半乳糖凝集素在神经退行性疾病中作用机制的研究进展

彭琴玉 张国新 郭笑迪 张振涛

武汉大学人民医院，湖北 武汉 430060

神经退行性疾病（neurodegenerative diseases，ND）是一类以进行性、不可逆的神经元变性丢失为特征的多种疾病的总称，包括阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、亨廷顿病（Huntington disease，HD）、肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）等。这些疾病共同的病理特征是病理性蛋白在脑内异常聚集，但具体的病因及病理机制尚未明确［1］，越来越多的研究提示神经炎症在神经退行性疾病发生中发挥重要作用［2-4］。半乳糖凝集素（galectins，Gal）是一类内源性的β-半乳糖苷结合蛋白，参与细胞迁移、细胞凋亡、免疫应答和炎性信号传导等生理过程［5-6］。在中枢神经系统，半乳糖凝集素作为促炎或抗炎因子，参与神经调节、神经炎症在内的各种生理病理过程［7-8］。近期有研究发现，半乳糖凝集素在多种神经退行性疾病患者脑内表达增高，并与脑内小胶质细胞活化、自噬及神经炎症密切相关［9-10］。Gal-3/8/9通过参与受损溶酶体的识别、修复及清除发挥神经保护作用［11-13］。其中，Gal-3 在ALS 及急性脑缺血疾病小鼠模型中发挥抗炎作用，可以延缓病理进展［14-18］。另一方面，在AD 和PD 两种疾病中，Gal-3 可通过与小胶质细胞表面的Toll 样受体4（toll-like receptor 4，TLR4）或髓系细胞触发受体2（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）结合，诱导小胶质细胞活化和促炎因子表达上调，介导神经变性和功能损害［9，19］。

本文将围绕半乳糖凝集素的结构和功能，总结其在神经退行性疾病中的最新研究进展，以期进一步深入认识半乳糖凝集素与神经退行性疾病之间的关联，为疾病寻找新的潜在生物标志物和治疗靶点。

1 半乳糖凝集素的结构、分布和生物学功能

半乳糖凝集素是内源性凝集素家族成员，能够与含β-半乳糖苷残基的多聚糖结合，其典型特征是具有高度保守的糖识别结构域（carbohydrate recog⁃nition domain，CRD）。目前已发现15个半乳糖凝集素家族成员，分别命名为Gal-1～Gal-15。根据其分子结构分为三类：原型（Proto）、串联重复型（Tan⁃dem-Repeat）和嵌合型（Chimera）。原型半乳糖凝集素 蛋 白 包 括Gal-1、-2、-5、-7、-10、-11、-13、-14 和Gal-15，此型成员含有1个CRD，多以二聚体的形式存在。串联重复型半乳糖凝集素蛋白包括Gal-4、-6、-8、-9和Gal-12，包含两个由短肽相连的CRD，以单体的形式发挥作用。嵌合型半乳糖凝集素蛋白仅有Gal-3，由一个C端CRD结构域和一个胶原蛋白重复结构域融合而成，此类型一般形成多聚体发挥作用。

半乳糖凝集素在体内广泛表达，但各型半乳糖凝集素在不同种属和组织中存在表达特异［5］。Gal-2、-4、-6、-7、-9、-11 主要在胃肠道等消化系统组织中表达较高，Gal-12 在脂肪组织中表达较高，而Gal-4 在皮层及海马神经元中有显著表达。目前认为，半乳糖凝集素是一种胞质蛋白，大部分位于胞质或胞核内，小部分可以通过非经典分泌途径分泌到胞外，与β-半乳糖苷配体结合发挥作用，包括半乳糖凝集素直接诱导的信号传导和半乳糖凝集素介导的细胞表面暴露，进而参与多种生理功能，如诱导T细胞凋亡、血管及淋巴管生成、慢性炎症中的纤维化以及其他免疫调节过程［20-21］。此外，半乳糖凝集素还在受损的神经突触囊泡周围表达，可以作为突触囊泡破坏的标志物［10，22］。

