转化生长因子-β2与眼病关系的研究进展△

石永伟 毕宏生 蒋文君

转化生长因子-β2(TGF-β2)属于转化生长因子家族,通过与其受体结合,在体内外具有诱导细胞增殖、分化和转移等多种生物学功能。研究发现,TGF-β2可通过调控Smad2/3、PI3K/AKT等信号通路的基因表达,促进晶状体上皮细胞和视网膜色素上皮细胞的上皮-间充质转化(EMT)和细胞外基质(ECM)的重塑,诱导眼组织纤维化,参与纤维化白内障、青光眼、增生性玻璃体视网膜病变等多种眼科疾病的发病进程[1-3]。本文就TGF-β2的结构和功能及其与眼科疾病发生的关系进行综述。

1 TGF-β2的结构与功能

1987年,De Martin等[4]首次从人类胶质母细胞瘤细胞中鉴定出一种细胞因子,称之为胶质母细胞瘤衍生的T细胞抑制因子(G-TSF),Cheifetz等[5]在猪血小板中分离出该转化因子,结果发现,其与TGF-β1具有高度的同源性,并将其正式命名为TGF-β2。TGF-β2定位于1q41,由两个含112个氨基酸的亚单位经二硫键组成二聚体结构,每个亚单位分子量为12 720。TGF-β2编码的前体蛋白由成熟肽同源二聚体、潜在相关肽同源二聚体和潜伏期TGF-β结合蛋白组成,其前体蛋白经蛋白水解处理后产生一个潜在相关肽和一个成熟肽,成熟肽可由二硫键连接组成同源二聚体,转化为活性形式。

TGF-β受体(TGFBR)有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三种形式,其中Ⅰ型、Ⅱ型受体均为糖蛋白,是丝氨酸/苏氨酸激酶受体,Ⅲ型受体是一种蛋白聚糖,TGFBR3由于胞质结构域缺乏激酶活性,被认为仅通过向TGFBR2呈递TGF-β配体来发挥作用。有研究发现,TGFBR3能通过其胞质结构域选择性地结合磷酸化的TGFBR2来促进TGFBR2和TGFBR1复合物的形成和活化,随后从该复合物中解离出来[6]。TGF-β2配体通过与靶细胞胞膜上的TGFBR2结合促进TGFBR1细胞内结构域中的GS区磷酸化激活TGFBR1激酶活性,使TGFBR1下游R-SMAD蛋白C末端SXS基序与CO-SMAD结合形成R-SMAD/CO-SMAD复合体转移并进入细胞核,从而启动经典Smad信号通路影响细胞增殖、迁移[7]。同时,TGF-β2还能通过参与PI3K/AKT、 PI3K/雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、Akt/mTOR、Jagged-1/Notch等信号通路,参与多种细胞氧化应激、EMT、ECM重塑,与青光眼、纤维化白内障、增生性玻璃体视网膜病变等疾病的纤维化发生密切相关。

