TGF-β/Smads信号通路在中枢神经系统疾病中的研究进展

张钰恒 崔 红

1）内蒙古医科大学附属医院，内蒙古呼和浩特 010050 2）首都医科大学附属北京友谊医院，北京 100050

哺乳动物中主要产生于调节性T 细胞的亚家族成员有转化生长因子-β（transforming growth factor-βs，TGF-βs）亚家族、激活素亚家族（activins）、骨形态发生蛋白亚家族（bone morphogenetic proteins，BMPs）和生长分化因子亚家族（growth differentiation factors，GDFs）［1］。TGF-βs 亚家族至少包含6个特有亚型，其中TGF-βs1、TGF-βs2、TGF-β s3、TGF-βs1βs2 这4 个亚型的基因广泛存在于人类和其他哺乳动物细胞中。人类TGF-β1、TGF-β2 和TGF-β3基因分别定位于染色体19q3、1q41和14q24，核苷酸序列极其相似，均包含7 个外显子，相对分子质量依次为53×103、（70～85）×103和（250～350）×103，且合成的蛋白质生物学功能相似，其中TGF-β s1、TGF-βs2 的表达使增殖信号增强，而TGF-βs3 使增殖信号减弱，其参与TGF-βs信号转导过程的机制也不尽相同［2］。

目前，TGF-βs 在脑组织中的功能还没有完全阐明，一些实验研究显示，TGF-βs在调节中枢神经系统内环境稳态中发挥双重作用，积极方面表现为营养神经、抑制神经细胞凋亡［3］，能够刺激星形胶质细胞，使之分泌一些细胞生长因子，如神经生长因子、脑元性神经生长因子等，使神经元的存活和分化得到促进；消极方面表现为促进神经炎症反应，加重损伤神经元等［4］。另外，TGF-βs可能影响突触功能，减少突触传递，减轻神经损伤及兴奋性毒性物质损害所造成的后果。

1 TGF-βs1

在TGF-βs亚家族中，TGF-β1在体细胞系中所占比例最高，几乎在所有细胞中都有TGF-βs1 及其异构体的表达，可以与多种蛋白结合成复合体被分泌到细胞外基质。TGF-βs1 是由两条完全相同的单体借二硫键连接起来的蛋白多肽，分子量为25 kDa，分布于海马、中央核、杏仁核、中脑、脑桥和延髓网状结构等［5］，目前研究最多。研究表明人类与猪、牛、猴的成熟TGF-β1 基因序列完全相同，和鼠只有1 个氨基酸不同。TGF-β1 是由各类神经细胞产生并表达的一种多功能细胞因子，生物学功能有：调控细胞和组织生长、增殖、分化和凋亡；抗炎、修复和保护神经功能。小胶质细胞和少突细胞是中枢神经系统中主要产生TGF-β1 的神经细胞，星形细胞产生少，已证明小胶质细胞的活性与TGF-β1 的产生呈正相关。TGF-β1 可以激活雪旺细胞促进损伤神经轴突再生。向大鼠鞘内注射重组TGF-β1后，大鼠脑组织出现了类似交通性脑积水的病理改变：细胞外基质（extracellular matrix，ECM）增多并过度聚积，软脑膜纤维化、蛛网膜颗粒增厚及下腔增生、脑脊液循环与吸收障碍［6-7］。TGF-βs1表达增加能促进合成胶原蛋白，刺激星形胶质细胞和小胶质细胞增生，抑制金属基质蛋白酶及I 型胶原等ECM 的降解，导致胶原沉积，最终形成胶质瘢痕，胶质瘢痕可保护周围组织并修复损伤；若胶原过度沉积，则会导致瘢痕增生，反而阻碍神经再生和功能恢复及重建［8］。另外，TGF-β s1 可调控血管生成刺激因子及其受体的表达，抑制内皮细胞增殖，稳定血管内皮基膜的完整。

2 TGF-β与Smads

TGF-β信号通路可通过TGF-β受体、R-Smads、I-Smads 及非经典TGF-β信号通路发挥作用，这些信号通路彼此互相影响，形成的调控网络复杂，共同控制细胞生命精准协调工作。其中Smad 蛋白家族是最主要的载体，承载着TGF-β1 大量的生物化学信息。通过TGF-β受体的TGF-β信号通路为：前体TGF-β蛋白形成分泌TGF-β蛋白，蛋白酶水解后为成熟TGF-β，具有多种生物学作用，成熟TGF-β活化后结合细胞表面TGF-β受体，通过细胞信号转导发挥生物学活性。

