SDF-1/CXCR4/CXCR7信號軸在缺血性腦卒中中的作用

吳瀅

摘要：基質細胞衍生因子-1（SDF-1）是由骨髓基質細胞產生的CXC類趨化蛋白。CXCR4和CXCR7是已知的兩個由SDF-1激活的兩個G蛋白偶聯受體，在發育和成熟的中樞神經系統中均表達，并參與中樞神經系統中多種病理生理過程，包括腦發育、血管生成、神經變性和神經發生。腦缺血性損傷后，缺血半暗帶內SDF-1水平顯著增加并誘導神經功能修復，SDF-1/CXCR4/CXCR7信號傳導通路可能為卒中的治療提供新的靶點。本文主要就SDF-1/CXCR4/CXCR7的結構、在中樞神經系統中的表達、相互作用以及其在腦缺血中的作用進行綜述，旨在為缺血性腦卒中的治療提供理論參考。

關鍵詞：基質細胞衍生因子-1;缺血性卒中;CXCR4;CXCR7

中圖分類號：R743.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.11.012

文章編號：1006-1959（2020）11-0034-04

Abstract：Stromal cell-derived factor-1 （SDF-1） is a CXC-like chemotactic protein produced by bone marrow stromal cells. CXCR4 and CXCR7 are two known G protein-coupled receptors activated by SDF-1， which are both expressed in the developing and mature central nervous system and participate in various pathophysiological processes in the central nervous system， including the brain Development， angiogenesis， neurodegeneration and neurogenesis. After cerebral ischemic injury， the level of SDF-1 in the ischemic penumbra significantly increased and induced neurological function repair. The SDF-1 / CXCR4 / CXCR7 signaling pathway may provide a new target for the treatment of stroke. This article mainly reviews the structure of SDF-1 / CXCR4 / CXCR7， its expression and interaction in the central nervous system， and its role in cerebral ischemia， aiming to provide a theoretical reference for the treatment of ischemic stroke.

Key words：Stromal cell-derived factor-1;Ischemic stroke;CXCR4;CXCR7

趨化因子是一類能夠吸引免疫細胞并具有趨化性的小細胞因子或信號蛋白，根據氨基端半胱氨酸的排列方式，將它們分為CXC、CC、C和CX3C四個亞家族?；|細胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）來源骨髓基質細胞屬于CXC超家族，系統命名為CXCL12。SDF-1α在所有器官中都有豐富且廣泛的表達，過去認為趨化因子受體4（chemokine receptor 4，CXCR4）是SDF-1唯一的受體。然而近年來的研究發現趨化因子受體7（chemokine receptor 7，CXCR7）也屬于SDF-1的受體。目前研究認為[1]，SDF-1及其受體形成的SDF-1/CXCR4/CXCR7通路參與中樞神經系統的各種生理和病理過程，包括神經系統的發育、炎癥反應、神經發生和血管發生。本文主要就SDF-1/CXCR4/CXCR7信號軸在缺血性腦損傷中的作用進行綜述，旨在為臨床治療缺血性腦損傷提供理論依據。

1 SDF-1/CXCR4/CXCR7結構及其在中樞神經系統中的表達

SDF-1的核苷酸和氨基酸為高度保守序列，編碼基因位于10號染色體長臂，其cDNA全長1776 bp，編碼區含有1個267 bp核苷酸序列的開放讀碼框，編碼89個氨基酸堿基多肽[2]。SDF-1能夠在多種細胞和組織中表達，人體內含有六種SDF-1異構體（α、β、γ、δ、ε、φ），其中以α亞型為主。大鼠/小鼠含有3種異構體（α、β、γ），所有異構體具有一個共同的mRNA前體分子的選擇性剪接產物。胚胎時期，SDF-1在發育中的皮層、心室周圍區域表達，腦膜中的表達水平很高。出生后，SDF-1在腦干、嗅球、海馬、下丘腦、小腦和腦血管中組成性表達，且SDF-1在海馬中的高水平表達貫穿整個生物體的一生。在成熟的中樞神經系統中，已知SDF-1在神經元、神經膠質細胞、內皮細胞和腦膜細胞中組成性表達[3]。

