SDF-1/CXCR4/CXCR7信号轴在缺血性脑卒中中的作用

吴滢

摘要：基质细胞衍生因子-1（SDF-1）是由骨髓基质细胞产生的CXC类趋化蛋白。CXCR4和CXCR7是已知的两个由SDF-1激活的两个G蛋白偶联受体，在发育和成熟的中枢神经系统中均表达，并参与中枢神经系统中多种病理生理过程，包括脑发育、血管生成、神经变性和神经发生。脑缺血性损伤后，缺血半暗带内SDF-1水平显着增加并诱导神经功能修复，SDF-1/CXCR4/CXCR7信号传导通路可能为卒中的治疗提供新的靶点。本文主要就SDF-1/CXCR4/CXCR7的结构、在中枢神经系统中的表达、相互作用以及其在脑缺血中的作用进行综述，旨在为缺血性脑卒中的治疗提供理论参考。

关键词：基质细胞衍生因子-1;缺血性卒中;CXCR4;CXCR7

中图分类号：R743.3                                文献标识码：A                                  DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2020.11.012

文章编号：1006-1959（2020）11-0034-04

Abstract：Stromal cell-derived factor-1 （SDF-1） is a CXC-like chemotactic protein produced by bone marrow stromal cells. CXCR4 and CXCR7 are two known G protein-coupled receptors activated by SDF-1， which are both expressed in the developing and mature central nervous system and participate in various pathophysiological processes in the central nervous system， including the brain Development， angiogenesis， neurodegeneration and neurogenesis. After cerebral ischemic injury， the level of SDF-1 in the ischemic penumbra significantly increased and induced neurological function repair. The SDF-1 / CXCR4 / CXCR7 signaling pathway may provide a new target for the treatment of stroke. This article mainly reviews the structure of SDF-1 / CXCR4 / CXCR7， its expression and interaction in the central nervous system， and its role in cerebral ischemia， aiming to provide a theoretical reference for the treatment of ischemic stroke.

Key words：Stromal cell-derived factor-1;Ischemic stroke;CXCR4;CXCR7

趨化因子是一类能够吸引免疫细胞并具有趋化性的小细胞因子或信号蛋白，根据氨基端半胱氨酸的排列方式，将它们分为CXC、CC、C和CX3C四个亚家族。基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）来源骨髓基质细胞属于CXC超家族，系统命名为CXCL12。SDF-1α在所有器官中都有丰富且广泛的表达，过去认为趋化因子受体4（chemokine receptor 4，CXCR4）是SDF-1唯一的受体。然而近年来的研究发现趋化因子受体7（chemokine receptor 7，CXCR7）也属于SDF-1的受体。目前研究认为[1]，SDF-1及其受体形成的SDF-1/CXCR4/CXCR7通路参与中枢神经系统的各种生理和病理过程，包括神经系统的发育、炎症反应、神经发生和血管发生。本文主要就SDF-1/CXCR4/CXCR7信号轴在缺血性脑损伤中的作用进行综述，旨在为临床治疗缺血性脑损伤提供理论依据。

1 SDF-1/CXCR4/CXCR7结构及其在中枢神经系统中的表达

SDF-1的核苷酸和氨基酸为高度保守序列，编码基因位于10号染色体长臂，其cDNA全长1776 bp，编码区含有1个267 bp核苷酸序列的开放读码框，编码89个氨基酸碱基多肽[2]。SDF-1能够在多种细胞和组织中表达，人体内含有六种SDF-1异构体（α、β、γ、δ、ε、φ），其中以α亚型为主。大鼠/小鼠含有3种异构体（α、β、γ），所有异构体具有一个共同的mRNA前体分子的选择性剪接产物。胚胎时期，SDF-1在发育中的皮层、心室周围区域表达，脑膜中的表达水平很高。出生后，SDF-1在脑干、嗅球、海马、下丘脑、小脑和脑血管中组成性表达，且SDF-1在海马中的高水平表达贯穿整个生物体的一生。在成熟的中枢神经系统中，已知SDF-1在神经元、神经胶质细胞、内皮细胞和脑膜细胞中组成性表达[3]。