2 TGF-β2与眼病的关系

2.1 TGF-β2与青光眼青光眼作为一种慢性进行性视神经病变,是世界范围内致盲的主要原因之一[8]。根据病因学,青光眼分为原发性青光眼、继发性青光眼和发育性青光眼。其中,原发性青光眼又按照房角的开放状态分为原发性开角型青光眼(POAG)和原发性闭角型青光眼,两者的发病机制不完全相同。在闭角型青光眼中,房水外流受阻多由虹膜向前弯曲致使房角狭窄或关闭引起,小梁网多为正常状态。研究发现,闭角型青光眼患者房水中的TGF-β2水平无明显差异[9]。POAG是全球青光眼最常见的类型,约占所有青光眼病例的74%[10]。目前,对POAG与TGF-β2的研究较为深入,相关机制研究已成为研究热点。有研究发现,在POAG患者中,由于小梁网发生病理性纤维化改变,致使通过小梁网渠道的房水外流困难,导致高眼压。房水中的TGF-β2在POAG中高表达,与小梁网病理性纤维化进程密切相关。青光眼类型中POAG的发病率最高,且发病相关机制研究较为透彻,TGF-β2与POAG的关系受到较多关注。POAG是最常见的青光眼类型。Derakhshan等[11]通过对伊朗112名正常对照者和112例POAG患者的TGF-β2 rs991967多态性进行分型发现,携带TGF-β2 rs991967多态性的个体发生POAG的风险高于正常对照组,TGF-β2 rs991967多态性与POAG有显著相关性。有研究发现,房水和小梁网中的TGF-β2能够通过影响小梁网miRNAs的表达、氧化应激水平、ECM的降解和Schlemm管内皮-间充质转化(EndMT)增加房水流出阻力,加剧小梁网组织纤维化,升高眼压来诱导POAG的发生,还可以通过促进视盘的重塑来加重视神经损伤[12],其主要的生物学途径包括以下5个方面:(1) ECM的降解:TGF-β2可上调小梁网细胞中血小板反应蛋白-2(TSP-2)和纤维连接蛋白的表达,抑制MMP-2活性[13],同时诱导Src支架蛋白CASL上调,激活小梁网细胞中Src激酶活性,抑制组织纤溶酶原激活物的表达和ECM的降解[14];(2) 氧化应激反应:TGF-β2通过Smad3通路促进小梁网细胞内源性NADPH氧化酶4(NOX4)表达上调,增强小梁网细胞的氧化应激反应,促进小梁网细胞合成和分泌纤维连接蛋白,增加小梁网组织中ECM的沉积,导致小梁网孔变小,使得房水流出阻力上升[15];(3) 调节miRNAs的表达:Zhang等[16]研究发现,房水中的miRNAs被认为是青光眼的生物学标志物,TGF-β2能够上调小梁网细胞外囊泡(Evs)中Hsa-miR-6087、Hsa-miR663a和Hsa-miR-6821-5p的表达,下调Hsa-miR-6800-3p、Hsa-miR-67163p和Hsa-let-7i-5p的表达,miRNAs相互作用影响ECM的代谢,但具体机制尚不清楚,经TGF-β2处理的视盘筛板(LC)细胞中miR-29c-3p等多种miRNAs的表达下调, I型胶原蛋白和IV型胶原蛋白合成增加[17],提示TGF-β2可能通过调控miRNAs表达影响ECM的产生,进而影响房水排出;(4) EMT:TGF-β2能够诱导Schlemm管内皮细胞发生EMT,纤维标志物α-平滑肌肌动蛋白、I型胶原蛋白α1和纤维连接蛋白的表达水平显著增加,细胞硬度增强,孔隙形成减少,房水外流困难[18];(5)视盘的重塑:研究发现,TGF-β2在POAG患者视盘中表达水平升高,通过结缔组织生长因子(CTGF/CCN2)促进星形胶质细胞中ECM蛋白表达水平及合成增加,并促进视盘的重塑进而加重视神经损伤[12]。此外,Igarashi等[19]研究发现,TGF-β2可促进PI3K的磷酸化,激活下游PI3K/哺乳动物mTOR信号通路,上调mTOR蛋白表达,mTOR能够促进纤维化,增强小梁网细胞纤维化水平,使用mTOR抑制剂雷帕霉素或Torin1能够明显抑制TGF-β2诱导的小梁网细胞纤维化反应,减少房水流出阻力,缓解青光眼的症状;核心蛋白聚糖可通过激活pAKT/AKT 通路负调控TGF-β2和CTGF/CCN2,降低人视盘和小鼠视神经星形胶质细胞中的纤维连接蛋白和IV型胶原蛋白等ECM成分的表达,保护视盘星形胶质细胞,进而保护视神经[12],提示抑制TGF-β2可能成为治疗POAG的重要靶点。

