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转化生长因子与脑缺血

来源:中风与神经疾病杂志 作者:徐忠信李巍包晓群饶明俐 2004-9-24
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摘要: 转化生长因子β(transforming growth factor beta,TGF-β)是多功能的细胞因子,参与体内多种病理和生理过程,可刺激细胞外基质的分泌,促进血管生成,从而在损伤修复中起重要作用。新近研究表明,TGF-β与中枢神经系统疾病关系密切,因此,TGF-β与脑缺血的关系随之成为目前研究热点,本文就TGF-β的生物学特点及与脑缺......


  转化生长因子β(transforming growth factor beta,TGF-β)是多功能的细胞因子,参与体内多种病理和生理过程,可刺激细胞外基质的分泌,促进血管生成,从而在损伤修复中起重要作用。新近研究表明,TGF-β与中枢神经系统疾病关系密切,因此,TGF-β与脑缺血的关系随之成为目前研究热点,本文就TGF-β的生物学特点及与脑缺血的关系综述如下。

  1 TGF-β的生物学特点

  1.1 TGF-β的结构

  TGF-β是由二硫键连接的两个各含112个氨基酸亚单位组成的二聚体多肽,分子量为25kD。这种由二硫键结构而成的双聚体结构是维持TGF-β三维空间结构及生物学活性的分子基础[1]。还原剂可破坏TGF-β的二聚体结构,并使之丧失生物学活性,根据基因克隆和序列分析,证明细胞最初合成的TGF-β是由390个氨基酸组成的无活性前体蛋白,这种前体蛋白N端经酶解可获得2个成熟肽单体,各含有112个氨基酸,已知非活化型TGF-β1在体外被酸、碱、尿素、SDS、蛋白酶等处理后可转化为25kD的活化型TGF-β1[2]。只有活性的TGF-β才能发挥生物学功能。

  哺乳动物的TGF-β有β1、β2、β3三种亚单位,均由112个氨基酸组成,其同源双体分别构成TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3,三者的生物学作用相似,且具有极高的同源性。已证明人、猪、牛、猴的成熟TGF-β1序列完全相同,与鼠之间只在75位氨基酸上有不同[3]。近年研究发现,体内多种活性分子的结构或功能与TGF-β密切相关。

  1.2 TGF-β受体及信号传递

  几乎体内所有细胞均能合成TGF-β,不同细胞表面至少有9种蛋白分子能与TGF-β结合,但其中只有3种属于TGF-β受体,即TGFRⅠ、TGFRⅡ、TGFRⅢ[4],TGFRⅠ、TGFRⅡ型受体是参与TGF-β信息传递的分子,分子量分别为53kD和75kD,TGF-βⅡ已被克隆,并在大肠杆菌获得TGF-β RⅡ胞质区融合蛋白,后者可在丝氨酸/苏氨酸残基处自身磷酸化,这可能是TGF-β信息传递的重要机制。TGF-β RⅠ、TGF-β RⅡ与大多数生长因子的受体不同,它们不属于酪氨酸激酶,而是跨膜的丝氨酸/苏氨酸激酶[5]。TGF-β RⅠ、TGF-β RⅡ在胞外区N端含有5个半胱氨酸的保守序列,该位点介导TGF-β和受体结合,使脑内丝氨酸/苏氨酸激酶充分活化,导致胞内蛋白质磷酸化,进而产生相应效应[6]。已发现TGF-β RⅠ、TGF-β RⅡ分子胞内区三维结构的差异,决定它们导致不同靶分子的丝氨酸/苏氨酸磷酸化,并显示不同的生物学效应。TGF-β与TGF-β RⅠ、TGF-β RⅡ结合后形成异聚体复合物,TGF-β RⅡ连接TGF-β RⅠ与TGF-β,TGF-β RⅠ负责传递TGF-β信息。TGF-β RⅢ与TGF-β有高亲和性,是TGF-β异侧复合体,负责将TGF-β呈递给受体分子。Ⅲ型受体并不直接参与信号的传递过程,也不介导任何已知的TGF-β生物学效应。

  1.3 TGF-β作用方式及调控

  1.3.1 自分泌调节机制 TGF-β与其它生长因子一样,存在自分泌作用方式,是正常细胞生长调节的一个重要机制。TGF-β1可以正向调控自分泌mRNA表达,使TGF-β1分泌增加。TGF-β1早期作用可增加转录因子c-jun、jun-B、c-fos表达。