CXCR4曾被认为是SDF-1唯一的受体，编码基因位于4号染色体，有7个跨膜α螺旋，由352个氨基酸组成[4]。SDF-1能够与其相应的G蛋白偶联受体CXCR4特异性结合，组成SDF-1/CXCR4生物学轴，在白细胞、CD34+造血干细胞及CD34+祖细胞表面都有广泛表达[5]，其信号通路对细胞增殖、促进趋化、粘附和迁移、骨髓动员造血等多种生物学过程中有着重要的作用。与SDF-1的表达相似，CXCR4的表达可以在胚胎早期8.5 d时检测到，主要在心室区和边缘区表达。出生后，CXCR4在上述区域的表达逐渐降低，但在齿状回亚颗粒区（SGZ）和嗅球中终生持续存在。CXCR4在成熟的神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和室管膜细胞中组成性表达[3]。

CXCR7是SDF-1的第二种受体，属于七次跨膜GPCR的超家族，能与CXCR4在细胞膜形成异二聚体，协同介导SDF-1的生物学效应，其在肿瘤的发病机制中起着重要的作用[6]。不同于CXCR4，SDF-1结合CXCR7不激活Gai信号传导途径，CXCR7可介导非经典β-arrestin的信号通路，在SDF-1诱导的干细胞增殖、存活和抗凋亡方面有重要作用[2]。通常认为，CXCR7的表达与细胞的生长、存活和黏附有关，而CXCR4的活化则有利于细胞增殖和迁移。CXCR7 mRNA最早可在胚胎期11.5 d上检测到。在胚胎期，CXCR7主要分布在发育中的皮层、心室区、脑室下区、小脑的颗粒细胞层、齿状回、尾状核和神经节突触。出生后，CXCR7的表达迅速下降，在成年大脑中，CXCR7的表达通常维持在相对较低的水平，可在皮层、海马、嗅球、边缘区、脑室下区、小脑、下丘脑、丘脑中检测到。利用细胞类型标记，CXCR7 mRNA可在神经元、内皮细胞、脑膜细胞、星形胶质细胞和少突胶质祖细胞中表达[7]。

2 SDF-1/CXCR4/CXCR7信号传输通路

SDF-1与CXCR4结合可激活多个G蛋白偶联途径。如Gαi和Gβγ亚基均可触发PI3K、MAPK以及NF-kB途径，从而引起一系列细胞效应。Gβγ亚基可以通过磷脂酶C（PLC）和Ca2+触发磷脂酰肌醇-4，5-双磷酸酯（PIP2）、二酰基甘油（DAG）和肌醇三磷酸酯（IP3）的活化[8]。MAPK通路是信号从细胞表面传导到细胞核内部的重要中枢，调节细胞的增值、存活和分化，与内源性神经发生密切相关。钙激活富含脯氨酸的酪氨酸激酶（PYK2）的水平升高，可以进一步诱导ERK1/2的激活。此外，SDF-1与CXCR4结合后，还能通过Gαi蛋白诱导Janus激酶JAK2和JAK3的激活以及STAT信号通路的启动[9]。已知所有这些信号通路均与细胞增殖、分化、遷移、存活和凋亡相关。SDF-1和CXCR4之间的相互作用可以被AMD3100抑制[10]。其他一些新型拮抗剂，如人β-防御素3、CX549、T140等，也能起到竞争性抑制SDF-1与CXCR4结合的作用[11]。

尽管CXCR7也是G蛋白偶联受体，但它不会触发经典的G蛋白介导的信号传导和典型的趋化因子诱导的Ca2+释放[12]。CXCR7作为其同源配体的清除剂受体，调节SDF-1的细胞外利用率。CXCR7可以与CXCR4形成异源二聚体，从而形成下游信号通路的结构触发点[13]。CXCR7和CXCR4异二聚体激活细胞外信号调节激酶MAPK，包括ERK1/2、p38和SAPK途径[14]。这些途径的激活可能参与细胞的存活和迁移。

