钙结合蛋白S100A9与神经退行性疾病①

李俊霖 贾亚泉 张振强 宋军营 （河南中医药大学，郑州 450046）

神经退行性疾病是一类由神经组织的慢性和进行性变性引起的疾病，主要病理表现为脑和/或脊髓神经元变性和丧失，会导致痴呆等认知障碍。在神经系统中，各种免疫细胞和分子在炎症过程中形成一个巨大的调节网络，清除内源性和外源性的致病物质来保护机体。由于神经网络的不平衡，如过度的炎症反应和持续的炎症状态，可能会导致进一步的组织损伤和功能失调。S100A9 是一种属于S100 蛋白家族的多功能钙结合蛋白，在炎症信号传导途径中发挥着多种作用。S100 蛋白是最早于1965 年从牛脑组织中提取出的一种能够100%溶解在饱和硫酸铵中性溶液中的神经系统特异性蛋白物质［1］。目前S100蛋白家族含有25个已知成员，钙结合蛋白S100A9 是比较重要的一个［2］。该蛋白主要在多种炎症状态下由巨噬细胞大量产生，在创伤状态下表皮形成细胞及内皮细胞表达明显增多。同时也是急慢性炎症中的重要促炎介质，在炎症过程中，S100A9 被主动释放，通过刺激白细胞募集和诱导细胞因子分泌，在调节炎症反应中发挥重要作用。随着对S100A9的关注增多，越来越多的研究表明S100A9 是某些炎症发生时的标志物，通过结合Ca2+、Zn2+、Toll 样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4），膜蛋白晚期糖基化终末产物受体（advanced glyca⁃tion end products receptor，RAGE）等，S100A9 具有细胞内和细胞外调节活性，参与细胞骨架重排、炎症反应、花生四烯酸代谢和骨髓细胞成熟等多种生物学过程［3-4］。此外，S100A9 在细胞内和细胞外微环境中具有双重且相关的功能。鉴于S100A9 在炎症生理学中的重要作用，其作为炎症相关疾病的诊断生物标志物和治疗靶点，具有广阔的临床应用前景。

1 S100A9的分子结构

钙结合蛋白S100A9 又称为骨髓相关蛋白-14（myeloid related protein-14，MRP-14）、细胞迁移抑制因子相关蛋白-14（migration inhibitory factor-related protein-14，MRP14）等。S100A9常与S100A8通过非共价键结合形成特殊的异源二聚体（S100A8/A9）发挥生物学效应，又称钙卫蛋白（calprotectin）［5］。S100A9蛋白的相对分子质量较小，为13 200。其编码基因位于人染色体1q21和小鼠第3号染色体上的基因簇上［6］。S100A9多肽链含有两个EF手型结构，其中起重要作用的结构为铰链区和羧基末端序列，羧基端的EF手型是钙离子的结合部位，氨基末端的EF手型表达S100A9蛋白的结构特异性［7］。无钙离子时，S100A9可与S100A8结合形成异源二聚体，存在钙离子时，S100A9和S100A8可与钙卫蛋白结合形成异源四聚体［8］。S100A9具有带电荷氨基酸残基的螺旋环螺旋基序，这是S100家族成员的共同特征，导致它对二价离子如Ca2+和Zn2+具有高度亲和力。与二价离子结合则改变了S100A9的构象，为其发挥相应的功能奠定了基础。

2 S100A9的定位

S100A9 主要来源于中性粒细胞和单核细胞等免疫细胞，这些细胞含有丰富的S100A9，参与炎症过程。S100A9在中性粒细胞中，约占细胞质蛋白质的45%［9］。S100A9 在组织的单核/巨噬细胞系中诱导表达，在中性粒细胞、表皮细胞、软骨细胞以及特定病理状态下的角质化细胞中与S100A8 组成性表达。在正常生理条件下，中性粒细胞和髓系树突状细胞中储备有足够的S100A9，而单核细胞中有低水平的S100A8/A9组成性表达［10］。

3 S100A9在神经退行性疾病中的作用

促炎蛋白S100A9 参与神经炎症性疾病和神经退行性疾病的发展，这提示S100A9可能是一种普遍的炎症生物标志物［11］。神经炎症是与许多神经退行性疾病相关的病理变化的主要组成部分。S100A8/A9结合RAGE和TLR4，启动信号转导，通过NF-κB 通路促进S100A9转录增加，在细胞膜附近介导炎症级联反应。淀粉样级联反应和神经炎症是阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）和帕金森病（Parkinson's disease，PD）等进行性神经退行性疾病最明显和密切相关的病理表现［12］。S100A9 具有淀粉样变性、神经毒性和信号传导功能，其活性失调或异常分布均对正常生理活动有毒害作用，并可能形成一些神经退行性疾病如AD、PD、脑损伤、脑缺血等重要病理基础［13-14］。

