縫隙連接蛋白43 (Cx43)與神經炎癥的研究進展

王亞楠(綜述) 方 浩,2(審校)

(1復旦大學附屬中山醫院麻醉科 上海 200032; 2復旦大學附屬金山醫院麻醉科 上海 200540)

隨著人口的老齡化,阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)、腦中風、術后認知功能障礙等疾病的發生率越來越高,神經炎癥是這些中樞神經系統(central nervous system,CNS)疾病的一個共同特征。近年來有較多研究發現縫隙連接蛋白43(connexin43,Cx43)在神經炎癥中起著重要的作用并且能夠影響神經功能,但是其具體的作用機制還未確定。本文基于已有的研究對Cx43與神經炎癥的關系及其對神經功能的影響作一總結,為臨床上CNS疾病的治療提供新的思路。

縫隙連接蛋白43的結構及功能1986年Paul克隆測序出第1個縫隙連接蛋白(connexin,Cx),至今在人類和鼠類中發現至少分別有20個和19個成員。Cx依據其分子量大小進行命名,如Cx43的相對分子質量為43 000。Cx43是含有4個跨膜域的高度調節的內在膜蛋白,它包括2個細胞外環、1個胞質環及胞質氨基(-NH2)和羧基(-COOH)。羧基端在長度上差異很大,被認為是發揮主要調節功能、提供蛋白-蛋白相互作用的區域[1]。半通道(hemichannel,HC)是由Cx43組成的六聚體結構,介導細胞內外的信息交流。相鄰兩細胞的HC對合形成縫隙連接(gap junction,GJ),介導細胞間的信息交流。Cx43廣泛分布于身體的各個部位,如心、腦、肺、毛細血管等[1-2]。在腦中共有11種Cx,其中含量最多的是Cx43,主要分布于星形膠質細胞,也少量表達于小膠質細胞,幾乎不分布于神經元[3]。

Cx43的功能與其形成的GJ和HC密切相關。生理情況下GJ處于開放狀態。GJ允許小分子細胞間被動擴散,如:谷氨酸、谷胱甘肽、糖、ATP、離子(如Ca2+、Na+、K+)[4]。Cx43是星形膠質細胞中含量最多的Cx,而星形膠質細胞在正常的神經活動中起主要作用,它們為神經元提供代謝和結構支持,控制細胞外谷氨酸、鉀、氫離子濃度,調節細胞外液的容量。這些功能取決于相鄰兩個星形膠質細胞通過GJ形成的功能合胞體,對谷氨酸、鉀等起到“空間稀釋”作用[5]。當受到外來侵犯時,受損細胞通過GJ將谷氨酸等有害物質釋放到相鄰細胞,起到了自我保護作用。

曾經認為HC的主要功能是形成GJ,后來發現了不形成GJ的功能性HC的存在。大量研究證實HC可將細胞內大量自分泌/旁分泌信號分子如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)、谷氨酸、前列腺素E2等釋放到細胞外環境中。生理情況下,HC主要處于關閉狀態,以形成GJ為主,另外也允許與細胞信號有關的分子釋放,如傳播細胞間Ca2+波動所必需的ATP和NAD+[6]。病理情況下,如腦缺血、炎癥、氧糖剝奪、細胞外低鈣時,HC開放,導致靜息膜電位的紊亂、ATP和谷氨酸毒性物質的釋放、大量攝取水分導致細胞水腫和破裂[4,7]。在一些細胞類型(如星形膠質細胞、心肌細胞、腎小管)中,Cx43HC活性增加可加劇細胞死亡,表明它可以決定細胞損傷的傳播[8]。目前普遍認為,病理情況下HC的開放能加重神經損傷。

Cx43與神經炎癥神經炎癥是腦損傷及許多急性、慢行退行性疾病的共同過程。這個過程的主要特征是反應性星形膠質細胞和小膠質細胞激活,而小膠質細胞的激活導致大量炎性因子的釋放,如IL-1β和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)[6,8-9]。星形膠質細胞中含量最多的Cx是Cx43。近年來,越來越多的研究表明神經炎癥引起Cx43表達和GJ及HC通訊的改變,從而影響神經功能。