3 SDF-1/CXCR4/CXCR7之间的相互作用

3.1 CXCR7通过介导SDF-1内在化控制SDF-1的浓度  研究显示[15]，SDF-1对CXCR7的亲和力几乎比对CXCR4的亲和力高10倍。CXCR7可以负调节SDF-1的功能，并降低细胞对SDF-1的敏感性，是SDF-1的清除剂。CXCR7可以介导SDF-1的内在化，然后通过溶酶体降解从而降低SDF-1的细胞外浓度[16]。这种现象清除了细胞外过量的SDF-1分子，使SDF-1浓度维持在最佳水平，从而形成细胞迁移所需的趋化因子梯度。

3.2 CXCR7调节CXCR4的表达及其下游途径  CXCR7可以通过与CXCR4形成异二聚体来促进CXCR4的内在化，大多数CXCR4在细胞内降解，而CXCR7被循环回到细胞膜。CXCR7激动剂能够降低CXCR4的水平，从而导致细胞对SDF-1的敏感性降低[17]。然而，中和CXCR7可导致细胞外SDF-1的水平显着增加，进而触发了近70%的CXCR4内吞和降解[16]。这表明CXCR7的存在可以维持CXCR4的稳定表达并确保其对SDF-1的敏感性。CXCR7通过与CXCR4形成异二聚体调节SDF-1/CXCR4下游信号传导过程。如CXCR7和CXCR4异二聚体可以增强β-arrestin依赖的信号传导途径（即ERK1/2、P38MAPK、SAPK）并抑制Gi信号传导途径，从而降低了SDF-1对cAMP的抑制作用[18]。Levoye A等[19]报道CXCR7减弱了由CXCR4介导的Gai激活和钙信号传导。因此，CXCR7既可以调节CXCR4的水平，也可以调节通常由SDF-1/CXCR4激活的下游途径。

3.3 CXCR4的共表达降低CXCR7的表达及其与SDF-1的亲和力  有研究发现，当在细胞表面表达CXCR4时，SDF-1对CXCR7的亲和力降低。CXCR4和CXCR7的共表达增强了CXCR7的β-arrestin募集Décaillot FM[20]。SDF-1/CXCR4/CXCR7相互作用的详细机制很复杂，可能涉及以下两个过程：①CXCR7去除了SDF-1的过量细胞外分子并促进CXCR4的内在化，这降低了细胞对SDF-1的反应性。CXCR7和CXCR4的共表达减弱了CXCR4与G蛋白相互作用的能力。②CXCR4的共表达增强了β-arrestin对CXCR7的募集，并降低了SDF-1对CXCR7的亲和力。因此，CXCR4和CXCR7似乎通过相互调节它们的表达和信号通路来保持平衡。

4 SDF-1/CXCR4/CXCR7在脑缺血中的作用

4.1诱导干细胞的迁移和归巢  SDF-1/CXCR4轴在调节干细胞迁移过程中具有重要的作用。干细胞的迁移能力可以通过增加的梗死周围的趋化因子SDF-1和表达CXCR4来介导，这种SDF-1的上调和细胞迁移导致各种被动员的干细胞和内源性细胞上调营养因子[21]。局灶性脑缺血后，受损区域中的星形胶质细胞、小胶质细胞和血管内皮细胞会在局灶性脑缺血后24 h内上调SDF-1的表达。在脑缺血模型大鼠中，缺血半球趋化因子SDF-1含量显著高于对侧未受损半球[22]。SDF-1的上调主要是位于缺血半暗带，在损伤后7 d达到高峰，且能维持至损伤后30 d[23]。此外，移植的干细胞中也可以检测出CXCR4，因此，SDF-1和CXCR4之间的相互作用导致干细胞向受损部位迁移。在啮齿类动物中，受伤后2周，新产生的神经祖细胞（neuroprogenitor cells，NPC）从脑室下区迁移到缺血边界区域[24]。发生卒中后这种迁移可持续数月。这些SVZ衍生的成神经细胞可以分化为神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞，并替换受损的神经元。值得注意的是，CXCR4在NPC中表达，SDF-1/CXCR4复合物的作用对于脑缺血后NPC向富含SDF-1的损伤部位的迁移至关重要。阻断CXCR4并不会减少NPC的数量，但破坏了NPC的迁移，导致新生神经元无法定位到缺血组织[20]。在一般情况下，脑损伤后一个显著信号是SDF-1的表达，吸引骨髓来源的干细胞迁移到受损区域，是卒中后功能恢复的关键。

