CXCL12与创伤性颅脑损伤后神经细胞凋亡的相关性

张慧艳 冀兵

创伤性颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是一种常见的外伤性疾病，损伤原因主要包括交通事故、坠落伤、工伤及钝器击打等，致残率、致死率较高，居各类创伤之首，已成为一个非常重要的社会医学问题[1]。TBI的病理类型分为原发性损伤和继发性损伤，其中继发性脑损伤带来的严重后果远远比原发性脑损伤更为严重，是导致死亡率高、预后差的重要原因之一[2]。继发性脑损伤是在原发性脑损伤的基础上发生的一系列病理生理变化，主要包括神经细胞凋亡、脑组织氧自由基及炎症因子的释放及物质代谢紊乱等，研究证明神经细胞凋亡是TBI 后最严重的继发性脑损伤[3-5]。能否有效控制神经细胞凋亡，成为临床上治疗TBI的一个关键环节，也成为研究热点。本文就CXCL12 与TBI 后神经细胞凋亡关系的研究进展展开综述。

一、TBI神经细胞凋亡的信号通路

神经细胞凋亡主要有两条通路：一条是半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶依赖途径 （cysteinyl aspartate proteinases，Caspases），一条是半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶非依赖途径。而对于TBI 后的神经细胞凋亡主要以前者为主要途径，并且两条途径均被B 细胞淋巴瘤/白血病-2（B-cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2）家族蛋白所调控[6,7]。Caspases 属半胱氨酸蛋白酶家族，目前发现至少有16 种，按照顺序依次命名为Caspases-1～Caspases-16，在细胞凋亡中发挥着关键的作用，是多条凋亡通路的汇聚点[8,9]。其中，Caspases-3 较为活跃，是哺乳动物中细胞凋亡的关键蛋白酶[10]。Caspases-3 活化后主要有3 条凋亡信号转导途径，分别为死亡受体介导的外源凋亡通路、线粒体介导的内源性凋亡通路以及内质网介导的凋亡通路，3 条途径中发挥主要作用的是线粒体介导的凋亡途径[11]。Bcl-2 家族蛋白是一类重要的凋亡调节蛋白，包括抑制凋亡蛋白和促进凋亡蛋白，在TBI 后神经细胞凋亡调控中发挥重要作用。促凋亡蛋白包括Bax、Bak、Bad、Bid、Bim 等，抑制凋亡蛋白包括Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1 等，由于蛋白链上都存在BH1、BH2 和BH3 结构域的3 个结构基序，而且BH4 是抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3 是与促凋亡有关的结构域，所以Bcl-2 家族成员对凋亡的调节具有双向性[12]。Bcl-2 是Bcl-2家族中抑制凋亡蛋白的其中一种，具有保护细胞生存而不促进细胞增殖的特征，在线粒体、内质网均有表达，通过稳定线粒体膜的功能，阻止线粒体释放Caspase、凋亡诱导因子和细胞色素C 等作用抑制细胞凋亡[13]。Bax 是Bcl-2 家族中促凋亡蛋白的其中一种，Bcl-2 与Bax 在中枢神经系统均有表达，两者是一对相对立的凋亡调控蛋白，Bcl-2 与Bax 形成异源二聚体时抑制细胞凋亡，Bcl-2 与Bax 形成同源二聚体时诱导细胞凋亡，并且Bcl-2/Bax 的比率影响着TBI 后神经细胞是否生存，当Bax 比率大时，细胞对凋亡的敏感性增加[14,15]。

