小膠質(zhì)細(xì)胞及其相關(guān)炎性信號通路①

凌真真 張雪竹

(天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津300000)

1 小膠質(zhì)細(xì)胞的生物學(xué)特性

1.1來源和形態(tài)、行為學(xué)特征 19世紀(jì)，德國精神病學(xué)家Nissl首次描述了小膠質(zhì)細(xì)胞。多年來，人們對小膠質(zhì)細(xì)胞的起源進(jìn)行了大量的研究，但仍存在爭議。大多數(shù)的研究者認(rèn)為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的小膠質(zhì)細(xì)胞主要起源于中胚層的骨髓造血干細(xì)胞，它們首先分化為單核細(xì)胞，再以該形式通過血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入大腦[1]。

小膠質(zhì)細(xì)胞屬于單核巨噬細(xì)胞系的細(xì)胞，具有很強(qiáng)的形態(tài)可塑性，在腦內(nèi)不同微環(huán)境下，其形態(tài)可發(fā)生明顯改變[2]。在正常大腦中，小膠質(zhì)細(xì)胞呈高度分支狀，它們不吞噬細(xì)胞或組織，卻以非常高的頻率不斷伸縮細(xì)胞突起。小膠質(zhì)細(xì)胞的這種行為特性為大腦提供了一個高度動態(tài)和高效的檢測系統(tǒng)，并通過調(diào)控大腦功能、神經(jīng)環(huán)路的重塑以及吞噬清除細(xì)胞碎片和有害物質(zhì)，維持CNS穩(wěn)態(tài)[3]。當(dāng)腦內(nèi)發(fā)生感染、炎癥、創(chuàng)傷或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病時，小膠質(zhì)細(xì)胞迅速被激活。被激活的小膠質(zhì)細(xì)胞胞體增大、突起變短或消失、細(xì)胞呈圓形或阿米巴狀，吞噬功能及遷移作用隨之增強(qiáng)[4]。

1.2生物學(xué)功能

1.2.1與神經(jīng)元間相互關(guān)系 小膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元突觸的刪除和重建過程中起著相當(dāng)重要的作用[5]。有研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞可能通過其補(bǔ)體蛋白C3將無用的突觸清除；缺失補(bǔ)體蛋白C1q或其下游的補(bǔ)體蛋白C3的小鼠，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的突觸發(fā)生清除缺陷[6]。小膠質(zhì)細(xì)胞不僅參與突觸的刪減，小膠質(zhì)細(xì)胞還可以通過釋放血小板反應(yīng)素促進(jìn)神經(jīng)突觸的形成[7]。

另外，Li等[8]利用在體雙光子實(shí)時成像技術(shù)，在斑馬魚中發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元活動增強(qiáng)會吸引小膠質(zhì)細(xì)胞突起向其延伸，并對其進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用。因此小膠質(zhì)細(xì)胞對于維持神經(jīng)元正常生理功能具有非常重要的意義。

1.2.2參與血腦屏障形成 通過對大腦血管的電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞突起可以與血管外星形膠質(zhì)細(xì)胞以及血管內(nèi)皮細(xì)胞共同參與血管屏障的形成，從而提示小膠質(zhì)細(xì)胞還具有維持和檢測血腦屏障完整性的功能[9]。

1.3腦卒中與小膠質(zhì)細(xì)胞

1.3.1小膠質(zhì)細(xì)胞極化 小膠質(zhì)細(xì)胞在正常情況下主要起免疫監(jiān)視的功能，但當(dāng)腦缺血缺氧損傷時，小膠質(zhì)細(xì)胞可被迅速激活。根據(jù)活化后小膠質(zhì)細(xì)胞作用的不同，將其分為:M1型和M2型。M1型為經(jīng)典激活型，在降低細(xì)胞吞噬作用的同時，產(chǎn)生大量的細(xì)胞毒性物質(zhì)，如分泌白介素-1β(IL-1β)、γ-干擾素(TNF-γ)、IL-6、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等促炎因子，促進(jìn)一氧化氮以及活性氧的合成，從而對神經(jīng)元及其他膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。M2型被稱為替代激活型，特點(diǎn)為吞噬細(xì)胞碎片或壞死的神經(jīng)元，同時釋放IL-4、IL-10、IL-13、TNF-β等抗炎因子，減少炎癥的發(fā)生，促進(jìn)神經(jīng)元的存活，進(jìn)而起到神經(jīng)保護(hù)作用[10]。

