眼表疾病中转化生长因子—β1/Smads信号通路的研究进展

王亚卉 李青松 符之瑄

[摘要] 眼表疾病的发病机制复杂多样，其中角结膜细胞外基质（ECM）代谢失衡是其发病的重要原因之一。转化生长因子-β1（TGF-β1）/Smads作为调控ECM产生、转归及代谢平衡的主要信号通路，参与了本病的发生发展。本文将主要从该通路与眼表疾病的关系方面做一综述，以期为眼表疾病的治疗提供新的依据。

[关键词] 转化生长因子-β1（TGF-β1）/Smads信号通路；眼表疾病；细胞外基质

[中图分类号] R777.33 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2019）05（a）-0050-05

[Abstract] The pathogenesis of ocular surface diseases is complex and diverse， among which the imbalance of ECM is one of the important causes. Transforming growth factor -β1 （TGF-β1）/Smads is involved in the development of the disease as a major signaling pathway regulating the production， outcome and metabolic balance of ECM. The relationship between this pathway and ocular surface diseases will be reviewed in this paper， which will provide a new basis for the treatment of ocular surface diseases.

[Key words] Transforming grouth facter-β1（TGF-β1）/Smads signaling pathway； Ocular surface disease； Extracellular matrix

正常视力的维持依赖于角结膜的透明度及形态规则，眼表疾病往往表现为角结膜结构与功能的异常，研究认为其与角结膜细胞外基质（ECM）代谢失衡有一定的关联[1-2]。转化生长因子-β1（TGF-β1）/Smads是目前公认的调控ECM代谢的相关信号通路，主要由TGF-β1、TGF-β1受体（TGFβR）、Smads蛋白及其转录调节因子组成。研究发现翼状胬肉、干眼、圆锥角膜等眼表疾病的发生发展都与该通路密切相关，靶向调控该通路可能是一种新的治疗思路与方法。

1 TGFβ1的生物学特性

TGF-β1是TGF-β超家族中的关键一员，其生物活性的发挥依赖于与TGFβR的特异性结合，主要表现为促进损伤修复、抗炎、刺激成纤维细胞和肌成纤维细胞胶原基因mRNA水平表达增高以及促使成纤维细胞的分化、增殖等[3-4]。

2 Smads蛋白的特点

Smads蛋白是TGF-β1的下游信号转导分子，根据其功能和特征的不同分为：受体调节型（R-Smads：Smad1、2、3、5及8）、共同型（Co-Smads：Smad4）和抑制型（Ⅰ-Smads：Smad6、7）[5]。R-Smads主要与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结合，并被其激活，Co-Smads与活化的R-Smads结合形成复合物转移至细胞核中，Ⅰ-Smads则通过抑制R-Smads的磷酸化，阻断信号通路的转导[5]。

3 TGF-β1/Smads信号转导

3.1 TGF-β1的激活

TGF-β1在体内以三种非活性的形式存在，即与非活性相关肽（LAP）形成小的非活性复合物、与LAP、TGF-β结合蛋白（LTBP）形成大的非活性复合物以及与蛋白酶抑制物α2巨球蛋白（α2-M）结合形成的TGF-β1/α2-M[6]。其常见激活方式有共价键的断裂或修复、TGF-β1的酶解激活以及整合素、糖基化、基质金属蛋白酶也可激活TGF-β1[6]。

3.2 Smads介导的信号转导

下游介质（Smad2、3）的激活是TGF-β1发挥生物学效应的关键，活化后的TGF-β1首先与TGFβRⅡ结合而启动细胞内信号传導，随后，TGF-β1激活TGFβRⅠ激酶，导致Smad2、3的磷酸化，活化后的Smad2、3与Smad4形成复合物转运到细胞核中调控靶基因转录（图1）[7]。Smad7则通过抑制Smad2、3磷酸化来阻断TGF-β1信号的过度激活，从而调控ECM的代谢平衡（图1）[8]。

