TGF-β信号转导通路在脑小血管病中的研究进展

刘子超，孔庆霞

(1.济宁医学院临床医学院，山东 济宁 272000；2.济宁医学院附属医院神经内科，山东 济宁 272000)

脑小血管病(cerebral small vessel disease，CSVD)指由各种颅内小动脉病变引起的临床、病理及影像学改变综合征[1]。根据影像学特点，可将CSVD分为腔隙性脑梗死、脑白质高信号、脑微出血、血管周围间隙扩大和脑萎缩[2]。CSVD约占缺血性脑卒中的25%，可使脑卒中的患病风险增加1倍，是老年人群发生认知功能损害和痴呆的主要原因[3]。研究发现，血管平滑肌细胞在散发性和遗传性CSVD终末期病理过程中均被胶原蛋白或其他非张力性纤维物质替代，导致CSVD的病理改变启动因素可不同，但病理改变最终均可导致脑白质高信号、小梗死和微出血，引发认知功能障碍等临床表现[2]。CSVD与转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信号转导通路的阻断或抑制密切相关。TGF-β可以调节细胞外基质等蛋白的产生，参与血管结构的病理生理变化，多种遗传性CSVD的发病机制均与TGF-β信号转导通路密切相关[4]。目前，CSVD的病因及发病机制尚不明确，关于CSVD的分子遗传学研究是CSVD的主要研究方向，可能提供CSVD的潜在治疗靶点。现就CSVD与TGF-β信号转导通路关系的研究进展予以综述。

1 TGF-β概述

1.1TGF-β的组成及功能 TGF-β是一种多肽二聚体，哺乳动物细胞中存在TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3三种亚型，三者均由112个氨基酸组成，生物学作用相似，其编码基因分别定位于染色体19q3、1q41和14q24上。TGF-β在人体内分布广泛，几乎所有类型的细胞均可合成TGF-β并表达其相应受体。TGF-β具有抑制和促进的双向作用，包括调节细胞生长、增殖、分化和凋亡，刺激多种细胞因子、炎症介质的合成和分泌，参与细胞外基质的构成及降解等，与CSVD的病理改变存在密切关联。在中枢神经系统中，TGF-β具有促进神经元生长、调节小胶质细胞和星形胶质细胞功能、参与细胞凋亡等作用，在维持中枢神经系统稳态与损伤反应中发挥重要作用[5-6]。近年来，TGF-β在神经系统疾病发生发展与诊治中的作用逐渐受到关注。

1.2TGF-β信号转导通路 TGF-β信号转导通路已被广泛的研究，人体内TGF-β受体主要包括TGF-β受体Ⅰ、TGF-β受体Ⅱ和TGF-β受体Ⅲ。以前体TGF-β结合蛋白形式分泌的TGF-β经蛋白酶水解成为具有多种生物学作用的成熟TGF-β，TGF-β活化后与细胞表面TGF-β受体结合，通过细胞信号转导发挥其生物学活性。

经典TGF-β信号转导通路指TGF-β/Smad信号通路，当配体与TGF-β结合时，2个TGF-β受体Ⅱ与2个TGF-β受体 Ⅰ 结合成复合体，且TGF-β受体 Ⅱ可磷酸化复合体中TGF-β受体Ⅰ的丝氨酸/苏氨酸激酶区域，激活下游信号分子Smad2和Smad3，并招募Smd4形成蛋白复合物，随后进入细胞核发挥调控作用[7]。由于与Smad结合的连接蛋白具有多样性，TGF-β/Smad信号转导通路可与其他多条信号转导途径存在不同水平的相互作用，形成复杂信号转导和调控网络，共同实现精准协调的细胞生命控制。此外，TGF-β还通过促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)，NEMO基因产物激活核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)等信号转导途径发挥生物学作用，各种途径均在TGF-β信号转导通路发挥生物学调控效应的过程中发挥了重要作用。

2 CSVD

2.1CSVD病因 目前，CSVD的病因及发病机制尚不明确。高血压、高同型半胱氨酸血症、高脂血症、糖耐量异常等是CSVD常见的血管危险因素。近年来，CSVD的遗传及分子学研究已逐渐成为CSVD的研究热点。常见的遗传性CSVD包括伴皮质下梗死和白质脑病的常染色体显性遗传性脑动脉病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CADASIL)、伴皮质下梗死和白质脑病的常染色体隐性遗传性脑动脉病(cerebral autosomal recessive arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CARASIL)、法布里病(Fabry病)以及近年被证明与大脑和视网膜微血管病变有关的色素失禁症(incontinentia pigmenti，IP)等[8-9]。

