CXCL12-CXCR4/CXCR7信号轴相关疾病研究进展

牛坤汀，莫碧文，王志霞，韦江红，黄剑伟，饶立宗，吕欣

(1 桂林医学院，广西桂林 541004;2 桂林医学院附属医院)

CXCL12又称基质细胞衍生因子-1(SDF-1)，属于趋化因子蛋白家族。CXCR4、CXCR7是 CXCL12的受体，CXCL12-CXCR4/CXCR7在多种细胞和组织中广泛表达，对免疫系统、循环系统及中枢神经系统发育起重要作用。在胚胎发育期，CXCL12-CXCR4/CXCR7通过调节祖细胞迁移，参与造血、神经和内皮组织及上皮细胞的生长和归巢;成年后，CXCL12-CXCR4/CXCR7在干细胞和免疫细胞运输中起重要作用。CXCL12-CXCR4/CXCR7信号轴相关疾病较多，CXCL12-CXCR4/CXCR7结构及相互作用是其发挥病理生理功能的基础。现就CXCL12-CXCR4/CXCR7信号轴相关疾病的研究进展作一综述。

1 CXCL12-CXCR4/CXCR7信号轴的结构、功能

CXCL12以单体形式存在，其二聚体活性最强。N端的特定氨基酸残基是决定衍生肽与CXCR4结合活性的关键因子，衍生肽与CXCR4的相互作用界面有显著立体化学弹性。N端功能区是CXCL12与CXCR4相互作用的主要结构基础，C端维持CXCL12的构象和生物活性，CXCL12β链选择性与蛋白聚糖(GAG)作用，调节其生物活性。C末端环化的CXCL12小分子类似物对CXCR4的亲和力和激活能力显著增强。CXCL12与CXCR4的N端结合，在CXCR4第二胞外环(ECL2)相互作用下启动下游信号通路［1］，需要CXCR4第二胞内环(ICL2)上的DRY功能域激活 CXCR4，还需细胞内环3(ICL3)参与信号激活;而 CXCL12需ICL2、ICL3及C末端的参与，通过激活各种信号通路来调控细胞的运动、趋化、黏附和分泌功能。CXCR7起初称为狗受体基因1(RDC1)，能显著提高细胞增殖和黏附能力。CXCL12是CXCR4的特定配体，而 CXCL11同时与CXCR7结合。CXCR7与系统发育密切相关，但无耦合G蛋白，亦无诱导典型趋化因子受体介导的细胞应答。CXCR7可清除CXCL12，表明该受体在发育和肿瘤形成中可调节CXCR4的活性。CXCR7的清除活性可能使造血细胞在骨髓和淋巴器官的迁移中起重要作用。

2 CXCL12-CXCR4/CXCR7信号轴相关疾病

2.1 AIDS AIDS由感染艾滋病病毒(HIV)引起。长期以来CD4被认为是HIV-1受体，HIV-1被膜蛋白与CD4的相互作用结合于细胞表面，但这不足以启动病毒与细胞膜融合，亦不能建立有效感染。研究发现，CXCR4与HIV-1被膜糖蛋白gp120结合，导致病毒进入宿主细胞;抑制或阻断HIV-1被膜和趋化因子共受体的相互作用，下调CXCR4表达，能抑制HIV-1进入、复制及感染。CD+4T淋巴样干细胞被HIV-1感染后，细胞表面的CXCR4表达显著减少，且集中于细胞内，细胞表面不表达CXCR4。CXCR4的细胞内摄作用可能在阻止HIV-1感染过程中起关键作用。Chevigne等［2］研究发现，ECL2-X4强烈并特异性地作用于CXCL12，阻断其结合 CXCR4和 CXCR7。CXCR4的ECL2形成可与gp120蛋白和CXCL12N末端结合的多个位点，为解释识别gp120和CXCR4的二聚体配体提供了新的结构元件。

