低氧对BDNF和TrkB受体及其信号通路影响的研究进展

吴晓东，姜树原,3，贾小娥,3，巴德仁贵,3，谢 伟,3*，邵 国,3*

(1.包头医学院生物医学研究中心与神经科学研究所，内蒙古包头 014040；2.包头医学院内蒙古自治区低氧转化医学重点实验室，内蒙古包头 014040；3.首都医科大学宣武医院低氧适应转化医学北京市重点实验室，北京 100053)

低氧/缺血(I/H)是目前临床医疗中常见的病症，也是各类致死疾病的主要原因[1]。研究表明,低氧作用具有双重性，即急性严重的缺氧导致机体损伤，而适度低氧或低氧预适应对机体有益的保护作用。这主要取决于低氧的程度和持续的时间。因此，这种双重作用和其调节机制也越来越受到关注。研究表明机体严重短暂缺氧时能够引起肺部与心血管等组织器官的损伤，尤其是对神经系统的损伤作用最为突出，常造成神经细胞的死亡[2]。而适度低氧或低氧预适应(hypoxic preconditioning,HPC)作为机体抵抗缺氧损伤的一种内源性保护机制，当机体经过多次短暂、非致死性的低氧刺激后，神经系统在内的多个组织对低氧损伤的耐受性均有增加[3]，这种机制更倾向于对机体的保护是由多因素、多信号共同参与和相互作用的结果，目前该机制尚未明确。

脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)是在脑内合成的一种蛋白质，广泛分布于中枢神经系统内，具有减少神经元损伤和死亡、监视神经元病理状态以及调控受损神经元分化和再生等生物学功能。酪氨酸激酶受体B(trrosine kinase receptor B,TrkB)是BDNF的特异性受体，它与BDNF结合后，自身产生磷酸化，进而激活下游BDNF/TrkB一系列信号通路，能够在大脑正常发育、突触可塑性的迁移、定位以及神经元板层结构的形成方面起着至关重要的作用[4]。研究发现[5]，急性低氧损伤可造成BDNF和TrkB受体及其信号通路的改变。而HPC的神经保护机制是否涉及BDNF和TrkB受体仍未有定论。因此，总结不同类型低氧即急性低氧和HPC对BDNF和TrkB的影响以及对BDNF/TrkB信号通路途径中发挥的作用，为后续低氧研究特别是为HPC神经保护机制研究提供一些思路。

1 低氧对神经系统的损伤机制以及保护作用机制

短暂低氧刺激时海马神经元的存活减少，细胞的凋亡增加，也就是说低氧损伤可能引起神经系统相关基因的表达与其相应的信号通路的改变[6]。当急性缺氧引起大脑神经元的损伤后，试验结果显示大脑中的直接基因c-fos和c-jun蛋白表达有增多的趋势，然而当大鼠给予间歇性低氧处理后即HPC，大鼠海马神经元损伤程度降低，产生了低氧耐受，直接基因有减少的趋势，产生了神经保护作用[7]。另外，HIF-1α是一种转录因子，在机体低氧时调控一系列反应，有些反应带来一定的病理损伤，像低氧性动脉高压病，而有些反应在多次非致死性低氧后产生适应代偿，起到一定的保护作用[8]。研究还表明，在HPC中DNA甲基化转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)还可通过改变脑内某些基因的表达来提高脑组织的缺氧耐受性，从而在缺氧时发挥神经保护作用[9]。在观察动物行为学与脑水肿程度缺氧小鼠研究中发现，当小鼠不同程度低氧处理后，低氧预适应小鼠组比急性缺氧组的促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)升高的更明显，说明EPO对低氧损伤具有一定的神经保护作用[10-11]。由此可知,低氧对神经系统作用具有双重性，即短暂严重的低氧有损伤作用,而适度低氧或非致死间歇性低氧能够对神经系统产生一定的保护作用。

