NRG1-ErbB信号通路的生物学功能及其在各种疾病中的作用

梁钰 综述 李顺昌 审校

成都体育学院运动医学与健康研究学所，四川 成都 610041

神经调节蛋白(NRG1)/ErbB4 是由NRG 配体与ErbB受体组成的神经信号传导通路。NRGl通过诱导ErbB二聚化来激活酪氨酸激酶活性，而其他激酶及其下游信号分子和途径的激活是以磷酸化的酪氨酸残基作为对接位点，调节各种生理活动。NRG1-ErbB信号通路在脑组织中调节脑的发育和神经可塑性的形成，是治疗精神分裂症、癫痫、多发性硬化等脑血管疾病的重要新方向；参与运动心肌重构、心脏发育、成体心脏以及维持心肌细胞的结构功能，在治疗心力衰竭、心肌梗死等心血管疾病中发挥重要作用；促进骨骼和肌肉的发育，调控骨骼肌系统糖代谢过程；在肺癌、乳腺癌、食管癌的发生、发展、侵袭与转移过程中起着不可替代作用，参与肿瘤的生长、微血管生成和微环境变化等过程。

1 NRG1-ErBb信号通路概述

NRG 为神经调节蛋白，是受体(ErbB)的配体，结构上是一种跨膜蛋白和促活因子的神经调节蛋白[1]，有四种不同的基因(NRG1～4)编码的NRG 蛋白亚基，但全部亚型NRG 蛋白都含有EGF 样受体结合区域。由于选择性剪切结果和启动子种类不同，NRG1 有3种不同的神经调节蛋白亚型，其中Ⅰ型和Ⅱ型NRG1单次跨膜蛋白统称为Ig-NRGs，Ⅲ型NRG1 2次跨膜蛋白统称为CRD-NRGs。NRG1作为信号蛋白在心血管系统、神经系统、肾脏和乳腺肠道中都发挥着不可代替的作用[2-3]。

ErbB 受体有四个成员(ErbB1～4)。其中ErbB1 不参与该通路，ErbB2、ErbB3 和ErbB4 受体分别表达于肿瘤细胞、心脏球间质细胞和心室肌细胞中。ErbB2没有胞外配体，但在心脏发育前期和心肌的形成过程中发挥关键作用，维持心脏血液供应。ErbB1、ErbB3和ErbB4 都具有配体，分别表达于NRG1、细胞调节素、双调蛋白、上皮调节蛋白及上皮细胞有丝分裂蛋白中。NRG1 与ErbB 结合形成受体同源二聚体或异源二聚体，以此激活NRG1-ErBb 信号通路在多种组织中发挥调节作用，见图1。

图1 NRG1结合ErbB2/ErbB3/ErbB4激活下游通

2 NRG1-ErBb信号通路生物学功能

2.1 NRG1-ErbB 信号通路在脑发育中的作用在成人大脑中，NRG1广泛存在于脑干、基底核等区域[4]。NRG1-ErbB 信号通路参与大脑皮质信息传递，促进神经环路和神经元髓鞘的形成，抑制神经细胞凋亡，调节表达神经营养因子及炎症因子。NRG1-ErbB信号通路参与神经突触生长、神经元迁移和分化过程，对胚胎期中枢神经系统发育和出生后婴幼儿脑功能健全非常重要，在脑缺血再灌注损伤(cerebral ischemia-reperfusion injury)中起关键作用[5]。

2.2 NRG1-ErbB 信号通路在心脏发育中的作用NRG1-ErbB 信号通路在维持心脏发育功能方面起重要作用，此过程有NRG1、ErbB2 和ErbB4 受体参与，并对其敲除产生效能[6]。NRG1、ErbB2～4 受体分别表达于心内膜、间充质细胞以及心室肌细胞等不同区域[7]。特异性阻断小鼠胚胎中ErbB2、ErbB4基因表达后，胚胎会因心脏肌小梁发育不全在子宫中死亡，说明ErbB2/ErbB4二聚体在心肌肌小梁发育过程中十分关键，缺少任一基因都会造成心脏发育不全；缺少ErbB3 基因的小鼠心室小梁发育正常，心内膜垫发育畸形，在胚胎期极易死亡，说明ErbB3主要影响心瓣膜的形成；敲除NRG1后的小鼠不但肌小梁发育不全，而且心瓣膜也有缺陷，这些结果表明NRG1 在心脏发育过程中经由ErbB2、Erb3和ErbB4受体发挥关键作用。

