR4的親和力和激活能力顯著增強。CXCL12與CXCR4的N端結合，在CXCR4第二胞外環(ECL2)相互作用下啟動下游信號通路［1］，需要CXCR4第二胞內環(ICL2)上的DRY功能域激活 CXCR4，還需細胞內環3(ICL3)參與信號激活;而 CXCL12需ICL2、ICL3及C末端的參與，通過激活各種信號通路來調控細胞的運動、趨化、黏附和分泌功能。CXCR7起初稱為狗受體基因1(RDC1)，能顯著提高細胞增殖和黏附能力。CXCL12是CXCR4的特定配體，而 CXCL11同時與CXCR7結合。CXCR7與系統發育密切相關，但無耦合G蛋白，亦無誘導典型趨化因子受體介導的細胞應答。CXCR7可清除CXCL12，表明該受體在發育和腫瘤形成中可調節CXCR4的活性。CXCR7的清除活性可能使造血細胞在骨髓和淋巴器官的遷移中起重要作用。

2 CXCL12-CXCR4/CXCR7信號軸相關疾病

2.1 AIDS AIDS由感染艾滋病病毒(HIV)引起。長期以來CD4被認為是HIV-1受體，HIV-1被膜蛋白與CD4的相互作用結合于細胞表面，但這不足以啟動病毒與細胞膜融合，亦不能建立有效感染。研究發現，CXCR4與HIV-1被膜糖蛋白gp120結合，導致病毒進入宿主細胞;抑制或阻斷HIV-1被膜和趨化因子共受體的相互作用，下調CXCR4表達，能抑制HIV-1進入、復制及感染。CD+4T淋巴樣干細胞被HIV-1感染后，細胞表面的CXCR4表達顯著減少，且集中于細胞內，細胞表面不表達CXCR4。CXCR4的細胞內攝作用可能在阻止HIV-1感染過程中起關鍵作用。Chevigne等［2］研究發現，ECL2-X4強烈并特異性地作用于CXCL12，阻斷其結合 CXCR4和 CXCR7。CXCR4的ECL2形成可與gp120蛋白和CXCL12N末端結合的多個位點，為解釋識別gp120和CXCR4的二聚體配體提供了新的結構元件。

2.2 腫瘤 腫瘤干細胞(TSC)可引起原位癌，亦可轉移種植至機體其他部位形成轉移癌。CXCR4是TSC和正常干細胞表面最常表達的趨化因子受體。CXCR4-SDF-1軸可指示TSC沿著CXCL12濃度梯度遷移，并向遠處轉移至SDF-1高表達區域(淋巴結、肺、肝、骨髓等)。SDF-1可在多種腫瘤組織中表達，發揮類似自分泌作用而促進腫瘤生長，同時還可促進腫瘤血管生成以進一步促進腫瘤生長。CXCR4是白血病、乳腺癌患者的預后評價標志物。CXCL12-CXCR4信號軸能促進腫瘤細胞的生長和轉移，在惡性TSC的發病中起關鍵性作用;但并不是所有表達CXCR4腫瘤細胞的CXCR4均是功能性的，只有高侵襲性的細胞株才表現出其特性。CXCL12-CXCR4/CXCR7對腫瘤細胞的生長增殖作用依賴于不同的細胞系。

2.2.1 乳腺癌 人乳腺癌細胞系高表達CXCR4及CXCR7，乳腺癌原發灶及常見轉移部位(淋巴結、肺、肝臟等)高表達配體 CXCL12和 CCL21。Ferrari等［3］發現，SDF-1可刺激乳腺癌細胞CXCR4表達，顯著增強乳腺癌細胞的增殖效應，阻斷CXCR4后該效應減弱。趨化因子及受體的同步高表達在決定乳腺癌器官特異性轉移部位上起關鍵作用。

2.2.2 前列腺癌 在前列腺癌組織中，CXCR4/SDF-1α介導活性氧(ROS)產生 NADPH氧化酶(NOX)，最近研究［4］證實磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/AKT信號傳導參與了CXCR4/SDF-1α介導產生NOX的過程。SDF-1/CXCR4通過激活PI3K/AKT從而活化下游的NF-κB引起基質金屬蛋白酶(MMP)-9分泌增多，促進前列腺癌細胞的轉移、侵襲和生長。信號傳導與趨化因子參與腫瘤進展，并將成為新的治療靶標。前列腺癌動物模型實驗結果顯示，CXCR4抑制劑CTCE-9908可抗腫瘤轉移，機制可能是抑制血管生成，因此其可能成為新型試劑來防治轉移性前列腺癌［5］。MIR-494-3p/CXCR4途徑可能是前列腺癌進展和轉移潛在的治療靶標［6］。

2.2.3 肺癌 小細胞肺癌是有高度骨髓轉移傾向的腫瘤，其細胞表達高水平的CXCR4，激活的CXCR4可誘導癌細胞遷移和侵襲，黏附骨髓基質細胞。非小細胞肺癌細胞亦表達CXCR4，CXCR4表達水平的差異與轉移性潛能相關，其從原發癌到轉移癌的生長可能取決于CXCR4水平。高表達CXCR7與臨床病理分型為Ⅰ型的非小細胞肺癌早期復發、轉移有關［7］。