3.1 S100A9 与AD AD 作为中枢神经系统主要的慢性退行性疾病之一，以神经原纤维缠结（neurofi⁃brillary tangles，NFTs）、老年斑（senile plaque，SPs）、炎症损伤及神经元死亡为主要病理特征，Aβ 沉积、氧化应激、细胞外基质变化均是AD 促发因素［14］。S100A9是斑块形成和神经毒性的重要触发因素，也是炎症相关神经退行性级联反应中的一个关键因素。S100A9 在AD 脑中表达高度丰富，在AD 患者和AD 模型鼠大脑中大量表达引发炎症，损坏认知功能。从AD 早期阶段，如轻度认知障碍（mild cog⁃nitive impairment，MCI）开始，炎症过程在认知障碍的发展中起着关键作用，促炎因子S100A9可能是参与早期AD 认知障碍的生物蛋白［11］。对脑脊液和脑组织的研究发现，从MCI 到AD 痴呆的发展过程中，脑脊液中S100A9 和Aβ 伴随减少，与脑组织中两者的相结合的淀粉聚集有关［15］。在AD 脑组织及海马和皮层神经元中发现了S100A9和Aβ共定位的多个淀粉斑块。在Tg2576 小鼠中，S100A9 基因敲除可改善小鼠的学习和记忆功能，减轻淀粉样斑块的沉积［16］。在淀粉样前体蛋白/早老蛋白1（APP/PS1）小鼠模型中靶向基因破坏导致S100A9的丢失，引起促炎细胞因子的产生减少［17］。S100A9 能够介导炎症因子如TNF-α、IL-1β 和MCP-1 等的表达，也可通过与TLR4 或CD33 结合，激活NLRP3 诱导炎性小体组装活化与细胞焦亡［18-19］。目前，对S100A9 在AD 中作用机制的认识尚处于早期阶段，有待于深入研究。这将为S100A9 在AD 的诊断和治疗中既可以作为危险因素，也可以作为治疗靶点提供理论支持［18］。

3.2 S100A9 与PD PD 是一种运动功能失调且最终进展成认知能力失调的疾病。PD 的主要组织学特征是出现Lewy 小体，而纤维化的α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）是形成Lewy 小体的主要成分，在PD 脑组织中形成细胞毒性淀粉样低聚物和成熟纤维［20］。

S100A9 具有促炎症介质和淀粉样蛋白的双重特性［18］。慢性神经炎症是PD 病理生理学的特征之一，与PD 脑组织中促炎症介质水平升高有关［21］。

持续的神经炎症促进淀粉样蛋白S100A9 在脑组织中的扩散可能会触发淀粉样蛋白级联反应，涉及α-syn，并导致PD 的发展。由于其固有的淀粉样变性，S100A9 可能在PD 病理过程中扮演更重要的角色，而不仅仅是疾病相关的促炎症介质之一。越来越多的证据表明，S100A9 可能是导致或启动α-syn淀粉样蛋白聚集病理级联反应的重要相关物质。在包括PD 和AD 在内的主要神经退行性疾病中，最明显的共同点是神经炎症［22］。APPswe/PS1DeltaE9小鼠的实验数据表明，淀粉样蛋白对多巴胺功能障碍的致病作用［23］。GRUDEN 等［11］证明了S100A9 对多巴胺能系统产生有害影响。但HORVATH 等［24］经过α-syn 与S100A9 体内外共聚集实验后发现，与单个蛋白质的自组装相比，两者的共聚体在体外较快发生，并导致形成更大的淀粉样聚集体。S100A9淀粉样低聚物比α-syn 的毒性更大，而两者的共同聚集减轻了S100A9 低聚物的细胞毒性。这可能为靶向S100A9 的治疗干预和预防其在受损伤脑组织中进行淀粉样蛋白自组装开辟新途径。

3.3 S100A9 与创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI） TBI 的病理生理学主要包括两个阶段：原发性脑损伤，即损伤的初级阶段，机械冲击直接导致大脑神经元损伤、血肿和肿胀；继发性脑损伤，通过兴奋性氨基酸神经毒性、自由基生成、氧化应激、钙离子介导的损伤和炎症反应等不同的分子机制发生［25］。S100A9 是在TBI 后立即由神经元和小胶质细胞诱导产生，并在受影响的区域内扩散。同时，在TBI 后S100A9 可在一些细胞中自组装成淀粉样蛋白，可能扰乱细胞、组织稳态，触发淀粉样神经炎症级联反应［26］。S100A9 基因敲除实验已证明S100A9 在TBI 中的有害作用。S100A9 的缺失可导致神经炎症减轻，神经保护增强，TBI 后功能转归改善［27］。目前研究表明TBI是AD 和PD 等神经退行性疾病发生的一个重要危险因素。TBI 可通过改变脑内酸碱平衡，导致脑组织酸中毒，从而导致神经元损伤和不良的结果［28］。同时，TBI 后S100A9 驱动淀粉样神经炎症级联反应，随着S100A9 大量产生沉积，产生长期继发性炎症反应，则可能导致Aβ 和S100A9淀粉样低聚物、原纤维和斑块的形成和沉积等为特征的神经系统疾病［29］。以上研究为探讨S100A9 在TBI 中的病理作用提供了新的思路，为减轻脑损伤提供了新的治疗靶点。

4 展望

关于S100A9 对神经系统相关疾病的影响越来越受到重视，促炎蛋白S100A9逐渐被认为是导致炎性神经性病变的重要因素。随着S100 蛋白进一步深入的研究，阐明S100A9在这些疾病病理生理学中的作用机制，可能导致新的更有效的治疗方法的发展和应用。因此，未来的研究应侧重于验证S100A9蛋白作为早期疾病检测和预后的生物标志物，以及开发基于抗S100A9疗法的新策略。