CXCR2 在多发性硬化症中的作用和机制研究进展

2019-01-03

多发性硬化症( multiple sclerosisMS) 是一种由T 细胞和B 细胞介导的,以中枢神经系统慢性、炎症性脱髓鞘为特点的自身免疫性疾病,多发于高纬度地区青壮年,并以女性居多。主要病理改变为大脑和脊髓多个散在的斑块性神经髓鞘的破坏。形成的髓鞘瘢痕影响神经轴突的信号传递,大脑和脊髓对外周的控制减弱,导致多部位的僵硬或神经功能缺失。MS 临床症状和体征多样化,存在缓解与复发的病程。MS 发病机制尚不明确,目前认为与病毒感染、自身免疫、遗传和环境等因素有关。其中,自身免疫改变是发病的关键因素,研究已证实与MS有关的180 多个变异基因大多是免疫相关基因,而且MS 患者体内的免疫细胞明显增多。在免疫系统中,趋化因子及其受体行使着募集淋巴细胞进行体液免疫和细胞免疫的功能。其中,CXC2 是一种重要的趋化因子受体,在外周中性粒细胞和中枢神经系统的少突胶质细胞中高表达。CXC2 MS 发病中起着引发自身免疫反应并导致脱髓鞘的重要作用。因此,CXC2 受到了国内外众多研究者的关注,它是连接免疫系统和MS 发病机制的一个分子桥梁,可能是MS 的分子靶点。本文就CXC2 的功能及其在MS 发病中的作用做一综述。

1 趋化因子受体CXC2 的结构与功能

1 1 趋化因子 趋化因子( chemokines) 是一类小分子蛋白,在背根神经节、脊髓和大脑均有分布,其主要作用为调节白细胞迁移与激活、T 细胞激活和促进细胞黏附等,协调免疫反应和炎症反应。趋化因子家族成员众多,根据一级结构中半胱氨酸的位置和数目主要分为4 : CXCCCCCX3C( C 为半胱氨酸,X 为任意氨基酸) CXC 家族是其中最重要的一类,其主要作用为聚集嗜中性粒细胞并诱导其迁移。CXC 趋化因子对神经系统发育、神经保护和神经传递都有调节作用,其含量与中枢神经系统病变如感染、肿瘤、缺血和脱髓鞘疾病密切相关。

1 2 趋化因子受体 与CXC 趋化因子相结合的受体称为CXCR,主要包括CXC1CXC2CXC3CXC4。其中CXC2 在外周主要表达于嗜中性粒细胞、肥大细胞、单核细胞和巨噬细胞表面,在中枢神经系统中主要分布于皮层和纹状体,在丘脑、下丘脑和脑桥核中也有表达。CXC2 在中枢系统的表达具有细胞特异性,高表达于少突胶质前体细胞( oligodendrocyte precursor cellsOPCs) ,且仅在活化的巨噬细胞和小胶质细胞上表达。CXC2 是在与中性粒细胞上的配体IL-8( CXCL8) 结合而被发现。此外,CXC2 的配体还有CXCL1CXC2CXC3CXC5CXC6CXC7CXC2 与配体结合后,可激活G 蛋白调节的磷酸肌醇水解为甘油二酯和三磷酸肌醇,然后激活蛋白激酶C 调动钙离子进入细胞,参与细胞免疫应答。

1 3 CXC2 的结构 CXC2 属于G 蛋白偶联受体超家族( G-protein-coupled receptorsGPCs) 成员,约由350 个氨基酸残基组成,与其他CXC 受体在结构上有25% 80% 的同源性。CXC2 7 个跨膜区形成3 个胞膜外环和3 个胞浆环,如图1 所示。N-端位于细胞膜外,是与趋化因子的结合位点,C-端位于细胞膜内。其中,胞外第2 环上天冬氨酸残基和C-LLKIL 结构域是保证受体快速内化的重要结构。G 蛋白对接位点位于胞内第2 环,由DY 结构域组成,用于引发胞内下游信号通路。

