半乳糖凝集素1对神经的保护作用

罗茗刈

(三峡大学第一临床医学院骨科，湖北 宜昌 443003)

赵红卫，陈海丹

(三峡大学第一临床医学院 三峡大学脊柱医学与创伤研究所 宜昌市中心人民医院骨二科，湖北 宜昌 443003)

Galectin-1是半乳糖凝集素家族成员之一，结构简单，功能多样。目前研究表明Galectin-1参与人体许多生理过程，如发挥抗炎症作用、免疫调节功能、阻止细胞的凋亡、促进和抗粘附的作用、细胞与细胞外基质和其他细胞间连接的作用及神经保护作用等。许多研究小组对神经保护作用进行了大量研究，目前的研究表明，在神经系统发育的整个阶段，Galectin-1广泛分布于神经系统，参与神经系统的发育；Galectin-1有利于成体神经性疾病的预后，促进神经损伤后的保护。关于Galectin-1对神经保护作用的机制提出过5种假说：①Galectin-1直接促进神经轴突的再生；②Galectin-1促进了施旺细胞在神经损伤后的迁移；③Galectin-1通过结合到细胞表面受体而激活并聚集巨噬细胞或小胶质细胞到损伤部位，进行神经保护；④Galectin-1通过加速已坏死轴突破坏而间接促进神经的再生；⑤Galectin-1通过与反应性星形细胞的协同作用而保护神经。随着Galectin-1神经保护作用及其机制的研究，Galectin-1有望为神经损伤性疾病提供新的治疗策略。

1 Galectin-1的生物学特点

Galectin-1是一种分子量为14.5kD的内源性糖结合蛋白，其结构简单，原型结构中只有一个糖类识别结构域，但常以二聚体形式存在，也能以氧化的状态存在。Galectin-1的每种形式都有不同的生物学活性，还原型Galectin-1具有凝集素活性，引起神经元凋亡变性；相反，氧化型的Galectin-1没有碳水化合物结合活性，但能促进外周神经元及轴突的再生[1]。但也有文献报道还原型Galectin-1在小鼠的嗅觉系统中也能促进神经生长[2]。Miura研究小组报道了一种缺乏6个氨基末端残基的Galectin-1，在氧化和还原状态都能够促进轴突末端再生和糖结合作用[3]。

2 Galectin-1在神经系统的表达及其作用

在哺乳动物胚胎中，中枢和周围神经系统均有Galectin-1的表达。有研究显示Galectin-1参与小鼠嗅球神经网络的形成[2]。在向成体期过渡阶段内，Galectin-1也在背根神经节发出的感觉神经元中表达[4]。在感觉神经元完成胚胎期的有丝分裂并向神经管背角延伸阶段内，也有Galectin-1的表达[5]。Galectin-1在各种神经元及非神经元细胞中观察到，如舌下神经、外展神经、眼球运动神经、滑车神经、三叉神经、面部神经施旺细胞、脉络膜丛、松果体[5-6]。可见，Galectin-1与神经系统存在着紧密的联系。

3 Galectin-1在神经损伤后的表达和作用

在神经性疾病方面，对于肌萎缩性侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)，给予Galectin-1治疗后，改善了疾病的发作、预后及运动功能[7]。对于多发性硬化(multiple sclerosis,MS)和实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)模型，Galectin-1也能显著改善病变[8]。

在周围神经中，氧化型Galectin-1能够促进神经树突的生长以及轴突的再生，如促进横断的坐骨神经生长[9]。研究表明，Galectin-1在体外环境下能够促进神经干细胞的增殖，如前脑室管膜下区域(the subventricular zone，SVZ)[10]，这促进了Galectin-1在中枢神经系统表达和作用的研究。研究表明，人重组Galectin-1能促进脊髓损伤后脊髓内成熟神经细胞的分裂[8,11]。

4 Galectin-1对神经保护作用的机制

总体来说，Galectin-1对神经保护作用的机制假说主要分两类：Galectin-1的直接作用和间接作用。有趣的是，Starossom研究组与曾提出过Galectin-1直接保护神经假说的作者Horie研究组通过实验证实：Galectin-1在体外环境下并不能促进离体神经元轴突再生[8-9]，这表明Galectin-1可能是通过体内环境中轴突附近的其它细胞来发挥作用的。现就比较清楚的机制作如下介绍。