TGF-β2还与小梁网术后滤过泡瘢痕化密切相关。Zhu等[20]研究发现,原发性闭角型青光眼患者小梁网切除术失败组房水中TGF-β2和TSP-1水平明显升高,导致术后滤过泡纤维化和结膜瘢痕形成,增加了手术失败的风险。进一步研究发现,房水中TGF-β2通过促进结膜成纤维细胞中I型胶原蛋白、纤维连接蛋白的迁移、增殖和表达以及促进结膜成纤维细胞向肌成纤维细胞转化,加剧术后滤过通道瘢痕化,房水外流困难,致使手术失败[21]。基于以上原理发现,应用TGF-β2靶向反义寡核苷酸(ISTH0036)[22]和萝卜硫素[21]均可以抑制TGF-β2水平,减轻患者术后滤过通道瘢痕化。动物实验研究显示,TGF-β2抗体(CAT-152)可以有效改善患者小梁切除术后的纤维化进展,但III期临床试验结果表明,青光眼患者滤过术后应用CAT-152对预防滤过术失败患者无明显作用[23],提示TGF-β2抗体临床应用还需进一步临床研究与实验验证。

2.2 TGF-β2与纤维化白内障白内障作为第一位致盲性眼病,与年龄增长、代谢障碍、氧化应激以及晶状体摘除术后晶状体上皮细胞增殖等密切相关[24]。纤维化白内障,包括后囊膜混浊(PCO) 和前囊下白内障(ASC)是造成患者视力损害的重要类型[25]。TGF-β2是促进晶状体上皮细胞生长、迁移、纤维化及EMT的重要因子,对PCO和ASC的形成有重要作用。研究发现,TGF-β2可诱导长链非编码RNA核富集转录体1(NEAT1)的表达,呈剂量和时间依赖性,TGF-β2通过NEAT1/miR-34a/Snail1和NEAT1/miR-204/ZEB1 E盒结合锌指蛋白1(ZEB1)通路[26]上调间质细胞标志物纤维连接蛋白的表达来抑制上皮分化标记物E-钙黏蛋白表达,促进晶状体上皮细胞的EMT。此外,体内外实验发现,TGF-β2通过Smad2/3信号在晶状体上皮细胞中激活Jagged-1/Notch通路、AKT/MTOR/p70S6K信号通路促进晶状体上皮细胞增殖和迁移[27-28]。miR-30a、辣椒素、柚皮苷等通过直接或间接抑制Smad2/3蛋白的磷酸化均能减少TGF-β2介导的晶状体上皮细胞迁移和EMT,提示TGF-β2可能成为治疗PCO的重要靶点[29-31]。CAT-152作为TGF-β2单克隆抗体可以抑制TGF-β2的纤维化作用,然而还需进一步临床研究与实验验证。

2.3 TGF-β2与角膜损伤角膜是一种高度特化的透明组织,在维持视功能和保护眼球方面起重要作用。目前,促进眼外伤、屈光手术和角膜移植术等导致的角膜损伤的修复已成为研究热点[32]。TGF-β2对角膜EMT及内皮细胞的增殖、迁移具有重要调控作用,在受损的角膜组织中,TGF-β2的上调可促进静止的角膜上皮细胞向肌成纤维细胞的转化,从而促进角膜伤口愈合,但同时也促进了随后的瘢痕形成。有研究发现,角膜损伤后基底膜破裂,TGF-β2由角膜上皮细胞释放到角膜基质中,通过smad2/3蛋白诱导角膜基质细胞亚群转化为肌成纤维细胞,增强ECM沉积、抑制ECM降解,在促进角膜愈合过程中形成可直接导致患者视力损害的纤维性瘢痕[33]。在角膜内皮伤口愈合过程中,受损的角膜内皮细胞是通过剩余角膜内皮细胞的扩大或迁移而不是通过增殖来修复的,角膜内皮细胞损伤中TGF-β2可能通过阻断p27kip1的磷酸化以及诱导p27kip1核积聚来阻断内皮细胞G1期到S期的转变,抑制角膜内皮细胞增殖,并通过激活p38/ MAPK和PI3K/Akt通路,促进角膜内皮细胞迁移诱导伤口愈合[34-35]。TGF-β2如何促进角膜伤口愈合又不引起瘢痕将是未来研究的重点。