2.2 肿瘤 肿瘤干细胞(TSC)可引起原位癌，亦可转移种植至机体其他部位形成转移癌。CXCR4是TSC和正常干细胞表面最常表达的趋化因子受体。CXCR4-SDF-1轴可指示TSC沿着CXCL12浓度梯度迁移，并向远处转移至SDF-1高表达区域(淋巴结、肺、肝、骨髓等)。SDF-1可在多种肿瘤组织中表达，发挥类似自分泌作用而促进肿瘤生长，同时还可促进肿瘤血管生成以进一步促进肿瘤生长。CXCR4是白血病、乳腺癌患者的预后评价标志物。CXCL12-CXCR4信号轴能促进肿瘤细胞的生长和转移，在恶性TSC的发病中起关键性作用;但并不是所有表达CXCR4肿瘤细胞的CXCR4均是功能性的，只有高侵袭性的细胞株才表现出其特性。CXCL12-CXCR4/CXCR7对肿瘤细胞的生长增殖作用依赖于不同的细胞系。

2.2.1 乳腺癌 人乳腺癌细胞系高表达CXCR4及CXCR7，乳腺癌原发灶及常见转移部位(淋巴结、肺、肝脏等)高表达配体 CXCL12和 CCL21。Ferrari等［3］发现，SDF-1可刺激乳腺癌细胞CXCR4表达，显著增强乳腺癌细胞的增殖效应，阻断CXCR4后该效应减弱。趋化因子及受体的同步高表达在决定乳腺癌器官特异性转移部位上起关键作用。

2.2.2 前列腺癌 在前列腺癌组织中，CXCR4/SDF-1α介导活性氧(ROS)产生 NADPH氧化酶(NOX)，最近研究［4］证实磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/AKT信号传导参与了CXCR4/SDF-1α介导产生NOX的过程。SDF-1/CXCR4通过激活PI3K/AKT从而活化下游的NF-κB引起基质金属蛋白酶(MMP)-9分泌增多，促进前列腺癌细胞的转移、侵袭和生长。信号传导与趋化因子参与肿瘤进展，并将成为新的治疗靶标。前列腺癌动物模型实验结果显示，CXCR4抑制剂CTCE-9908可抗肿瘤转移，机制可能是抑制血管生成，因此其可能成为新型试剂来防治转移性前列腺癌［5］。MIR-494-3p/CXCR4途径可能是前列腺癌进展和转移潜在的治疗靶标［6］。

2.2.3 肺癌 小细胞肺癌是有高度骨髓转移倾向的肿瘤，其细胞表达高水平的CXCR4，激活的CXCR4可诱导癌细胞迁移和侵袭，黏附骨髓基质细胞。非小细胞肺癌细胞亦表达CXCR4，CXCR4表达水平的差异与转移性潜能相关，其从原发癌到转移癌的生长可能取决于CXCR4水平。高表达CXCR7与临床病理分型为Ⅰ型的非小细胞肺癌早期复发、转移有关［7］。

2.2.4 胃癌 肿瘤相关成纤维细胞(CAF)在胃癌细胞增殖、侵袭和纤维化中发挥重要作用。CAF来源于骨髓，可能通过CXCL12/CXCR4系统的微环境迁移到胃癌组织，增强肿瘤细胞增殖能力。多巴胺和环磷酸腺苷调节的磷蛋白(DARPP-32)在2/3的胃癌组织中过度表达，CXCR4小分子拮抗剂AMD3100和CXCR4-siRNA阻断DARPP-32诱导的细胞浸润，DARPP-32介导的侵入活动可能涉及CXCR4依赖性激活的信号通路MT1-MMP/MMP-2［8］。CXCL12-CXCR4途径将成为胃癌治疗中一种新型的抗血管生成及用于腹膜转移治疗的靶标。研究显示，CXCR4/CXCL12轴电位可作为胃癌治疗的新靶标［9］。CXCR4能辅助预测患者预后，指导临床诊断与治疗［10］。

2.2.4 卵巢癌 SDF-1/CXCR4介导造血干细胞增殖、迁移，与 PI3K相关信号通路有关。NF-κB是PI3K信号通路中重要的下游信号分子，在卵巢癌细胞中SDF-1/CXCR4可激活NF-κB，从而促进肿瘤细胞的侵袭和迁移;而应用NF-κB特异性抑制剂可抑制CXCR4的表达和癌细胞的迁移。

