趋化因子受体CXCR家族在神经系统中的表达和功能研究进展

李冬锦，钟振娟，于耀清(西北大学生命科学学院，陕西 西安 70069；空军军医大学唐都医院疼痛生物医学研究所，陕西 西安 70038)

趋化因子是分子量为8 000～12 000的小分泌肽，包括CXC、CC、XC、CX3C四个亚家族，对应的受体分别为CXCR、CCR、XCR、CX3CR，受体均属于G蛋白偶联受体超家族。本文介绍了趋化因子及其受体的最新分类、结构特征和主要细胞内信号通路，总结了其中一个受体亚家族成员CXCR在外周和中枢神经系统中的表达和功能，这些分子广泛参与组织炎症、损伤修复，而且在躯体感觉、癫痫、多发性硬化症等疾病中发挥重要作用，因此，趋化因子及其受体作用机制的解析将为药物研发靶点和治疗策略提供参考和依据。

1 趋化因子及其受体的分类、结构和细胞内信号通路

1.1 趋化因子及其受体的分类

趋化因子成员超过40种，早期是以生物学功能命名，一定程度上造成了命名多样性。2000年后，国际药理学联合会对趋化因子进行了系统性归类，根据半胱氨酸的数量和间距分为CXC、CC、XC、CX3C四个亚家族。CXC亚型的前两个半胱氨酸之间有一个氨基酸；CC亚型的前两个半胱氨酸是相邻的；XC亚型少第一个和第三个半胱氨酸；CX3C亚型的两个半胱氨酸之间有三个氨基酸。上述趋化因子相应的受体为CXCR、CCR、XCR、CX3CR亚家族，分别包括7个CXCR成员(CXCR1～CXCR7)，10个CCR成员(CCR1～CCR10)，XCR1和CX3CR1。此外，还存在4种非典型的趋化因子受体(ACKR1～ACKR4)[1-2]。

1.2 趋化因子及其受体的结构特征

趋化因子含有70～125个氨基酸，富含碱性氨基酸残基，具有四个保守的半胱氨酸，单体相结合形成低聚物(主要是二聚体)。在同一趋化因子亚家族中，各成员具有相同的二聚体结构。CXCL8/IL-8是第一个被确定三级结构的趋化因子，随后陆续明确其他趋化因子三级结构基本特征，主要包括：无序的N端结构域连接一个由“N环”、三股β片层和C端螺旋组成的结构化“核心域”。趋化因子受体属于G蛋白偶联受体超家族，含有七跨膜螺旋结构域、细胞外N端、三个细胞外环、三个细胞内环和C端。趋化因子通过两步结合机制与受体作用：趋化因子C端结合受体N端及细胞外环；N端靶向趋化因子识别位点2并将受体稳定在活性构象中，最终通过G蛋白实现细胞内信号传导[3]。

1.3 趋化因子与受体相互作用的细胞内信号通路

趋化因子与受体相互作用受到细胞内信号通路调节。在肿瘤和炎症过程中，CXCL8激活CXCR1/2受体后，可以通过丝裂原激活蛋白激酶ERK、JNK激活转录因子AP-1促进CXCL8表达；也可以通过PI3K-AKT信号通路激活IKK、NF-kB增加CXCL8表达；还可以通过p38 MAPK稳定CXCL8 mRNA间接增加CXCL8水平[2]。与此相似，CXCL12、CXCL13能分别作用于CXCR4、CXCR5，进而通过NF-κB通路促进趋化因子表达。在痛觉传递过程中，CXCL1激活神经元CXCR2后通过NF-κB、MAPK通路引起钠钾离子通道和NMDA受体表达变化，同时增加CXCR2表达，引起正反馈效应[4]。其他类型趋化因子和受体(如CX3CL1/CX3CR1)也能作用于NF-κB信号通路，产生正反馈作用，参与神经系统老化过程。这些结果充分说明，NF-κB信号通路在调节趋化因子与受体相互作用中的重要意义。

2 趋化因子受体CXCR在神经系统中的表达和功能

趋化因子在背根神经节(dorsal root ganglion，DRG)、脊髓和大脑中广泛表达，趋化因子受体主要由神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞产生。神经系统炎症可以促进小胶质细胞和星形胶质细胞表达趋化因子和受体。损伤或疾病引起的趋化因子及受体表达异常参与癫痫、多发性硬化症、脑损伤修复等过程。此外，趋化因子可以通过受体作用直接激活初级感觉神经元和免疫细胞，诱导炎症介质释放，从而参与瘙痒和疼痛调节。本文总结了趋化因子受体亚型CXCR1～CXCR7在外周神经系统[DRG、三叉神经节(trigeminal ganglion，TG)]和中枢神经系统(大脑皮层、海马等)的表达和功能。