  1.3.2 潜活TGF-β的激活 TGF-β本身结构改变也是调节其生物学效应的一种方式。生理条件下,活性TGF-β1一旦被分泌,可迅速与细胞表面蛋白或组织间液中的抑制蛋白结合而失活,与此相反,潜活TGF-β的质膜半衰期较长,游离后也不易被降解,可随循环到达远端靶器官,从而以内分泌方式发挥作用,故控制潜活TGF-β的活化是调节机制正常生理反应的重要机制[7]。

  1.3.3 TGF-β的调节 TGF-β的作用与细胞表面所表达的受体类型有关,介导抑制作用的可能是TGF-β R。TGF-β1与受体结合可激活G蛋白,使三磷酸鸟苷(GTP)与膜的结合力增强,使GTP酶活性升高,激活蛋白激酶C(PKC),从而引起细胞增殖[8]。

  2 TGF-β生物学效应

  TGF-β刺激细胞外基质(ECM)的产生,抑制蛋白酶和基质酶的活性,从而促使ECM沉积,ECM是细胞生长、分化分裂、分泌产物所必需的,因此ECM的聚集对组织损伤后的修复有利。TGF-β不仅对各类软组织损伤的修复有促进作用,而且对骨折的愈合也有促进作用。TGF-β也能加快接受放疗、化疗动物的恢复。TGF-β在梗死心肌细胞的修复及功能保留中起重要作用,并通过实验发现TGF-β具有保护心肌免受再灌注损伤的功能。此外,TGF-β是一种有效免疫调节剂,抑制大多数T、B细胞系在体外的增殖和分化,拮抗IL-Iβ、TNF-α、IFN-γ等细胞因子的效应,抑制IL-I β和IL-Ⅱ受体的表达,阻止巨噬细胞产生过氧化物及NO,抑制中性粒细胞和T细胞粘附于内皮细胞,从而限制了炎症细胞补充到损伤部位[9~11]。

  3 TGF-β1在脑缺血时的表达

  短暂的脑缺血可导致易感脑组织处神经元细胞的死亡,而胶质细胞尚存活,并激活产生胶质细胞。小胶质细胞通过释放TGF-β等细胞因子在缺血性脑损伤中发挥作用。Wienner[12]在脑缺血后3天用RNA分子杂交技术于海马、皮质Ⅱ/Ⅲ层、纹状体和部分丘脑检测到TGF-β1表达,缺血后7天TGF-β1 mRNA可在海马CA1层观察到,此时神经元变性。TGF-β1的分布与激活的小胶质细胞免疫染色十分接近,表明TGF-β1主要由小胶质细胞产生。TGF-β1在缺血后的作用可能与胶质细胞激活的调控有关,在不可逆神经元损伤区TGF-β1对星形细胞激活起重要作用,TGF-β1通过增强血管生成和细胞外基质生长促进创伤愈合,TGF-β1在缺血晚期的表达代表内源性中枢神经系统反应,可以自我限制缺血后组织损伤程度并可能启动修复机制。Lehrmann等[13]用Northern印迹杂交显示缺血海马组织内TGF-β1 mRNA表达水平增高,进一步用原位杂交在缺血10分钟后各个时间点上检查成年大鼠海马TGF-β1 mRNA的表达情况和细胞定位。缺血后6小时,TGF-β1 mRNA在全脑呈弥漫表达,此后进一步加强,2天后逐渐消退,同时从缺血后第1天起在齿状回门部及缺血后第2~4天在CA1区均有TGF-β1 mRNA信号大量增加,这两个脑区均显示选择性神经元退变。在齿状回门部TGF-β1 mRNA表达高峰约在第4天,而在CA1区TGF-β1 mRNA的表达持续到最后一个检查时间点即21天。有学者[14]应用TGF-β1对短暂半球缺血引起的海马神经元变性的保护作用进行实验研究,提示在鼠及兔局灶脑缺血中,TGF-β1有挽救由兴奋性毒

