SDF-1/CXCR4/CXCR7共同参与脑卒中后神经功能的再生修复
SDF-1/CXCR4/CXCR7 Are Jointly Involved in the Regeneration and Repair of Nerve Function after Stroke

作者: 范延平 , 张洪亮 , 曲明娟 , 栗世方 :青岛大学附属医院神经外科,山东 青岛;

关键词: 基质细胞衍生因子-1CXCR4CXCR7脑卒中SDF-1 CXCR4 CXCR7 Stroke

摘要:
神经再生与血管新生是脑卒中后机体自我修复机制的重要表现形式,此过程依赖SDF-1的介导。SDF-1是一种具有趋化特性的细胞信号因子,广泛的存在于免疫和中枢神经系统中,可与其受体CXCR4、CXCR7构成两条不同的信号通路共同参与脑缺血后神经再生修复这一过程。在这篇综述中我们总结了关于SDF-1/CXCR4/CXCR7在脑卒中后神经功能恢复中的相关研究进展。

Abstract: Neurogenesis and angiogenesis are important manifestations of the body’s self-repair mechanism after stroke, which is mediated by SDF-1. SDF-1 is a chemokine cell signaling factor, widely existing in the immune system and central nervous system. It can form two different signaling pathways with its receptors CXCR4 and CXCR7 to participate in the process of nerve regeneration and repair after cerebral ischemia. In this review, we summarized the progress of studies on SDF-1/ CXCR4/CXCR7 in neurological function recovery after stroke.

1. 引言

我国是缺血性脑中风的高发国家,人口结构的老龄化使其发病率呈逐渐增加的趋势,缺血性脑中风的人群致残率一直高居首位。神经再生(neurogenesis)与血管新生(angiogenesis)是脑中风发生后机体自我修复机制的重要表现形式,前者表现为神经前体细胞(Neural precursor cells, NPCs)增殖、迁移并修复受损害的神经组织,后者可以改善局部的血流灌注,为神经组织的修复提供代谢保障 [1] [2]。然而在自然状态下,这种自我修复机制对脑组织重构(brain remodeling)的作用非常有限。利用基因调控或信号调节等手段,可以有效地改善脑缺血不利的局部微环境和营养支持的缺乏,从而最大限度地动员神经修复的因素,达到改善神经功能的目的。在这里,我们总结了目前关于SDF-1/CXCR4/CXCR7信号通路在脑卒中后促进神经再生修复的知识。

2. SDF-1/CXCR4/CXCR7介绍

趋化因子是一类具有趋化特性、能够吸引免疫细胞的小蛋白,根据4个半胱氨酸中前2个半胱氨酸的相对情况,分为CXC、CC、C、CX3C 4个亚科 [3] [4]。基质细胞衍生因子-1 (Stromal cell-derived factor-1, SDF-1)是骨髓基质来源的CXC亚家族趋化因子,又称CXCL12,是一种化学引诱剂 [3]。它最初被确定为B淋巴细胞生成和骨髓生成的重要刺激因子,是免疫和中枢神经系统(CNSs)的一个关键因素,并在癌症中发挥作用。SDF-1信使rna可以转化为六个蛋白亚型:SDF-1α,SDF-1β,SDF-1γ,SDF-1δ,SDF-1ε,SDF-1φ [4]。因SDF-1α丰富和广泛的表达式在所有器官,所以目前对其研究较多。趋化因子受体是一个由24个7跨膜(7TM)结构域G蛋白偶联受体(GPCR)组成的家族,对趋化因子作出反应,从而发挥作用,其中CXCR4/CXCR7 (RDC1)被认为是SDF-1的受体,可与SDF-1结合组成信号轴参与体内许多重要过程,如炎症反应、神经发生、血管生成、造血、癌症转移和HIV感染。之前CXCR4一直被认为是SDF-1唯一的受体,直到有学者在T淋巴细胞中发现CXCR7,且其亲和力是CXCR4的10倍 [5] [6]。SDF-1及其受体参与多种生理和病理过程,以及神经系统的发育,包括中枢神经系统的炎症过程、神经发生和血管生成。