2.1 CXCR1

CXCR1在周围神经系统DRG和TG中的表达和功能未见明确报道，在中枢神经系统中有广泛研究。在大鼠脊髓损伤模型中，CXCR1和CXCR2拮抗剂Reparixin可减小病变面积，增加神经元数量。抑制CXCR1和CXCR2可以减轻急性炎症，缓解脊髓损伤后的神经功能障碍[5]。甲基苯丙胺处理可以增加小鼠大脑和神经母细胞瘤细胞CXCR1的表达，参与神经元凋亡过程[6]。CXCR1和IL-8促进小鼠神经干细胞的趋化性，参与脑损伤修复。多发性硬化症患者中CXCL8及其受体CXCR1和CXCR2基因表达下降，因此，CXCL8可能与多发性硬化症有关[7]。少突胶质细胞前体细胞系CG-4表达CXCR1和CXCR2，对多发性硬化症等疾病产生影响。CXCR1参与小鼠急、慢性癫痫，抑制剂Reparxin可用于癫痫治疗[8]。此外，CXCR1在视网膜神经元和胶质细胞中均有表达。目前已知的CXCR1拮抗剂包括Navarixin、Reparixin、SX-682、AZD5069等。

2.2 CXCR2

在外周神经系统初级感觉神经元中，CXCL1和CXCR2可以通过自分泌或旁分泌方式调节和维持炎症性疼痛。外周神经损伤或组织炎症能引起脊髓CXCL1和CXCR2表达上调。报道显示CXCL1和CXCR2分别在脊髓星形胶质细胞和神经元中表达，其相互作用参与炎性痛和神经病理性痛的发生[9]。进一步研究表明CXCL1在脊髓背角的星形胶质细胞和神经元中表达，而CXCR2在少突胶质细胞、小胶质细胞和神经元中表达，并且通过PKC参与调节外周和中枢神经元敏感化和神经病理性痛[10]，这些结果表明CXCR2可能成为新型镇痛药的靶点。

CXCR2在大脑不同区域的神经元亚群高表达，并且在淀粉样蛋白沉积物斑块的神经炎症组织区域表达，与神经元发育、变性坏死和退行性疾病有关。小鼠海马齿状回中的研究发现黄芪甲苷显著上调CXCL1和CXCR2基因及蛋白的表达，提示该信号通路可能是海马神经元发育成熟的原因[11]。然而，也有报道显示CXCL1激活CXCR2可以引起原代培养运动神经元变性死亡。研究提出CXCR2具有双重作用，参与创伤性脑损伤后伤害性敏化过程， CXCR2表达下调会使神经元更容易受到损伤[12]。在中枢神经系统发育过程中，CXCR2主要由高增殖性脑室下区的少突胶质祖细胞和活化的小胶质细胞表达，并且CXCR2对少突胶质细胞的信号传导产生影响，从而影响髓鞘再生过程[13]。有研究证实，肌萎缩性侧索硬化症患者大脑皮层CXCR2显著增加，主要局限于皮质神经元的细胞体和轴突[14]。上述结果表明CXCR2在神经退行性疾病中发挥作用。目前已知的CXCR2拮抗剂包括SB225002、SB265610、AZD5069、Danirxin等。

2.3 CXCR3

趋化因子CXCL9、CXCL10和CXCL11属于同一趋化因子亚家族，与CXCR3结合后发挥作用[15]。在炎症或神经病理性痛条件下，DRG神经元中CXCL10/CXCR3信号表达上调并参与慢性疼痛的维持过程。坐骨神经结扎可以提高CXCL9、CXCL10和CXCL11的基因表达水平，增加DRG神经元中CXCR3表达，引起p38和ERK信号通路激活，增强神经元兴奋性，产生病理性疼痛[16]。进一步研究表明CXCR3的DNA去甲基化过程可以导致CXCL10的激活作用增加，促进兴奋性突触传递，参与CXCR3依赖性痛敏反应[17]。CXCL10还能通过CXCR3直接激活初级感觉神经元导致过敏性皮炎瘙痒，研究显示CXCL10使DRG神经元产生Cl-电流，进而介导神经元兴奋性改变和瘙痒行为[18]。慢性瘙痒(如特应性皮炎)患者的中性粒细胞产生CXCL10，激活感觉神经元CXCR3引起瘙痒[19]。小鼠干燥皮肤模型结果显示脊髓中CXCR3表达显著增加，拮抗剂Paeonol显著抑制特应性皮炎和牛皮藓等慢性瘙痒和脊髓星形细胞激活[20]。此外，CXCR3和CXCL10在TG中表达，可以激活ERK和AKT信号通路，增加神经炎症，进一步影响TG神经元兴奋性，参与头面部三叉神经痛的发生[21]。

