TGF-β信號轉導通路與遺傳性腦小血管病

任倩倩 徐隋意 宋士娜 李常新

山西醫科大學第一醫院神經內科，太原 030001

腦小血管病（cerebral small vessel disease，CSVD）是包括小動脈硬化、散發或遺傳性腦淀粉樣血管病、遺傳性小血管病、炎性或免疫介導的小血管病等在內的一系列疾病，常累及小動脈、小靜脈、毛細血管等，大多起病隱匿、病情進展緩慢［1］。患者多表現為認知功能障礙、癡呆、步態異常、精神行為異常等［2-3］。有研究發現，轉化生長因子-β（transforming growth factor β，TGF-β）信號通路與CSVD 認知功能損害和癡呆相關［4-6］。TGF-β 是一類由多種細胞分泌的具有生物活性的調節因子，其生物學作用是通過結合靶細胞表面的受體，將信號轉導至核內而發揮作用，還可通過調控細胞生長、增殖、分化、遷移導致顱內小血管發生病理改變［7-8］。近年來，有關TGF-β 信號通路與遺傳性CSVD發病機制成為研究的熱點。

TGF-β蛋白家族及其受體

TGF-β 超家族包括TGF-β、骨形態發生蛋白（bone morphogenic protein，BMP）、激活蛋白及相關蛋白。其中TGF-β 在人體中分布廣泛，是通過二硫鍵連接2 條完全相同的多肽鏈（含112 個氨基酸）而形成的二聚體，哺乳動物中多見TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3亞型，其編碼基因分別位于不同染色體上，具有高度的功能保守性和結構保守性，可廣泛表達于內皮細胞、神經細胞、成纖維細胞、上皮細胞以及間充質細胞等［9-10］。

TGF-β 參與調節細胞生長、凋亡、分化、遷移和細胞外基質生成等多種過程，對不同種類細胞可表現出促進或抑制兩種作用［9］。無論是在胚胎時期還是在成年后，TGF-β在神經系統發育、功能維持等多個方面都起關鍵作用，不僅可以調控神經細胞功能、引導細胞遷移、突觸發生，還能調節炎性反應、促進認知功能障礙等［11-12］。

TGF-β信號轉導通路及其轉導機制

TGF-β 信號轉導通路可通過Smad 依賴通路和非Smad依賴通路發揮作用，兩種通路均有賴于TGF-β 跨膜受體復合物［8，11］。TGF-β 受體依據分子量大小不同分為TGF-βRⅠ（TβRⅠ）、TGF-βRⅡ（TβRⅡ）和TGF-βRⅢ（TβRⅢ）。其中，TβRⅡ是一種絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，可與活化的TGF-β 配體特異性識別、結合，激活細胞內的Ser/Thr 激酶區域，并結合TβRⅠ共同形成跨膜受體復合物，進一步介導后續細胞內的連鎖反應。

TGF-β/Smads 信號通路是最經典、研究最廣泛的TGF-β 信號通路，當其信號轉導功能發生障礙時，可并發CSVD［7-8］、纖維化疾病［13-14］、結締組織疾病［15］等。Smads 蛋白家族在此通路中起到了關鍵介導作用。Smads 蛋白家族存在于細胞質中，是最早被證明的TGF-β 受體復合物作用的底物，目前已知的Smads 蛋白至少有8 種（Smad1～Smad8）。受體復合物中活化的TβRⅠ磷酸化下游Smad2/Smad3 蛋白，與Smad4 三聚體結合形成轉錄復合物，并與特異性結合蛋白結合，最終進入細胞核激活目的基因［16］。在此過程中，Smad7 可通過緊密結合TβRⅠ，抑制Smads 磷酸化而發揮負性調控作用［17］。由此可見Smads蛋白是轉導TGF-β信號進入細胞核的關鍵環節。

TGF-β 相關蛋白還可以激活其他非Smad 依賴的信號通路級聯反應，例如促分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、核 因 子 κB（nuclear factor κB，NF-kb）等。由于與Smads 受體結合的連接蛋白具有多樣性，MAPK 信號通路被酪氨酸激酶受體或Ras 激活后，可通過磷酸化Smads 調控TGF-β/Smads 信號通路，多條信號通路互相協調，進一步實現對細胞不同生命階段的精密調控。研究表明，體內動力學緩慢的激活過程常與Smad 依賴的轉錄反應相關，而對于應激反應等需要快速激活的過程，多以非Smad依賴的MAPK通路為主導［11，18］。