3. SDF-1/CXCR4/CXCR7在组织中的分布

3.1. SDF-1

在哺乳动物的中枢神经系统中,齿状回的SVZ和SGZ不断产生新的神经元。SVZ是侧脑室侧壁的一层薄细胞,由三种主要细胞类型组成:成神经细胞(a型细胞)、星形胶质细胞(b型细胞)、神经干细胞(c型细胞)和瞬时扩增细胞(c型细胞)。在促炎细胞因子的作用下,这些细胞沿吻侧迁移流(RMS)向嗅球(OB)迁移,并在嗅球向最终目的地进行径向迁移。SDF-1的表达可首先在12.5 d的胚胎(E12.5 d)中检测到 [7] [8]。出生后,SDF-1在脑干、嗅球、海马、下丘脑、小脑和大脑血管中均有组成性表达 [7]。在成熟的中枢神经系统中,SDF-1主要表达于神经元、胶质细胞、内皮细胞和脑膜细胞中 [7]。

3.2. CXCR4

与SDF-1的表达类似,在早期即发育过程中CXCR4的表达也可被检测到。E8.5 d时,CXCR4主要表达在脑室区(Ventricular Zone, VZ)和边缘区 [9]。从E12.5开始,CXCR4转录物的强信号可在神经元分化的区域,如腹外侧膝状体核和端脑边缘区被检测到 [9]。在胚胎晚期和出生后早期,CXCR4mRNA可在神经元和祖细胞迁移的区域被检测到,如大脑皮层和海马的中间区域 [9]。出生后,CXCR4的表达在上述区域逐渐减少,但在齿状回颗粒下区(Subgranular Zone, SGZ)和嗅球中终生存在。此外,CXCR4在成熟神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和室管膜细胞中均有组成性表达。

3.3. CXCR7

CXCR7是SDF-1的新型受体,它位于不同器官的细胞中,包括中枢神经和造血系统,心脏,胎盘,骨骼,血管内皮和肾脏 [6]。在胚胎期,CXCR7在E11.5 d首次表达,主要分布于发育皮层、VZ、SVZ、小脑颗粒细胞层、齿状回、尾状核、神经节隆起 [10]。出生后,CXCR7的表达迅速下降,在P7时只能检测到少量信号 [10]。在成人大脑中,可以在皮层、海马、嗅球、MZ、SVZ/IZ、小脑、下丘脑、丘脑中检测到CXCR7的表达,且通常维持在一个相对较低的水平。有人用细胞类型标记发现,CXCR7 mRNA似乎在神经元、内皮细胞、脑膜细胞、星形胶质细胞和少突胶质祖细胞均有表达 [11]。

4. SDF-1/CXCR4/CXCR7作用机制

4.1. SDF-1作用机制

脑缺血卒中发生后,NPCs从SVZ迁移到缺血边界区,并在那里增殖、分化形成新的突触连接 [12]。SDF-1在这一过程中起到了至关重要的作用。在缺氧条件或组织受损条件下,SDF-1的表达收到缺氧诱导因子-1α (HIF-1α)的影响,以及癌症相关的成纤维细胞(CAFs)使其表达增加 [13]。局灶性脑缺血后,受损区域的星形胶质细胞、小胶质细胞和血管内皮细胞在脑缺血后24小时内上调并释放SDF-1,SDF-1高峰在7 d的水平升高,有效期直到16 w [14]。研究表明SDF-1参与了NPCs迁移、增殖和分化等过程,并且可以降低迁移间神经元的分支频率,提高迁移速度,以避免这些迁移间神经元被吸引离开SDF-1富集的迁移路径 [15]。值得注意的是,CXCR4在NPCs中表达,而SDF-1/CXCR4复合物具有诱导NPCs向SDF-1丰富的部位迁移的作用,这对于脑缺血后NPCs向损伤部位迁移至关重要。SDF-1诱导的细胞增殖机制与细胞外信号调节激酶(ERK)激活有关。ERK1互和ERK2 (ERK1/2)是MAP激酶信号级联反应的组成部分,可被PI3K激活,SDF-1可刺激ERK1/2和AKT磷酸化并由此增强增殖、趋化性和侵袭性,还可激活PI3K/AKT信号通路参与肿瘤的调控以及诱导细胞迁移 [13]。

