SENP1参与慢性间歇低氧小胶质细胞极化及神经元损伤机制的研究进展

汪宏伟，刘松

(上海交通大学医学院附属新华医院呼吸科，上海 200092)

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)是临床最常见的睡眠呼吸障碍疾病，持续气道正压通气是其最有效的治疗措施之一，但持续气道正压通气治疗并不能完全逆转OSAHS的神经认知功能障碍，因此需更加关注其发生机制，从源头上阻止其发生。OSAHS的病理生理改变包括慢性间歇低氧(chronic intermittent hypoxia,CIH)、睡眠片段化、高碳酸血症、自主神经调节功能失衡、胸腔内负压剧烈变化、血流动力学改变及微循环异常等，其中CIH最为常见。CIH可导致氧化应激和炎症反应，损伤大脑前额皮质、海马等缺氧敏感区。目前认为，CIH引起的慢性炎症可能是导致神经认知功能障碍的重要病理机制[1-2]。小胶质细胞是维持中枢神经系统(central nervous system,CNS)内环境稳定最主要的常驻“巨噬细胞”样免疫监视细胞[3]，CIH可激活小胶质细胞，分泌促炎因子，产生慢性炎症反应，导致神经元细胞损伤或凋亡，进而引起神经认知功能障碍[1,4]。

1 CIH条件下小胶质细胞表型极化及参与CNS炎症反应的机制

1.1CIH诱导M1型小胶质细胞极化 小胶质细胞是维持CNS内环境稳定的固有免疫细胞，对内环境变化非常敏感，受缺血缺氧、创伤、感染等刺激，其可以从静息态转化为阿米巴状的激活态，且活化后的小胶质细胞可分别极化为经典激活的促炎M1型和选择激活的抗炎M2型。M1型能激活核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)，产生促炎因子、趋化因子及氧化代谢产物，对神经元产生毒性作用，促进炎症反应和组织损伤；M2型可通过分泌高水平的抗炎因子和转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)抑制过度的炎症反应，促进组织修复和神经元再生，避免继发性炎症损伤[5-6]。CIH可通过产生活性氧类(reactive oxygen species,ROS)、促进小胶质细胞表面受体表达等途径促使小胶质细胞向M1型极化。目前，已知的ROS、受体等途径是小胶质细胞极化的一小部分还是有其他重要通路，以及M1型和M2型两种状态在CNS炎症反应中相互转化的机制尚不清楚。

1.2M1型小胶质细胞促进CNS炎症反应的可能机制 极化的小胶质细胞可产生多种炎症介质和细胞有害物质，也可表达许多细胞表面分子(补体、受体、ROS、前炎症受体及组织相容性复合物)，参与CNS炎症反应[7]。在CIH反复低氧-复氧周期性循环中产生的大量ROS可导致机体氧化与抗氧化失衡，分泌大量诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)、白细胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等促炎因子，导致CNS炎症反应[1]。CIH通过激活NF-κB/p38促分裂原活化的蛋白激酶信号通路，不仅可上调小胶质细胞内促炎因子(TNF-α、IL-6)的水平[8]，还可促进小胶质细胞Toll样受体(Toll like receptor,TLR)4活化和NF-κB基因转录，引起iNOS、环加氧酶-2(cyclo-oxygenase-2,COX-2)、IL-6、IL-1β等炎症因子的过表达[9]。长期CIH引起CNS产生过度的“恶性”炎症反应，释放促炎因子和神经毒性分子，破坏CNS内环境稳定[10]。

1.3M1型与M2型小胶质细胞相互转化的可能机制 当CNS受到创伤、缺血缺氧、感染等刺激后，小胶质细胞可从 M0型极化为经典的M1型和非经典的M2型，M1型小胶质细胞发挥促炎和神经毒性作用；M2型小胶质细胞则抑制过度的炎症反应，增强吞噬作用，避免继发炎性损伤[11]；ROS、炎症介质等的变化可促使M0型小胶质细胞向M1型和M2型极化，体外细胞培养中加入鱼藤酮和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶(ROS生成的关键酶)，可增加细胞内ROS的生成，促使大量M1型小胶质细胞产生，通过定制的氧化铈纳米颗粒可阻断ROS的产生，调节小胶质细胞向M2型极化，发挥神经保护作用(图1A)。对缺血性脑卒中小鼠的研究发现，IL-4/IL-13释放增加可促使小胶质细胞表面Ⅱ型髓样细胞激发受体(triggering receptor expressed on myeloid cells 2,TREM2)表达上调，诱导小胶质细胞向M2型极化，iNOS、IL-6、IL-1β、TNF-α等促炎介质生成减少，IL-10、TGF-β等抗炎介质生成增加，发挥抗炎作用[1]。而体外培养小胶质细胞时加入内毒素或γ干扰素可促使其向M1型极化，TREM2表达下调，iNOS、IL-6、IL-1β、TNF-α等促炎介质生成增加，IL-10、TGF-β等抗炎介质生成减少，产生炎症反应(图1B)[1]。CIH过程中产生的大量ROS和炎症因子可通过上述途径促进M1型小胶质细胞极化，产生CNS炎症反应。因此，深入了解CIH小胶质细胞极化在神经炎症反应中的发生机制，通过定向调控小胶质细胞极化，使其向M2型极化，有助于减轻神经炎症反应，这可能是抑制神经元损伤或凋亡的重要研究思路。