1.3.2小膠質(zhì)細(xì)胞極性的時間動態(tài)變化 近來研究發(fā)現(xiàn)，在腦缺血損傷中，腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞的極性隨著時間的變化而變化。在缺血后1～3 d，M2型的各種標(biāo)志物及細(xì)胞因子如Arg1、Ym1/2等大量分泌，小膠質(zhì)細(xì)胞的M2型逐漸增多，第3天左右達(dá)到最大值。而M1表型的小膠質(zhì)細(xì)胞則與M2表型正好相反：在缺血后初期1～3 d表型較少，在缺血后7 d左右開始大量表達(dá)，M1型的各種標(biāo)志物及細(xì)胞因子如iNOS、CD86等大量表達(dá)[11]。因此可以看出小膠質(zhì)細(xì)胞隨腦缺血損傷的表型變化：在損傷初期，M2型小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)較多，主要發(fā)揮組織修復(fù)和免疫抑制作用，隨著時間推移，由于腦內(nèi)受損的各種細(xì)胞釋放的各種炎癥因子的堆積，M1型小膠質(zhì)細(xì)胞分化增多，以對中樞炎癥更多做出反應(yīng)。

1.3.3腦卒中后小膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元之間的關(guān)系 腦卒中后復(fù)雜的炎癥反應(yīng)對神經(jīng)元產(chǎn)生一系列影響，其中小膠質(zhì)細(xì)胞在其中所起的作用是不可忽視的。Hoehn等發(fā)現(xiàn)給予腦缺血后的大鼠非甾體抗炎藥物——吲哚美辛，其小膠質(zhì)細(xì)胞激活被抑制，同時，其紋狀體神經(jīng)干細(xì)胞的數(shù)量及神經(jīng)前體細(xì)胞(NPCs)的存活增加[12]。Jin等[13]發(fā)現(xiàn)腦缺血后長期給予二甲雙胍可以促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞向M2型轉(zhuǎn)化，并激活小膠質(zhì)細(xì)胞的AMPK信號，從而促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，提高腦缺血后的功能恢復(fù)。另外 ，小膠質(zhì)細(xì)胞參與腦缺血后神經(jīng)干細(xì)胞的遷移。如腦缺血后皮層和紋狀體激活的小膠質(zhì)細(xì)胞MCP-1表達(dá)上調(diào)，同時其受體CCR2在新生神經(jīng)干細(xì)胞上表達(dá)也上調(diào)，MCP-1或CCR2基因敲除的小鼠腦缺血后神經(jīng)干細(xì)胞向紋狀體募集顯著減少[14]。小膠質(zhì)細(xì)胞還與神經(jīng)元的發(fā)生有關(guān)，如小膠質(zhì)細(xì)胞CX3CR1信號敲除的小鼠，其海馬神經(jīng)發(fā)生降低并且認(rèn)知功能障礙[15]。

2 小膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)炎癥信號通路

2.1Notch信號通路 Notch信號通路是通過與鄰近細(xì)胞的相互作用控制細(xì)胞命運(yùn)的一種重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。哺乳動物中有4種Notch受體(Notch1-4)和5種Notch配體(Delta-like1/3/4、Jagged1和Jagged2)。

Notch信號通路的激活需要經(jīng)過3部酶切過程：首先，Notch受體在高爾基體內(nèi)被furin分子切割為2個片段，轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上形成異二聚體；當(dāng)配體結(jié)合到胞外區(qū)，Notch蛋白發(fā)生2次酶切，酶切后釋放出具有核定位信號的胞內(nèi)區(qū)(NICD)進(jìn)入細(xì)胞核與CSL結(jié)合，形成NICD/CSL轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體，從而調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，靜息態(tài)和活化態(tài)小膠質(zhì)細(xì)胞都表達(dá)Notch通路相關(guān)分子，且活化的小膠質(zhì)細(xì)胞使Notch1及其配體Jagged1表達(dá)上調(diào)[16]。同時，激活Notch通路會加快小膠質(zhì)細(xì)胞的活化及炎性細(xì)胞的浸潤。有研究發(fā)現(xiàn)，用LPS刺激小膠質(zhì)細(xì)胞后Notch1表達(dá)增高；阻斷Notch1通路，IL-1β、IL-6及iNOS等促炎因子的表達(dá)降低[17]。另外，Grandbarbe等[18]發(fā)現(xiàn)，Notch通過其配體Jagged1激活小膠質(zhì)細(xì)胞，并導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的分泌。

2.2Toll樣信號通路 Toll樣受體(Toll-like receptors，TLR)是一種Ⅰ型跨膜蛋白，有3個部分組成：能夠識別細(xì)胞外病原體及組織損傷信號的胞外區(qū)、跨膜區(qū)、參與下游信號傳導(dǎo)含有Toll/IL-1受體同源區(qū)(Toll/IL-1 receptor homologous region，TIR)胞內(nèi)區(qū)[19]。TLR是一個受體家族，在人中已發(fā)現(xiàn)了10個成員，分別為TLR1-10，每種TLR能夠識別不同的刺激物。如TLR4可識別革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的成分LPS，TLR3能夠識別病毒復(fù)制產(chǎn)生的雙鏈RNA[20]。