2.2CSVD发病机制 CSVD的分子发病机制目前仍不明确。研究表明，CSVD是各种病理生理机制共同作用的结果，其主要机制包括：①血管结构改变及调节能力下降。多种因素引起小动脉管壁病变，使管腔狭窄、管壁变薄，导致血管闭塞、动脉硬化等，最终导致腔隙性脑梗死、脑白质疏松或脑微出血等[10]。血流动力学改变可加重脑血流低灌注及脑缺血，导致脑白质疏松、腔隙性脑梗死等病变，并与认知功能下降和痴呆的发生密切相关[11]。②血脑屏障损伤。小血管内皮组织功能紊乱导致血脑屏障通透性增加，血液中多种成分渗透到血管周围间隙及脑实质中，损伤神经细胞和胶质细胞[12]。③炎症反应。多种神经炎症因子可在长期慢性脑缺血后释放并损伤细胞外基质和神经血管单元，导致缺血灶及其周围炎症细胞浸润明显，此外，还可参与脑内免疫反应，通过级联放大过程加重脑神经功能损伤[13]。④内皮细胞功能障碍。内皮细胞功能障碍可损伤血管，使血流自动调节能力下降，导致血脑屏障通透性增加，引起脑组织损伤[14]。

3 TGF-β与CSVD

3.1TGF-β与CADASIL CADASIL是遗传性CSVD最常见的疾病类型，由壁细胞中Notch3基因突变引起Notch3异常表达所致[15]。Notch3是一种单次跨膜受体，与邻近细胞表面的配体结合，起到释放细胞内结构域、转运到细胞核、参与细胞分化以及功能调节和信息传递的作用。Notch3基因突变可改变Notch3跨膜受体细胞外结构域的半胱氨酸残基数量，导致细胞外嗜锇酸颗粒沉积，产生细胞毒性作用，从而发生血管平滑肌细胞丧失、血管壁增厚以及小动脉狭窄等病理改变，嗜锇酸颗粒的毒性作用还可导致内皮细胞和周皮细胞的丧失，其中周皮细胞对维持血脑屏障稳定性具有重要作用[16-18]。

LTBP-1是TGF-β发挥生物学作用的关键因子。研究发现，CADASIL中，因Notch3基因突变改变的细胞外结构域与LTBP-1直接结合可改变TGF-β的生物活性，从而影响TGF-β下游信号通路的传导[19]。此外，TGF-β信号转导通路和Notch3跨膜受体之间可能存在直接的相互作用。既往研究表明，TGF-β的Smad3信号转导通路可与Notch1的细胞内结构域直接结合发生相互作用，并调节下游转录[20]。由于Notch3与Notch1的细胞内结构域存在共同结构，尤其是锚定蛋白重复区域的共同结构占72%，故认为可能存在一个潜在的Notch3和Smad3结合位点[21]。因此，Notch3细胞内结构域也可能与TGF-β的Smad信号转导通路相互作用，进而改变TGF-β的信号转导，从而影响TGF-β的细胞调控等功能，引发一系列病理生理改变[22]。

3.2TGF-β与CARASIL CARASIL与TGF-β存在更直接的联系。HTRA1基因是CARASIL的致病基因，可编码HTRA1丝氨酸蛋白酶，而HTRA1丝氨酸蛋白酶可调节TGF-β信号。LTBP-1是HTRA1的作用底物[23]。HTRA1基因的纯合突变可降低HTRA1丝氨酸蛋白酶的活性，从而减少TGF-β的释放。研究表明，某些杂合HTRA1基因突变也可能导致CARASIL的发生[24]。

HTRA1基因与TGF-β的作用机制主要有以下两方面。一方面，在正常生理状态下，活化的HRTA1丝氨酸蛋白酶以细胞内蛋白或分泌蛋白的形式存在，可降解内质网中的LTBP-1和细胞膜上的TGF-β受体 Ⅱ，抑制TGF-β的信号转导，HRTA1基因突变导致HTRA1丝氨酸蛋白酶水解活性降低，从而强化TGF-β信号转导通路[25-26]。另一方面，Beaufort等[23]研究发现，与降解TGF-β所需HTRA1相比，HTRA1基因突变后HTRA1的水平降低，但仍可裂解LTBP-1，减少HTRA1基因调控的TGF-β与细胞外基质的纤维蛋白连接，增加TGF-β的生物可利用性，此外，HTRA1基因突变引起的HTRA1活性降低还可减弱TGF-β的信号转导。由此可见，TGF-β的信号传递在CARASIL发生发展中发挥重要作用，但关于其信号增强与减弱目前尚存在争议，其潜在联系仍需要进一步实验研究的阐明。

3.3TGF-β与Fabry病 Fabry病是X连锁隐性遗传多系统溶酶体贮积病，由于编码α-半乳糖苷酶A的基因突变，导致溶酶体α-半乳糖苷酶A缺乏，该基因位于Xq22.33～22[27]。Fabry病患者的α-半乳糖苷酶A活性丧失，神经酰胺三己糖苷在脑、心脏、肾脏等器官沉积，导致血管内皮细胞和血管平滑肌细胞损伤[28]。Eitzman等[29]对小鼠的研究发现，Fabry病可引起动脉狭窄和血栓形成等小血管病变，而小血管病变是脑动脉硬化、短暂性脑缺血发作以及缺血性脑卒中等脑血管疾病的病理基础。

