經典MHCⅠ類分子在神經系統中功能的研究進展①

呂君文 張愛鳳

(東南大學醫學院病理學和病理生理學系，東南大學發育與疾病相關基因教育部重點實驗室，南京 210009)

一直以來，中樞神經系統(central nervous system,CNS)因為缺乏眾多的免疫分子而被認為是免疫豁免區。近二十多年來，研究發現免疫分子例如細胞因子、補體、主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex,MHC)蛋白表達于發育和成年CNS中，其中經典MHCⅠ類分子在神經系統發揮經典免疫學功能的同時，也具有非免疫學功能。許多證據表明經典MHCⅠ類分子在調控神經系統發育和突觸可塑性中發揮重要作用。此外，經典MHCⅠ類分子還與中風、帕金森病(Parkinson′s disease,PD)、阿爾茲海默癥(Alzeimer,AD)等神經系統疾病有關。本文就經典MHCⅠ類分子在神經系統中的功能及其與神經系統疾病有關的研究進展進行綜述，以期全面了解MHCⅠ類分子，從理論上為神經系統疾病的發病機制和治療提供新的思路和理論依據。

1 免疫系統中的經典MHCⅠ類分子

MHC是脊椎動物某一染色體上(小鼠第 17 號染色體，人第 6 號染色體)編碼主要組織相容性抗原，控制細胞間相互識別，調節免疫應答的一組緊密連鎖基因群，在人類中稱為HLA，小鼠中稱為H-2復合體。根據MHC 基因編碼產物結構與功能的不同可將其大體分為3大類：MHCⅠ類基因，MHCⅡ類基因，MHCⅢ類基因。MHCⅠ類基因可進一步分為經典及非經典2類。人類經典MHCⅠ類分子的編碼基因有大量的等位基因，分別為HLA-A，-B，-C，在小鼠中分別為H2-K，-D，-L[1]。其中經典MHCⅠ類分子是免疫細胞發育、免疫突觸形成、控制T細胞以及自然殺傷細胞(nature killer cells，NK)介導免疫應答的關鍵分子，由重鏈α鏈和輕鏈β2微球蛋白(β2-microglobulin，β2m)鏈構成[2]。經典MHCⅠ類分子在抗原處理相關轉運蛋白(transporter of antigenic peptide，TAP)的幫助下結合由蛋白酶體降解的大量抗原肽片段。MHCⅠ類分子/肽復合物隨即轉移到與質膜融合的囊泡中，在細胞外提呈肽片段。細胞毒性T淋巴細胞或NK細胞識別這些抗原為“自身”或“非自身”肽[3]。若識別為非自身抗原，則啟動免疫反應。

2 經典MHCⅠ類分子在神經系統上的表達

既往研究認為CNS是免疫豁免區，正常生理條件下，神經元不表達MHCⅠ類分子。Corriveau等[4]在1998年的研究中首次證明MHCⅠ類分子的mRNA和蛋白在正常發育中的神經元上表達。接下來一系列哺乳動物和人類的研究表明MHCⅠ類分子以時空特異性的方式出現在CNS[4-7]。在CNS發育過程中，MHCⅠ類分子的mRNA及蛋白表達在絨猴、貓、大鼠、小鼠等哺乳動物不同部位的神經元上，包括視覺和嗅覺系統、皮質、海馬和小腦等部位[8-14]。在老年大鼠運動神經元中MHCⅠ類分子和β2m的mRNA隨著年齡增長而增加[15]。此外，研究發現MHCⅠ類分子蛋白表達在軸突和樹突表面，并且定位于突觸前膜和突觸后膜上[4,5,16]。

研究證明MHCⅠ類分子在疾病過程中呈現誘導型表達。例如在局灶性皮質發育不良、結節性硬化癥和神經膠質瘤病變部位神經元和小膠質細胞中均觀察到MHCⅠ類分子表達增加[17]。Xia等[18]研究發現在小鼠缺血性腦卒中模型中，MHCⅠ類分子在缺血側表達明顯上調。

3 經典MHCⅠ類分子在神經系統中的功能

3.1MHCⅠ類分子和突觸 經典MHCⅠ類分子在神經系統中發揮多重非免疫學作用，包括調節電活動依賴的突觸修正及重塑、突觸連接的建立及突觸可塑性等。

3.1.1電活動依賴的突觸修正及重塑 在β2m-/-和β2m-/-TAP1-/-小鼠中，神經電活動依賴的視網膜-外側膝狀體投射的突觸修正過程異常[8]。在H2-KbDb-/-小鼠中研究者發現了類似的表型，相較于野生型小鼠，H2-KbDb-/-小鼠單眼摘除后眼優勢柱 (ocular dominance column，ODC)重塑增強[19]。這些結果均證實經典 MHCⅠ類分子參與視覺系統發育過程中電活動依賴的突觸修正及重塑過程。