TLR胞內(nèi)區(qū)能夠與包含TIR結(jié)構(gòu)域的接頭分子結(jié)合，進(jìn)而激活信號通路。目前被發(fā)現(xiàn)的接頭分子有4種，即MyD88、TIRAP、TRIF和TRAM。其中MyD88和TIRAP介導(dǎo)MyD88依賴性通路，而TRIF和TRAM介導(dǎo)MyD88非依賴性通路[19]。TLR受體中除了TLR3其他均能利用MyD88依賴性通路，而MyD88非依賴性通路可被TLR3和TLR4利用。MyD88依賴性通路以TLR4為例，TLR4激活后，通過TIR-TIR相互作用來招募MyD88和TIRAP，MyD88通過其死亡結(jié)構(gòu)域與IL-1 受體相關(guān)激酶4(IRAK-4)相互作用。反過來IRAK-4激活I(lǐng)RAK家族其他成員IRAK-1，這個過程導(dǎo)致TRAF6的激活，然后TRAF6與E2泛素蛋白連接酶一起激活包含TGF-β激活激酶1(TAK1)、TAK1集合蛋白1(TAB1)、TAB2、TAB3的復(fù)合體，該復(fù)合體可激活觸發(fā)MAPK和NF-κB通路[21]。另外，其中被激活的IRAK-1能夠降解I-κB(NF-κB的抑制劑)啟動炎性細(xì)胞因子如TNF、IL-6的轉(zhuǎn)錄。此外，TLR3與TLR4通過募集TRIF激活MyD88非依賴性通路，具體來講，TRIF能夠激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3(TRAF3)，活化的TRAF3可使干擾素調(diào)節(jié)因子3(IRF3)磷酸化，后者進(jìn)入細(xì)胞核進(jìn)而誘導(dǎo)抗病毒Ⅰ型干擾素相關(guān)分子α(IFN-α)、IFN-β的表達(dá)。并且TRIF能夠通過TRAF6和受體相互作用蛋白1的活化激活NF-κB[22，23]。

TLR4是小膠質(zhì)細(xì)胞活化并發(fā)揮功能的重要受體之一，有研究顯示，健康人大腦白質(zhì)的小膠質(zhì)細(xì)胞廣泛表達(dá)TLR2、TLR3、TLR4，而TLR4的表達(dá)最為豐富[24]。在CNS中，小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的TLR4參與了生理、病理情況下的各種免疫反應(yīng)。應(yīng)用氧、糖剝奪法體外培養(yǎng)小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞模擬腦缺血再灌注模型，結(jié)果TLR4和NF-κB的mRNA表達(dá)上調(diào)、下游炎性細(xì)胞因子分泌增加[25]。Caso等[26]發(fā)現(xiàn)TLR4基因缺失小鼠腦缺血再灌注后不僅炎性細(xì)胞因子表達(dá)顯著低于野生型小鼠，而且梗死范圍更小、神經(jīng)功能和行為學(xué)評分更優(yōu)。缺血性腦損傷后小膠質(zhì)細(xì)胞活化，TLR4表達(dá)上調(diào)及TLR4信號途徑的激活，繼而引起腦的炎性損傷。相反，TLR4功能的缺失可以起到神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)。

2.3AMPK信號通路 單磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)是由催化亞基α、調(diào)節(jié)亞基β和γ組成的一個異源三聚體。α亞基為催化亞基，其第172位絲氨酸磷酸化位點(diǎn)可被AMPK上游激酶磷酸化。γ亞基含有 AMP 的結(jié)合位點(diǎn)，其與 AMP 結(jié)合后不僅能抑制蛋白磷酸化對α亞基的去磷酸化作用，以維持 AMPK 的活性，而且可使α亞基易被上游激酶激活。β亞基主要起連接作用。AMPK的上游激酶有三個：肝臟激酶B1(LKB)、Ca2+/鈣調(diào)節(jié)蛋白依賴性蛋白激酶(Ca2+/CaMkkβ)和轉(zhuǎn)化生長因子β活化激酶(TAK1)，其中卒中誘導(dǎo)的AMPK磷酸化被LKB1或CaMKKβ所引起[27]。