TGF-β1/Smads信号转导通路参与多种神经系统难治性疾病的发生机制，干预神经发育及损伤修复，如亨廷顿舞蹈症、脑肿瘤、脑积水、肌萎缩性侧索硬化症等［9］。经典R-Smads信号转导通路为：TGF-βs与丝氨酸/苏氨酸激酶家族跨膜受体TGF-β 受体II（TR-II）结合，形成的复合物再与TGF-β受体I（Tβ R-I）结合，TβR-II将磷酸转移给TβR-I，使TβR-I磷酸化进而被激活；活化的TβR-I使R-Smads磷酸化而激活（主要为Smad2/3），活化的R-Smads 又与TGF-β辅因子co-Smad4 相互结合形成Smad 复合物向细胞核内转移，激活并启动下游相关信号蛋白；Smad复合物完成转录后分解，分解产物被核内的磷酸酶脱磷酸化后重新回到细胞质内，如此形成“Smad 循环”［10］。TGF-β/Smad2/3通路可参与调控凋亡基因转录；其对缺血性脑损伤的神经保护作用机制包括抗炎、抗凋亡、抗兴奋性毒性，以及疤痕的形成、促进血管生成与神经再生。Smad2具有固有的核导入活性，不需要TGF-β受体介导的磷酸化；Smad3蛋白主要表达于细胞膜，少量表达于细胞质，常在脑卒中中发挥神经保护作用。也有研究［11］发现TGF-β信号并不影响Smad核导入和输出过程本身，而是改变了这些Smad与其受体的亲和力，使其保留在细胞核或细胞质中。除Smad 信号转导通路外，TGF-β也可通过TGF-β活化激酶1（TGF-βactivated kinase 1，TAK1）激活NFкB（nuclear transcription factor кB）等非经典信号转导途径发挥作用。TGF-β1/Smads 信号通路作用机制复杂，受多因素调节，在不同的细胞、组织、疾病和疾病进程中所扮演的角色也不相同。

3 TGF-β与疾病

3.1 缺血缺氧性脑血管疾病缺血缺氧性脑血管疾病包括脑缺血/再灌注损伤，通过氧自由基损伤、兴奋性毒性、钙超载、能量代谢障碍、炎症性反应、细胞凋亡等发生机制导致细胞生物学功能丧失［12］，脑缺血急性期时的炎症反应对脑细胞的损伤超过缺血本身带来的影响。大量研究证实，在人类和其他哺乳动物中，缺血性脑损伤时脑组织中活性TGF-β的主要亚型为TGF-β1。TGF-β1 既是中枢神经系统中的神经保护因子，又是营养因子，与脑缺血再灌注损伤密切相关。正常脑组织中不含或含少量潜在活性TGF-β1，当脑组织损伤，如出血、缺氧缺血后，TGF-β1表达明显增高，具有促进血管生成、免疫调节、抗炎、抗黏附分子、抗氧化等作用，这种上调无疑是有益的［13］。在急性脑缺血大鼠模型中，关于TGF-β1 的变化，各研究中心结果也不相同，王艳国等［14］发现TGF-β1在缺血后1 d显著升高，6 d达峰值；王社军等［15］则探明TGF-β1在缺血后再灌注3 h开始表达，1 d时达峰值，并持续至第3天，3 d以后逐渐减弱；而程卫华等［16］研究显示TGF-β1 在缺血再灌注后6 h 表达开始增加，48 h达峰值，持续至第7天，7 d后明显降低。研究发现CD4+CD25+调节性T细胞会随着TGF-β1表达增加而增多，这提示急性脑缺血后TGF-β1可诱导调节性T 细胞增多。研究发现TGF-β1 可减轻兴奋性氨基酸、缺氧/缺血损伤以及β淀粉样肽诱导的神经损伤，从而发挥神经保护作用。MCNEILL 等［17］发现，TGF-β1增加后大脑神经元受损程度减轻，皮层梗死面积缩小，而TGF-β1 减少后大脑梗死面积明显扩大；这些研究表明TGF-β1在脑缺血中具有神经保护作用。