2.2.4 胃癌 腫瘤相關成纖維細胞(CAF)在胃癌細胞增殖、侵襲和纖維化中發揮重要作用。CAF來源于骨髓，可能通過CXCL12/CXCR4系統的微環境遷移到胃癌組織，增強腫瘤細胞增殖能力。多巴胺和環磷酸腺苷調節的磷蛋白(DARPP-32)在2/3的胃癌組織中過度表達，CXCR4小分子拮抗劑AMD3100和CXCR4-siRNA阻斷DARPP-32誘導的細胞浸潤，DARPP-32介導的侵入活動可能涉及CXCR4依賴性激活的信號通路MT1-MMP/MMP-2［8］。CXCL12-CXCR4途徑將成為胃癌治療中一種新型的抗血管生成及用于腹膜轉移治療的靶標。研究顯示，CXCR4/CXCL12軸電位可作為胃癌治療的新靶標［9］。CXCR4能輔助預測患者預后，指導臨床診斷與治療［10］。

2.2.4 卵巢癌 SDF-1/CXCR4介導造血干細胞增殖、遷移，與 PI3K相關信號通路有關。NF-κB是PI3K信號通路中重要的下游信號分子，在卵巢癌細胞中SDF-1/CXCR4可激活NF-κB，從而促進腫瘤細胞的侵襲和遷移;而應用NF-κB特異性抑制劑可抑制CXCR4的表達和癌細胞的遷移。

2.2.5 急性白血病 CXCR4和SDF-1是白血病和骨髓微環境間的重要參與者。CXCR4拮抗劑被證明能抑制急性骨髓性白血病(AML)細胞的存活和集落形成的潛力和廢除基質細胞在AML細胞化療誘導細胞凋亡的保護作用［11］。白血病干細胞(LSCs)和CXCR4、SDF-1與骨髓微環境的相互作用是急性白血病復發的主要誘因。除具有趨化和黏附功能，SDF-1亦是一種多效細胞因子，可調節白血病細胞的增殖及分化程序。CXCR4是AML一個獨立的預測預后、疾病復發和生存的表達標志物［12］。CXCR4拮抗劑可破壞黏合劑腫瘤—基質相互作用，從基質微環境動員白血病細胞，使其更容易用常規藥物治療［13］。CXCR4拮抗劑4F苯甲酰TN14003可抑制白血病和多發性骨髓瘤的生長［14］。研究［15］表明，阻斷CXCR4是急性白血病的新型治療方法。

2.2.6 膠質母細胞瘤(GBM)GBM是最常見的原發性惡性腦腫瘤。CXCR4參與膠質瘤干細胞(GSCS)生長、侵襲、血管生成和轉移，CXCL12與CXCR4、CXCR7結合，有助于諸多下游信號傳導途徑的活化，并促進各種惡性腫瘤細胞的侵襲，包括GBM 細胞［16］。SDF-1/CXCR4 軸通過 PI3K/AKt信號通路介導GSCS血管生成和血管內皮生長因子(VEGF)的分泌。CXCR4可作為GBM的預后因子，CXCR4陽性的GBM患者術后預后較差［17，18］。阻斷CXCR4/CXCL12或CXCR7/CXCL12的交互作用或抑制下游信號的活動可能成為GBM治療的新靶點。若能靶向釋放又可避免對正常組織產生的不良反應，最終達到抑制轉移和殺死GBM細胞的雙重效應，將成為治療GBM的有效途徑。

2.3 WHIM綜合征 WHIM綜合征是由于編碼CXCR4的常染色體顯性基因發生變異，導致CXCR4羧基末端被截斷而引起罕見的先天性免疫缺陷病。其特征性表現為疣、低丙種球蛋白血癥、復發細菌感染和先天性骨髓粒細胞缺乏癥，是目前惟一與趨化因子受體變異有關的免疫性疾病。WHIM綜合征的發病主要與CXCL12與CXCR4結合后所引發的激活信號及隨后的抑制信號間的平衡失調有關，信號通路異常活化，導致趨化、F肌動蛋白及鈣流等生物學行為增強。

2.4 哮喘 哮喘是涉及活化的骨髓動員和肺祖細胞歸巢的全身性反應，通過祖細胞趨化因子SDF-1介導。造血祖細胞對SDF-1α增強CXCR4的遷徙反應主要通過IL-4和IL-13的參與實現。在早期氣道重塑中，CXCL12可通過防止內皮祖細胞(EPC)遷移至肺部來抑制氣道血管生成。SDF-1主要在支氣管黏膜的上皮細胞胞質中表達，在哮喘小鼠肺組織中高表達，且與氣道炎癥密切相關［19］。CXCL12在體內通過與CXCR4結合可導致多種炎性細胞募集、炎性介質的產生及血管形成，從而在支氣管哮喘發病中發揮重要作用。實驗證實，CXCR4拮抗劑AMD3100抑制SDF-1的介導作用，減弱過敏原引起的肺歸巢的EPC，使氣管嗜酸性粒細胞明顯減少，減輕了氣道炎癥及高反應［20］。以SDF-1為靶點抑制CXCL12表達及基于干細胞的免疫治療將成為有效治療哮喘的新方法［21］。CXCL12-CXCR4/CXCR7具有廣泛的生物學作用，特別是在造血干細胞的動員與歸巢、HIV感染、腫瘤的轉移與生長等方面，已成為國內外研究的熱點。隨著對CXCL12-CXCR4/CXCR7結構、功能、信號轉導及抑制劑研究的不斷深入，通過在不同水平對其表達進行調節，為抗HIV感染、抗腫瘤治療等提供新的手段和策略。

