Semaphorin 7A的结构、功能及其在呼吸系统疾病中的作用

张敏龙，王莉，陈向军，金发光

Semaphorins由一系列进化上结构保守的糖蛋白组成，其特征性结构是由大约500个氨基酸构成的sema结构域[1-3]。sema结构域高度保守，表明该结构域是Semaphorins蛋白的关键信号元件。研究证实，仅包含sema结构域的截短的Semaphorins依然具有较为持久的生物学活性[1]。最初在禽类等脊椎动物中发现的Semaphorin蛋白—collapsin-1能够诱导生长锥塌陷[4]，其哺乳动物的同源体—sema Ⅲ也被证实能够促进某些感觉神经轴突亚型的生长[5]。其他几种Semaphorin蛋白对于轴突生长、成束以及突触的形成有促进作用[1]。另外一些Semaphorin家族蛋白表现出神经系统以外的功能，包括骨骼和心脏的形成、免疫功能调节、肿瘤抑制以及细胞耐药性的诱导等[6-10]。

Semaphorin家族蛋白根据结构特点的不同分为8种亚型，其中Semaphorin 1、2表达于无脊椎动物，Semaphorin 8表达于病毒，另外5种蛋白表达于脊椎动物。表达于脊椎动物中的5种蛋白中，Semaphorin 4-6是跨膜蛋白，Semaphorin3是分泌性蛋白，Semaphorin 7与Semaphorin 3相似，但其通过磷脂酰肌醇(phosphatidyl inositol，PI)锚链在细胞膜上[11]。plexins 和neurophilins这两个蛋白家族被认为是Semaphorin的主要受体。在这些Semaphorin蛋白中，作为一种糖基化磷脂酰肌醇(GPI)膜相关锚链蛋白，semaphorin 7A(SEMA 7A)依靠sema结构域中的整合素结合序列(精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸，RGD)发挥重要作用。

1 SEMA 7A的结构及其受体

SEMA 7A(CDw108)又被称为John-Milton-Hagen(JMH)抗原，是一种分子量为80kD的GPI膜相关锚链糖蛋白。该蛋白是在研究脊椎动物与病毒Semaphorin同源体时被发现的。Yamada等[12]在研究SEMA 7A分子时证实其cDNA包含该基因的全部编码序列，1998对碱基的cDNA开放阅读框编码666个氨基酸，其中包括由46个氨基酸组成的信号肽和19个氨基酸组成的GPI锚链基序(motif)。该蛋白非糖基化部分的分子量为68kD。RGD序列和5个潜在的N端糖基化位点都位于与细胞膜锚链的部位。SEMA 7A高表达于淋巴器官、成牙本质细胞、骨细胞、小鼠的神经系统、人类的上皮角蛋白细胞、成纤维细胞以及血管内皮细胞[13]。

SEMA 7A能够与两类不同的受体——整合素β1(β1-integrins)和Plexin C1结合。整合素是一种能够连接细胞外基质和细胞骨架的跨膜异二聚体蛋白，在细胞的黏附及迁移中有重要作用。整合素的细胞内结构域与黏着斑蛋白、踝蛋白以及桩蛋白相耦联形成黏着斑复合体。除此之外，整合素还与黏着斑激酶相耦联，黏着斑激酶能够通过磷酸化激活整合素。SEMA 7A与整合素β1相互作用可以诱导轴突延伸、细胞因子生成、神经元和单核细胞以及骨细胞的迁徙。Plexins是一种能够连接分泌型或膜结合型Semaphorins的跨膜受体家族。该受体是在研究其同源体——辐散因子受体的细胞外结构域时发现的，其细胞内结构域的组成高度保守。Plexin信号通路的一些功能是通过与G蛋白耦联实现的。Plexin还可抑制整合素及人肌动蛋白素的活化。研究证明，Plexin C1仅在某些细胞中作为SEMA 7A的受体，说明Plexin C1还有其他的配体。虽然在鼠类的树突细胞中，Plexin C1信号能够使人肌动蛋白素失活并抑制整合素，导致细胞黏附和迁移能力下降[13]，但目前对于Plexin C1下游信号通路仍知之甚少。

2 SEMA 7A的功能

SEMA 7A最主要的功能是诱导神经轴突生长以及调控炎症免疫反应。此外，在肿瘤抑制、组织重塑等方面也有着重要作用[13-15]。

2.1 促进轴突生长及嗅觉通路的形成 Ohsawa等[16]研究发现，SEMA 7A在嗅束形成过程中发挥着重要作用。Apaf-1/caspase-9信号通路是嗅束形成的非凋亡过程中的关键通路。在Apaf-1−/−和caspase-9−/−的小鼠中，尽管嗅觉神经元数量没有减少，但其成熟过程遭到了破坏，在嗅束轴突投射到嗅球的特定区域中，Apaf-1/caspase-9信号通路的丧失引起SEMA 7A的剪切，使结构域破坏，从而导致其失去原有功能。