在脑缺血再灌注损伤大鼠模型中，上调磷酸化Smad2/3 后能减少白细胞介素-1β、肿瘤坏死因子和抗凋亡蛋白Bcl-2的产生、减少促凋亡基因caspase3，依赖抗炎和抗凋亡通路机制发挥脑保护功能。TGF-β1可以促进Thl7的细胞分化，增加中性粒细胞的趋化性。在脑缺血早期，TGF-β1明显升高于生理动态平衡值，充分发挥的“抗炎作用”反而加重脑损害。另外，持续性局灶脑缺血的成年大鼠脑组织中的TGF-β1蛋白表达与缺血后凋亡相关，TGF-β1通过增加bcl-2、降低Ca2+浓度，进而控制星形细胞和小胶质细胞相互作用，间接抑制神经细胞凋亡。

3.2 肿瘤中枢神经系统最常见的肿瘤是胶质细胞瘤，至今仍缺乏敏感且特异的肿瘤标志物。脑恶性胶质瘤恶性程度高，导致严重中枢神经损害，TGF-β的蛋白表达在脑恶性胶质瘤患者中明显升高，但在正常脑组织中低表达或不表达［18］，因此TGF-β可作为理想的血清肿瘤标志物应用于临床。近年来有研究发现，TGF-β/Smads信号转导通路是抑制上皮细胞恶性增殖的关键负性调控网络之一，是调控细胞增殖、凋亡的关键一环，在人类机体中发挥抑癌作用。大多胶质瘤患者TGF-β1、Smad7 mRNA 及蛋白异常高表达，也表明TGF-β1、Smad7 参与脑胶质瘤的发生、发展，与脑胶质瘤恶性程度呈正相关［19］。国内王涛等［20］研究人脑星形胶质细胞瘤时发现，TGF-β1在肿瘤组织中的表达量明显增加，随瘤细胞的数量而变化，而与临床病理特征无关。

肿瘤细胞中TGF-β异常高表达会损害机体正常免疫系统功能，促使肿瘤细胞免受机体的免疫排斥形成免疫逃逸；还有研究发现TGF-β可以诱发血管内皮细胞增生从而促进肿瘤新血管再生，使肿瘤进一步恶化［21］；另外，TGF-β自分泌功能的失调可能是肿瘤病变进展的标志。恶性胶质瘤患者血清TGF-β也是升高的，认为此种升高与胶质瘤患者预后密切相关，可能是胶质瘤患者治疗的靶点。目前关于TGF-β与颅内肿瘤预后的研究较少，TGF-β水平的降低可能与患者生存率延长有一定的相关性。

3.3 神经系统退行性病变阿尔兹海默病（Alzheimer’s disease，AD）是以认知和记忆功能障碍为主要表现的一种神经退行性疾病，病理特征主要是在大脑皮质和海马中出现β淀粉样蛋白（amyloid-β protein，Aβ），Aβ异常聚集导致神经纤维缠结形成，同时使大脑皮质区和海马区神经细胞减少。AD脑组织中TGF-β1 含量明显低于正常组。TGF-β/Smad 信号转导通路通过调控神经元分化、启动和维持突触重塑等过程参与AD 的发生发展，若该通路功能丧失，则Aβ产生增多，形成神经纤维缠结；抑制该信号通路有助于活化小胶质细胞，具有神经保护功能。

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种神经系统变性疾病，常见于中老年人，临床表现分为运动症状（如姿势反射障碍等）和非运动症状（如自主神经症状等）。非运动症状通常较为隐匿，可发生在运动症状之前，临床上常用NMSQuest评估量表进行评价［22］。高龄且伴有轻度帕金森样体征（mild Parkinsonian signs，MPS）患者认知功能显著减退［23］。TGF-β1/Smads 信号通路可能参与了PD 的发生，PD患者的精神状态、认知功能及非运动状态均与TGF-β1 变化有密切联系。国内于永鹏等［24］研究显示，氧化应激调控及铁代谢中也有TGF-β1/Smads 信号通路参与，而该因素是PD发病的原因之一；另外，TGF-β1 可能促进了PD 发生后CD4+CD25+调节性T细胞的表达；在PD 大鼠模型中，通过TGF-β1/Smad3信号通路，外源TGF-β1 可减轻小胶质细胞活化，减少炎症因子表达，减轻神经损伤，保护神经功能［25］。

