鈣結合蛋白S100A9與神經退行性疾病①

李俊霖 賈亞泉 張振強 宋軍營 （河南中醫藥大學，鄭州 450046）

神經退行性疾病是一類由神經組織的慢性和進行性變性引起的疾病，主要病理表現為腦和/或脊髓神經元變性和喪失，會導致癡呆等認知障礙。在神經系統中，各種免疫細胞和分子在炎癥過程中形成一個巨大的調節網絡，清除內源性和外源性的致病物質來保護機體。由于神經網絡的不平衡，如過度的炎癥反應和持續的炎癥狀態，可能會導致進一步的組織損傷和功能失調。S100A9 是一種屬于S100 蛋白家族的多功能鈣結合蛋白，在炎癥信號傳導途徑中發揮著多種作用。S100 蛋白是最早于1965 年從牛腦組織中提取出的一種能夠100%溶解在飽和硫酸銨中性溶液中的神經系統特異性蛋白物質［1］。目前S100蛋白家族含有25個已知成員，鈣結合蛋白S100A9 是比較重要的一個［2］。該蛋白主要在多種炎癥狀態下由巨噬細胞大量產生，在創傷狀態下表皮形成細胞及內皮細胞表達明顯增多。同時也是急慢性炎癥中的重要促炎介質，在炎癥過程中，S100A9 被主動釋放，通過刺激白細胞募集和誘導細胞因子分泌，在調節炎癥反應中發揮重要作用。隨著對S100A9的關注增多，越來越多的研究表明S100A9 是某些炎癥發生時的標志物，通過結合Ca2+、Zn2+、Toll 樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4），膜蛋白晚期糖基化終末產物受體（advanced glyca?tion end products receptor，RAGE）等，S100A9 具有細胞內和細胞外調節活性，參與細胞骨架重排、炎癥反應、花生四烯酸代謝和骨髓細胞成熟等多種生物學過程［3-4］。此外，S100A9 在細胞內和細胞外微環境中具有雙重且相關的功能。鑒于S100A9 在炎癥生理學中的重要作用，其作為炎癥相關疾病的診斷生物標志物和治療靶點，具有廣闊的臨床應用前景。

1 S100A9的分子結構

鈣結合蛋白S100A9 又稱為骨髓相關蛋白-14（myeloid related protein-14，MRP-14）、細胞遷移抑制因子相關蛋白-14（migration inhibitory factor-related protein-14，MRP14）等。S100A9常與S100A8通過非共價鍵結合形成特殊的異源二聚體（S100A8/A9）發揮生物學效應，又稱鈣衛蛋白（calprotectin）［5］。S100A9蛋白的相對分子質量較小，為13 200。其編碼基因位于人染色體1q21和小鼠第3號染色體上的基因簇上［6］。S100A9多肽鏈含有兩個EF手型結構，其中起重要作用的結構為鉸鏈區和羧基末端序列，羧基端的EF手型是鈣離子的結合部位，氨基末端的EF手型表達S100A9蛋白的結構特異性［7］。無鈣離子時，S100A9可與S100A8結合形成異源二聚體，存在鈣離子時，S100A9和S100A8可與鈣衛蛋白結合形成異源四聚體［8］。S100A9具有帶電荷氨基酸殘基的螺旋環螺旋基序，這是S100家族成員的共同特征，導致它對二價離子如Ca2+和Zn2+具有高度親和力。與二價離子結合則改變了S100A9的構象，為其發揮相應的功能奠定了基礎。

2 S100A9的定位

S100A9 主要來源于中性粒細胞和單核細胞等免疫細胞，這些細胞含有豐富的S100A9，參與炎癥過程。S100A9在中性粒細胞中，約占細胞質蛋白質的45%［9］。S100A9 在組織的單核/巨噬細胞系中誘導表達，在中性粒細胞、表皮細胞、軟骨細胞以及特定病理狀態下的角質化細胞中與S100A8 組成性表達。在正常生理條件下，中性粒細胞和髓系樹突狀細胞中儲備有足夠的S100A9，而單核細胞中有低水平的S100A8/A9組成性表達［10］。

3 S100A9在神經退行性疾病中的作用

促炎蛋白S100A9 參與神經炎癥性疾病和神經退行性疾病的發展，這提示S100A9可能是一種普遍的炎癥生物標志物［11］。神經炎癥是與許多神經退行性疾病相關的病理變化的主要組成部分。S100A8/A9結合RAGE和TLR4，啟動信號轉導，通過NF-κB 通路促進S100A9轉錄增加，在細胞膜附近介導炎癥級聯反應。淀粉樣級聯反應和神經炎癥是阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）和帕金森病（Parkinson's disease，PD）等進行性神經退行性疾病最明顯和密切相關的病理表現［12］。S100A9 具有淀粉樣變性、神經毒性和信號傳導功能，其活性失調或異常分布均對正常生理活動有毒害作用，并可能形成一些神經退行性疾病如AD、PD、腦損傷、腦缺血等重要病理基礎［13-14］。