4.1 与小胶质细胞的相互作用

小胶质细胞是中枢神经系统中固有的巨噬细胞，与外周抗原递呈细胞完全不同。小胶质细胞对中枢神经系统微环境进行持续免疫监视，并维持中枢神经系统的稳定、平衡。在静止期，小胶质细胞表达少量CD45和极微量的MHC classⅠ和Ⅱ、CD80、CD86和CD40。但是，小胶质细胞一旦被炎症刺激因子激活，小胶质细胞就会上调表达CD45、MHC和共刺激分子，加强吞噬作用，并刺激Th1和Th2的增殖。小胶质细胞通过不同途径能分化成不同亚群：经典途径激活的小胶质细胞(classically activated microglia,M1)和旁路途径激活的小胶质细胞(alternatively activated microglia,M2)；M1被认为有神经破坏作用，因为它们的数量与MS中轴突破坏的范围和实验性自身免疫性脑脊髓炎中神经元功能障碍成正相关[12]；M2却被认为有神经保护作用而促进神经修复[13]。

Starossom研究组[8]证明了Galectin-1是小胶质细胞活化的关键调节剂：抑制M1的活化，上调M2的表型。Galectin-1抑制M1、上调M2，主要是通过激活p38-MAPK(mitogen-activated protein kinase p38)、CREB(cAMP response element binding)和NF-Kb(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells)信号通路，进一步抑制了上游促炎因子，如一氧化氮合酶、干扰素、CCL2趋化因子等，从而抑制炎症反应介导的神经损伤，起到神经保护作用。另外，Galectin-1结合于CD45的O聚糖核心(一种磷酸酶，能转导M1活化的抑制信号)，促进糖蛋白保持在小胶质细胞表面，并加强了他的磷酸化活性，抑制M1的活性。Galectin-1与糖相互作用可能捕获细胞表面的糖蛋白受体，从而阻止细胞被吞噬，因此阻止了神经退行性变，促进神经保护作用。进一步，在Galectin-1表达基因敲出模型中，与野生模型相比，可观察到炎症介导的神经变性损伤更为显著；而体内应用外源性Galectin-1显著地减弱了EAE的严重性。这一研究表明，在炎症相关神经退行性变中，靶向性应用Galectin-1可能成为一种新的治疗方法。

4.2 与巨噬细胞的相互作用

对游离的背根神经节细胞，如神经元细胞、施旺细胞、巨噬细胞应用荧光标记的氧化型Galectin-1，只有在巨噬细胞表面才可见清楚的荧光标记，表明氧化型Galectin-1只与巨噬细胞相结合[9]。

巨噬细胞表达神经营养因子、特异性受体、各种细胞因子、黏附分子和细胞外基质分子。在体外使用背根神经节移植模型，Shuto研究组[14]已经证实了各种神经营养因子(NGF，IGF-I，IGF-II，CNTF)和细胞因子(IL-1，IL-6)促进轴突再生。

Horie研究组[9]以坐骨神经损伤为例，研究Galectin-1促周围神经生长：在损伤后，血液中单核细胞迅速流入损伤区而变成巨噬细胞。然后，坐骨神经残端内的轴突在损伤部位被封闭，并开始形成生长圆锥。从这些轴突的生长圆锥分泌还原型Galectin-1。一部分Galectin-1分子结合了细胞表面的β糖苷键，但另外部分摆脱了碳水化合物而进入细胞外空间。损伤的轴突和施旺细胞失去了物质渗透的膜调节功能，允许细胞内的Galectin-1进入细胞外。还原型的Galectin-1在细胞外很快变成氧化形式，形成三个二硫键结合的化合物，导致凝集素特性的丧失；氧化型Galectin-1被认为促进施旺细胞迁移和有助于轴突再生。氧化型Galectin-1结合到巨噬细胞表明的特异性受体上，启动了巨噬细胞内级联信号传导，导致分泌多种因子促进轴突生长及施旺细胞迁移。最后，促进了神经再生。

Gaudet研究组[15]也证实：无论外周神经损伤与否，Galectin-1都能够促进巨噬细胞的聚集，巨噬细胞不仅可以分泌各种因子直接作用于损伤神经，同时也能清除各种变性轴突或髓磷脂残骸，所以Galectin-1不仅能作用于损伤的神经元，也能营造友好的轴突再生环境，促进轴突再生。