CXC2 通过N-末端与其趋化因子配体N-末端的相互作用引发下游信号级联反应,激活相关的G蛋白。趋化因子N-末端决定与受体结合的选择性和亲和力,其EL + ( Glu-Leu-Arg 组成的氨基酸序列) 结构域与CXC2 的第2 和第3 胞膜外环相互作用,稳定受体与配体的结合并调控下游通路的活性。CXC2 与配体结合后本身被内化,其内化的效率和下游信号的确定依赖于CXC2 C-末端LLKIL 结构域。一旦发生配体结合,G 蛋白偶联受体的α 亚基和βγ-复合物解离并激活或抑制下游靶标,如腺苷酸环化酶、cAMP 依赖性蛋白激酶、GTP酶、PI3K 和磷脂酶C 等。

1 4 CXC2 的功能 研究数据表明,CXC2 在炎症、血管生成、肿瘤发生和新陈代谢等中发挥重要作用。其调控的信号通路涉及多种细胞反应,包括黏附、迁移、趋化、细胞形态变化、细胞骨架重排以及整合素激活等。CXC2 与其配体结合后可激活多种信号通路,如STAT3EK PI3K/AKT 等。因此,CXC2 对细胞免疫功能、炎症反应和细胞增殖分化均有调控作用。

在免疫系统中,CXC2 是调控T 细胞和嗜中性粒细胞聚集和迁移的关键因子。其表达于T 细胞表面,可调控T 细胞的游走、脱颗粒等。在机体抗病毒和抗感染反应中起着重要作用。CXC2 通过提高STAT3 的表达而促进嗜中性粒细胞的迁移。此外,CXC2 还可通过激活STAT3 信号通路提高粒细胞集落刺激因子( granulocyte colonystimulatingfactorG-CSF) 表达,后者可刺激粒细胞和单核细胞成熟和向外周血释放。同时G-CSF 又可以直接诱导CXC2 的表达,形成正反馈循环。CXC2 还可促进巨噬细胞炎症蛋白-2( macrophageinflammatoryprotein-2MIP-2) 对嗜中性粒细胞的募集,进而激活免疫反应。

越来越多的研究表明CXC2 在炎症中高表达并可调控炎症反应。在MS 动物模型中检测到CXC2敲除的小鼠的小胶质细胞和星形胶质细胞激活减弱,炎症因子释放减少。其对炎症的调控作用是通过调控多条炎症信号通路实现的,如MAPKSTAT3PI3K/AKT 等。在炎症反应中,CXC2 可通过STAT3 信号通路调控MAPK 信号通路,引起炎症反应; 还可激活CXCL1-表皮生长因子受体( epidermalgrowth factor receptorEGF) ,激活MAPK 信号通路引起炎症反应。CXC2 的配体CXCL1 反式激活EGFR,促进其磷酸化,并诱导EGF 下游因子EK1 /2 的磷酸化,激活MAPK 信号通路。另外,炎症细胞因子TNF-α 刺激星形胶质细胞诱导JNK 磷酸化,进而导致CXCL1 表达增多,CXCL1 释放到细胞外后作用于细胞表面的CXC2,导致EK磷酸化和炎症信号通路的激活。

除了对免疫系统和炎症的调节,CXC2 还在肿瘤的增殖转移中起着重要作用。PI3K/AKT 是一个在进化上十分保守的信号通路,不仅介导炎症反应,而且在胚胎细发育、有丝分裂中都起着重要作用。该信号通路激活会导致肿瘤增殖、转移并对化疗有抵抗作用。CXC2-CXCL5 可以通过PI3K/AKT 信号通路上调基质金属蛋白酶( matrix metalloproteinasesMMPs) 家族中MMP2 /MMP9 的表达。MMP 9 可由MMP2 裂解而激活,是肿瘤发生中细胞外基质重塑和血管生成的关键效应物。此外,CXC2还可通过JAK2-STAT3 介导肿瘤发展、转移、血管生成和迁移反应。

目前,已报道CXC2 小分子抑制剂和CXC2 中和性抗体可抑制多种疾病中的炎症反应。研究表明,将CXC2 抑制剂与其他靶向治疗、化疗和免疫治疗相结合,可有效治疗癌症。其中,CXC2 抑制剂navarixindanirixinAZD5069AZD8309SB656933等正处于慢性阻塞性肺病和哮喘的临床试验中,repertaxin 处于转移性乳腺癌的临床试验中。