2.2.5 急性白血病 CXCR4和SDF-1是白血病和骨髓微环境间的重要参与者。CXCR4拮抗剂被证明能抑制急性骨髓性白血病(AML)细胞的存活和集落形成的潜力和废除基质细胞在AML细胞化疗诱导细胞凋亡的保护作用［11］。白血病干细胞(LSCs)和CXCR4、SDF-1与骨髓微环境的相互作用是急性白血病复发的主要诱因。除具有趋化和黏附功能，SDF-1亦是一种多效细胞因子，可调节白血病细胞的增殖及分化程序。CXCR4是AML一个独立的预测预后、疾病复发和生存的表达标志物［12］。CXCR4拮抗剂可破坏黏合剂肿瘤—基质相互作用，从基质微环境动员白血病细胞，使其更容易用常规药物治疗［13］。CXCR4拮抗剂4F苯甲酰TN14003可抑制白血病和多发性骨髓瘤的生长［14］。研究［15］表明，阻断CXCR4是急性白血病的新型治疗方法。

2.2.6 胶质母细胞瘤(GBM)GBM是最常见的原发性恶性脑肿瘤。CXCR4参与胶质瘤干细胞(GSCS)生长、侵袭、血管生成和转移，CXCL12与CXCR4、CXCR7结合，有助于诸多下游信号传导途径的活化，并促进各种恶性肿瘤细胞的侵袭，包括GBM 细胞［16］。SDF-1/CXCR4 轴通过 PI3K/AKt信号通路介导GSCS血管生成和血管内皮生长因子(VEGF)的分泌。CXCR4可作为GBM的预后因子，CXCR4阳性的GBM患者术后预后较差［17，18］。阻断CXCR4/CXCL12或CXCR7/CXCL12的交互作用或抑制下游信号的活动可能成为GBM治疗的新靶点。若能靶向释放又可避免对正常组织产生的不良反应，最终达到抑制转移和杀死GBM细胞的双重效应，将成为治疗GBM的有效途径。

2.3 WHIM综合征 WHIM综合征是由于编码CXCR4的常染色体显性基因发生变异，导致CXCR4羧基末端被截断而引起罕见的先天性免疫缺陷病。其特征性表现为疣、低丙种球蛋白血症、复发细菌感染和先天性骨髓粒细胞缺乏症，是目前惟一与趋化因子受体变异有关的免疫性疾病。WHIM综合征的发病主要与CXCL12与CXCR4结合后所引发的激活信号及随后的抑制信号间的平衡失调有关，信号通路异常活化，导致趋化、F肌动蛋白及钙流等生物学行为增强。

2.4 哮喘 哮喘是涉及活化的骨髓动员和肺祖细胞归巢的全身性反应，通过祖细胞趋化因子SDF-1介导。造血祖细胞对SDF-1α增强CXCR4的迁徙反应主要通过IL-4和IL-13的参与实现。在早期气道重塑中，CXCL12可通过防止内皮祖细胞(EPC)迁移至肺部来抑制气道血管生成。SDF-1主要在支气管黏膜的上皮细胞胞质中表达，在哮喘小鼠肺组织中高表达，且与气道炎症密切相关［19］。CXCL12在体内通过与CXCR4结合可导致多种炎性细胞募集、炎性介质的产生及血管形成，从而在支气管哮喘发病中发挥重要作用。实验证实，CXCR4拮抗剂AMD3100抑制SDF-1的介导作用，减弱过敏原引起的肺归巢的EPC，使气管嗜酸性粒细胞明显减少，减轻了气道炎症及高反应［20］。以SDF-1为靶点抑制CXCL12表达及基于干细胞的免疫治疗将成为有效治疗哮喘的新方法［21］。CXCL12-CXCR4/CXCR7具有广泛的生物学作用，特别是在造血干细胞的动员与归巢、HIV感染、肿瘤的转移与生长等方面，已成为国内外研究的热点。随着对CXCL12-CXCR4/CXCR7结构、功能、信号转导及抑制剂研究的不断深入，通过在不同水平对其表达进行调节，为抗HIV感染、抗肿瘤治疗等提供新的手段和策略。

［1］Chen G，Wang W，Meng S，et al.CXC chemokine CXCL12 and its receptor CXCR4 in tree shrews(Tupaia belangeri):structure，expression and function［J］.PLoS One，2014，9(5):e98231.