AMPK是細(xì)胞能量以及應(yīng)激的主要感受器，在應(yīng)激、缺氧缺血、劇烈運(yùn)動、胞內(nèi)AMP水平升高、ATP降低或AMP/ATP比例升高時都會引起AMPK的磷酸化，促進(jìn)AMPK 的活化[28,29]。大量研究表明，AMPK與炎性信號通路密切相關(guān)[30,31]，且存在于嚙齒類、人類的包括神經(jīng)細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞在內(nèi)的所有腦組織細(xì)胞中[32]。

激活A(yù)MPK可通過多途徑抑制炎性信號的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的活化，進(jìn)而抑制炎性因子的表達(dá)。如AMPK可以激活依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白脫乙酰酶(SIRT1)[31]、叉頭蛋白O3(FOXO3)[33]抑制NF-κB信號通路，也可以通過氧化應(yīng)激[34]進(jìn)而抑制NF-κB信號通路[30]。由于AMPK在代謝及炎性通路中是一種核心的調(diào)控分子，其下游影響的信號通路較多且存在廣泛串化，因此，AMPK通過抑制NF-κB信號通路進(jìn)而抑制炎癥反應(yīng)的過程也是多途徑的，具體細(xì)節(jié)通路需要進(jìn)一步的研究。

2.4NF-κB信號通路 NF-κB是一種多效性的轉(zhuǎn)錄因子，幾乎存在于所有類型的細(xì)胞中。在哺乳動物中，NF-κB/Rel家族包括五名成員：Rel(cRel)、p65(RelA/NF-κB3)、RelB、p50(NF-κB1)、p52(NF-κB2)，其共同特點(diǎn)是都擁有一個由300個氨基酸組成的高度保守的Rel同源結(jié)構(gòu)域，該區(qū)為與DNA結(jié)合、二聚體化、IκB相互作用及核定位信號區(qū)域(NLS)。NF-κB/Rel家族成員間可以形成同源或異源二聚體，最常見的是與p65或p50組成的異二聚體。

KB抑制蛋白(IκB)是NF-κB抑制蛋白，由多種成員構(gòu)成，其中IκBα通過結(jié)合NF-κB，屏蔽NF-κB的NLS，阻止NF-κB由細(xì)胞漿進(jìn)入核中，使NF-κB無法與目的基因啟動子區(qū)域特定序列結(jié)合，抑制其調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的功能；IκBβ通過屏蔽NLS和核輸出信號(NES)抑制NF-κB活性[34]。

正常情況下，在未受刺激的細(xì)胞漿內(nèi)IκB與NF-κB形成穩(wěn)定的復(fù)合物，但當(dāng)膜上非特異免疫受體或細(xì)胞因子受體受到刺激時，IκB激酶(IKK)復(fù)合體被激活，從而導(dǎo)致IκB磷酸化，接著又在泛素連接酶的作用下，IκB被26s的蛋白酶體水解。IκB被降解后，p65-p50異二聚體進(jìn)入細(xì)胞核與DNA上特定位點(diǎn)結(jié)合，導(dǎo)致相關(guān)炎癥因子的表達(dá)。

NF-κB作為炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，在炎癥細(xì)胞因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)中起中心作用[35]。Heyen等發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞用IL-10預(yù)處理之后再用LPS刺激能減少IL-6的數(shù)量，最終證明IL-10能夠促使NF-κB的核易位從而減少NF-κB對IL-6的轉(zhuǎn)錄起始作用，進(jìn)而減弱炎癥反應(yīng)[36]。另外NF-κB在擴(kuò)大炎癥反應(yīng)中也起著重要的調(diào)節(jié)作用。NF-κB可以高效誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞因子(TNF-α、IL-1、IL-6等)、趨化因子、黏附分子(ICAM-1、VCAM-1)等的基因表達(dá)，使炎性反應(yīng)級聯(lián)放大[37]。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最重要的免疫細(xì)胞之一，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)大腦正常發(fā)育和炎癥反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。小膠質(zhì)細(xì)胞受到刺激后，通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，介導(dǎo)相關(guān)炎性因子的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)。

另外，這些小膠質(zhì)細(xì)胞參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑并不是孤立存在，而是一個相互級聯(lián)、交叉利用，共同調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)TLR信號通路在接受刺激后，信號向下傳遞，在信號節(jié)點(diǎn)處，一部分信號經(jīng)由MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑轉(zhuǎn)遞，而另一部分信號經(jīng)由NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，引起NF-κB釋放入核，從而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。

目前，小膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)的炎癥信號通路受到了廣泛的關(guān)注，由于其在炎癥反應(yīng)中的重要作用，導(dǎo)致很多節(jié)點(diǎn)可以成為一些抗炎藥物的靶點(diǎn)，為臨床干預(yù)提供了可能。