［1］Chen G，Wang W，Meng S，et al.CXC chemokine CXCL12 and its receptor CXCR4 in tree shrews(Tupaia belangeri):structure，expression and function［J］.PLoS One，2014，9(5):e98231.

［2］Chevigne A，Fievez V，Szpakowska M，et al.MicroRNA-494-3p targets CXCR4 to suppress the proliferation，invasion，and migration of prostate cancer［J］.Prostate，2014，74(7):756-767.

［3］Ferrari A，Petterino C，Ratto A，et al.CXCR4 expression in feline mammary carcinoma cells:evidence of a proliferative role of the SDF-1/CXCR4 axis［J］.BMC Vet Res，2012，(8):27.

［4］Ellem SJ，Taylor RA，Furic L，et al.A protumourigenic loop at the human prostate tumour interface orchestrated by oestrogen，CXCL12 and mast cell recruitment［J］.Pathol，2014，234(1):86-98.

［5］Wong D，Kandagatla P，Korz W，et al.Targeting CXCR4 with CTCE-9908 inhibits prostate tumor metastasis［J］.BMC Urol，2014，28(14):12.

［6］Shen PF，Chen XQ，Liao YC，et al.MicroRNA-494-3p targets CXCR4 to suppress the proliferation，invasion，and migration of prostate cancer［J］.Prostate，2014，74(7):756-767.

［7］Iwakiri S，Mino N，Takahashi T，et al.Higher expression of chemokine receptor CXCR7 is linked to early and metastatic recurrence in pathological stage Ⅰ nonsmall cell lung cancer［J］.Cancer，2009，115(11):2580-2593.

［8］Zhu S，Hong J，Tripathi MK，et al.Regulation of CXCR4-mediated invasion by DARPP-32 in gastric cancer cells［J］.Mol Cancer Res，2013，11(1):86-94.

［9］Lee HJ，Jo DY.The role of the CXCR4/CXCL12 axis and its clinical implications in gastric cancer［J］.Histol Histopathol，2012，27(9):1155-1161.

［10］Han M，Lv S，Zhang Y.The prognosis and clinicopathology of CXCR4 in gastric cancer patients:a meta-analysis［J］.Tumour Biol，2014，35(5):4589-4597.

［11］Peled A，Tavor S.Role of CXCR4 in the pathogenesis of acute myeloid leukemia［J］.Theranostics，2013，3(1):34-39.

［12］Spoo AC，Lubbert M，Wierda WG，et al.CXCR4 is a prognostic marker in acute myelogenous leukemia［J］.Blood，2007，109(2):786-791.

［13］Burger JA，Peled A.CXCR4 antagonists:targeting the microenvironment in leukemia and other cancers［J］.Leukemia，2009，23(1):43-52.

［14］Beider K，Begin M，Abraham M.CXCR4 antagonist 4F-benzoyl-TN14003 inhibits leukemia and multiple myeloma tumor growth［J］.Exp Hematol，2011，39(3):282-292.

［15］Tavor S，Petit I.Can inhibition of the SDF-1/CXCR4 axis eradicate acute leukemia［J］.Semin Cancer Biol，2010，20(3):178-185.

［16］Zhang S，Li J，Xu X，et al.CXCL12-induced upregulation of FOXM1 expression promotes human glioblastoma cell invasion［J］.Biochem Biophys Res Commun，2014，447(1):1-6.

［17］Uemae Y，Ishikawa E，Osuka S，et al.CXCL12 secreted from glioma stem cells regulates their proliferation［J］.Neurooncol，2014，117(1):43-51.

［18］Gagliardi F，Narayanan A，Reni M，et al.The role of CXCR4 in highly malignant human gliomas biology:current knowledge and future directions［J］.Glia，2014，62(7):1015-1023.

［19］郭光云，高素珍，陳功，等.哮喘小鼠肺組織中基質細胞衍生因子1的表達及布地奈德霧化液的干預作用［J］.中國呼吸與危重監護雜志，2012，11(4):349-352.

［20］Sivapalan N，Wattie J，Inman MD，et al.Lung-homing of endothelial progenitor cells and airway vascularization is only partially dependant on eosinophils in a house dust mite-exposed mouse model of allergic asthma［J］.PLoS One，2014，9(10):e109991.

［21］Ou-Yang HF，Huang Y，Hu XB，et al.Suppression of allergic airway inflammation in a mouse model of asthma by exogenous mesenchymal stem cells［J］.Exp Biol Med(Maywood)，2011，236(12):1461-1467.