2 M1型小胶质细胞促使神经元损伤或凋亡的机制

小胶质细胞是CNS抵御包括缺血缺氧在内的各种损伤的第一道防线。活化的小胶质细胞一方面分泌炎症因子和细胞毒性物质加重组织损伤；另一方面吞噬细胞碎片，分泌抗炎因子和营养因子,促进神经损伤的修复，发挥“双刃剑”的效应[12]。而小胶质细胞的亚型极化能很好地解释其在CNS损伤中的双重作用。其中M1型通过分泌TNF-α、IL-1β、IL-6等多种趋化因子和炎症因子，招募中性粒细胞、巨噬细胞/单核细胞等其他免疫细胞介导的炎症级联反应，通过各种炎症小体及胱天蛋白酶家族蛋白导致神经元细胞损伤或凋亡，同时炎症介质如一氧化氮(nitric oxide,NO)和ROS的释放也会导致神经毒性，加重神经元损伤[11,13]。

Pro-inflammatory response：促炎反应；Sress stimuli：应激刺激；ROS：活性氧类；Neuroprotective response：神经保护反应；microglia：小胶质细胞；CeNP-PEG：纳米铈-聚乙二醇；iNOS:诱导型一氧化氮合酶;Arg-1:精氨酸酶-1;TREM2:Ⅱ型髓样细胞激发受体;inflammatory：炎症；LPS:脂多糖；IFN-γ:γ干扰素；Resting：静息状态；IL：白细胞介素；Anti-inflammatory：抗炎；BDNF：脑源性神经营养因子；TNF-α:肿瘤坏死因子-α;TGF-β:转化生长因子-β；OGD：缺氧缺糖

图1应激(1A)和炎症刺激(1B)导致的小胶质细胞极化的可能示意图

CIH反复缺氧/复氧类似于缺血再灌注的病理生理过程，神经炎症反应在脑缺血再灌注损伤中起重要作用。缺血缺氧可激活小胶质细胞，并释放大量的促炎细胞因子、炎症蛋白及趋化因子，促使活化的小胶质细胞向M1型极化，释放炎症介质如NO和ROS，引起神经元去极化和谷氨酸释放，导致神经元细胞兴奋性毒性损伤[14]。有研究发现，低氧刺激可诱导大鼠海马中前炎症蛋白(如热激蛋白60、70)产生增加，不仅可诱导小胶质细胞过表达IL-1β、IL-6、TNF-α、TLR4等，还可产生大量ROS，调控促炎因子(iNOS、COX-2)过表达[15]；小胶质细胞产生的iNOS和COX-2又可分别产生NO和大量脂源性炎症介质。CIH可同时促使神经元细胞和小胶质细胞释放损伤相关分子模式，激活小胶质细胞膜上的TLR2、TLR4，招募其接头分子髓样分化因子88和β干扰素TIR结构域衔接蛋白，激活NF-κB信号通路，促使TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、COX-2、iNOS等的合成进一步增加[16-17]；同时，NF-κB活化后异位到细胞核与DNA结合，促进NADPH氧化酶生成增加，促进ROS产生，引起核内DNA损伤[18]。另外，CIH可激活小鼠海马区小胶质细胞表面的P2X7受体，经过一系列信号转导激活NADPH氧化酶，进而产生大量ROS，见图2[19-20]。上述炎症介质和神经毒性物质可导致神经元细胞毒性损伤或破坏神经元细胞的结构而导致其凋亡，而这些物质均可由M1型极化的小胶质细胞产生，但是否完全由M1型小胶质细胞产生有待进一步研究。