CXCL10/CXCR3信号通路在中枢神经系统损伤和疾病中也发挥重要作用。海马和皮层表达的CXCL10通过CXCR3介导病毒感染诱发大脑过度兴奋[22]。研究发现细胞毒性T淋巴细胞浸润受损区域表达CXCR3，而周围的神经元和星形胶质细胞表达CXCL10，提示CXCL10/CXCR3信号通路在致病性T淋巴细胞相关脑炎中起作用。在癫痫持续状态急性发作期间，中枢神经系统海马树突棘和小胶质细胞高表达CXCR3[23]。此外，在创伤性视神经病变过程中，CXCL10和CXCR3显著升高，降低CXCR3可显著减少白细胞募集，结果提示CXCL10/CXCR3在招募白细胞和诱导视网膜神经节细胞死亡方面起着关键作用[24]。AMG487抑制CXCR3的表达和功能，可以作为CXCR3抑制剂。

2.4 CXCR4

趋化因子CXCL12激活CXCR4，参与神经病理性痛发生和调节。电镜结果显示CXCR4定位于脊髓背角突触前成分中，因此，CXCR4是通过初级传入神经元轴浆运输转运到终末并发挥功能的。DRG神经元表达电压门控性Na+和K+通道，可能是CXCL12/CXCR4信号通路调节神经元兴奋性和病理性痛的分子基础。在大鼠坐骨神经损伤疼痛模型中，CXCL12和CXCR4表达水平上调，并调节DRG神经元的兴奋性和放电模式，也可以通过调节ERK信号通路上调Nav1.8，参与疼痛慢性化和持续性改变[25]。CXCL12和CXCR4在TG小直径神经元中表达，阻断CXCL12/CXCR4信号通路可以缓解过敏性接触性皮炎引发的瘙痒和疼痛。有研究显示CXCL12和CXCR4与神经肽CGRP共表达，CXCL12可能通过自分泌或旁分泌的方式激活CXCR4[26]。MicroRNA分子miR-185-5p表达上调显著抑制CXCR4在小胶质细胞中的表达，拮抗剂AMD3100可发挥镇痛作用并恢复抑制性神经传递[27]。研究证明，CXCL12/CXCR4参与骨癌痛调节，CXCR4激活脊髓神经元中的RhoA/ROCK2通路，引起神经元敏化以及星形胶质细胞和小胶质细胞激活[28]。在中枢神经系统，CXCL12/CXCR4信号通路通过胶质细胞和神经元相互作用参与中枢性卒中后疼痛及单核细胞迁移脑血管周围导致的神经炎症和病理性疼痛[29]。

CXCR4参与神经组织中的神经和微血管再生修复过程。CXCR4可促进间充质干细胞迁移，活化星形胶质细胞，参与神经再生，修复受损的神经网络[30]。CXCR4具有神经保护作用，抑制细胞凋亡，减轻蛛网膜下腔出血引起的脑损伤[31]。CXCL12和CXCR4在轴突损伤部位表达，促进轴突再生和功能恢复；在脱髓鞘病变中表达，促进少突胶质细胞分化，对髓鞘再生产生影响[32]。在神经退行性疾病帕金森病中黑质纹状体系统CXCR4高表达，引起神经元凋亡。此外，CXCL12/CXCR4信号传导对于皮层神经元迁移至关重要。研究表明CXCR4调节中间神经元亚型的特异性分布，影响皮质生长抑素、钙视黄素和神经肽Y的表达，参与调节癫痫发作[33]。CXCL12/CXCR4信号传导影响神经元细胞骨架系统，参与神经元和神经祖细胞迁移和发育成熟[34]。CXCL12/CXCR4信号传导过程影响斑马鱼脑中面部运动神经元的迁移，参与A9～A10多巴胺能神经元的迁移及SDF-1 mRNA，也可以通过ERK和转录因子Egr1诱导谷氨酸脱羧酶GAD67表达影响海马神经元发育。CXCR4和CXCL12之间相互作用可以上调Pax6基因转染的光感受器NFκB活性，促进光感受器分化[35]，促进嗅觉上皮祖细胞转变为新生嗅觉感觉神经元，影响神经元迁移[36]。