3.3 信号转导的分子调控

TGF-β1/Smads信号转导受SARA、STRAP及PTD等相关分子的调控，其中SARA通过促使R-Smads与TGFβRⅠ结合而发挥正性调节作用，相反，STRAP则下调TGF-β1的生物学作用[9]。PTD调节Smad2的磷酸化，并促进Smad2与Smad4的结合[10]。

3.4 核内靶基因转录的分子调控

活化的Smads复合物在细胞核内积聚，同时招募转录激活因子（CBP、p300等）和转录抑制因子（SnoN等）参与靶基因转录[11]。其中p300、CBP的高表达促进Smads蛋白的激活，SnoN则通过与Smads蛋白复合物相互作用抑制信号转导[11]。

3.5 与其他信号通路的交叉

TGF-β1/Smads信号通路与丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）超家族相互交叉影响，其中p38MAPK、c-Jun末端激酶（JNK）和细胞外信号调节激酶（ERK）三者都可以促进Smad2、3的磷酸化（图1）[12]，阻滞P38MAPK通路可抑制Smad3的激活和表达[13]。Jeon等[14]发现小分子过氧化物酶体增殖物激活受体γ配体通过阻断TGF-β1诱导下p38MAPK的磷酸化抑制Smads通路的激活，为角膜纤维化的治疗开辟了新的道路。

4 TGF-β1/smads信号通路与眼表疾病

4.1 翼状胬肉

翼状胬肉是一种纤维化疾病，病变侵入角膜并覆盖视觉轴，导致不规则的角膜散光，最终失明。研究[15]认为其与紫外线辐射、免疫学机制及细胞调亡与异常增生等有关，其中紫外线辐射是主要的致病因素。本病目前主要采取手术切除，但术后复发率高达88%[16]。翼状胬肉组织中TGF-β1及Ⅰ型胶原蛋白的表达明显增多[17-18]，该病与TGF-β1/Smads通路功能紊乱密切相关，通过下调TGF-β1的表达或补充Smad4可重建TGF-β1/smads信号转导通路[19]，除此之外，Smad3在翼状胬肉组织中高表达，抑制Smad3可能对治疗该病术后复发有效[20]。在药物治疗方面，迷迭香酸能够通过降低翼状胬肉上皮细胞的细胞活力、减少Ⅰ型胶原蛋白的产生和下调TGF-β1/Smads信号传导来改善翼状胬肉上皮细胞的纤维化[21]。综上，靶向调控TGF-β1/Smads通路可为治疗原发性及术后复发性翼状胬肉提供一种有效的方法。

4.2 干眼

干眼的发病病因复杂多样，结膜杯状细胞分泌黏蛋白维持眼表微环境稳态，若杯状细胞数量减少或分化受阻都会导致干眼[22]。SPDEF调控结膜杯状细胞的分化、增殖，研究发现条件性敲除K14细胞中TβRⅡ后眼表上皮细胞异常增生以及杯状细胞数量增加，同时SPDEF表达也出现增加，这证明TGF-β1/Smads信号通路在结膜内限制杯状细胞增殖，其主要机制为p-Smad2、3与Smad4复合物结合到SPDEF启动子上阻止其转录[23]。干眼的发生还与泪腺细胞、结膜上皮细胞、角膜上皮细胞的凋亡有着重要关系[24-25]，且TGF-β1在角膜上皮、角膜缘上皮、结膜基质层中广泛表达[26-27]。因此，该通路在调控干眼的发生发展方面可做进一步探索。

4.3 结膜松弛症

结膜松弛症（conjunctivochalasis，CCh）的发病机制目前尚不明确，研究发现其与炎性反应有关，炎性因子的高表达激活基质金属蛋白酶（MMPs），促进细胞外基质（ECM）降解，从而加重结膜松弛[28-29]，具体表现为MMP-1、3的增加以及Ⅰ/Ⅲ型胶原蛋白比例的失衡[30]。西医目前主要采取手术切除，在中药治疗方面发现杞精明目汤能够下调CCh成纤维细胞MMP-1、3的表达[31]，且进一步研究认为该复方能够下调MAPK信号通路相关蛋白的表达，从而为中药靶向治疗CCh提供了新的思路与方法[32]。ECM代谢失衡是CCh主要的发病机制之一，CCh的发生是否受TGF-β1/Smads信号通路的调控，值得进一步研究，可为本病的治疗提供新的理论基础。