2.3 NRG1-ErbB 信号通路在运动心肌重构中的作用间歇运动作为心血管疾病预防和康复的重要手段，在心肌梗死疾病中发挥积极作用。间歇运动在心梗大鼠NRG1 和ErbB2/4 受体的过程中产生反应，激活下游PI3K/Akt 信号通路发挥调控作用[8]。高强度间歇运动促进心肌梗死大鼠心肌重构，降低心肌纤维化，减轻线粒体功能障碍，提高左室射血分数，改善左室收缩功能障碍[9]。在心梗前期，心肌受损和功能障碍时，NRG1-ErbB 信号通路激活，左心室NRG1 mRNA急性增加。当心室功能衰退后，NRG1-ErbB信号通路发生变化，受体ErbB2、ErbB4 和NRG1 mRNA蛋白的表达均有下降趋向。间歇运动促进梗死心肌的NRG1、ErbB、PI3K 和Akt 信号蛋白表达明显增加，Bcl-2/Bax 比值明显增多，Caspase3 活力明显下降，TUNEL阳性细胞数量明显降低，这表明间歇运动激活NRG1/ErbB2/4 及PI3K/Akt 通路，避免心脏心肌细胞凋亡并保护心梗心脏[10]。

选择适当的运动方式和强度可改善心肌结构，促进运动心肌重构，提高心功能。抗阻训练在心梗心脏NRG1 和ErbB2 受体的过程中产生反应，激活下游PI3K/Akt 和ERK1/2 信号通路发挥调控作用[11]。抗阻训练促进NRG1 和ErbB2 mRNA 表达增高，同时提高PI3K/Akt 和ERK1/2 信号蛋白的磷酸化水平[12]。抗阻训练直接对心脏产生保护效应，间接对心脏和血管产生应力刺激，改变心肌形态及构成，加速NRG1 等多种细胞因子表达，发挥自分泌或旁分泌作用，心肌纤维化程度和心肌细胞丢失率下降，对氧化应激和神经内分泌起到关键调节作用。长期抗阻训练加厚左心室壁厚度，促进外周血管内皮功能，降低个体心血管压力负荷，减少氧自由基的形成，减少氧化应激损伤[13]。因此，抗阻训练是心脏康复过程中不可或缺的部分。

3 NRG1-ErBb信号通路在各疾病中的作用

3.1 NRG1-ErbB 信号通路在脑血管疾病中的作用NRG1具有EGF样结构域基团，在神经元迁移、髓鞘和突触构成方面发挥重要作用。不同动物实验模型已证明NRG1 在阿尔茨海默症、精神分裂症、癫痫、多发性硬化等疾病中起神经保护作用[14]。精神分裂症是一类起病慢且病因不明的精神病。NRG1作为重要靶点，通过调控γ-氨基丁酸能神经元来控制小鼠海马神经[15]。NRG1在精神分裂症中的不同表达对小鼠海马体神经调控不同，当模仿精神分裂症的小鼠前脑区域表达超出正常时，小鼠表现出行为失常，谷氨酸能和γ-氨基丁酸能通路功能减退；区域内NRG1表达正常时，谷氨酸能和γ-氨基丁酸能通路功能增多，因此，NRG1 在治疗精神分裂症中担任重要角色[16]。阿尔茨海默病是一种各功能障碍起病隐匿的异质性疾病。在动物实验模型中发现，脑区NRG1和ErbB4的表达对维持剂量有依赖性的作用影响，表达明显增多时抑制由药物造成的长时程也增强[17]。当NRG1/ErbB4信号通路被阻断时，NRG1的维护功能消失[18-19]。癫痫是一种神经发育障碍疾病[20]。NRG1/ErbB4 信号通路参与大脑发育的重要过程，在癫痫疾病中起抑制作用[21]。NRG1 激活ErbB4 受体，前额皮质释放γ-氨基丁酸(GABA)增强，对神经元的兴奋性活动起抑制作用[22]。NRG1 或ErbB4 任一功能丧失会影响脑内神经元和突触的生长，改变神经传递，产生认知障碍等各种癫痫症状。已有的动物实验中，经过细胞特异性突变，发现NRG1/ErbB4 信号通路通过GABA 中间神经元在激活过程中抑制癫痫产生，减轻癫痫脑内兴奋状态，降低由癫痫导致的神经回路变化。缺血性脑血管疾病是导致伤残的关键因素[23]。大多数脑缺血疾病为大脑动脉堵塞导致的急性缺血性脑血管疾病[24]。NRG1β抑制缺血导致的炎症反应，研究表明NRG1β抑制缺血后IL-lβ的活性表达发挥神经保护作用[25]。NRG1β抑制脑缺血导致的皮质损伤，在大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion)受损前摄入NGR-1β明显降低大脑皮质区梗死体积以及抑制缺血造成的神经元凋亡。