TGF-β信號通路與遺傳性CSVD

目前CSVD的病因及相關發病機制仍不明確，有研究證實TGF-β 信號通路在遺傳性CSVD 中起作用［19］，但相關研究多局限于平滑肌細胞［［7，20］和成纖維細胞［17］。有研究認為，在血管發生和重塑過程中，TGF-β對內皮細胞有多重影響，可能會導致內皮細胞功能紊亂［21］。內皮細胞功能下降引起血管壁結構改變，血腦屏障通透性增加，血液成分外滲損傷周圍腦組織，進而導致神經功能缺損［22-23］。伴皮質下梗死和白質病變的常染色體顯性遺傳性腦動脈病（CADASIL）是最常見的遺傳性CSVD，NOTCH3基因突變可通過介導細胞外基質蛋白等的異常募集，引起TGF-β 信號通路上調，進而導致腦血管功能障礙［24］。NOTCH3細胞外結構域（extracellular domain，ECD）在血管壁的聚集和沉積是CADASIL 早期病理學標志［25］，有學者通過研究其富集的腦區纖維連接蛋白、纖維蛋白1 和TGF-β 結合蛋白（latent TGF-β binding protein，LTBP）家 族 成 員 ，發 現 潛 在 的LTBP-1 與Notch3-ECD 沉積具有特異性聚集，是TGF-β 信號調節因子家族中的關鍵作用因子，可直接與Notch3-ECD結合改變TGF-β 活性，對下游信號通路產生影響［24，26］。NOTCH3基因突變的致病作用和后續對細胞的影響可能是基于Smads與其他因子的協同作用。研究表明，NOTCH3基因可阻斷TGF-β1 依賴的平滑肌細胞分化，而TGF-β1 又可通過Smads 和P38 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）導致NOTCH3表達的下降［27］。

伴有皮質下梗死和白質病變的常染色體隱性遺傳性腦動脈病（CARASIL）是由HTRA1基因純合突變導致的遺傳性CSVD，典型臨床表現為顱內小血管病變、脊椎病、脫發等，由于TGF-β家族中的骨形成因子可參與骨形成及毛囊干細胞的生長，當此家族中BMP分泌增多、功能亢進時會促進其脊柱病及脫發等相關臨床表型的產生［28］。TGF-β受體變異可導致毛細血管結構消失，導致影像學出現毛細血管擴張征［29］。CARASIL 患者的腦小血管中膜可見TGF-β 沉積。目前HTRA1基因可參與TGF-β1 信號通路轉導，抑制TGF-β1 激活已被證實［8，30］。研究認為，HTRA1基因純合突變（L364P）會下調HTRA1mRNA、蛋白水平，降低HTRA1蛋白酶活性，進一步上調TGF-β/Smads信號通路，誘導成纖維細胞增殖、分化，促進顱內小血管內膜纖維化、動脈硬化［7，10］。另外，HTRA1 絲氨酸蛋白酶功能下降可減弱其對TGF-β1 表達的抑制作用，TGF-β1 的表達增多可引發腦動脈病變［19］。

HTRA1基因突變相關CSVD 癥狀攜帶者發病與此基因雜合突變相關［31］，臨床表現大多與CARASIL 類似，但后者癥狀通常較重［32］。不同突變位點突變的致病機制不同［33］，部分基因位點突變存在顯性負效應，可影響正常基因表達的蛋白發揮作用［17］；但當HTRA1基因突變位點位于激活其蛋白酶關鍵部位時（例如L3 環、LD 環），可導致蛋白酶激活障礙，促使下游TGF-β1/Smads 信號通路傳導異常［32］。而CARASIL 患者錯義突變位點通常位于蛋白酶結構域，L3/LD 區域少見。因此，HTRA1基因潛在致病機制可能是通過表達絲氨酸蛋白酶來調節TGF-β 信號通路［19］，但個體化疾病嚴重程度與突變位點相關，仍有待進一步深入探討。

Fabry病是一種由α-半乳糖苷酶A缺乏導致的疾病，臨床表現主要為動脈相關并發癥，腦血管、腎臟、心臟疾病較常見，但此類血管病變的機制尚不清楚［34］。有研究發現，α-半乳糖苷酶A 缺乏可導致顱內小動脈硬化、血管狹窄等病理改變，是缺血性腦血管病發生的危險因素［35］，TGF-β在此過程中起重要作用。當TGF-β 信號通路下調時，可抑制細胞外基質蛋白的積累，進而抑制動脈硬化的發生和發展［36］。

結 語

隨著人口老齡化的增加，CSVD 可能會變得越來越普遍，但其發病機制尚不十分明確，且治療措施上還存在許多爭議。我們已知遺傳性CSVD 發病與TGF-β 信號通路存在密切聯系，但此通路的調節異常不能作為一元論來解釋CSVD的發生，未來可能還需要在分子生物學水平上進一步探索不同信號通路之間的聯系，以期為臨床治療提供潛在的分子靶點。