CXCR4曾被認為是SDF-1唯一的受體，編碼基因位于4號染色體，有7個跨膜α螺旋，由352個氨基酸組成[4]。SDF-1能夠與其相應的G蛋白偶聯受體CXCR4特異性結合，組成SDF-1/CXCR4生物學軸，在白細胞、CD34+造血干細胞及CD34+祖細胞表面都有廣泛表達[5]，其信號通路對細胞增殖、促進趨化、粘附和遷移、骨髓動員造血等多種生物學過程中有著重要的作用。與SDF-1的表達相似，CXCR4的表達可以在胚胎早期8.5 d時檢測到，主要在心室區和邊緣區表達。出生后，CXCR4在上述區域的表達逐漸降低，但在齒狀回亞顆粒區（SGZ）和嗅球中終生持續存在。CXCR4在成熟的神經元、星形膠質細胞、小膠質細胞和室管膜細胞中組成性表達[3]。

CXCR7是SDF-1的第二種受體，屬于七次跨膜GPCR的超家族，能與CXCR4在細胞膜形成異二聚體，協同介導SDF-1的生物學效應，其在腫瘤的發病機制中起著重要的作用[6]。不同于CXCR4，SDF-1結合CXCR7不激活Gai信號傳導途徑，CXCR7可介導非經典β-arrestin的信號通路，在SDF-1誘導的干細胞增殖、存活和抗凋亡方面有重要作用[2]。通常認為，CXCR7的表達與細胞的生長、存活和黏附有關，而CXCR4的活化則有利于細胞增殖和遷移。CXCR7 mRNA最早可在胚胎期11.5 d上檢測到。在胚胎期，CXCR7主要分布在發育中的皮層、心室區、腦室下區、小腦的顆粒細胞層、齒狀回、尾狀核和神經節突觸。出生后，CXCR7的表達迅速下降，在成年大腦中，CXCR7的表達通常維持在相對較低的水平，可在皮層、海馬、嗅球、邊緣區、腦室下區、小腦、下丘腦、丘腦中檢測到。利用細胞類型標記，CXCR7 mRNA可在神經元、內皮細胞、腦膜細胞、星形膠質細胞和少突膠質祖細胞中表達[7]。

2 SDF-1/CXCR4/CXCR7信號傳輸通路

SDF-1與CXCR4結合可激活多個G蛋白偶聯途徑。如Gαi和Gβγ亞基均可觸發PI3K、MAPK以及NF-kB途徑，從而引起一系列細胞效應。Gβγ亞基可以通過磷脂酶C（PLC）和Ca2+觸發磷脂酰肌醇-4，5-雙磷酸酯（PIP2）、二?；视停―AG）和肌醇三磷酸酯（IP3）的活化[8]。MAPK通路是信號從細胞表面傳導到細胞核內部的重要中樞，調節細胞的增值、存活和分化，與內源性神經發生密切相關。鈣激活富含脯氨酸的酪氨酸激酶（PYK2）的水平升高，可以進一步誘導ERK1/2的激活。此外，SDF-1與CXCR4結合后，還能通過Gαi蛋白誘導Janus激酶JAK2和JAK3的激活以及STAT信號通路的啟動[9]。已知所有這些信號通路均與細胞增殖、分化、遷移、存活和凋亡相關。SDF-1和CXCR4之間的相互作用可以被AMD3100抑制[10]。其他一些新型拮抗劑，如人β-防御素3、CX549、T140等，也能起到競爭性抑制SDF-1與CXCR4結合的作用[11]。

盡管CXCR7也是G蛋白偶聯受體，但它不會觸發經典的G蛋白介導的信號傳導和典型的趨化因子誘導的Ca2+釋放[12]。CXCR7作為其同源配體的清除劑受體，調節SDF-1的細胞外利用率。CXCR7可以與CXCR4形成異源二聚體，從而形成下游信號通路的結構觸發點[13]。CXCR7和CXCR4異二聚體激活細胞外信號調節激酶MAPK，包括ERK1/2、p38和SAPK途徑[14]。這些途徑的激活可能參與細胞的存活和遷移。

