Nodal 信号网络参与脑缺血损伤研究进展

崔 杨，莽 靖综述，徐忠信审校

Nodal 是转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族成员，TGF-β/Nodal 信号已经被证实为维持人类胚胎干细胞多潜能的重要因素，在动物器官形成、胚胎发育、上皮组织增生、细胞外基质合成及组织稳态等方面都发挥着重要作用［1，2］。随着Nodal 受体克隆、受体功能研究进展以及Nodal 受体信号传递下游分子的发现，丰富了对Nodal 作用机制了解，使Nodal 成为骨形成、骨分化、先天性心脏病以及肿瘤导致程序化细胞死亡机制等方面的研究热点。同时，近年来Nodal 被发现并证实参与多条信号转导通路，如PI3K/Akt 信号通路、JAK/STAT 信号通路、Notch 信号通路、ActA/Smads 信号通路、MARK 类信号通路等，构成信号网络，研究发现这些信号通路参与了中枢神经系统缺血性损伤与修复，影响细胞代谢、增殖、分化及程序化死亡过程。本文对近年Nodal 信号网络参与脑缺血损伤研究进展综述如下。

1 经典的Nodal 信号转导途径

Nodal 蛋白是一种跨膜糖蛋白，由260 个氨基酸组成，包括胞外配体结合域N 末端、跨膜段、胞内C 末端［3］。其受体为细胞膜上丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶样型受体ActR，包括ActRI(又称ALKs)和ActRII，ActRI 有ALK4 和ALK7 两种，ActRII 同样发现有ActRIIA 和ActRIIB 两种［4］。Nodal 信号转导机制同TGF-β 超家族其它成员非常相似，不同的是I 型受体可直接与Nodal 配基结合，但亲和力很弱，而在II 型受体同时存在的条件下，对受体的亲和力大为增强［5］。

分泌至胞外的Nodal 以二聚体的形式与辅助受体EGFCFC 蛋白偶联，结合并激活ActRII，然后II 型受体磷酸化I型受体，组成异二聚体转导信号，进而激活胞质内Smads 蛋白。配体受体复合物磷酸化激活Smad2 和/或Smad3，被激活的R-Smad 再同Smad4 结合，形成的复合物进入核内激活下游特异基因的转录，通过Smad DNA 结合配体FoxH1、Mixer 等转录因子对Nodal 基因的表达进行调控［6，7］。Nodal 信号同TGF-β 信号通路共享了一些因子，例如Nodal、Activin、GDF1 和inhibin 都通过ActRIIB 和ALK4 受体传递信号，共享Smad2 和Smad3。

Nodal 与ActRl、ll 型受体的稳定结合需要Cripto-1(EGFCFC 蛋白之一)的辅助，Cripto 通过糖基磷脂酞肌醇(GPI)锚定于细胞表面。Cripto-1 蛋白通过促进Furin 基因的表达，增强Nodal 信号转导功能［8］。另外，Cripto-1 蛋白不仅仅是细胞间信号转导和细胞外的可溶解成份，如其与糖基磷脂酰肌醇结合，还具有促进Nodal 复合受体旁分泌功能［9］。Nodal通路的正常转导也有赖于适度的负性调控。Lefty 可通过与Nodal 或者Cripto-1 结合阻断Nodal 信号［10］。Cerberus 和Cerberus 样蛋白通过阻断Nodal 与其受体结合发挥作用［11］。此外，转录辅阻遏因子DRAP 1 等可通过结合FOXH1，阻止与Nodal 信号通路靶基因DNA 的结合，发挥其负性调控作用［12］。

2 Nodal 信号网络参与脑缺血损伤

而Nodal 除上述经典的Nodal/Smads 通路以外，与MAPK、PI3K/Akt、Notch 等信号转导通路存在相互作用，与Activin 存在共同的下游分子。不仅如此，Nodal 信号在转导过程中，也受到其他生长因子信号网络的交叉调节，影响其固有的生物学效应。

2.1 Nodal 与ActA/Smads 信号通路 经典的Nodal/Smads 和ActA/Smads 信号转导通路极其相似。在膜受体水平，Nodal 信号激活了和ActA 相同或和ActA 高度相关的途径［13］。在胞内信号传导，Nodal 和ActA 均借助Smads 通路实现对核内基因表达的调控，继而产生各自的生物学效应。

ActA/Smads 通路在脑缺血性损伤中发挥重要的神经保护功能。在体内外模拟的脑缺血性损伤中存在内源性ActA/Smads 通路激活［14］。外源性给予ActA 可下调一氧化碳合酶，提高超氧化物歧化酶的表达，从而通过抗氧化途径发挥神经保护作用［15］。靶向沉默抑制性Smad(Smad7)，可提高ActA/Smads 通路活性，减轻神经元缺血性损伤［16］。Smad 锚着蛋白(Smad anchor for receptor activation，SARA)具有维持ActA/Smads 通路的基础活化水平，促进Smad2 蛋白磷酸化活化的作用［17］。膜受体水平阻断ActA/Smads 通路，对ActA蛋白表达及Smad3 蛋白磷酸化水产生负性调控作用［18］。

2.2 Nodal 与Notch 信号通路 Nodal 受Notch 信号通路的诱导。细胞表面的Notch 受体激活后，胞内区域(NICD)经Y-分泌酶裂解并释放，转移至细胞核内，与DNA 上的CSL蛋白相结合形成复合体启动靶基因的转录。Nodal 的增强子具有与CSL 结合的位点，因而是Notch 信号通路的直接转录靶点［19］。