SEMA 7A在性腺发育过程中也发挥重要作用。Messina等[17]通过对小鼠模型进行研究证实，SEMA 7A对于促性腺激素释放激素-1(gonadotropin releasing hormone-1，GnRH-1)分泌性神经细胞的发育至关重要。SEMA 7A表达缺失会改变GnRH-1神经元的迁移，并导致成年鼠脑中这类神经元数量明显减少及性腺体积和生育能力的降低。在GnRH-1神经元迁移的不同阶段，细胞表面会分别表达SEMA 7A蛋白的受体整合素β1和Plexin C1。对Plexin C1(−/−)小鼠的分析表明，Plexin C1受体并没有对GnRH-1神经元的迁移过程产生任何影响，但整合素β1受体的抑制却破坏了SEMA 7A蛋白诱导的神经元迁移[17]。该结果表明，SEMA 7A对于GnRH-1神经元的诱导迁移是通过整合素β1受体发挥作用的。

SEMA 7A在牙髓复合体的神经支配形成、角膜神经再生以及脊髓损伤中也有重要作用。Maurin等[18]在研究人类牙齿的神经支配时，将三叉神经节细胞与COS细胞联合培养，结果发现COS细胞过表达SEMA 7A蛋白能够促进三叉神经纤维的生长，并且牙髓神经纤维表达SEMA 7A的受体整合素β1。Namavari等[19]在研究角膜神经再生和炎症反应时发现，SEMA 7A在角膜中的表达是组成性的，能够促进神经再生。另外，Kopp等[20]证实SEMA 7A在脊髓损伤后的瘢痕形成和成熟过程中有重要作用。

2.2 SEMA 7A对免疫炎症反应的调节作用 在免疫系统中，SEMA 7A通过与整合素α1和β1相互作用，刺激巨噬细胞产生前炎症因子。另外，牛痘病毒semaphorin A39R——一种与脊椎动物SEMA 7A结构相似的蛋白，通过与Plexin C1相互作用导致人类单核细胞的聚集和活化，促进IL-6和TNF-α等炎症因子的产生[21]。Suzuki等[22]在研究SEMA 7A缺陷(SEMA 7A−/−)小鼠时发现，表达于活化的T细胞中的SEMA 7A通过与整合素α1和β1相互作用刺激单核细胞和巨噬细胞产生细胞因子，同时，SEMA 7A对于炎症免疫反应的效应阶段也有重要作用。在接触性超敏反应和自身免疫性脑脊髓炎中，SEMA 7A缺陷小鼠细胞免疫介导的炎症反应是不健全的。尽管在SEMA 7A缺陷小鼠中抗原特异性和产生细胞因子的效应T细胞能够发育并迁移到抗原集中部位，但SEMA 7A缺陷小鼠的T细胞甚至在直接注射到抗原集中部位时都不能诱导接触性超敏反应。因此，SEMA 7A是T细胞介导的炎症反应中重要的效应分子。Gras等[23]研究发现，SEMA 7A的变异体SEMA 7A_R461C能够明显引起抗原非依赖性T细胞的激活，且当存在抗原时其对T细胞的激活有共刺激效应。在SEMA 7A_R461C的刺激下，CD4+T细胞大量增殖并通过粒酶B(granzyme B)的表达上调表现出明显的细胞毒性，这种效应在缺乏抗原的情况下也很显著。抗体抑制实验证实，SEMA 7A_R461C诱导T细胞活化是整合素β1依赖性的。

SEMA 7A参与了肠道黏膜免疫系统的维持。Kang等[24]在研究肠道黏膜免疫稳态时发现，肠道上皮细胞产生的SEMA 7A可诱导巨噬细胞产生IL-10，从而调节肠道炎症反应。重组的SEMA 7A蛋白会减轻肠道炎症的严重程度，而这种效果可被IL-10的抗体阻断。

此外，SEMA 7A在皮肤炎症、病毒感染以及多种自身免疫性疾病中也扮演着重要角色。Kamata等[25]在研究皮肤炎症中角质上皮细胞与单核细胞相互作用时发现，SEMA 7A与整合素β1相互作用并激活单核细胞，引起单核细胞产生IL-8等炎症因子，加重皮肤炎症。Sultana等[26]在研究西尼罗病毒(WNV)时发现，WNV感染会导致血液及组织中SEMA 7A表达增加，而在SEMA 7A缺陷或腹腔注射SEMA 7A抗体的鼠中，WNV感染的致死率明显降低，SEMA 7A缺陷鼠感染WNV后的炎症反应也明显减轻。Eixarch等[27]研究证实SEMA 7A可促进多发性硬化等自身免疫性疾病的进展。