3 SDF-1/CXCR4/CXCR7之間的相互作用

3.1 CXCR7通過介導SDF-1內在化控制SDF-1的濃度 ?研究顯示[15]，SDF-1對CXCR7的親和力幾乎比對CXCR4的親和力高10倍。CXCR7可以負調節SDF-1的功能，并降低細胞對SDF-1的敏感性，是SDF-1的清除劑。CXCR7可以介導SDF-1的內在化，然后通過溶酶體降解從而降低SDF-1的細胞外濃度[16]。這種現象清除了細胞外過量的SDF-1分子，使SDF-1濃度維持在最佳水平，從而形成細胞遷移所需的趨化因子梯度。

3.2 CXCR7調節CXCR4的表達及其下游途徑 ?CXCR7可以通過與CXCR4形成異二聚體來促進CXCR4的內在化，大多數CXCR4在細胞內降解，而CXCR7被循環回到細胞膜。CXCR7激動劑能夠降低CXCR4的水平，從而導致細胞對SDF-1的敏感性降低[17]。然而，中和CXCR7可導致細胞外SDF-1的水平顯著增加，進而觸發了近70%的CXCR4內吞和降解[16]。這表明CXCR7的存在可以維持CXCR4的穩定表達并確保其對SDF-1的敏感性。CXCR7通過與CXCR4形成異二聚體調節SDF-1/CXCR4下游信號傳導過程。如CXCR7和CXCR4異二聚體可以增強β-arrestin依賴的信號傳導途徑（即ERK1/2、P38MAPK、SAPK）并抑制Gi信號傳導途徑，從而降低了SDF-1對cAMP的抑制作用[18]。Levoye A等[19]報道CXCR7減弱了由CXCR4介導的Gai激活和鈣信號傳導。因此，CXCR7既可以調節CXCR4的水平，也可以調節通常由SDF-1/CXCR4激活的下游途徑。

3.3 CXCR4的共表達降低CXCR7的表達及其與SDF-1的親和力 ?有研究發現，當在細胞表面表達CXCR4時，SDF-1對CXCR7的親和力降低。CXCR4和CXCR7的共表達增強了CXCR7的β-arrestin募集Décaillot FM[20]。SDF-1/CXCR4/CXCR7相互作用的詳細機制很復雜，可能涉及以下兩個過程：①CXCR7去除了SDF-1的過量細胞外分子并促進CXCR4的內在化，這降低了細胞對SDF-1的反應性。CXCR7和CXCR4的共表達減弱了CXCR4與G蛋白相互作用的能力。②CXCR4的共表達增強了β-arrestin對CXCR7的募集，并降低了SDF-1對CXCR7的親和力。因此，CXCR4和CXCR7似乎通過相互調節它們的表達和信號通路來保持平衡。

4 SDF-1/CXCR4/CXCR7在腦缺血中的作用

4.1誘導干細胞的遷移和歸巢 ?SDF-1/CXCR4軸在調節干細胞遷移過程中具有重要的作用。干細胞的遷移能力可以通過增加的梗死周圍的趨化因子SDF-1和表達CXCR4來介導，這種SDF-1的上調和細胞遷移導致各種被動員的干細胞和內源性細胞上調營養因子[21]。局灶性腦缺血后，受損區域中的星形膠質細胞、小膠質細胞和血管內皮細胞會在局灶性腦缺血后24 h內上調SDF-1的表達。在腦缺血模型大鼠中，缺血半球趨化因子SDF-1含量顯著高于對側未受損半球[22]。SDF-1的上調主要是位于缺血半暗帶，在損傷后7 d達到高峰，且能維持至損傷后30 d[23]。此外，移植的干細胞中也可以檢測出CXCR4，因此，SDF-1和CXCR4之間的相互作用導致干細胞向受損部位遷移。在嚙齒類動物中，受傷后2周，新產生的神經祖細胞（neuroprogenitor cells，NPC）從腦室下區遷移到缺血邊界區域[24]。發生卒中后這種遷移可持續數月。這些SVZ衍生的成神經細胞可以分化為神經元、少突膠質細胞和星形膠質細胞，并替換受損的神經元。值得注意的是，CXCR4在NPC中表達，SDF-1/CXCR4復合物的作用對于腦缺血后NPC向富含SDF-1的損傷部位的遷移至關重要。阻斷CXCR4并不會減少NPC的數量，但破壞了NPC的遷移，導致新生神經元無法定位到缺血組織[20]。在一般情況下，腦損傷后一個顯著信號是SDF-1的表達，吸引骨髓來源的干細胞遷移到受損區域，是卒中后功能恢復的關鍵。