4.4 角膜疾病

角膜是重要的屈光间质，角膜纤维化形成的特征在于肌成纤维细胞的出现和ECM的过度沉积，TGF-β1/Smads信号通路是调节角膜纤维化的常见途径[33-34]。在基因水平上抑制角膜纤维化是目前最有效的方法，Gupta等[35]发现AAV5-Smad7在兔角膜上单一局部应用后，角膜混浊和角膜纤维化的显著减少。

4.4.1 角膜营养不良 角膜营养不良（corneal dystrophy，CDs）常常表现为复发性角膜糜烂和视力损害。CDs的标志是TGF-β1诱导的基因蛋白（TGFBIp）在角膜基质中呈年龄相关性渐进性累积，最终导致角膜透明度破坏，视力受损[36-37]。本病是一种基因病变，临床上缺乏有效的治疗药物，目前认为锂能够抑制CDsp-Smad3的表达[38]，曲尼司特颗粒能够通过抑制角膜成纤维细胞TGFBIp的表达来抑制TGF-β1信号，从而抑制p-Smad2/Smad3的表达，延缓角膜混浊的发生[39]，但二者的具体疗效尚待进一步研究。手术干预是目前主要的治疗方法，但不是一劳永逸的方法，如何在基因水平上研发药物靶向治疗本病，则需要眼科研究者的深入探索。

4.4.2 圆锥角膜 圆锥角膜（keratoconus，KC）是一种遗传性角膜变薄性疾病，其特点是由于角膜结构的改变导致角膜完整性丧失和视力下降[40]。研究发现KC中Smad6、7显著下调[41]。在基因水平上，TGF-β1信号通路的激活诱导TGFBIp发生改变，从而诱导胶原蛋白、层粘连蛋白、纤连蛋白及蛋白多糖的黏附[42]。目前没有彻底治疗KC的方法，Sharif等[43]发现角膜交联术后抑制性因子Smad6、7的表达明显降低，因此靶向调控TGF-β1/Smads信号通路可能对治疗KC有效。

5 小结与展望

正常的眼表结构与功能是获得良好视觉质量的前提条件，角结膜的形态是否规则与眼表疾病的发生密切相关，ECM作为细胞之间的机械支持和连接结构，参与细胞之间的信号传递，因此调控角结膜ECM代谢平衡是治疗眼表疾病的关键。综上所述，靶向调控TGF-β1/smads信号通路可能对治疗眼表疾病有一定疗效，但目前对其作用机制研究尚少，有待进一步探索，以为眼表疾病的治疗开拓新的思路与方法。

[参考文献]

[1] Petroll WM，Kivanany PB，Hagenasr D，et al. Corneal Fibroblast Migration Patterns During Intrastromal Wound Healing Correlate With ECM Structure and Alignment [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2015，56（12）：7352-7361.

[2] 黎樂平，康红花，马明洋，等.细胞外基质胶羊膜棒的生物学特性及其在雌兔干眼中的应用[J].眼科新进展，2018，38（8）：709-714.

[3] Anna B，Marcin D，NikolaosGF. TGF-β signaling in fibrosis [J]. Growth Factors，2011，29（5）：196-202.

[4] Xu F，Liu C，Zhou D，et al. TGF/SMAD Pathways and Its Regulation in Hepatic Fibrosis [J]. J Histochem Cytochem，2016，64（3）：157-167.

[5] Macias MJ，Martinmalpartida P，Massague J. Structural determinants of Smad function in TGF-β signaling [J]. Trends Biochem Sci，2015，40（6）：296-308.

[6] Mu D，Cambier S，Fjellbirkeland L，et al. The integrin alpha（v）beta8 mediates epithelial homeostasis through MT1-MMP-dependent activation of TGF-beta1 [J]. J Cell Biol，2002，157（3）：493-507.