3.1.2突觸連接的建立和功能

3.1.2.1軸突和樹突生長 研究表明MHCⅠ類分子還控制軸突和樹突的生長。體外研究發現過表達MHCⅠ類分子的海馬神經元表現出更快的生長和極化速度[20]。而Washburn等[21]研究表明過表達MHCⅠ類分子使得小鼠視網膜外植體的軸突向丘腦外植體的延伸受到抑制，外源性加入重組MHCⅠ類分子同樣可以抑制視網膜外植體及背根神經節細胞培養中的突起生長[22-24]。

3.1.2.2突觸密度 研究發現在β2m-/-小鼠和β2m-/-TAP-/-小鼠發育期和成年時視皮層第5層突觸密度增加。急性敲除MHCⅠ類分子后，培養的皮層神經元中突觸密度增加，過表達H2-Kb，突觸密度則降低[16]。同樣，在P39的過表達H2-Db小鼠中，海馬齒狀回和CA3區突觸前膜蛋白表達降低[24]。研究表明MHCⅠ類分子還負性調節皮層GABA能突觸密度[16]。

3.1.2.3突觸傳遞 MHCⅠ類分子還調節海馬和皮層神經元的突觸傳遞。體外培養中，β2m-/-TAP1-/-小鼠成熟海馬神經元的微小興奮性突觸后電流(MEPSC)增加明顯，超微結構顯示其突觸囊泡數量顯著增加，同時，在P20β2m-/-TAP1-/-小鼠的皮層腦片中，mEPSC 頻率增加1倍[25]。此外，在發育皮層神經元中，MHCⅠ類分子還調節抑制性突觸傳遞，敲除β2m后微小抑制性突觸后電流頻率和振幅均增加。因為興奮性突觸傳遞比抑制性突觸傳遞受MHCⅠ類分子影響的程度更大，所以可以通過改變MHCⅠ類分子表達來調節皮質神經元興奮與抑制的平衡[16]。

3.1.3突觸可塑性 控制和維持中樞神經系統網絡的突觸可塑性主要是兩種類型—Hebbian 可塑性和穩態可塑性。MHCⅠ類分子對于Hebbian可塑性至關重要。在β2m-/-TAP1-/-小鼠中，海馬長時程抑制(long-term depression，LTD)缺失，長時程增強(long-term potentiation，LTP)增強，表明內源性MHCⅠ類分子限制了突觸強度，影響突觸可塑性[8]。MHCⅠ類分子也調節小腦的突觸可塑性。H2-KbDb-/-小鼠表現出較低的LTD誘導閾值，導致運動學習能力增強[10]。研究發現LTP和LTD誘導的突觸傳遞強度變化通常需要NMDAR依賴性的AMPAR功能或運輸的改變[26]。

3.2MHCⅠ類分子與神經系統疾病 隨著對MHCⅠ類分子功能的深入研究，人們越來越意識到CNS中神經元經典MHCⅠ類分子的異常表達與一些神經系統疾病的發生發展相關。MHCⅠ類分子在神經系統疾病中的作用成為研究熱點。

3.2.1MHCⅠ類分子與神經退行性疾病 研究表明經典MHCⅠ類分子的異常表達與神經退行性疾病如帕金森病(PD)、阿爾茲海默癥(AD)和肌萎縮性脊髓側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)等有關。

來自免疫標記、RNA表達和尸檢樣本質譜分析的證據表明正常人黑質和藍斑區兒茶酚胺能神經元表達經典MHCⅠ類分子。與正常人腦樣本相比，PD患者腦樣本中MHCⅠ陽性細胞比例顯著下降，可能是由于疾病條件下，MHCⅠ類分子的表達導致免疫細胞的募集和受累神經元的死亡，提示經典MHCⅠ類分子可能在促進PD疾病進展中發揮一定作用[14]。Matthew等[27]研究發現在敲低α突觸核蛋白(α-syn)后，黑質神經元上MHCⅠ類分子表達上調。募集的免疫細胞包圍并吞噬 MHCⅠ陽性神經元，最終導致黑質神經元變性死亡。因此，MHCⅠ類分子可能在促進神經變性過程中發揮重要作用，可能是PD發病的危險因素。

MHCⅠ類分子與AD的發病也密切相關。早在2009年時就有研究報道HLA-A1的存在導致AD發展延遲[28]。Kim等[29]的研究表明MHCⅠ類分子受體LILR2(人)或PirB(小鼠)與AD也有一定相關性。在AD模型中，Aβ通過與PirB相互作用活化cofilin通路，誘導突觸毒性，最終導致突觸可塑性異常及認知障礙。研究表明在AD發病過程中T細胞遷移入腦依賴于腦內皮細胞MHCⅠ類分子的表達上調，該過程增強了T細胞黏附并促進跨內皮遷移[30]。Wang等[31]的研究首次討論了HLA-A基因變異與AD腦結構的相關性。HLA-A位點rs9260168和rs3823342顯示與左側海馬旁萎縮相關，rs7647551傾向于與右側杏仁核萎縮相關，研究者還發現單倍型 (TGACAAGG)與右側海馬萎縮呈正相關，該區域與臨床病理過程中認知功能的下降密切相關，提示HLA-A攜帶者通過改變海馬體積增加患AD的風險。最新研究對11 690名白人進行了大規模隊列研究，結果發現HLA-A基因的變異與幾種臨床指標相關，包括腦脊液中一種致病蛋白水平的增加和隨時間推移在認知測試中的表現下降[32]，提示HLA-A的變異可能促進AD發病風險的增加。