目前已有多項證據顯示[25，26]，CXCR7參與了NPC的遷移。體外研究表明，缺氧后24 hCXCR7的表達增加。在缺血半暗帶，CXCR7的表達迅速增加，而缺血中心區域則很少。CXCR7的分布表明它可能介導SDF-1的內化。通過這種方式，它可以建立從腦缺血邊界到損傷核心的從低到高的SDF-1濃度梯度，以引導NPC遷移到受損區域。有研究報道[27]，CXCR7的過表達增加了骨髓間充質干細胞分泌的CXCL12、VCAM-1、CD44和基質金屬蛋白酶2的水平，這有助于促進骨髓間充質干細胞的增殖和遷移。

4.2促進血管新生 ?腦梗死后血管再生有利于側支循環的建立以及缺血腦組織血液供應的改善。新生血管能夠為腦梗死后新生的神經干細胞提供必要的營養和微環境支持。腦缺血可激活并動員骨髓內的內皮祖細胞（endothelial progenitor cells，EPC）進入外周循環系統。血漿中SDF-1表達的增加與中風后EPC數量的增加明顯相關Bogoslovsky[28]。SDF-1通過與EPC的細胞表面CXCR4受體結合而參與了EPC的募集[29]。SDF-1能夠增加局灶性腦梗死大鼠梗死灶周圍血管密度和新生血管內皮數量，說明外源性SDF-1具有促進腦梗死后血管發生的作用。同時，在給予CXCR4特異性拮抗劑AMD3100后會顯著降低血管密度和新生血管內皮細胞數量，進一步證實SDF-1的促血管發生作用可能通過SDF-1/CXCR4信號通路來實現的。外源性SDF-1能夠進一步激活SDF-1/CXCR4信號通路，募集更多骨髓來源的表達CXCR4的內皮祖細胞向梗死灶周圍歸巢并分化為成熟的血管內皮細胞，促進局部缺血腦組織的血管發生而發揮神經保護作用。這些結果表明，SDF-1在缺血性中風后具有促進血管生成和改善預后的潛力，因此可以看作是治療腦缺血的新治療靶標。

4.3 參與神經元新生 ?對患有局部缺血、癲癇的大鼠的研究表明，SDF-1/CXCR4既參與了神經祖細胞增殖，也參與了其在海馬齒狀回中的樹突發育[30，31]。有數據表明，持續給予CXCR7中和有利于齒狀回的神經發生和腦缺血晚期的認知恢復。有學者的研究發現，缺血誘導后1周施用其他藥物不僅調節神經發生，而且調節由ET-1誘導的局部缺血后慢性期的軸突再生[32-34]。最近的一項研究表明，慢性腦缺血的大鼠在給予腦室注射CXCR7中和抗體治療后，可以促進樹突狀細胞中未成熟神經元的增殖，樹突狀生長顯著增加，缺血大鼠認知功能顯著改善[35]。然而，也有研究表明，SDF-1/CXCR7為體外神經祖細胞提供了增殖、遷移和存活的優勢[36]。這種矛盾的結果可以用細胞培養基和腦組織中的微環境的差異來解釋，其中SDF-1/CXCR4的水平和它們的功能也可能不同。

5總結

SDF-1/CXCR4/CXCR7信號通路不僅與胚胎發育中神經前體細胞的遷移有關，還與成體SVZ、SGZ的神經發生有關，特別是腦缺血損傷后SVZ神經前體細胞和未成熟神經元向缺血灶的遷移密切相關。目前已有明確的證據表明SDF-1/CXCR4/CXCR7可以促進神經發生和血管生成，這是中風后恢復所需的兩個相互依賴的過程。盡管對SDF-1的了解很多，但仍然有許多尚未解決的問題，SDF-1/CXCR4/CXCR7在調節腦缺血后的神經再生信號通路機制尚未完全清楚，需要更多的體外研究來闡明SDF-1的復雜作用?？梢酝茰y，SDF-1/CXCR4/CXCR7信號通路可能成為中風后促進功能恢復的新的治療靶標。

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收稿日期：2020-03-31;修回日期：2020-04-10

編輯/成森