3.2 NRG1-ErbB 信号通路在心血管疾病中的作用NRG1-ErbB 信号通路是治疗心血管疾病的重要靶点，NRG1是该疾病的重要细胞保护因子，参与多种病理生理过程，在心力衰竭、心肌梗死等疾病中发挥调节作用[26]。心力衰竭是由心肌梗死、心肌病、炎症等原因引起的心肌损伤，长期影响心肌结构及功能的改变。NRG1-ErbB 信号通路在心脏发育和成体结构功能方面起着至关重要的作用。目前已有动物实验证明，通过重组NRG1 对急性心肌损伤和慢性心力衰竭的治疗能显著改善心功能和存活率[27]。将重组NRG1对动物静脉注射，对应心肌的标志物水平降低，实现生命延长[28-29]。体内失活会导致心肌细胞增殖减少，而增加表达会导致心肌细胞增殖加快，但对人类慢性心力衰竭的治疗作用还需通过更多临床实验来深入研究[30]。研究显示，内皮细胞释放NRG1与ErbB4受体结合后，梗死(MI)后心脏中单核心肌细胞增殖，以此可修补损伤心脏。有实验将人体NRG1通过慢病毒载运注射到大鼠的梗死心肌中，几周后发现该基因转导促成NRG1 基因和蛋白的表达，缺血心肌的微血管数量增加。经过qRT-PCR 观察发现，NRG1 抑制细胞凋亡蛋白(bcl-2)和血管内皮因子(VEGF-A)的表达增加，因此，NRG1 促进血管生成和维持细胞数量来改善心脏功能[31]。动脉粥样硬化是多种因素共同作用引起的发病机制复杂的慢性疾病。炎症贯穿于疾病的开始、发展和病变过程，大量的炎症因子起到关键作用[3]。对载脂蛋白E 基因敲除小鼠NRG1 静脉给药，NRG1通过单核细胞源性巨噬细胞的A 类清道夫受体和酰基辅酶A-胆固醇酰基转移酶1的减少，ATP与盒转运子A1 结合增多，在动脉粥样硬化疾病中发挥调控作用，预防巨噬泡沫细胞的形成，延缓主动脉动脉粥样硬化疾病的病变进程[3]。

3.3 NRG1-ErbB 信号通路在癌症中的作用多项研究证明NRG1 在多种恶性肿瘤中异常表达[32]，并参与肿瘤的增殖生长、分化、转移、微血管生成及微环境改变等过程[33]。NRG1 与受体结合，形成同源或异源二聚体，被活化的受体激活下游的信号蛋白在癌症的形成、进展、病变等过程发挥作用。肺癌是支气管黏膜上皮出现的对人体健康危害极大的恶性肿瘤之一。在癌症发病病例中，小细胞肺癌的病例数保持稳定趋势，而非小细胞肺癌的比例总体呈上升趋势，且该疾病还在继续发生改变。NRG1 在肺癌中过度表达，当阻断与NRG1相关的信号传导时，抑制原发性非小细胞肺癌(NSCLC)的生长，增强对化疗的反应[32]。NRG1 通过激活下游PI3K 信号通路抑制在非小细胞肺癌中表达，在疾病中发挥重要效应。NRG1 可能是肺癌的抑癌基因，当NRG1调高时，细胞的侵占和迁移能力降低，而当NRG1调低时，细胞的侵占和迁移能力遭受刺激。因此，NRG1 可能在肺癌的转移中发挥保护作用[34]。乳腺癌是一种常见的威胁人体健康的乳腺上皮细胞恶性肿瘤。NRG1 作为HER3 配体显著促进HER2 和HER3 的相互作用[35]。外源性NRG1 以自分泌或旁分泌方式促进p-HER3表达增加，HER3抗体的加入显著下调HER3 的表达水平，并诱导细胞早期凋亡的发生[36]。研究表明NRG1 对HER2 阳性乳腺癌细胞发挥调节作用，MMP-1/MMP-9 表达增高，促进肿瘤细胞侵袭。调查得出沉默HER3 基因可下调NRG1表达水平，抑制肿瘤细胞侵袭，NRG1基因沉默也有效抑制HER3活性及细胞侵袭,表明NRG1刺激HER3促进HER2 阳性乳腺癌细胞的侵袭，因此，非依赖性HER2 的NRG1/HER3 在阳性乳腺癌细胞中发挥关键作用[37]。食管癌是一种消化道肿瘤，组织学上以鳞状细胞癌多见，发病率和死亡率分别在所有恶性肿瘤中排名第9 位和第6 位[38]，已成为我国卫生部特色肿瘤。NRG1 是重要的信号蛋白，所有亚型NRG1 都以无活性前体形式与受体酪氨酸激酶在细胞膜上结合，对EGF样结构域近C端发挥关键作用。NRG1迅速被内化，运输到细胞核中，作为核生长因子，参与细胞周期、分化、恶性形成相关的致癌基因c-myc 的活化并启动转录过程，发挥有丝分裂原、诱导分化剂、转化剂的效应[39]。NRG1 可能是抑癌基因，在食管癌的发生发展过程中发挥作用，但其机制及调控作用还需深入研究。

4 结语

NRG1通路在心血管系统和神经系统发育等多种生命过程中起关键作用，与精神分裂症、阿尔茨海默症、癫痫、心力衰竭、动脉粥样硬化、心肌梗死以及癌症等疾病密切相关，对心肌细胞的结构、生长、增殖及凋亡有不可替代的作用。目前，NRG1-ErbB 信号通路对运动心肌重构的作用及调控机制研究甚少，以及在神经和心血管系统、癌症等组织中的调控作用待深入研究。尽管目前面临着诸多挑战，但随着相关技术的发展，NRG1-ErbB 信号通路在多种组织中的作用及机制将给相关的病症提供更多的参考可能和治疗方法。