二、CXCL12 的分子结构与功能

趋化因子是一类功能相关的小分子肝素结合蛋白，分子量为8000～14 000，因其具有白细胞趋化性和细胞因子活性而被命名为“趋化因子”，在人体内，这个家族由大约50 种相关分子组成[16]。根据半胱氨酸的数量和间距，可将趋化因子分为4 个亚族，分别标记为CC、CXC、XC 和CX3C，C 代表半胱氨酸，X 代表其他任意的氨基酸，随着研究的进展，认为趋化因子是趋化因子配体，因此，又被重新标记为CCL、CXCL、XCL 或CX3CL[17,18]。CXCL12 是CXCL 亚族中 的一种细 胞 因子，又称为基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1），具有趋化活性，由基质细胞持续分泌产生，其编码基因位于染色质10q11.1，开放读码框为270 bp，编码89 个氨基酸残基，主要以单体形式存在，也可在生理条件下发生二聚化[19]。CXCL12 由单个基因编码，分别为SDF-1α、-1β、-1γ、-1δ、-1ε 和-1φ，具有6 个变体剪接异构体，有共同的前3 个外显子[20]。CXCL12 需要通过与受体结合激活细胞内下游的信号通路来发挥其生物学效应。CXCL12 的受体有两种，即CXCR4 和CXCR7，N 端功能区是CXCL12 与受体相互作用的主要结构基础，C 端主要维持CXCL12 的构象和生物活性[21]。其中，受体CXCR4 是由352 个氨基酸构成的高度保守的7 次跨膜G 蛋白偶联受体，其编码基因位于染色质2q21，包括1 个可与配体结合的胞外N 端，1 个包含丝氨酸/苏氨酸位点的胞内C 端及3 个跨膜区，DRYLAIV 基序在第3 个跨膜区，对CXCR4 与G 蛋白的偶联及磷脂酞肌醇-3 激酶（phosphatidylphthaleinol-3 kinase，PI3K），丝裂原活化蛋白激酶等下游信号通路的活化至关重要，CXCR4 表达则有利于细胞增殖和迁移。受体CXCR7 由362 个氨基酸残基组成，具有诱饵受体和功能受体的双重性质，缺乏DRYLAIV 基序，不能与G 蛋白耦合，主要通过β-arrestins 发挥生物学功能，CXCR7 表达有利于细胞生长、存活和黏附。CXCL12 参与大脑可塑性过程，在大脑生理和病理状态下都发挥着非常重要的作用[22,23]。其中，CXCL12/CXCR4 轴在中枢神经系统广泛表达，主要分布于胶质细胞、神经细胞、颗粒细胞等，在神经保护、神经功能调节、神经细胞发生和神经炎症反应中都起着关键作用[22]。

三、CXCL12 与神经细胞凋亡的相关性

近年研究发现，TBI 后出现不同程度的神经细胞凋亡，神经细胞凋亡是一个潜在的可逆过程，因此很多学者研究TBI后神经细胞凋亡的机制，试图找到治疗的靶点。研究证明，CXCL12 与受体CXCR4 的结合参与TBI的病理过程[24]。CXCL12 与受体CXCR4 结合后，可通过促进CXCR4 二聚体形成、空间构象改变、内化，以及激活与其相偶联的G 蛋白等机制而激活多种信号转导通路。（1）CXCL12/CXCR4 轴通过G 蛋白依赖的信号转导通路激活异源三聚体G 蛋白激活PI3K 激活PI3K-AKT 信号通路抗凋亡和促进细胞的生长和增殖；（2）CXCL12/CXCR4 轴能够通过神经递质的释放调节细胞的存活。在正常情况下，中枢神经系统的CXCL12 都维持在较低的水平，动物实验研究证明，大脑发生损伤之后，血液循环中的CXCL12 水平升高，这说明CXCL12 可能参与了组织的修复[25]。有报道表明，CXCL12/CXCR4 轴可通过提高Bcl-2/Bax 比率，对人T 细胞系、胸腺树突状细胞以及颗粒细胞等起到抑制凋亡的作用[26-28]。也有研究提示给予CXCL12 治疗后，通过作用受体CXCR4，提高Bcl-2/Bax 比率，进而下调Caspase-3 的活化，抑制TBI 后的神经细胞凋亡，减轻了TBI后的继发性损伤，改善预后[29]。这些研究说明CXCL12 可能通过对Bcl-2、Bax 表达的影响在神经细胞凋亡中发挥作用。还有研究发现，CXCL12 通过激活星型胶质细胞核转录因子κB诱导其死亡[30]。在小动物模型中发现，CXCR4 的拮抗剂AMD3100能通过增加细胞的凋亡及降低肿瘤细胞的增殖抑制胶质母细胞瘤的生长[31]。这些研究均表明，CXCL12 与神经细胞凋亡有着密切的关系，CXCL12 可能参与神经功能的恢复。

四、结语与展望

神经细胞凋亡是TBI 中的一个关键环节，CXCL12 可能在TBI 后神经细胞凋亡中发挥着重要作用，为TBI 后的治疗提供新的方向。目前治疗TBI的方法不尽人意，还没有一种药物对TBI 有确切的疗效，TBI 后神经细胞凋亡是一个复杂的过程，CXCL12 在TBI 中的作用还有待于进一步研究证实，但为进一步明确CXCL12 的神经保护作用及研发治疗TBI的理想药物奠定了基础。随着对TBI 病理生理研究的不断深入，神经凋亡方面展现出较强的应用前景，希望通过进一步的研究，寻找到新的治疗靶点，提高TBI 患者临床疗效。