4.2. CXCR4作用机制

LESTR (白细胞表达的七个跨膜结构域受体)是第一个被发现的SDF-1受体,最初被认为是HIV进入CD4 + T细胞的辅助因子,后来根据趋化因子受体的命名法被重新命名为CXCR4,代表了经典的G蛋白偶联受体(GPCR) [16]。CXCR4在广泛的组织中表达,包括免疫和中枢神经系统,并在许多生理过程中与SDF-1结合发挥作用。CXCR4可以调控细胞趋化性、增殖、存活、粘附等多种细胞功能,主要是通过激活细胞外信号调节激酶(Erk)和Akt (蛋白激酶B)这两种途径实现 [17]。AMD3100被认为是CXCR4的拮抗剂,起初用于治疗HIV,现被广泛用作药理学工具,揭示CXCR4和SDF-1在各种环境中的作用 [18]。在胚胎发育过程中,SDF-1/CXCR4信号通路不仅与NPCs的迁移有关,而且同样参与轴突生长和导向性调节过程。CXCR4可以在未成熟的神经元神经突起的前缘密集表达;而当神经元发育成熟后,神经突起前缘的CXCR4表达下降 [19]。轴突和树突的CXCR4受体与SDF-1结合引发细胞内的信号级联反应,实现神经突起的导向性生长 [19]。在脑发育期,SDF-1引导内嗅皮质(entorhinal ortex, EC)发出的神经纤维投射到海马齿状回(dentate gyrus, DG)建立神经回路,SDF-1这种轴突导向作用是在细胞内的mDia1 (一种细胞骨架调节蛋白)介导下完成的,而当SDF-1通路被其受体拮抗剂AMD3100封闭时,神经回路中来自EC的轴突数量显著减少(P < 0.05),说明SDF-1在EC-DG回路形成过程中起到关键的导向调控作用 [20]。研究表明CXCR4与SDF-1结合可激活多个G protein-coupled途径,例如,Gαi和Gβγ子单元可以触发phosphatidylinositol-3-kinase Akt (PI3K)及其主要下游目标;有丝分裂原激活蛋白激酶(MAPK)以及核转录因子NF-κB通路等,所有这些信号通路都与细胞增殖、分化、迁移、存活和凋亡有关 [13]。在出生后的小鼠体内研究发现,表达CXCR4的细胞在大脑中的分布与NPCs的位置一致,这表明CXCR4与SDF-1诱导的NPCs迁移有关。有研究称,SDF-1/CXCR4可通过剂量依赖的方式诱导NPCs从SVZ/RMS向梗死区域径向迁移 [21]。目前SDF-1/CXCR4信号通路的细节仍不确定,有研究认为SDF-1与CXCR4结合可促进NPCs的增殖 [22]。也有研究持相反观点,认为SDF-1激活CXCR4使NPCs维持在静止状态,促进了NPCs的存活而不是增殖 [23]。这些差异可能与NPCs的异质性、胚胎的年龄和成年期有关。SDF-1/CXCR4系统在NPCs的分化中也起着至关重要的作用。在NPCs的发展过程中,SDF-1可直接刺激NPCs向神经元分化,有趣的是内源性SDF-1和CXCR4的表达位置不同,当NPCs分化为神经元时,CXCR4表达明显升高,而当NPCs分化为星形胶质细胞时,SDF-1表达明显升高,这与CXCR4在NPCs和神经元中高表达,而SDF-1主要来源于星形胶质细胞的观点一致 [24]。