神經炎癥抑制Cx43GJ通訊 細菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是小膠質細胞的刺激器,被廣泛應用于構建神經炎癥模型。2006年,Meme等[9]發現LPS激活的小膠質細胞可以抑制星形膠質細胞GJ通訊,并表明小膠質細胞激活釋放的炎性因子IL-1β和TNF-α在該過程中起關鍵作用。后來證實LPS激活的小膠質細胞或IL-1β和TNF-α均可以抑制星形膠質細胞GJ通訊,表現為劃痕標記染料示蹤技術中熒光黃的轉移率明顯降低[8,10-12]。以上星形膠質細胞系均來源于鼠類大腦皮層。隨著研究的深入,在其他部位的星形膠質細胞系中也發現類似現象。如大鼠脊髓原代星形膠質細胞系,聯合給予炎性因子TNF-α和干擾素-γ(interferon-γ,INF-γ)可抑制Cx43GJ通訊[13]。這種現象在體內實驗中也得到證實。向大鼠腦室內慢性注射LPS,發現海馬區Cx43GJ通訊減少[14]。最新一項研究表明小鼠肝炎病毒感染導致的急性神經炎癥也伴隨著Cx43GJ通訊減少[15]。神經炎癥時Cx43GJ減少,使星形膠質細胞的“空間稀釋”作用減弱,剝奪了對神經元的保護作用,加劇神經元死亡。

相關機制 有關神經炎癥抑制Cx43GJ通訊的機制研究很多,但尚無統一定論,目前主要集中在促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路激活、Cx43磷酸化、Cx43合成改變等3個方面。c-Jun氨基末端激酶(c-JunN-terminal kinase,JNK)信號通路是MAPK信號通路的另一亞類,有研究發現在脊髓星形膠質細胞中,神經炎癥時產生的炎性因子TNF-α和INF-γ通過激活JNK信號通路引起Cx43GJ抑制[13]。進一步研究發現,TNF-α和INF-γ通過激活泛素蛋白酶復合體系統,導致Cx43降解,進而抑制Cx43GJ通訊,并且激活的泛素蛋白酶復合體系統可被JNK抑制劑所阻斷[16]。也有研究表明抑制p38MAPK信號通路可以阻斷IL-1β和TNF-α導致的Cx43GJ減少[8]。Liao等[10]研究發現神經炎癥導致的Cx43GJ通訊抑制是由caveolin-3基因的下調所介導。另外,Cx43磷酸化狀態影響GJ通訊功能,但存在爭議。有的認為Cx43絲氨酸368(serine368,s368)磷酸化導致GJ通訊功能降低[17],但有的認為Cx43去磷酸化與GJ通訊功能降低有關[18-19]。Cx43的合成狀態也影響其GJ通訊,如小鼠肝炎病毒感染導致的急性神經炎癥,伴隨著星形膠質細胞Cx43表達的改變,大量Cx43停留在內質網或內質網高爾基復合體階段,使Cx43GJ形成障礙,進而抑制Cx43GJ通訊[15]?？傊?神經炎癥抑制Cx43GJ通訊的機制尚未明了,仍處于探索階段。

神經炎癥增加Cx43HC活性 神經炎癥時,星形膠質細胞Cx43GJ通訊被抑制,但Cx43HC活性增加。Retamal等[8]通過檢測Cx43HC對溴化乙淀(EthBr,EB)的滲透率來反映HC活性,發現神經炎癥時星形膠質細胞Cx43HC對EB的滲透率明顯增加,并且同時給予IL-1β和TNF-α也可以明顯增加Cx43HC活性,這說明小膠質細胞激活釋放的炎性因子IL-1β和TNF-α在該過程中發揮重要作用。進一步研究發現,敲除Cx43轉基因小鼠的星形膠質細胞系,給予激活的小膠質細胞或IL-1β和TNF-α刺激后,EB的滲透率沒有增加,并且以上效應可被HC阻滯劑La3+明顯抑制,更加說明神經炎癥時星形膠質細胞Cx43HC活性增加[8]。同樣,在小鼠大腦皮層星形膠質細胞系,Froger等[11]和Orellana等[12]也證實神經炎癥可以明顯增加Cx43HC活性。Abudara等[20]在急性海馬切片中發現LPS刺激導致星形膠質細胞Cx43HC開放,且該過程需要小膠質細胞激活釋放的炎性因子IL-1β和TNF-α的參與。近來一項最新研究發現經TNF-α處理的星形膠質細胞其活性明顯增加,同時伴有Cx43HC活性增加[21]。腦缺血多伴有神經炎癥的發生,在體內實驗中,對足月生的綿羊行雙側頸動脈閉塞30 min來制造腦缺血模型,發現腦缺血后Cx43HC開放[22]。以上研究表明:在神經炎癥狀態下星形膠質細胞Cx43HC活性增加,而HC的開放影響神經膠質細胞的相互作用,使ATP、谷氨酸等大量毒性物質釋放,促進損傷的擴散,加劇細胞死亡進而影響神經功能。