2 BDNF与TrkB的结构基础与其在神经系统中的信号通路

2.1 BDNF与TrkB受体的分子生物学基础

BDNF是一种碱性蛋白质体，分子质量为13.15 ku，由119个酪氨酸残基构成，其主要结合区由N端无规则卷曲和β折叠构成。研究发现BDNF氨基酸残基有大部分相同于神经生长因子，故称为脑源性神经营养因子[12]。BDNF不仅对神经元的正常功能起重要作用，而且还能促进神经元有害损伤时的再生。Trk是原癌基因的产物，是经过酪氨酸激酶和原肌球蛋白融合后形成的单跨膜糖蛋白体，该受体有很多类似的生物结构，其中包括由一个磷酸化的配体结合部位和具有亮氨酸富集结构与IgG结构的胞外结合部位。而具有较好特异性的亮氨酸富集结构是区分Trk家族成员的关键。Trk根据分子质量分为短型的TrkB-T1/T2和全长型的TrkBFL，而短型的TrkB受体有自己的信号通路活性。

2.2 BDNF/TrkB信号通路及其下游途径

研究发现，TrkB与神经配体BDNF蛋白结合后可形成高亲和力的受体，从而使酪氨酸残基磷酸化，导致下游基因上调，其相关信号通路产生生物学效应[13]。BDNF与TrkB 结合后通过激活多个重要的信号途径发挥生物学效应，包括RAS-Raf-MAPK信号、PI3k/AKT信号途径、GP-PLC-γ信号途径与Ca2+/钙调蛋白信号途径。BDNF与TrkB 结合后，Ras基因被细胞外信号激活，下游Raf转移到细胞膜上，Raf继续激活下游分子产生磷酸化，最终使细胞外的转录信息转入核内而发挥作用[14]。除此之外，在BDNF与TrkB通路中，PI3K/AKT途径被认为是该信号通路的核心环节之一，当BDNF与TrkB 结合时，PI3K的调节亚基部位被活化，进而与TrkB受体的磷酸化末端序列相结合，最终经过调控Ras基因引起核心调控因子AKT的活化，从而发挥作用。Kim G S等[15]研究发现，G蛋白的激活也可以调节BDNF受体的底物磷酸化水平。另外，当BDNF与TrkB结合时，也能激活下游的钙调蛋白(CaM)，最终引发细胞内的生物学效应。可见这些信号途径在BDNF/TrkB通路都发挥着重要的作用。

3 低氧对BDNF和TrkB受体的作用

研究结果显示，急性低氧与低氧预适应都可能通过调控BDNF的表达，从而影响脑的结构和功能，但是激活下游途径的机制不同，产生的结果也不相同。当机体缺氧时，BDNF与TrkB受体在调节中枢神经系统生存和死亡的过程中发挥着至关重要的作用[16]。通过检测缺氧对BDNF表达的影响时发现，当急性缺氧处理后，其能够调控BDNF在神经细胞中的表达，进而神经细胞的损伤。Tian X等[17]的小鼠低氧试验通过低氧刺激诱导BDNF和TrkB受体的表达也证实了二者在神经系统中发挥着重要作用。另外，将神经细胞置于24 h常氧和急性低氧情况下同时培养，BDNF与TrkB受体在急性低氧条件下的结合明显增加[18]。研究还表明，BDNF诱导启动子的活性增加，可能是启动了相关缺氧反应元件的突变[19]。Scott A L等[20]研究发现，当BDNF作用于大鼠肾上腺髓质嗜铬细胞TrkB受体(AMC)时，低氧预适应组、暴露在急性缺氧组和正常对照组三者相比，其AMC的TrkB受体兴奋性升高，细胞内Ca2+和儿茶酚胺的分泌也明显增加。TrkB通过与配体BDNF结合，在后期低氧损伤的神经元中发挥着重要调节作用[21]。小鼠HPC时可以刺激神经细胞中的BDNF表达下调。

4 低氧对BDNF/TrkB信号通路及其下游途径的作用

越来越多的研究证明了低氧具有双重作用，即严重缺氧导致损伤，适度低氧或低氧预适应对机体有保护作用。这主要取决于低氧的程度和持续的时间。因此，对于低氧的双重作用和其调节的机制也越来越受到关注。特别是同一个信号通路如HIF1/VEGF[22]、BDNF/TrkB等信号通路在急性低氧与低氧预适应中的作用和调节也是不同的。因此，分析不同低氧类型的特点，如急性低氧、常压低氧、间歇性低氧或低氧预适应等，对机体组织细胞的损伤和保护作用的不同。