目前已有多项证据显示[25，26]，CXCR7参与了NPC的迁移。体外研究表明，缺氧后24 hCXCR7的表达增加。在缺血半暗带，CXCR7的表达迅速增加，而缺血中心区域则很少。CXCR7的分布表明它可能介导SDF-1的内化。通过这种方式，它可以建立从脑缺血边界到损伤核心的从低到高的SDF-1浓度梯度，以引导NPC迁移到受损区域。有研究报道[27]，CXCR7的过表达增加了骨髓间充质干细胞分泌的CXCL12、VCAM-1、CD44和基质金属蛋白酶2的水平，这有助于促进骨髓间充质干细胞的增殖和迁移。

4.2促进血管新生  脑梗死后血管再生有利于侧支循环的建立以及缺血脑组织血液供应的改善。新生血管能够为脑梗死后新生的神经干细胞提供必要的营养和微环境支持。脑缺血可激活并动员骨髓内的内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPC）进入外周循环系统。血浆中SDF-1表达的增加与中风后EPC数量的增加明显相关Bogoslovsky[28]。SDF-1通过与EPC的细胞表面CXCR4受体结合而参与了EPC的募集[29]。SDF-1能够增加局灶性脑梗死大鼠梗死灶周围血管密度和新生血管内皮数量，说明外源性SDF-1具有促进脑梗死后血管发生的作用。同时，在给予CXCR4特异性拮抗剂AMD3100后会显著降低血管密度和新生血管内皮细胞数量，进一步证实SDF-1的促血管发生作用可能通过SDF-1/CXCR4信号通路来实现的。外源性SDF-1能够进一步激活SDF-1/CXCR4信号通路，募集更多骨髓来源的表达CXCR4的内皮祖细胞向梗死灶周围归巢并分化为成熟的血管内皮细胞，促进局部缺血脑组织的血管发生而发挥神经保护作用。这些结果表明，SDF-1在缺血性中风后具有促进血管生成和改善预后的潜力，因此可以看作是治疗脑缺血的新治疗靶标。

4.3 参与神经元新生  对患有局部缺血、癫痫的大鼠的研究表明，SDF-1/CXCR4既参与了神经祖细胞增殖，也参与了其在海马齿状回中的树突发育[30，31]。有数据表明，持续给予CXCR7中和有利于齿状回的神经发生和脑缺血晚期的认知恢复。有学者的研究发现，缺血诱导后1周施用其他药物不仅调节神经发生，而且调节由ET-1诱导的局部缺血后慢性期的轴突再生[32-34]。最近的一项研究表明，慢性脑缺血的大鼠在给予脑室注射CXCR7中和抗体治疗后，可以促进树突状细胞中未成熟神经元的增殖，树突状生长显著增加，缺血大鼠认知功能显著改善[35]。然而，也有研究表明，SDF-1/CXCR7为体外神经祖细胞提供了增殖、迁移和存活的优势[36]。这种矛盾的结果可以用细胞培养基和脑组织中的微环境的差异来解释，其中SDF-1/CXCR4的水平和它们的功能也可能不同。

5总结

SDF-1/CXCR4/CXCR7信号通路不仅与胚胎发育中神经前体细胞的迁移有关，还与成体SVZ、SGZ的神经发生有关，特别是脑缺血损伤后SVZ神经前体细胞和未成熟神经元向缺血灶的迁移密切相关。目前已有明确的证据表明SDF-1/CXCR4/CXCR7可以促进神经发生和血管生成，这是中风后恢复所需的两个相互依赖的过程。尽管对SDF-1的了解很多，但仍然有许多尚未解決的问题，SDF-1/CXCR4/CXCR7在调节脑缺血后的神经再生信号通路机制尚未完全清楚，需要更多的体外研究来阐明SDF-1的复杂作用。可以推测，SDF-1/CXCR4/CXCR7信号通路可能成为中风后促进功能恢复的新的治疗靶标。

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收稿日期：2020-03-31;修回日期：2020-04-10

編辑/成森