3 小类泛素相关修饰物化修饰及小类泛素相关修饰物特异性蛋白酶1在小胶质细胞极化和CNS炎症反应中的作用

3.1小类泛素相关修饰物(small ubiquitin-related modifier,SUMO)化修饰 SUMO化修饰是参与蛋白翻译后修饰的一种重要形式，主要是改变靶蛋白的亚细胞定位、活性和稳定性。SUMO化与去SUMO化修饰是一个动态、可逆的过程，由SUMO化酶和去SUMO化酶共同参与。动物研究发现，小鼠小胶质细胞表面TREM2表达的上调和ROS生成的减少可促使活化的小胶质细胞由M1型向M2型极化，减轻CNS炎症反应[1，21]，TREM2作为一种膜受体蛋白，其降解可能受SUMO化和去SUMO化的调控。经典的NF-κB炎症反应通路调节多种凋亡基因、受体及炎症介质的表达，参与神经元损伤或细胞凋亡，其中NF-κB蛋白的降解就被SUMO化修饰[22]。炎症小体是细胞内的一类多蛋白复合物，其被激活后释放IL-1β和IL-18等促炎因子，诱导细胞凋亡，促进炎症反应。NLRP3炎症小体作为当前的研究热点，可被多种病原体和危险信号活化，从而参与多种疾病的发生发展。体外研究发现，SUMO化也参与了NLRP3炎症小体的修饰，调控炎症反应[23]；过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator activated receptor,PPAR)作为NF-κB、Janus激酶/信号转导及转录激活因子、促分裂原活化的蛋白激酶和磷脂酰肌醇-3-激酶等炎症调控途径的上游蛋白，主要表达于小胶质细胞表面，参与启动靶基因转录，调控炎症反应、氧化应激、细胞增殖、分化和凋亡等环节。反复的缺氧/复氧能够促使大鼠小胶质细胞表面PPAR和NF-κB亚基c-Rel表达减少，抗凋亡因子Bcl-xL信使RNA转录减少。正向调控PPARγ通路对CNS各种急、慢性损伤(缺血性脑卒中、阿尔茨海默病等)有显著的保护作用[24-25]。上述NF-κB蛋白、NLRP3炎症小体和NADPH氧化酶[26]以及受体蛋白(TREM2、PPARγ)[27-28]均可被SUMO化修饰。故推断，SUMO化修饰在CIH小胶质细胞极化和神经炎症反应中具有一定的调控作用。

Direct difussion BBB breakdown vagal transmission：直接透过损伤的血脑屏障迷走神经传导；Perpheral inflammation：外周炎症；Reactive oxygen species：活性氧类；Intermittent hypoxia：间歇性低氧；Microglial activation：小胶质细胞激活；Inflammation：炎症；DAMPs：损伤相关分子模式；Neuron death：神经元死亡；BBG：P2X7 受体抑制剂;TLR：Toll样受体；NADPH:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;TRIF:β干扰素TIR结构域衔接蛋白；MyD88:髓样分化因子88；NF-κB:核因子κB;ROS:活性氧类；TNF-α：肿瘤坏死因子-α；IL-1β：白细胞介素-1β

图2 CIH致CNS神经炎症(2A)及受体途径致神经元损伤(2B)的可能机制

3.2SUMO特异性蛋白酶(small ubiquitin-related modifier specific proteases,SENP)1 SENP1通过调控转录因子或共调节因子影响基因转录，调节SUMO1、SUMO2/3的成熟和去SUMO化。SENP1和SUMO1蛋白共同参与了SUMO化修饰的动态、可逆过程。对体外CIH小胶质细胞(BV2)中6种SENPs信使RNA的转录水平进行检测，只有SENP1差异性转录最为显著，且抑制了iNOS、TNF-α、IL-6和IL-1的产生及BV2细胞凋亡[29]。这提示，SENP1在小胶质细胞极化和CNS炎症反应中扮演重要角色。低氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)是调节细胞对缺氧产生适应性反应的一种重要转录因子。SENP1可通过减弱HIF-1α的SUMO化修饰，抑制小鼠心脏缺血再灌注心肌细胞的坏死和凋亡[30]。SENP1基因敲除的小鼠经夹闭大脑中动脉处理发现，大脑皮质梗死体积较对照幼鼠明显增加，神经元细胞凋亡数量较多，且行为学测试表现也较差[31]，提示SENP1在CNS炎症反应中发挥重要作用。SENP1除发挥促进SUMO1成熟和去SUMO化的功能外，也可能参与HIF-1α、iNOS、NADPH氧化酶、TREM2、PPARγ、NF-κB的功能调控。

4 小 结

小胶质细胞的极化几乎参与所有CNS疾病，有效调控小胶质细胞的极化状态，可准确把控CNS炎症反应的水平，最大限度地保护神经元免受损伤。目前有关SUMO1/SENP1与小胶质细胞极化的研究较少，但已有关于其与CNS炎症反应的研究，且小胶质细胞作为维持CNS内环境稳定的重要免疫细胞，其极化状态对CNS炎症反应有一定的影响，推断SUMO1/SENP1可能通过调控小胶质细胞的极化参与CNS炎症反应的发生发展，进而影响神经元细胞的功能。虽然目前关于SENP1在CIH诱导的小胶质细胞极化、CNS炎症反应及神经元损伤或凋亡中的去SUMO化的调控机制尚不清楚。但SENP1参与了多种CNS炎症反应中多个蛋白分子位点的调控，这将为OSAHS神经认知障碍的防治提供新思路。有关OSAHS神经认知功能障碍发生机制，尤其是SUMO化和SENP1对CIH小胶质细胞的极化、CNS炎症反应及神经元细胞损伤的影响及其上下游间的关系等有待进一步研究。