在对缺血性脑损伤的研究中发现，成年小鼠脑组织发生缺血时Notch 信号通路被激活，该通路激活后可促进缺血后神经干细胞的存活。也有研究发现，大鼠局灶脑缺血Notch1信号通路对缺血损伤后的神经修复起重要作用。但在大鼠大脑皮质神经元成熟过程中，低水平的Notch1 信号可能与神经细胞的突触发生有关，并有利于神经细胞间的联接数目增加［20，21］。缺血性脑损伤早期可以激活Notch 信号转导通路，对细胞凋亡的调控起负面作用，其机制可能与下调细胞凋亡抑制蛋白Bcl-2 表达、上调促细胞凋亡蛋白Bax 表达有关;阻断Notch 通路可以使OGD 后PC12 细胞凋亡率下降，通过抗凋亡发挥神经保护作用［22］。

2.3 Nodal 与丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)类信号研究已发现由EGF(或HGF)激活酪氨酸蛋白激酶产生的MAPK 类信号可以磷酸化Nodal，但由于磷酸化部位不同，产生的效应也不同。TGF-β 信号族转导引起的磷酸化，使Nodal 转导的信号从胞浆进入核内，效应是抑制细胞增生;而由EGF 或HGF 激活其酪氨酸激酶产生的MAPK 类信号引起的磷酸化结果是阻止其进入核内，抑制其调节转录的活性［23］。MAPK 类信号转导通路在中枢神经系统广泛表达，各种胞外信号均可经其来影响神经元形态分化、重塑、生存等，参与神经系统疾病病理生理过程。

当脑缺血时，脑组织缺氧导致细胞内外环境发生严重改变，细胞坏死或凋亡，同时也会启动修复机制对缺氧损伤进行自我修复。有研究表明，抑制MAPK 信号可能会导致减少促炎分子生产的炎症细胞，特别是小胶质细胞/巨噬细胞的高度活化后MAPK 级联缺血再灌注损伤［24］。有研究者利用大鼠缺血再灌注模型，给予MAPK 抑制剂可通过抑制MAPK信号转导介导的炎症反应，防止缺血引起的脑损伤［25］。应用抑制剂的研究证实，脑缺血损伤后，MAPK 的3 条主要信号通路均被激活，且促进了神经元的死亡，MAPK 抑制剂可对缺血性损伤起保护作用［26，27］。

2.4 Nodal 与JAK/STAT 信号通路 JAK/STAT 信号在中枢神经系统表达较为广泛，已知JAK2 和STAT3 在大脑中高表达，多存在于突触后膜。有研究发现，JAK/STAT 信号通路参与了瘦素诱导的神经保护作用，在缺血性脑损伤中，在大鼠大脑中动脉闭塞(MCAO)缺血后STAT1 表达增加，而敲除STAT1 基因可显著减小大鼠脑梗死体积［28］，结果表明STAT1 在脑缺血损伤中可能起负性调控作用。大鼠MCAO模型的动物实验中发现，脑缺血后SOCS3 mRNA(细胞因子抑制物)表达增高，反义敲除SOCS3 基因，大鼠的抗缺血能力显著下降。还有研究者阻断IL-6 信号转导，发现小鼠在皮质缺血半暗带磷酸化STAT3 表达显著减少，梗死区凋亡细胞数明显增多，梗死面积增大，神经功能缺失加重，提示STAT3活化可能具有神经保护的作用，阻止细胞凋亡［29，30］。

有研究证实，γ 干扰素通过其受体与有关酪氨酸激酶Jak1 参与STAT1 的磷酸化，激活的STAT1 引起基因转录，诱发抑制性smad7 的表达，阻碍了TGF-β 受体与Nodal 的结合，使Nodal 不能活化，即阻止了其下游一系列信号转导过程［31］。

MAPK 类信号和STAT 信号均通过影响Nodal 蛋白来控制TGF-β 族信号的转导，可能Nodal 蛋白是控制细胞命运的多个网络信号中的一个交叉作用点［32］。

2.5 Nodal 与PI3K/Akt 信号转导通路 除经典途径外，Nodal 能激活如丝裂原激酶的蛋白激酶和磷脂酰肌醇3激酶/Akt 信号转导通路等很早就已被描述为非经典的TGFβ 信号家族成员。在缺血性脑损伤的研究中显示，将脑缺血后大鼠给予PI3K 抑制剂，可通过抑制PI3K/Akt 途径抑制大鼠脑皮质神经祖细胞DNA 合成，而给予激活剂可激活该过程。还有研究显示，酪氨酸磷酸酶受体抑制剂能促进神经营养物质的表达，在缺血后起脑保护作用。在建立永久大鼠大脑中动脉缺血模型中发现，PI3K/Akt 信号途径参与缺血性脑损伤的病理过程，在缺血早期即给予外源因子提高Akt 的表达可以减少缺血脑组织的损伤［33］。在对大鼠15 min 全脑缺血模型研究发现，在缺血再灌注24 h 后海马CA1区神经元Akt-Ser-473 位点磷酸化水平即明显升高，再灌注36 h、48 h后细胞色素C 和Caspase-3 表达才升高，在表达时序上，磷酸化Akt 早于细胞色素C 和Caspase-3 表达，但后者的表达持续时间较磷酸化Akt 长;说明Akt 可能参与抗细胞凋亡作用［34］。

3 结语

综上，在目前被证实的多条参与缺血性脑损伤信号转导通路中，Nodal 在很多位点可能与这些通路存在Crosstalk(插话)，提示在脑缺血损伤这一特定病理及病理生理过程中，可能存在由Nodal 或者相类似TGF-β 超家族成员为结点的信号网络，但其参与脑缺血损伤模式、机制等尚处在对线性信号通路的研究以及在其他病理及病理生理过程研究中的推测。阐明其机制，尚需在脑缺血损伤这一特定背景下，以Nodal 或者TGF-β 超家族构成的信号网络为靶点进行更为直接及深入的研究。

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