3 SEMA 7A与呼吸系统疾病

3.1 SEMA 7A在缺氧性肺损伤中的作用 免疫系统和神经系统之间存在双向联系，这种双向联系包括细胞因子诱导的神经反应以及神经递质和神经轴突诱导的蛋白对免疫系统的调节作用。其中，某些神经诱导因子不仅提供使神经细胞停止生长的信号，还可提供使白细胞停止迁移的信号。

作为神经诱导因子的SEMA 7A能够促进多形核中性粒细胞(polymorphonuclear leucocytes，PMNs)穿过内皮细胞层。Morote-Garcia等[28]在研究缺氧性肺损伤的过程中发现，SEMA 7A可诱导细胞外免疫细胞的迁移并促进前炎症反应。该研究表明，在缺氧环境中人毛细血管内皮细胞(HMEC-1)SEMA 7A的表达随时间延长而增高。进一步研究SEMA 7A与中性粒细胞跨膜迁移的关系发现，SEMA 7A可促进PMNs通过血管内皮细胞迁移，且这种效应的产生依赖于Plexin C1受体。免疫共沉淀实验表明缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)具有与SEMA 7A相互作用的结构，而且即使在常氧环境下，过表达的HIF-1α也会诱导SEMA 7A的产生。在相关的动物实验中，缺氧环境同样会诱导肺组织中SEMA 7A的表达，而在缺氧环境下SEMA 7A缺陷小鼠(SEMA 7A−/−)肺组织中髓过氧化物酶(myeloperoxidase，MPO)活性和中性粒细胞的数量都显著下降，同时，伊文思蓝法证实在缺氧环境下SEMA 7A−/−小鼠肺部血管通透性低于对照组。因此，SEMA 7A不仅能够通过激活炎症部位的单核和巨噬细胞引起炎症反应，还可以诱导PMNs在炎症部位累积，增强炎症反应并增加血管通透性。

3.2 SEMA 7A在肺纤维化中的作用 SEMA 7A在TGF-β1诱导的肺纤维化和自身免疫性疾病如硬皮病导致的肺纤维化中发挥关键作用。

Reilkoff等[29]在研究肺纤维化过程中SEMA 7A与淋巴细胞的关系时发现，特发性肺间质纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)的患者肺组织CD4+细胞和血循环中CD4+或CD19+细胞中SEMA 7A表达增加。在进行性肺纤维化患者中，CD4+细胞和CD4+CD25+FoxP3+调节性T细胞中SEMA 7A表达上调，但在CD19+细胞中却未见此变化。动物实验表明，SEMA 7A在TGF-β1转基因小鼠肺组织和脾脏CD4+T细胞中表达增加，但CD19+T细胞中未见此变化。表达SEMA 7A的骨髓来源的细胞能够诱导肺纤维化，并能改变T细胞生成的炎症因子如IFN-γ、IL-4、IL-17A和IL-10的水平，这些效应均为CD4依赖而非CD19依赖性的。与SEMA 7A–CD4+CD25+FoxP3+细胞相比，SEMA 7A+CD4+CD25+FoxP3+细胞中某些调节基因如IL-10的表达下降，在TGF-β1干预的小鼠肺脏中，这些改变会引起纤维化和组织重塑。因此，SEMA 7A+CD4+CD25+FoxP3+调节性T细胞与肺间质纤维化患者病情进展有关，且能够诱导TGF-β1干预小鼠的肺纤维化。

Gan等[30]在研究TGF-β1转基因鼠时发现，移植带有SEMA 7A的骨髓细胞可促进肺纤维化的形成，而抑制β1整合素可减少肺纤维化的产生。对硬皮病诱导的肺纤维化患者外周血单核细胞进行分析表明，SEMA 7A的mRNA及其受体表达增加，且外周血中产生胶原的成纤维细胞以及CD19+淋巴细胞增多。用重组的SEMA 7A刺激正常人外周单核细胞可促进纤维细胞的分化，且这种效应可被整合素β1抑制。这些结果表明，减少SEMA 7A的表达或者阻断SEMA 7A与整合素β1的相互作用可减轻TGF-β1诱导的肺纤维化。

4 结 语

SEMA 7A是一种GPI锚链的膜相关糖蛋白，在多个系统中发挥重要作用。由于该蛋白还具有诱导中性粒细胞迁移以及在炎症部位累积、增加血管通透性、促进炎症介质产生、引起纤维化和组织重塑等作用，与呼吸系统疾病密切相关，从而为一些呼吸系统疾病如急性肺损伤、肺纤维化等的治疗提供了新的方向。但SEMA 7A在呼吸系统疾病中的具体作用机制和信号通路还有待进一步探讨。

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