2 CXC2 MS 中的作用

MS 的主要病理特征为中枢神经系统神经元髓鞘脱失,成熟的少突胶质细胞是形成髓鞘的主要细胞,促进其增殖与分化有助于髓鞘的再生和修复。在MS 患者脑内病变部位,CXC2 含量显著升高,表明CXC2 MS 的发病有着密切的联系。CXC2可抑制少突胶质细胞迁移和髓鞘的再生,并介导中枢神经系统的炎症和免疫反应( 见图2) ,对少突胶质细胞成熟和分化的关键通路有调控作用,在MS发病中起到十分关键的作用。因此,CXC2 可能成为治疗MS 的新靶点。CXC2 抑制剂repertaxin Hcompound 22 对于抑制少突胶质细胞凋亡和治疗中枢神经系统脱髓鞘疾病有作用。

2 1 CXC2 抑制少突胶质细胞迁移 在脊髓的发育中,OPCs 起源于室管膜区,随后迁移到脊髓白质并开始增殖和分化。该过程十分复杂并需要精确的调控才能形成足够的髓鞘来包绕神经元。CXC2及其配体CXCL1 可影响OPCs 发育起源和髓鞘受损后的迁移。CXC2 及其配体在小鼠早期发育阶段前脑、海马、丘脑和底板广泛分布,提示其可能在神经系统早期发育中起着重要作用。在胚胎发育期,在OPCs 表面CXC2 的调控下,CXCL1 PDGF 协同作用抑制OPCs 的迁移并促进其分化,表明其在胚胎发育期对OPCs 的分布和增殖分化有促进作用。敲除CXC2 的转基因小鼠会出现OPCs 数量的不足,并且在成年后出现髓鞘缺失。但在胚胎期以后,CXC2 抑制少突胶质细胞的迁移对髓鞘损伤的修复十分不利。研究表明,向大鼠脊髓灰质中注射带有荧光标记的OPCs,然后观察细胞分布情况,发现注射过CXC2 中和抗体的大鼠荧光标记OPCs发生迁移数量多而且迁移距离远。此外,在MS损伤部位周围也发现大量聚集的高表达CXC2 且处于活跃分化期的少突胶质细胞。但这些细胞无法迁移至损伤部位,也无法对髓鞘损伤进行修护,反而因为细胞过度增殖而导致胶质细胞堆积。类似的研究还发现,CXC2 的主要配体CXCL1 有促进少突胶质细胞增殖并抑制其迁移的作用。因此,抑制CXC2 活性可以使少突胶质细胞在MS 损伤部位达到最优的时间和空间定位,并更好地接受中枢神经系统增殖分化信号的调节。

2 2 CXC2 抑制髓鞘再生 作为一种炎症性脱髓鞘疾病,促进髓鞘再生可能是治愈MS 的一种有效方法,但是髓鞘再生的机制至今还未完全阐明。MS 中最常见的复发-缓解型患者典型症状为四肢疼痛和行动障碍症状的反复发作与交替缓解。该病程特征就可能与髓鞘的再生修复有关系,髓鞘脱失时出现症状,当机体启用自身修复和再生能力使髓鞘修复后症状便缓解。但人体自身的修复能力十分有限,患者最终还是会由于髓鞘难以再生而导致轴突的神经传导功能逐步丧失,从而造成中枢神经的损伤。在MS 患者的损伤部位发现了OPCs 的存在,但其并没有分化成熟为少突胶质细胞,这可能是髓鞘损伤难以修复的原因。组织学研究发现,在脱髓鞘区域,CXC2 的主要配体CXCL1CXCL8 表达升高,表明CXC2 与其配体可能与此过程有关。