4.1 急性低氧对BDNF/TrkB信号通路及其下游途径的作用

当机体在急性低氧刺激下BDNF启动区域基因被激活，释放大量BDNF与其跨膜蛋白TrkB结合，进而TrkB发生酪氨酸残基磷酸化效应，导致 BDNF/TrkB信号通路途径发生变化，产生联级反应，阻碍原癌基因(RAS)活性，导致下游的RAS-Raf-MAPK信号通路途径不能表达，神经元难以修复[18-22]。因为RAS-Raf-MAPK信号途径能够结合神经元内TrkB的重要靶端部位，又是BDNF/TrkB通路中刺激神经细胞的增殖、分化及存活重要信号途径[23]。PI3K/AKT通路是BDNF/TrkB中的经典信号转导途径，在神经元增殖分化的过程中能够激活相应靶向蛋白，产生机体级联反应，进而发挥特定的生物学效应。研究表明，急性低氧时，能激活下游PI3K/AKT信号转导通路途径，阻碍胰岛素生长因子等的分泌，进而阻止神经细胞的增殖分化，起到外源性负性调控作用[21-24]。G蛋白的激活也是通过BDNF受体的底物磷酸化来实现的，GP-PLC-γ的激活部位主要是依赖于酪氨酸效应区域和CRKL受体蛋白的形式。因此当神经元受到短暂严重的低氧刺激后[25]，该通路被激活，即酪氨酸残基经过与CRKL受体蛋白相互作用后，衔接蛋白CRK亲和力增强，继续激活G蛋白下游的PLC分子，使得PLC-γ信号通路得以发挥作用，产生神经调节作用，继而损伤神经元。

4.2 低氧预适应对BDNF/TrkB信号通路及其下游途径的作用

Hang H等[26]利用小鼠细胞试验发现，低氧预适应能够引起BDNF/TrkB信号通路活性降低，从而抑制神经细胞凋亡，降低脑部组织缺氧坏死，但相关机制尚不明确。仅有的研究表明，可能是RAS-Raf-MAPK途径、PI3K/AKT途径和PLC-γ途径共同作用的结果。如Ca2+/CaM信号通路是经典的酪氨酸蛋白激酶受体信号通路[27]，在LTP低氧预适应诱导试验中，突触前膜谷氨酸释放增多，激活突触后膜TrkB受体蛋白，调节下游的钙调蛋白(CaM)，触发神经细胞BDNF/TrkB信号通路，最终引起BDNF受体磷酸化和质膜上的钙泵(plasma membrane Ca2+-ATPase,PMCA)激活，PMCA1与Ca2+/CaM结合后，激活其周围的磷脂类化合物产生活性，引起钙离子向细胞内流，钙离子内流导致多个信号途径被激活，从而发生可塑性改变[28]，这有待于继续研究和探索。而在组织缺氧的研究中发现，BDNF/TrkB信号通路也涉及到HIF1/VEGF信号通路，上调BDNF基因的表达，其旁路也激活了HIF1信号通路的途径[29]。随着对低氧保护机制研究的不断深入，发现当大鼠间歇性低氧即HPC时，使得受损神经元产生耐受，HIF1抑制了泛素化的降解作用，进而促进了HIF1的蛋白表达，同时也激活了BDNF/TrkB信号通路，最终发挥协同作用，起到神经修复的作用[30]。

5 展望

近年来，随着低氧研究的不断深入，已经逐渐发现了低氧具有双重作用，既可能产生损伤，又可产生对机体有益的保护作用，这主要取决于低氧的程度和持续的时间，以及激活反应体系的不同。而且随着低氧对BDNF/TrkB作用机制中的一些新的信号蛋白和信号通路途径的发现，其作用机制也越来越受到关注。本文归纳了BDNF与TrkB受体在神经系统研究方面的最新进展，并对影响BDNF/TrkB受体表达的几种重要的信号通路途径进行了剖析。除此之外，还分别对急性低氧和HPC对BDNF、TrkB受体信号通路的影响进行了查新。然而，到目前为止，低氧损伤特别是低氧预适应对BDNF和TrkB受体及其信号通路的具体机制还不够明确，有待进一步探究。