2.4 TGF-β2与增生性玻璃体视网膜病变增生性玻璃体视网膜病变是一种纤维化改变过程,可导致继发性视网膜脱离,严重影响患者视力。研究发现,TGF-β2能够通过氧化应激、促进纤维化基因翻译、转录、增强自噬,诱导视网膜色素上皮细胞增生和迁移以及EMT,在玻璃体和视网膜表面形成纤维化膜,最终导致牵拉性视网膜脱离并阻止视网膜复位[36],诱导增生性玻璃体视网膜病变的发生。进一步研究发现,TGF-β2能够促进视网膜色素上皮细胞中转录因子Snail和Slug的表达,上调纤维连接蛋白,α-平滑肌肌动蛋白等EMT标志物的表达,该作用可以被氧化应激反应中趋化因子CXCL1通过与受体CXCR2结合所增强[37];TGF-β2还可通过上调YAP蛋白的表达,增加YAP蛋白下游纤维化基因CTGF和CYR61的翻译和转录,并诱导视网膜色素上皮细胞角蛋白8(KRT8)的磷酸化增强,促进自噬小体-溶酶体的融合,增强视网膜色素上皮细胞的自噬进程,促进了EMT,进而促进视网膜色素上皮细胞纤维化,诱导增生性玻璃体视网膜病变发生[38-39]。此外,有研究发现,青蒿琥酯和维替泊芬可通过抑制TGF-β2/Smad信号通路干预TGF-β2诱导的视网膜色素上皮细胞迁移以及EMT[38,40-41],这表明TGF-β2可以作为治疗增生性玻璃体视网膜病变的一个重要靶点。

2.5 TGF-β2与近视近视作为全球最常见的眼病之一,高度近视将增加其他眼病的患病风险,如近视黄斑病、视网膜脱离、白内障和青光眼等[42]。上述并发症可导致患者不可逆的视力丧失。研究发现,在高度近视患者房水中TGF-β2水平升高,且与眼轴长度呈正相关,提示TGF-β2可能是眼轴增长的关键因子[43]。Jia等[44]研究发现,高度近视患者房水中基质金属蛋白酶组织抑制因子1(TIMP-1)和TIMP-3的升高与TGF-β2水平的升高呈正相关,提示TGF-β2增强了TIMP的细胞代偿反应,抑制基质金属蛋白酶可抑制ECM的强烈降解并延缓巩膜重塑。此外,还有研究发现,TGF-β2在透镜诱导性近视豚鼠后极部巩膜中表达增加[45],能促进巩膜成纤维细胞胶原合成增加[46],然而也有研究发现,TGF-β2对巩膜成纤维细胞具有抑制作用,可能通过减少ECM的合成参与近视巩膜重塑[47]。因此,作为影响胶原合成与分解继而调控巩膜ECM代谢的重要因子,TGF-β2的深入研究将有助于开发相关靶向药物,这将会为近视防控与治疗提供新途径。

3 小结与展望

综上所述,TGF-β2作为一种转化生长因子,可通过促进小梁网细胞、晶状体上皮细胞、视网膜色素上皮细胞等细胞增殖以及EMT来促进纤维组织异常增生,并调控ECM合成进程进而导致多种眼病发生。上述研究对TGF-β2与开角型青光眼、纤维化白内障、角膜损伤、增生性玻璃体视网膜病变等眼病的认识,并为开发相关靶向药物奠定了基础。然而眼病发生机制复杂,TGF-β2在各种眼病中的具体机制研究尚未十分完善,还需进一步研究。