3.4 脑积水脑室内出血（intraventricular hemorrhage，IVH）预后不佳，由于颅内血管破裂，血液进入脑室系统，最终导致脑室扩张、脑积水，是临床常见急症之一［26］。脑积水主要的影像学表现为脑室扩大、脑沟变浅、脑组织受压萎缩及变薄。相关研究表明，脑积水患儿脑脊液TGF-β1水平较正常人明显升高，可能是由于脑脊液系统出血后，血小板崩解，释放大量TGF-β1 进入脑脊液造成的，提示TGF-β1 水平变化与脑积水发生、发展关系密切。鞘内注射重组TGF-β1 进入转基因大鼠脑中后均发生脑脊液引流障碍，表明其参与脑积水的发生［27］。CREWS 和GALBREATH 等［27-28］证实交通性脑积水的发生与TGF-β1 过度表达相关。TGF-β1 参与形成脑积水的机制主要有两方面：TGF-β1 释放进入脑脊液，降低脑脊液回吸收能力，导致脑积水发生；TGF-β1 改变血管细胞外基质环境，促进出血，影响脑积水发生。另外，脑脊液TGF-β1水平对脑积水患儿预后有重要意义，可作为预后不良的预测指标。

3.5 脊髓损伤作为脊柱损伤最严重的并发症之一，脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）常由外伤暴力、特殊疾病等引起。26%～96%SCI病人的神经病理性疼痛常出现于1个月内。SCI后常伴随的病理变化包括：星形胶质细胞持续激活增生、少突胶质细胞凋亡、小胶质细胞迅速活化等。TGF-β1/Smad2 信号通路激活可促进脊髓损伤后神经轴突的再生和功能恢复［29］；在修复神经细胞中发挥重要的作用，而抑制TGF-β1 表达可减少神经细胞的氧化应激反应和炎症反应，减轻脊髓损伤［30］。TGF-β1 有望作为SCI 的治疗靶点。

3.6 其他（脑小血管病等）脑小血管病（cerebral small vessel disease，CSVD）的病因为颅内各种小动脉病变，脑白质高信号是CSVD 突出的影像学表现，也可依据影像学表现进行脑白质完整程度的评估，CSVD 的发病机制涉及炎症反应、血脑屏障功能障碍、内皮功能障碍、脑血流改变以及遗传因素等，是卒中、认知障碍的重要病因［31］。TGF-β1对脑白质具有保护作用，TGF-β1水平随脑白质高信号的分级呈下降趋势，这提示TGF-β1可作为反映脑白质病变及认知功能的血液标志物之一。弥漫性血管角质瘤（又称法布里病，Fabry病）是X连锁隐形遗传多系统溶酶体贮积病，在Fabry 肾病中，神经酰胺三己糖苷大量沉积于溶酶体中，这使TGF-β表达明显增加，进而促进血管平滑肌细胞增殖及细胞外基质蛋白分泌；相反，抑制TGF-β信号转导可减少由于神经酰胺三己糖苷沉积所致细胞外基质蛋白的蓄积，从而抑制动脉硬化的发生发展。

色素失禁症（incontinentia pigmenti，IP）属X 染色体显性遗传病，由NF-кB基因调节体（NEMO基因）突变所致，IP 最常见突变类型是NEMO 基因4-10 外显子的缺失。NEMO 基因突变导致TGF-β/NF-кB 信号转导中断，进而引起内皮细胞死亡、微血管壁变薄，最终血脑屏障被破坏。NEGISHI 等［32］认为高血压时动脉中血流剪切力影响TGF-β表达；当血压升高时，TGF-β可激活血管NF-кB 因子，同时表达多种细胞因子改善血管平滑肌细胞功能以应对增高的血管压力，避免血管硬化及重塑。另外，POITTEVIN等［33］发现TGF-β的表达减少促进糖尿病性微血管病变的发生发展。还有，TGF-β亚家族的基因多态性也与血管性痴呆相关，机制尚未阐明。在亨廷顿舞蹈病中，海马区TGF-β1水平升高会损害神经组细胞增殖，导致海马功能障碍，最终导致学习及记忆能力下降［9］。

TGF-β参与多种中枢神经系统疾病的发生、发展及预后评价，在发病机制中发挥“双刃剑”功能，涉及机制复杂多变，有些仍未明确，与预后的相关性仍需要进一步的研究综述，有望为临床治疗提供实验依据及新的思路。