ALS是一種以成人運動神經元(motor neurons，MNs)受累,骨骼肌萎縮,神經功能障礙為主要臨床表現的進行性神經退行性疾病。早在2013年Kim等[33]就發現β2m對SOD1G93A小鼠很重要，敲除β2m明顯縮短病程進展。還有文獻報道MHCⅠ類分子在ALS中表達明顯下調，同時MNs死亡率增加。過表達H2-Kb以及人HLA-F可提高MNs的存活率和肢體的運動能力。進一步研究發現，MHCⅠ類分子通過與ALS星形膠質細胞上特異性表達的抑制性受體KIR3DL2相互作用來調節ALS星形膠質細胞顯示的細胞毒性[34]。因此在ALS發病中MHCⅠ類分子保護MNs免受星形膠質細胞誘導的毒性。最新研究報道表達SOD1突變體的CD8+T淋巴細胞選擇性浸潤ALS小鼠CNS并通過MHCⅠ類分子依賴性方式識別MNs來發揮細胞毒功能[35]。

3.2.2MHCⅠ類分子與腦卒中及神經損傷H2-Kb和H2-Db以及PirB受體限制了健康大腦的突觸可塑性和運動學習[36]。研究表明腦卒中恢復同樣與MHCⅠ類分子及神經可塑性有關。腦卒中后神經元上H2-Kb和H2-Db以及受體PirB及其下游信號表達均增加。H2-KbDb-/-或PirB敲除小鼠在短暫大腦中動脈閉塞后梗死灶變小，運動功能恢復增強[37]。Xia等[18]研究發現在小鼠缺血性腦卒中模型中，MHCⅠ類分子在缺血側表達明顯上調，其可作為缺血性腦卒中急性期的治療靶點。

神經元上MHCⅠ類分子表達增加有助于神經損傷后的軸突再生。Oliveira等[38]研究發現敲除β2m或TAP-1的小鼠軸突損傷程度比正常小鼠嚴重。用IFNβ治療可以誘導脊髓中MHCⅠ類分子表達上調并促進小鼠坐骨神經壓迫后的軸突生長和運動功能恢復[39]。Joseph等[40]表明神經元中MHCⅠ類分子上調導致脊髓損傷小鼠運動功能恢復的更好。以上結果均證明MHCⅠ類分子對損傷后神經修復具有促進作用，但其中具體機制目前仍不清楚。

3.2.3MHCⅠ類分子與癲癇 Rasmussen′s 腦炎是一種進行性癲癇性疾病，臨床表現為神經系統功能障礙和難治性癲癇。研究表明在該疾病臨床標本神經元中發現了β2m的表達[41]。Prabowo等[17]的研究發現MHCⅠ類分子在局灶性皮質發育不良、結節性硬化癥和神經節細胞膠質瘤的癲癇患者腦組織中表達上調，并伴有血腦屏障的破壞。因此MHCⅠ類分子可能也與癲癇的進展相關，但具體機制尚不明確。

3.2.4MHCⅠ類分子與神經系統炎癥 研究結果顯示在神經系統發生各種炎癥損傷時MHCⅠ類分子呈誘導型表達。在布氏錐蟲誘導全身慢性感染和脂多糖誘導急性外周/中樞感染后大鼠下丘腦室旁核神經元和紋狀體神經元中MHCⅠ類分子mRNA表達增加[42]。此外，Freria等[43]研究發現在實驗性自身免疫性腦脊髓炎大鼠反復發生炎癥后，突觸可塑性下降可能與MHCⅠ類分子表達上調有關，即興奮性和抑制性輸入之間的比值增加。最新研究證明H2-Db在神經炎癥泰勒氏鼠腦脊髓炎病毒模型中通過免疫應答反應影響腦萎縮的發展[44]。

4 展望

經典MHCⅠ類分子不僅在發育和成年神經系統中發揮重要作用，且參與眾多神經系統疾病的發生發展并具有多種功能，一些與經典免疫學功能有關，更多是非免疫學功能。MHCⅠ類分子在不同疾病中的非免疫學功能不同，或者是促進神經再生及功能修復，或者是誘導神經毒性。作為高度多態性的基因，經典MHCⅠ類分子的不同等位基因也與AD、ALS等發病密切相關。經典MHCⅠ類分子受體和下游效應分子及可能的信號通路目前尚不清楚。對于MHCⅠ類分子在各神經系統疾病中作用機制的探究是非常必要的。隨著對MHCⅠ類分子功能認識的不斷深入以及新理論與新技術的出現，該分子在神經系統疾病中的作用將逐漸被發現和認識，并為神經系統疾病的防治提供新的思路。