4.3. CXCR7作用机制

CXCR7也称CXC趋化因子受体7型,它不是经典的GPCR,主要通过b-arrestin募集而发出信号,因此属于非典型趋化因子受体(ACKRs)类,也被称为ACKR3 [18] [25] [26]。相关研究表明,SDF-1与CXCR7的亲和力是CXCR4的10倍以上 [5] [27]。缺氧24小时时CXCR7在缺氧边界区表达明显增加,而在缺氧中心区表达较少 [10] [28]。CXCR7可以与SDF-1结合,将SDF-1内吞到细胞内,然后被溶酶体降解,从而使细胞外的SDF-1浓度减少,形成SDF-1浓度梯度,介导细胞迁移到受损部位 [16] [26] [29]。与CXCR4不同的是,CXCR7似乎不激发Gai蛋白信号通路,而是仅通过b-arrestin蛋白发出信号 [25] [26] [30]。CXCR7可以与CXCR4形成可以触发下游信号通路的异二聚体,招募β-arrestin激活细胞外信号调节kinases-MAPK,包括ERK1/2,p38和SAPK通路,从而促进CXCR4内化,然后在细胞内被降解,而CXCR7则被循环回细胞膜,这一过程导致细胞膜表面CXCR4水平降低,从而降低了细胞对SDF-1的敏感性 [31]。这些现象都表明CXCR7具有维持SDF-1和CXCR4浓度的功能,从而影响细胞存活和迁移。最新研究发现,敲除CXCR4的NPCs仍然可以迁移到受损区域,并且这种现象可以被CCX771 (CXCR7受体的拮抗剂)阻断,这说明CXCR7可以独立于CXCR4介导NPCs的迁移。最近有研究表明,SDF-1可通过激活Ras相关C3肉毒杆菌毒素底物1 (Rac1)和ERK1/2磷酸化诱导NPCs定向迁移,在这一过程中CXCR7可作为一个功能性受体独立发挥作用 [9] [32]。值得注意的是,CXCR7还可以与CXCR4结合形成异二聚体,与单独的CXCR4相比,这些CXCR4/CXCR7异二聚体可增加SDF-1驱动的细胞信号传导和细胞迁移,这表明CXCR7具有信号增强剂的功能。最新的一项研究显示,VEGF是血管生成过程中CXCR7表达的重要诱导剂,可激活干细胞中CXCR7的表达 [33]。SDF-1/CXCR7轴可通过上调Notch1受体及其同源配体JAG1来诱导Notch信号的激活,从而增加HEY1表达,促进脑卒中后血管的生成 [33]。

Figure 1. SDF-1/CXCR4/CXCR7 induces cell migration, proliferation and differentiation [3]

图1. SDF-1/CXCR4/CXCR7诱导细胞迁移、增殖、分化等过程(图片摘自 [3])

综上所述,SDF-1/CXCR4/CXCR7系统通过影响NPCs的迁移、增殖和分化,在神经发生过程中发挥重要作用(见图1)。SDF-1/CXCR4/CXCR7之间相互作用的详细机制是复杂的,目前比较一致的观点认为主要涉及以下五个过程:1) CXCR7可以通过内吞作用降解SDF-1,清除细胞外多余的SDF-1分子,形成SDF-1浓度梯度,而CXCR4可与SDF-1结合诱导NPCs顺浓度梯度向受损区域定向迁移。2) CXCR7还可介导CXCR4的内化,维持CXCR4的稳定表达水平并调整细胞对SDF-1的敏感性。3) CXCR7和CXCR4的共同表达可削弱CXCR4与G蛋白相互作用的能力,还可招募β-arrestin并减少CXCR7与SDF-1的亲和力,起到负协同作用。4) CXCR4和CXCR7均可单独与SDF-1结合发挥作用,SDF-1/CXCR4通常介导细胞迁移和增殖,而SDF-1/CXCR7通常介导细胞的粘附和存活。5) CXCR4和CXCR7可形成异二聚体,发挥正协同作用,增强SDF-1介导的细胞功能。因此,CXCR4和CXCR7似乎通过相互调控它们的表达和信号通路来保持平衡。SDF-1/CXCR4/CXCR7因其在成人神经发生中的重要作用而备受关注,不仅可以促进NPCs的迁移、增殖和分化,还可以调节轴突的伸长和分支,这是脑缺血卒中后神经修复的重要过程。CXCR4和CXCR7这两种受体之间的作用机制错综复杂,既可相互独立发挥作用,又可相互结合发挥正协同或负协同作用。尽管目前对于SDF-1的研究较多,但仍有许多细节问题没有解开,例如SDF-1/CXCR4信号通路与SDF-1/CXCR7信号通路在诱导NPCs的定向迁移、增殖和分化过程中具体激活哪些下游通路?这一细节问题尚待进一步研究。可以确定的是SDF-1/CXCR4/CXCR7信号通路确实参与了脑缺血后诱导NPCs定向迁移、增殖、分化这一系列过程,为脑缺血卒中后的功能恢复提供了可能性,势必成为脑缺血卒中后的新的治疗靶点。

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 范延平 , 张洪亮 , 曲明娟 , 栗世方 (2020) SDF-1/CXCR4/CXCR7共同参与脑卒中后神经功能的再生修复。 临床医学进展, 10, 1360-1366. doi: 10.12677/ACM.2020.107205

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