目前，人们已经开发出多种CXCR4拮抗剂，如Plerixafor (AMD3100) 8HCl、Plerixafor (AMD3100)、WZ811、Motixafortide (BL-8040)、MSX-122、LY2510924、Balixafortide (POL6326)、MSX-130、MSX-127、Tannic acid和AMD3465 hexahydrobromide等。

2.5 CXCR5

周围神经系统炎症或损伤后，初级感觉神经节中CXCR5的配体CXCL13表达增加，激活p38丝裂原激活蛋白酶，与钠通道Nav1.8共同促进炎性疼痛。部分眶下神经结扎诱导小鼠三叉神经痛模型显示：CXCL13/CXCR5信号通路激活引起头面部痛敏[37]。进一步研究表明，该信号通路激活可以增加TG中TNF-α和IL-1β，诱导ERK激活，增强神经炎症反应[38]。CXCR5在脊髓星形胶质细胞中表达，介导神经病理性痛中神经元和胶质细胞相互作用[39]。坐骨神经结扎损伤能上调脊髓神经元CXCL13表达，通过受体CXCR5诱导脊髓星形胶质细胞激活，促进神经病理性痛[38-39]。此外，在大鼠骨癌疼痛模型中，脊髓CXCL13、CXCR5、p-p38、p-ERK和p-AKT表达均显著上调[40]。

CXCR5参与多种中枢神经系统疾病的发生。将CXCR5 shRNA注射到前扣带皮层中，减少SNL引起的谷氨酸突触传递增加，发挥镇痛作用[41]。在癫痫患者脑组织和大鼠模型中发现CXCL13和CXCR5的基因与蛋白水平显著上调并参与炎症反应，可能是癫痫患者脑部炎症的新生物标志物[42]。在败血症相关脑病小鼠模型中，CXCR5敲低能降低未成熟和成熟神经元数量以及海马中IL-1β和IL-6表达，提高海马齿状回细胞增殖能力，减轻认知功能缺陷[43]。进一步研究表明，腺苷A2A受体激动剂显著降低自闭症小鼠脑组织中的CXCR5表达[44]。此外，CXCR5与年龄相关黄斑变性有关，随着年龄的增长CXCR5表达增加，参与视网膜色素上皮和视网膜细胞衰老过程[45]。有研究发现，在大脑衰老过程中CXCL13表达不断增加，而CXCR5缺失使脑室管膜下区神经母细胞增殖能力增强，并在喙侧迁移流和嗅球内聚集，因此，CXCR5/CXCL13信号可能是影响老龄化大脑神经再生的重要因素[46]。目前缺少CXCR5特异性拮抗剂。

2.6 CXCR6

CXCR6在神经系统的表达和功能研究十分有限。在自身免疫性脑脊髓炎期间，迁移到大脑的Th17细胞和中性粒细胞表达CXCR6，提示该受体可能是中枢神经系统内重要的炎症介质。在人类和小鼠中，脑膜γδT细胞是循环T细胞的一部分，表达较高水平的CXCR6，参与IL-17a的释放和焦虑行为[47]。目前缺少CXCR6特异性拮抗剂。

2.7 CXCR7

CXCR7基因在早期胚胎发育阶段广泛表达在大脑皮层，出生后显著降低，主要分布在皮层、海马、丘脑、下丘脑、小脑等部位，在神经元、胶质细胞、内皮细胞、前体细胞等中表达。CXCL12是CXCR7的主要配体，可以同时激活CXCR4，因此，CXCR7功能与CXCR4非常相似，参与中枢神经损伤和修复[48]。此外，CXCR4/CXCR7通过调节突触前神经递质GABA释放，与GABA能系统产生协同作用，参与中枢神经系统神经信息传递和免疫炎症等过程[49]。目前缺少CXCR7特异性拮抗剂。

3 结语

趋化因子及其受体在外周和中枢神经系统中广泛表达，是组织炎症、神经损伤修复和多种疾病的关键介质，这些分子极有可能成为相关疾病的生物标志物和干预靶点。总体上，CXCR1-6在外周神经系统(如DRG和TG)的研究较少，并非各种亚型均有表达，其生物学意义，特别是在疼痛和瘙痒中的作用机制尚未完全阐明。作为新的潜在治疗靶点，趋化因子及其受体在神经系统中的功能和分子机制还需要不断探索。