[7] Budi EH，Duan D，Derrick R. Transforming Growth Factor-β Receptors and Smads：Regulatory Complexity and Functional Versatility [J]. Trends Cell Biol，2017，27（9）：658-672.

[8] Yan XH，Chen YG. Smad7：not only a regulator，but also a cross-talk mediator of TGF-β signalling [J]. Biochem J，2011，434（1）：1-10.

[9] Xu P，Liu J，Derynck R. Post-translational regulation of TGF-β receptor and Smad signaling [J]. Febs Lett，2012， 586（14）：1871-1884.

[10] Massagu XJ. TGF-β signalling in context [J]. NatRev Mol Cell Bio，2012，13（10）：616-630.

[11] Hill CS. Transcriptional Control by the SMADs [J]. CshPerspect Biol，2016，8（10）：a022079.

[12] Kamato D，Burch ML，Piva TJ，et al. Transforming growth factor-β signalling：role and consequences of Smad linker region phosphorylation [J]. Cellular Signal，2013，25（10）：2017-2024.

[13] Tan Y，Xu Q，Li Y，et al. Crosstalk between the p38 and TGF-β signaling pathways through TβRI，TβRII and Smad3 expression in plancental choriocarcinoma JEG-3 cells [J]. Oncol Lett，2014，8（8）：1307-1311.

[14] Jeon KI，Phipps RP，Sime PJ，et al. Antifibrotic Actions of Peroxisome Proliferator-Activated Receptor γ Ligands in Corneal Fibroblasts Are Mediated by β-Catenin-Regulated Pathways [J]. Am J Pathol，2017，187（8）1660-1669.

[15] Liu L，Wu J，Geng J，et al. Geographical prevalence and risk factors for pterygium：a systematic review and meta-analysis [J]. Bmj Open，2013，3（11）：e003787.

[16] Fernandes M，Sangwan VS，Bansal AK，et al. Outcome of pterygium surgery：analysis over 14 years [J]. Eye，2005， 19（11）：1182-1190.

[17] Hou A，Law KP，Tin MQ，et al. In vitro secretomics study of pterygium-derived fibroblasts by iTRAQ-based quantitative proteomics strategy [J]. Exp Eye Res，2016（153）：14-22.

[18] Shayegan MR，Khakzad MR，Gharaee H，et al. Evaluation of transforming growth factor-beta1 gene expression in pterygium tissue of atopic patients [J]. J Chin Assoc，2016， 79（10）：565-569.

[19] 石蕊，楊乐，薛雨顺，等.转化生长因子-β1抗体对人翼状胬肉成纤维细胞增殖及TGF-β1/Smad4信号转导通路的影[J].西安交通大学学报：医学版，2015，36（1）：98-101.

[20] 黄燕，李梅，胡新远，等.TGF-β1、Smad3、Snail1和FoxM1在翼状胬肉中的表达及意义[J].江苏大学学报：医学版，2017（6）：504-508.

[21] Chen YY，Tsai CF，Tsai MC，et al. Anti-fibrotic effect of rosmarinic acid on inhibition of pterygium epithelial cells [J]. Int J Ophthalmol，2018，11（2）：189-195.

[22] 李志杰，王嫦君.关注结膜杯状细胞在维持眼表完整性中的作用[J].中华实验眼科杂志，2017，35（2）：97-101.

[23] McCauley HA，Liu CY，Attia AC，et al. TGF-beta signaling inhibits goblet cell differentiation via SPDEF in conjunctival epithelium [J]. Dev，2014，141（23）：4628-4839.

[24] Vanathi M，Kashyap S，Khan R，et al. Ocular surface evaluation in allogenic hematopoietic stem cell transplantation patients [J]. Eur J Ophthalmol，2014，24（5）：655-666.

[25] Fuerst N，Langelier N，Massarogiordano M，et al. Tear osmolarity and dry eye symptoms in diabetics [J]. Clin Ophthalmol，2014，8：507-515.