Echigo研究组[16]在上述研究的基础上作了进一步探索：氧化型Galectin-1除通过直接诱导RT4-D6P2T施旺细胞迁移外，也能通过巨噬细胞释放的各种因子激活MEK/ERK1/2信号通路作用于施旺细胞，间接诱导RT4-D6P2T施旺细胞迁移而促进轴突生长；氧化型Galectin-1能够调节RAW264.7巨噬细胞内的络氨酸磷酸化酶活性，从而抑制RAW264.7巨噬细胞内的一氧化氮合酶的活性，减少损伤及γ干扰素诱导NO的产生，阻止了NO促炎症反应对轴突再生的副作用，起到神经保护作用。

4.3 与星形细胞的相互作用

Han研究组[11]的研究显示：共聚焦实验显示，在脊髓损伤后，Galcctin-1与反应性星形胶质细胞存在共定位，表明两者具有高度的亲和性；脊髓损伤动物实验中给予Galectin-1后，星形胶质细胞增殖明显，证明Galectin-1对星形胶质细胞具有某种特殊作用；外源性Galectin-1却不能改善星形胶质细胞缺陷模型运动功能；Galectin-1可能保护星形胶质细胞并动员和加速反应性星形胶质细胞向损伤中心区域的迁移。可见，Galectin-1对神经保护调节作用是通过星形胶质细胞来发挥的。

有研究表明，Galectin-1间接通过星形胶质细胞促进脑源性生长因子(BDNF)的产生，并对神经元存活、分化及突触塑形发挥作用[17]。Galectin-1诱导星形胶质细胞释放如IL-6等各种因子，这些因子能够调节脊髓损伤后的免疫反应，并促进未成熟神经胶质细胞向着星形系方向分化[18]。脊髓损伤后，星形胶质细胞能够释放神经调节素，促进神经胶质前体细胞的进一步分化[19]。反应性星形胶质细胞能够增加神经前体细胞促进因子的表达，如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)[20]。

脊髓损伤后，反应性星形胶质细胞能够保护神经元和少突胶质细胞，而改善损伤后的运动功能，主要是星形胶质细胞限制了炎性细胞侵润损伤区域，修复受损的血脑(脊髓)屏障(the blood brain/spinal cord barrier,BB(S)B)[21]。对于神经元和少突胶质细胞的保护作用，也可通过阻断谷氨酸盐受体，防止损伤后谷氨酸盐在细胞外基质(ECM)内的聚积，抑制细胞毒性物质的损害作用，从而改善损伤后的运动功能[22]。

5 问题和展望

随着研究的深入，对Galectin-1结构及神经保护作用的了解越来越多，大量的研究对Galectin-1提供了不同的视角，但仍有一些问题尚未解决。如Galectin-1的神经保护作用是否存在广泛性，Galectin-1是通过什么确切机制来发挥的神经保护作用，以及Galectin-1氨基酸空间结构在神经保护作用中发挥了什么具体作用；外源性和内源性Galectin-1的作用是否存在差异；在神经保护作用中是否存在着氧化型与还原型不同形式对应不同组织的差异。在未来对Galectin-1的研究将会更加深入，研究领域可能集中在对其空间结构的分析、具体信号转导通路的研究、基因调控方面以及研究其在神经保护中的广泛性。随着Galectin-1生物特性及神经保护作用机制的揭示，必将为神经损伤性疾病诊治提供新的策略。

[参考文献]

[1]Fukaya K,Hasegawa M,Mashitani T,et al.Oxidized galectin-1 stimulates the migration of Schwann cells from both proximal and distal stumps of transected nerves and promotes axonal regeneration after peripheral nerve injury[J]. J Neuropathol Exp Neurol,2003,62(2): 162-172.

[2] Puche AC,Poirier F,Hair M,et al.Role of galectin-1 in the developing mouse olfactory system[J].Dev Bioi,1996,179(1): 274-287.

[3] Miura T,Takahashi M,Horie H,et al. Galectin-1 beta,a natural monomeric form of galectin-1 lacking its six amino-tenIlinal residues promotes axonal regeneration but not cell death[J].Cell Death Differ,2004,11(10):1076-1083.