CXC2 与其趋化因子配体对髓鞘形成和髓鞘再生过程都有抑制作用。在少突胶质细胞成熟的过程中,CXC2 与血小板衍生生长因子-AA( plateletderived growth factor AAPDGF-AA) 的结合会促进OPCs 的增殖而阻止其分化成熟。用溶血磷脂酰胆碱( lysophosphatidyl cholineLPC) 定点注射致髓鞘脱失的SD 大鼠模型中,局部抑制CXC2 功能可明显降低病灶面积,并可增强髓鞘再生能力。在抑制CXC2 的动物模型中,表达成熟少突胶质细胞表面抗原NG2 +的细胞增多,有助于脱髓鞘症状的改善。在环已铜二腙( cuprizoneCPZ) 诱导的MS模型中,敲除CXC2 或抑制其活性后小鼠可明显抵抗CPZ 所致的神经元脱髓鞘。在CPZ 模型中,髓鞘的损伤由2 次打击形成。第1 次是由于CPZ 导致的线粒体损伤以及氧化应激; 2 次是由CXC2 + 的中性粒细胞导致。在骨髓移植小鼠( Cxcr2+ /-Cxcr2- /-Cxcr2+ /-Cxcr2+ / +) 中的研究表明,Cxcr2+ /-Cxcr2- /-小鼠的髓鞘修复效率较高,其组织中的OPCs 增殖比Cxcr2 + /- Cxcr2+ / + 小鼠出现早且分裂旺盛。CXC2 信号通路还会干扰少突胶质细胞在脊髓白质中的定位。在治疗脊髓脱髓鞘疾病时发现CXC2 拮抗剂可以促进髓鞘细胞的分化,提示抑制CXC2 活性可能与OPCs 定位到髓鞘损伤区域并促进其增殖分化有关。

2 3 CXC2 介导炎症和免疫反应 由于血脑屏障的存在一直被认为中枢神经系统不被免疫系统所监控,但在许多神经退行性疾病患者的脑中都发现了免疫反应的存在,这提示有可以使免疫细胞进入中枢神经系统的机制存在。进一步研究发现,CXC2受体是T 细胞进入中枢神经系统的通道之一,所以抑制CXC2 有可能对由免疫反应引起的中枢神经系统疾病有治疗作用。

炎症和免疫反应是加重MS 病情并导致损伤难以修复的主要原因。炎症和免疫反应相互促进,固有免疫诱发的炎症可进一步导致T 细胞介导的自身免疫反应。趋化因子诱导中性粒细胞迁移是急性炎症反应的重要过程,虽然具体过程还未阐明,但CXC2 的配体在早期炎症反应募集中性粒细胞时发挥重要的作用。同样,其配体CXCL1 过量表达于少突胶质细胞周围会导致嗜中性粒细胞入侵和星形胶质细胞激活并聚集。激活的星形胶质细胞分泌IL-1β, IFN-γ 进一步促进CXCL1 释放导致CXC2表达增多,造成MS 损伤部位中性粒细胞激活、迁移和炎症反应恶性循环。多项研究结果表明,抑制CXC2 可以抑制炎症反应的发展并减少中性粒细胞迁移。因此,抑制CXC2 不仅有助于髓鞘修复,还对保证血脑屏障完整性和抑制炎症反应与免疫反应有重要作用。

在实验性脑脊髓炎( experimental autoimmuneencephalomyelitisEAE) 模型中检测到趋化因子CXCL1含量升高,使用小分子拮抗剂抑制或敲除CXC2后,动物表现为血脑屏障炎症反应减弱、临床表现好转、神经元功能恢复、损伤面积减小和髓鞘修复能力增强,这是因为抑制或敲除CXC2 后,T细胞对髓鞘碱性蛋白的敏感性降低所致。CXC2MS 中的作用见图2

3 结语

MS 在黄种人中的发病率虽低于白种人,但黄种人视神经脊髓炎型MS 发病高于白种人。目前的治疗方案主要集中在抑制自身免疫反应和炎症反应上,虽可控制疾病发展,但却不能促进髓鞘修复与再生。目前上市药物中还没有针对髓鞘修复的有效药物,因此研究髓鞘再生过程并寻找能够促进其再生的分子靶点对于治疗MS 有重要的意义。虽然抑制CXC2 可以促进少突胶质细胞进行髓鞘修复,但有研究发现CXC2 还可以通过分解Caspase-3 并促进抗凋亡蛋白Bcl-2 的表达来保护少突胶质细胞。此外,CXC2 及其配体在神经保护、神经发生和神经传递中也发挥重要作用,这就表明CXC2MS 中的作用较为复杂,不能简单地一概而论,其在MS 中的作用机制需要进一步研究阐明,以便为MS 提供更好的治疗策略。

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