素及缺氧所致神经细胞死亡及减少梗塞面积的作用,表明在短暂脑缺血大鼠海马锥体细胞中TGF-β1有不同的病理生理学表现及延缓神经元死亡的作用,提示TGF-β1有潜在的神经保护作用机制,并利用细胞培养技术对鼠胚胎海马神经元体外培养10~14天,细胞置于亚硝酸半胱氨酸中,引起NO所致的氧化损伤,结果显示对培养的海马神经元用TGF-β1(0.1~10ng/ml)进行24小时预先治疗,对NO所致的神经毒性有明显抑制作用。Krupinski等[15]对人缺血性卒中脑TGF-β1表达进行研究,采用10例缺血性卒中死亡的患者,死亡后24小时内分别取大脑缺血区、半影区和病灶对侧脑组织,进行以下分析:(1)Western印迹试验:将脑组织蛋白提取物电泳吸附后,以TGF-β1抗体和酶标的第二抗体标记,以ECL试剂盒显色,结果缺血区和半影区分别显示为25kD带和12.5kD带,表明其提取物中含有激活的TGF-β1蛋白,而对侧脑组织缺乏此物质。(2)免疫组化染色:先后以TGF-β1抗体及生物素标记的第二抗体标记脑细胞,以DAKO AEC底物系统显色。结果显示缺血区和半影区细胞有染色,尤以半影区染色最深,而对侧组织几乎不被染色。(3)杂交:以TGF-β1 cDNA为探针与其mRNA杂交后,以放射自显影技术计数各种细胞中显影颗粒数。结果显示所有神经细胞、胶质细胞、尤其少突胶质细胞有TGF-β1 mRNA的表达,微血管周围的巨噬细胞和梗死组织的内皮细胞也有较强的表达。对侧脑组织表达弱,缺血区表达较强而半影区更强。

  4 脑缺血时TGF-β1表达增加的可能机制及作用

  脑缺血时TGF-β1 mRNA表达增加可能是缺氧诱导神经和胶质细胞应激所致。缺血区TGF-β1增加可能有如下作用:(1)促血管生成:TGF-β1作为强有力的血管生成调节因子,可以激活缺血半影区的内皮细胞,促进微血管增生。(2)神经保护作用:TGF-β1通过增加bcl-2产物、降低Ca2+浓度而保护神经细胞免遭谷氨酸能细胞毒性作用及氧化反应,可以上调衍生的神经营养因子以及诱导神经元TGF-β1的自身合成,使缺血半影区的神经元得以较长存活,以促进组织修复。此外,它还具有抗炎、趋化、移动、抗增殖等生物活性[15]。

  总之,TGF-β1是一种具有多功能的细胞因子,近年来开始重视TGF-β1与脑缺血的关系,实验性缺血半影区、中心区TGF-β1表达尚待进一步研究。

  作者单位:徐忠信 包晓群 饶明俐 (130021 长春 白求恩医科大学一院神经内科)

  李 巍 (吉林医学院附属医院神经科)

  参考文献

  1 Russette M,Lyons RM,Mosos HL. Transforming growth faclors and the regulation of cell proliferation. Eur J Biochem,1990,187(3):467.

  2 Rodland KD,Muldoon LL,Magun BE. Cellular mechanisms of TGF-beta action. J Invest Dermatol,1990,96(6):33.

  3 Sporn MB,Roberts AB,Wakefield LM,et al. Transforming growth factor-beta:biological function and chemical structure. Science,1986,233(4763):532.

  4 Massague J. Receptors for the TGF-beta family. Cell,1992,69(7):1067.

  5 Ebner R,Chen RH,Shum L,et al. Cloning of a type I TGF-beta receptor and its effect on TGF-beta binding to the type Ⅱ receptor. Science,1993,260(5112):1344.

  6 Chen RH,Ebner R,Dorynck R. Inactivation of the type Ⅱ receptor reveals two receptor pathways for the diverse TGF-beta activities. Science,1993,260(5112):1335.

  7 Wakefield LM,Winokur TS,Hollands RS,et al. Recombinant latent transforming growth factor beta 1 has a longer plasma half-life in rats than active transforming growth factor beta 1 and a different tissue distribution. J Clin Invest,1990,86(6):1976.

  8 Myoken Y,Kan M,Sato GH,et al. Bifunctional effects of transforming growth factor-beta (TGF-beta) on endothelial cell growth correlate with phenotypes of TGF-beta binding sites. Exp Cell Res,1990,191(2):299.

  9 Sporn MB,Roberts AB. Transforming growth factor- beta:recent progress and new challenges. J Cell Biol,1992,119(5):1017.


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