[4] Regan LJ,Dodd J,Barondes SH,et al.Selective expression of endogenous lactose-binding lectins and lactoseries glycoconjugates in subsets of rat sensory neurous[J].Proc Nail Acad Sci USA,1986,83(7):2248-2252.

[5] Sango K,Tokashiki A,Ajiki K,et al. Synthesis,localization and externalization of galectin-1 in mature dorsal root ganglion neurons and Schwann cells[J].Eur J Neurosci,2004,19(1):55-64.

[6] McGraw J,Gandet AD,Oschipok LW,et al．Altered primary aferent anatomy and reduced thermal sensitivity in mice lacking galectin-1[J].Pain,2005,114(1/2):7-18.

[7] Kato T,Ren CH,Wada M,et al.Galectin-1 as a potential therapeutic agent for amyotrophic lateral sclerosis[J].Curr Drug Targets,2005,6(4):407-418.

[8] Starossom SC,Mascanfroni ID,Imitola J,et al.Galectin-1 deactivates classically activated microglia and protects from inflammation-induced neurodegeneration[J].Immunity,2012,37(2):249-263.

[9] Horie H,Kadoya T,Hikawa N,et al.Oxidized galectin-1 stimulates macrophages to promote axonal regeneration in peripheral nerves after axotomy[J].Neurosci,24(8):1873-1880.

[10] Sakaguchi M,Shingo T,Shimazaki T,et al.A carbohydrate-binding protein,Galcctin-1,promotes proliferation of adult neural stem cells[J].Proc Natl Acad Sci USA,2006,103(18):7112-7117.

[11] Han H,Xia Y,Wang S,et al.Synergistic effects of galectin-1 and reactive astrocytes on functional recovery after contusive spinal cord injury[J].Arch Orthop Trauma Surg,2011,131(6):829-839.

[12] Rasmussen S,Wang Y,Kivisakk P，et al.Persistent activation of microglia is associated with neuronal dysfunction of callosal projecting pathways and multiple sclerosislike lesions in relapsing-remitting experimental autoimmune encephalomyelitis[J].Brain,2007,130(11):2816-2829.

[13] Ponomarev ED,Maresz K,Tan Y,et al.CNS-derived interleukin-4 is essential for the regulation of autoimmune inflammation and induces a state of alternative activation in microglial cells[J].J Neurosci,2007,27(40):10714-10721.

[14] Shuto T,Horie H,Hikawa N,et al.IL-6 up-regulates CNTF mRNA expression and enhances neurite regeneration[J].Neuro Report,2001,12(5):1081-1085.

[15] Gaudet AD,Leung M,Poirier F,et al. A role for galectin-1 in the immune response to peripheral nerve injury[J].Exp Neurol,2009,220(2):320-327.

[16] Echigo Y,Sugiki H,Koizumi Y,et al.Activation of RAW264.7 macrophages by oxidized galectin-1[J].immunol Lett,2010,131(1):19-23.

[17] Sasaki T,Hirabayashi J,Manya H,et al.Galectin-1 induces astrocyte differention,which leads to production of brain-derived neurotrophic factor[J]. Glycobiology,2004,14(4):357-363.

[18] Okada S,Nakamura M,Mikami Y,et al.Blockade of interleukin-6 receptor suppresses reactive astrogliosis and ameliorates functional recovery in experimental spinal cord injury[J].Neurosci Res,2004,76(2):265-276.

[19] Esper RM,Pankonin MS,Loeb JA.Neuregulins: versatile growth and differentiation factors in nervous system development and human disease[J]. Brain Res Rev,2006,51(2):161-175.

[20] Choi UH,Ha Y,Huang X,et al.Hypoxia-inducible expression of vascular endothelial growth factor for the treatment of spinal cord injury in a rat model[J].J Neurosurg Spine,2007,7(1):54-60.

[21] Iseda T,Nishio T,Kawaguchi S,et al.Spontaneous regeneration of the corticospinal tract after transection in young rats：a key role of reactive astrocytes in making favorable and unfavorable conditions for regeneration[J].Neuroscience,2004,126(2):365-374.

[22] D’Antoni S,Berretta A,Bonaccorso CM,et al. Metabotropic Glutamate Receptors in Glial Cells[J].Neurochem Res,2008,33(12):2436-2443.