[26] Gupta A，Monroy D，Ji Z，et al. Transforming growth factor beta-1 and beta-2 in human tear fluid [J]. Curr Eye Res，1996，15（6）：605-614.

[27] Yoshino K，Garg R，Monroy D，et al. Production and secretion of transforming growth factor beta （TGF-β） by the human lacrimal gland [J]. Curr Eye Res，1996，15（6）：615-624.

[28] 柯梅青，張兴儒，李青松.结膜松弛症发病与炎性因子的关系[J].国际眼科纵览，2015，39（2）：130-134.

[29] 项敏泓，张兴儒，张迅轶，等.结膜松弛症泪液中细胞因子的检测[J].国际眼科杂志，2010，10（9）：1702-1703.

[30] 韩竹梅，张兴儒，柯梅青，等.基质金属蛋白酶及其组织抑制剂在结膜松弛症成纤维细胞中的表达[J].中国眼耳鼻喉科杂志，2013，13（6）：365-367.

[31] 项敏泓，李轶捷，张兴儒，等.杞精明目汤药物血清对结膜松弛症患者球结膜成纤维细胞中基质金属蛋白酶表达的影响[J].中华实验眼科杂志，2013，31（10）：940-943.

[32] 贾元玲，项敏泓，文杭，等.杞精明目汤颗粒剂对肿瘤坏死因子-α刺激下结膜松弛症成纤维细胞MAPK信号通路的影响[J].眼科新进展，2018，38（4）：319-323.

[33] Nelson EF，Huang CW，Ewel JM，et al. Halofuginone down-regulates Smad3 expression and inhibits the TGF-beta induced expression of fibrotic markers in human corneal fibroblasts [J]. Mol Vis，2012，72（4）：479-487.

[34] Seet LF，Toh LZ，Finger SN，et al. Valproic acid suppresses collagen by selective regulation of Smads in conjunctival fibrosis [J]. Mol Med，2016，94（3）：321-334.

[35] Gupta S，Rodier JT，Sharma A，et al. Targeted AAV5-Smad7 gene therapy inhibits corneal scarring in vivo [J]. PloS One，2017，12（3）：e0172928.

[36] Jeon ES，Kim JH，Ryu H，et al. Lysophosphatidic acid activates TGFBIp expression in human corneal fibroblasts through a TGF-β1 dependent pathway [J]. Cell Signal，2012，24（6）：1241-1250.

[37] Yellore VS，Rayner SA，Aldave AJ. TGFB1-Induced Extracellular Expression of TGFBIp and Inhibition of TGFBIp Expression by RNA Interference in a Human Corneal Epithelial Cell Line [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2011， 52（2）：757-763.

[38] Choi SI，Kim BY，Dadakhujaev S，et al. Inhibition of TGFBIp expression by lithium：implications for TGFBI-linked corneal dystrophy therapy [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2011，52（6）：3293-3330.

[39] Kim TI，Lee H，Hong HK，et al. Inhibitory Effect of Tranilast on Transforming Growth Factor-Beta Induced Protein in Granular Corneal Dystrophy Type 2 Corneal Fibroblasts [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2015，34（8）950-958.

[40] Davidson AE，Hayes S，Hardcastle AJ，et al. The pathogenesis of keratoconus [J]. Eye，2014，28（2）：189-195.

[41] Engler C，Chakravarti S，Doyle J，et al. Transforming growth factor-β signaling pathway activation in Keratoconus [J]. Am J Ophthalmol，2011，151（5）：752-759.

[42] riyadarsini S，McKay TB，Karamichos D，et al. Keratoconus in vitro and the key players of the TGF-β pathway [J]. Mol Vis，2015，21：577-588.

[43] Sharif R，Hjortdal J，Sejersen H，et al. Human in Vitro Model Reveals the Effects of Collagen Cross-Linking on Keratoconus Pathogenesis [J]. Sci Rep，2017，7（1）：12517.

（收稿日期：2018-10-31 本文編辑：封 华）