相關機制 神經炎癥增加Cx43HC活性的機制復雜,目前尚未明確,研究表明與神經炎癥時細胞外鈣離子水平的改變、氧糖代謝紊亂、MAPK及N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)信號通路激活等有關。對細胞外低鈣敏感的Cx43轉染細胞出現Cx43HC的開放[23],因此人們猜想在神經炎癥等病理情況下,細胞外鈣離子的改變可能是促進HC開放的一個重要機制。近來一項以AD為模型的研究發現細胞外高鈣導致Cx43HC的開放,首先他們驗證了AD小鼠海馬星形膠質細胞系細胞外靜息鈣離子水平增高,炎性反應擴大,Cx43HC活性增加,然后降低細胞外鈣離子水平至基礎水平以下,發現Cx43HC活性增加被明顯抑制[24]。神經炎癥多伴有氧糖代謝紊亂,Orellana等[26]在星形膠質細胞培養基中模擬缺氧環境,發現缺氧增加Cx43HC活性,并且該效應被細胞外高糖加劇,但是細胞外糖過低也增加Cx43HC活性,只是不如高糖明顯[25]。另外,神經炎癥導致的Cx43HC開放可被提前給予的p38MAPK抑制劑阻斷[8,26]。Froger等[11]則發現IL-1β和TNF-α加劇了NMDA介導的神經毒性反應,且該過程與Cx43HC活性增加有關,因此猜測p38MAPK、NMDA信號通路的激活參與了該過程。目前針對該機制的研究比較局限,有待于進一步探索。

Cx43GJ及HC的改變影響神經預后神經炎癥引起星形膠質細胞Cx43GJ抑制和HC活性增加,分別導致星形膠質細胞“空間稀釋”作用減弱和大量谷氨酸、ATP等毒性物質的釋放,引起神經元死亡[2,11-12],加劇了神經退變和認知損傷的進程。

神經退變 神經退變疾病的主要特征是神經元結構和功能進行性喪失,大量研究表明Cx43GJ和HC的改變推進了神經退變疾病進程[4,6,27-28]。Aβ肽形成是AD患者的典型特征,在Aβ肽處星形膠質細胞Cx43免疫活性增加[29]。同樣在AD模型中,接觸Aβ肽的海馬切片小膠質細胞激活,炎性反應放大,Cx43HC激活[24],猜測Cx43HC的改變可能促進了損傷的傳播。帕金森病(Parkinson’s disease,PD)也是常見的神經退變疾病,PD患者伴有黑質膠質細胞激活,進而表達大量的促炎因子(如IL-1β、TNF-α、INF-γ)[27],這些炎癥因子可能導致星形膠質細胞Cx43GJ和HC的改變。研究發現在PD動物模型中,總Cx43mRNA水平和星形膠質細胞Cx43免疫活性明顯增加,而GJ通訊未發生改變[30],猜測是Cx43HC活性增加。另外,Cx43的改變也參與了多發性硬化[31]和亨廷頓病[32]的發展?？傊?Cx43的改變推進了神經退變進程。

認知損傷 神經炎癥引起Cx43GJ和HC的改變,近來研究發現這種變化與認知損傷有關。自閉癥患者常伴有認知功能損傷,神經解剖學研究發現其大腦結構有許多畸形,其中額皮質畸形可能與認知損傷有關[33]。自閉癥患者伴有神經炎癥和小膠質細胞激活及促炎因子的增加,并且額上回區域Cx43表達量明顯增加,表明Cx43的改變參與了認知損傷[34]。重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)是最常見的精神病之一,多伴有嚴重的認知損傷,越來越多的研究證實MDD與星形膠質細胞Cx43GJ通訊功能異常有關。Ren等[35]表明MDD大鼠Cx43 GJ通訊功能減退。腦缺血、神經炎癥時Cx43HC活性增加。Li等[36]研究發現給予Cx43HC特異性阻斷劑Gap26可以改善大鼠的認知功能,水迷宮結果提示空間記憶能力和學習能力明顯提高,說明神經炎癥引起的Cx43HC活性增加導致認知損傷。由以上研究推測Cx43的改變加劇了認知功能損傷。

結語腦卒中、AD及術后認知功能障礙等CNS疾病的共同特征是神經炎癥,大量研究證實神經炎癥抑制Cx43GJ通訊、增加Cx43HC活性,分別導致星形膠質細胞“空間稀釋”作用減弱和ATP、谷氨酸等毒性物質的釋放,加劇了CNS疾病的進程。闡明Cx43與神經炎癥的關系,有助于進一步探索Cx43對CNS疾病的影響。目前針對Cx43的阻滯劑被廣泛研究,隨著對Cx43的深入探討,其有望成為延緩CNS疾病進展的新的靶點。