［2］Chevigne A，Fievez V，Szpakowska M，et al.MicroRNA-494-3p targets CXCR4 to suppress the proliferation，invasion，and migration of prostate cancer［J］.Prostate，2014，74(7):756-767.

［3］Ferrari A，Petterino C，Ratto A，et al.CXCR4 expression in feline mammary carcinoma cells:evidence of a proliferative role of the SDF-1/CXCR4 axis［J］.BMC Vet Res，2012，(8):27.

［4］Ellem SJ，Taylor RA，Furic L，et al.A protumourigenic loop at the human prostate tumour interface orchestrated by oestrogen，CXCL12 and mast cell recruitment［J］.Pathol，2014，234(1):86-98.

［5］Wong D，Kandagatla P，Korz W，et al.Targeting CXCR4 with CTCE-9908 inhibits prostate tumor metastasis［J］.BMC Urol，2014，28(14):12.

［6］Shen PF，Chen XQ，Liao YC，et al.MicroRNA-494-3p targets CXCR4 to suppress the proliferation，invasion，and migration of prostate cancer［J］.Prostate，2014，74(7):756-767.

［7］Iwakiri S，Mino N，Takahashi T，et al.Higher expression of chemokine receptor CXCR7 is linked to early and metastatic recurrence in pathological stage Ⅰ nonsmall cell lung cancer［J］.Cancer，2009，115(11):2580-2593.

［8］Zhu S，Hong J，Tripathi MK，et al.Regulation of CXCR4-mediated invasion by DARPP-32 in gastric cancer cells［J］.Mol Cancer Res，2013，11(1):86-94.

［9］Lee HJ，Jo DY.The role of the CXCR4/CXCL12 axis and its clinical implications in gastric cancer［J］.Histol Histopathol，2012，27(9):1155-1161.

［10］Han M，Lv S，Zhang Y.The prognosis and clinicopathology of CXCR4 in gastric cancer patients:a meta-analysis［J］.Tumour Biol，2014，35(5):4589-4597.

［11］Peled A，Tavor S.Role of CXCR4 in the pathogenesis of acute myeloid leukemia［J］.Theranostics，2013，3(1):34-39.

［12］Spoo AC，Lubbert M，Wierda WG，et al.CXCR4 is a prognostic marker in acute myelogenous leukemia［J］.Blood，2007，109(2):786-791.

［13］Burger JA，Peled A.CXCR4 antagonists:targeting the microenvironment in leukemia and other cancers［J］.Leukemia，2009，23(1):43-52.

［14］Beider K，Begin M，Abraham M.CXCR4 antagonist 4F-benzoyl-TN14003 inhibits leukemia and multiple myeloma tumor growth［J］.Exp Hematol，2011，39(3):282-292.

［15］Tavor S，Petit I.Can inhibition of the SDF-1/CXCR4 axis eradicate acute leukemia［J］.Semin Cancer Biol，2010，20(3):178-185.

［16］Zhang S，Li J，Xu X，et al.CXCL12-induced upregulation of FOXM1 expression promotes human glioblastoma cell invasion［J］.Biochem Biophys Res Commun，2014，447(1):1-6.

［17］Uemae Y，Ishikawa E，Osuka S，et al.CXCL12 secreted from glioma stem cells regulates their proliferation［J］.Neurooncol，2014，117(1):43-51.

［18］Gagliardi F，Narayanan A，Reni M，et al.The role of CXCR4 in highly malignant human gliomas biology:current knowledge and future directions［J］.Glia，2014，62(7):1015-1023.

［19］郭光云，高素珍，陈功，等.哮喘小鼠肺组织中基质细胞衍生因子1的表达及布地奈德雾化液的干预作用［J］.中国呼吸与危重监护杂志，2012，11(4):349-352.

［20］Sivapalan N，Wattie J，Inman MD，et al.Lung-homing of endothelial progenitor cells and airway vascularization is only partially dependant on eosinophils in a house dust mite-exposed mouse model of allergic asthma［J］.PLoS One，2014，9(10):e109991.

［21］Ou-Yang HF，Huang Y，Hu XB，et al.Suppression of allergic airway inflammation in a mouse model of asthma by exogenous mesenchymal stem cells［J］.Exp Biol Med(Maywood)，2011，236(12):1461-1467.