目前，Fabry病导致血管病变的机制尚不明确，对Fabry肾病的研究表明，溶酶体中神经酰胺三己糖苷的沉积可促进血管内皮生长因子、血小板反应蛋白1和TGF-β的表达，进而促进血管平滑肌细胞的增殖及细胞外基质蛋白的分泌，包括纤连蛋白和Ⅳ型胶原蛋白的产生[30-31]。研究表明，TGF-β信号转导的减弱对神经酰胺三己糖苷沉积导致的细胞外基质蛋白的蓄积起抑制作用，可抑制动脉硬化的发生发展[32]。故推测，TGF-β在Fabry病所致动脉硬化的发生发展中起重要作用，阻断其信号通路可能抑制Fabry病的发展，但其具体病理生理机制仍需进一步的研究。

3.4TGF-β与IP IP由位于染色体Xq28上的NEMO基因突变所致，NEMO基因4～10外显子缺失是IP最常见的突变类型，其突变可控制IP的发生[33]。NEMO基因产物激活NF-κB可调节大多数细胞基因的表达[34]。有学者认为，脑血管壁NEMO基因突变并异常表达是IP患者发生脑部病变的主要原因，突变诱导的细胞凋亡导致血管受损(包括小血管的缺血、出血病变)，从而引起缺血性和出血性脑卒中[35]。

除Smad信号转导途径外，TGF-β可通过TGF-β活化激酶1(TGF-β-activated kinase 1，TAK1)激活NF-κB信号转导通路。TAK1也可被其他细胞因子激活，如肿瘤坏死因子。在正常生理状态下，NF-κB与NF-κB抑制蛋白结合而处于失活状态，当上游信号激活NF-κB抑制蛋白激酶后，活化的NF-κB抑制蛋白激酶会发生泛素化、磷酸化，从而解除NF-κB抑制蛋白对NF-κB的抑制作用，使NF-κB激活并将其p65、p50两个亚基释放转移到细胞核内，从而激活多种基因的转录。

研究表明，TAK1对NF-κB抑制蛋白激酶具有活化作用，IP中TAK1对NF-κB抑制蛋白的活化作用缺失[36]。Ridder等[37]的研究发现，TAK1在小鼠IP模型大脑内皮细胞的表达缺失。在IP中，NEMO基因突变不仅可直接抑制或阻断NF-κB活性，导致细胞凋亡，引发疾病，还可影响NF-κB正常表达导致TAK1功能缺陷，使IP中TGF-β的NF-κB信号转导缺失，导致内皮细胞死亡、微血管壁变薄，破坏血脑屏障。由此可见，TGF-β可在IP发生发展中发挥至关重要的作用，表明IP可能是发育性CSVD的原因，可见，CSVD不仅是老年人群发生血管性痴呆和残疾的病理基础，还可能是不同年龄段广泛发生CSVD临床表现的原因。但TGF-β在IP发生中的具体机制仍有待进一步研究的阐明。

3.5TGF-β与血管相关性CSVD TGF-β信号转导通路不仅与遗传性CSVD密切相关，还在血管性CSVD中发挥重要作用。TGF-β与血管危险因素相关的散发性CSVD存在潜在关联。Poittevin等[38]对小鼠的研究发现，小鼠大脑中TGF-β的表达降低与糖尿病性微血管病变的发生发展有关，为糖尿病微血管病变的研究开辟了一个新的方向。Negishi等[39]认为，高血压动脉血管中血流剪切力的改变可影响TGF-β的表达。当血压升高时，TGF-β可介导血管NF-κB的激活，并可通过表达多种细胞因子调控血管平滑肌细胞的功能，以应对过高的血管压力，避免血管硬化、重塑等损伤[40]。高血压是CSVD最常见的危险因素，TGF-β可能在CSVD血管损伤与保护机制中发挥重要作用。一项Meta分析发现，TGF-β家族的基因多态性与血管性痴呆和脑白质病变相关，其潜在分子生物学机制需要进一步探明[41]。

4 小 结

CSVD所致脑卒中、认知功能损害、痴呆等在很大程度上增加了患者及社会经济负担。目前，国内外开展了大量CSVD的研究，但其病因及发病机制仍不明确。目前已知，遗传性CSVD与TGF-β信号转导通路存在联系，TGF-β对CSVD发病的影响较明确，但TGF-β信号转导通路的调节异常并不是所有CSVD的主要原因和唯一的分子学机制。进一步研究CSVD病理生理学机制将为发现其潜在治疗靶点及其临床诊治提供更多理论支持。