3.1 S100A9 與AD AD 作為中樞神經系統主要的慢性退行性疾病之一，以神經原纖維纏結（neurofi?brillary tangles，NFTs）、老年斑（senile plaque，SPs）、炎癥損傷及神經元死亡為主要病理特征，Aβ 沉積、氧化應激、細胞外基質變化均是AD 促發因素［14］。S100A9是斑塊形成和神經毒性的重要觸發因素，也是炎癥相關神經退行性級聯反應中的一個關鍵因素。S100A9 在AD 腦中表達高度豐富，在AD 患者和AD 模型鼠大腦中大量表達引發炎癥，損壞認知功能。從AD 早期階段，如輕度認知障礙（mild cog?nitive impairment，MCI）開始，炎癥過程在認知障礙的發展中起著關鍵作用，促炎因子S100A9可能是參與早期AD 認知障礙的生物蛋白［11］。對腦脊液和腦組織的研究發現，從MCI 到AD 癡呆的發展過程中，腦脊液中S100A9 和Aβ 伴隨減少，與腦組織中兩者的相結合的淀粉聚集有關［15］。在AD 腦組織及海馬和皮層神經元中發現了S100A9和Aβ共定位的多個淀粉斑塊。在Tg2576 小鼠中，S100A9 基因敲除可改善小鼠的學習和記憶功能，減輕淀粉樣斑塊的沉積［16］。在淀粉樣前體蛋白/早老蛋白1（APP/PS1）小鼠模型中靶向基因破壞導致S100A9的丟失，引起促炎細胞因子的產生減少［17］。S100A9 能夠介導炎癥因子如TNF-α、IL-1β 和MCP-1 等的表達，也可通過與TLR4 或CD33 結合，激活NLRP3 誘導炎性小體組裝活化與細胞焦亡［18-19］。目前，對S100A9 在AD 中作用機制的認識尚處于早期階段，有待于深入研究。這將為S100A9 在AD 的診斷和治療中既可以作為危險因素，也可以作為治療靶點提供理論支持［18］。

3.2 S100A9 與PD PD 是一種運動功能失調且最終進展成認知能力失調的疾病。PD 的主要組織學特征是出現Lewy 小體，而纖維化的α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）是形成Lewy 小體的主要成分，在PD 腦組織中形成細胞毒性淀粉樣低聚物和成熟纖維［20］。

S100A9 具有促炎癥介質和淀粉樣蛋白的雙重特性［18］。慢性神經炎癥是PD 病理生理學的特征之一，與PD 腦組織中促炎癥介質水平升高有關［21］。

持續的神經炎癥促進淀粉樣蛋白S100A9 在腦組織中的擴散可能會觸發淀粉樣蛋白級聯反應，涉及α-syn，并導致PD 的發展。由于其固有的淀粉樣變性，S100A9 可能在PD 病理過程中扮演更重要的角色，而不僅僅是疾病相關的促炎癥介質之一。越來越多的證據表明，S100A9 可能是導致或啟動α-syn淀粉樣蛋白聚集病理級聯反應的重要相關物質。在包括PD 和AD 在內的主要神經退行性疾病中，最明顯的共同點是神經炎癥［22］。APPswe/PS1DeltaE9小鼠的實驗數據表明，淀粉樣蛋白對多巴胺功能障礙的致病作用［23］。GRUDEN 等［11］證明了S100A9 對多巴胺能系統產生有害影響。但HORVATH 等［24］經過α-syn 與S100A9 體內外共聚集實驗后發現，與單個蛋白質的自組裝相比，兩者的共聚體在體外較快發生，并導致形成更大的淀粉樣聚集體。S100A9淀粉樣低聚物比α-syn 的毒性更大，而兩者的共同聚集減輕了S100A9 低聚物的細胞毒性。這可能為靶向S100A9 的治療干預和預防其在受損傷腦組織中進行淀粉樣蛋白自組裝開辟新途徑。

3.3 S100A9 與創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI） TBI 的病理生理學主要包括兩個階段：原發性腦損傷，即損傷的初級階段，機械沖擊直接導致大腦神經元損傷、血腫和腫脹；繼發性腦損傷，通過興奮性氨基酸神經毒性、自由基生成、氧化應激、鈣離子介導的損傷和炎癥反應等不同的分子機制發生［25］。S100A9 是在TBI 后立即由神經元和小膠質細胞誘導產生，并在受影響的區域內擴散。同時，在TBI 后S100A9 可在一些細胞中自組裝成淀粉樣蛋白，可能擾亂細胞、組織穩態，觸發淀粉樣神經炎癥級聯反應［26］。S100A9 基因敲除實驗已證明S100A9 在TBI 中的有害作用。S100A9 的缺失可導致神經炎癥減輕，神經保護增強，TBI 后功能轉歸改善［27］。目前研究表明TBI是AD 和PD 等神經退行性疾病發生的一個重要危險因素。TBI 可通過改變腦內酸堿平衡，導致腦組織酸中毒，從而導致神經元損傷和不良的結果［28］。同時，TBI 后S100A9 驅動淀粉樣神經炎癥級聯反應，隨著S100A9 大量產生沉積，產生長期繼發性炎癥反應，則可能導致Aβ 和S100A9淀粉樣低聚物、原纖維和斑塊的形成和沉積等為特征的神經系統疾病［29］。以上研究為探討S100A9 在TBI 中的病理作用提供了新的思路，為減輕腦損傷提供了新的治療靶點。

4 展望

關于S100A9 對神經系統相關疾病的影響越來越受到重視，促炎蛋白S100A9逐漸被認為是導致炎性神經性病變的重要因素。隨著S100 蛋白進一步深入的研究，闡明S100A9在這些疾病病理生理學中的作用機制，可能導致新的更有效的治療方法的發展和應用。因此，未來的研究應側重于驗證S100A9蛋白作為早期疾病檢測和預后的生物標志物，以及開發基于抗S100A9療法的新策略。