2 半乳糖凝集素在中枢神经系统中的作用

Gal-1/3/4/8/9 在中枢神经系统显著表达［23］。这些半乳糖凝集素可通过参与内溶酶体受损修复、小胶质细胞激活及神经炎症、去唾液酸化作用而参与神经功能的调节。内溶酶体功能障碍在神经退行性疾病病理过程中发挥重要作用。神经元或小胶质细胞内吞Aβ、tau 和α-突触核蛋白等病理性蛋白后，出现内溶酶体受损破裂，继而这些病理性蛋白种子被释放至胞质并加速播散［24-26］。作为抗炎因子的Gal-1可间接参与神经保护，促进髓鞘再生［27］。Gal-3/8/9可监测、修复、清除细胞内受损溶酶体，减少病理性蛋白的播散，发挥神经保护作用［11-13］。具体来说，Gal-8 通过识别内膜受损，与核点蛋白52（nuclear dot protein 52，NDP52）结合激活自噬来发挥神经保护作用［11］。JIA等［13］提出了Gal-3参与动态协调受损溶酶体清除的机制。早期，Gal-3 识别受损溶酶体，激活转运所需的核内体分选复合体（endosomal sorting complexes required for transport，ESCRT），进而介导溶酶体修复，随后Gal-3参与受损溶酶体的清除。以上两种方法失败后，Gal-3可通过转录因子EB（transcription factor EB，TFEB）完成溶酶体替换［13］。然而，一项关于HD的研究发现，小胶质细胞受到突变型亨廷顿蛋白（mutant Huntingtin，mHTT）刺激后，受损溶酶体上有大量Gal-3 表达而无自噬标志物LC3表达，表明Gal-3抑制了受损溶酶体的清除［10］。

神经退行性疾病中的另一重要病理现象是小胶质细胞的激活。小胶质细胞被各种病理性蛋白激活后可向M1 促炎表型转化，释放大量促炎因子，进而加重神经元损伤［28-29］。Gal-3作为内源性的免疫调节因子，可与小胶质细胞表面TLR4 受体结合，诱导小胶质细胞的M1型促炎应答反应，同时激活NLRP3炎症小体，加重神经炎症［10，19］。此外，Gal-3还可直接与TREM2 结合，通过TREM2-DAP12 信号通路诱导小胶质细胞活化，加重神经变性［9］。然而，部分研究报道了相反的结果，研究显示在急性脑缺血后，Gal-3可介导抗炎及神经保护效应［15-16］。RAHIMIAN 等［15］比较了Gal-3 在生理和缺血性损伤背景下对小胶质细胞形态、迁移和细胞因子分泌的影响。在体内和体外实验中用重组Gal-3蛋白处理小胶质细胞，结果发现Gal-3 通过白细胞介素4 促进小胶质细胞活化。此外，缺血性脑损伤后腹腔注射Gal-3，24 h后可发现小胶质细胞向M2抗炎表型转化，抗炎细胞因子表达上调［15］。以上研究表明Gal-3 在神经系统疾病中发挥双重效应，这种由Gal-3介导的小胶质细胞促炎及抗炎表型的转化，可能与疾病类型、严重程度以及疾病所处阶段有关［8］。

神经变性与小胶质细胞及神经元的“去唾液酸化”作用同样有关。生理条件下，小胶质细胞及神经元处于“唾液酸化”状态，表现为神经元不易被小胶质细胞吞噬［30］。受到外界因素（如LPS、Aβ和tau 蛋白）刺激后，小胶质细胞表面吞噬补体受体3（complement Receptor 3，CR3）激活，小胶质细胞发生“去唾液酸化”，对神经元的吞噬能力明显增强，进而加速神经变性［31］。PUIGDELLÍVOL 等［30］研究表明，小胶质细胞被激活后发生“去唾液酸化”，可表达和释放Gal-3，后者与细胞表面受体TREM2 和TLR4结合可以进一步促进小胶质细胞激活，同时通过MerTK受体介导小胶质细胞吞噬能力的增强，促进A β的聚集和毒性。 与之相反，Gal-8 在小胶质细胞处于“唾液酸化”状态时，表现出较强的自噬清除能力和神经保护作用［32］。

3 半乳糖凝集素与AD

小胶质细胞的单细胞转录组学研究显示，Gal-3是神经退行性疾病相关神经炎症中的重要分子，Butovsky 等分析了AD 疾病小鼠模型（APP/PS1 和5xFAD小鼠）中小胶质细胞的转录谱，发现这些疾病相关性小胶质细胞表现出了Gal-3 基因表达的明显上调［33］。此外，Gal-3 在AD 患者、5xFAD 小鼠（家族性AD的动物模型）以及APP/PS1小鼠的脑组织中表达明显升高，敲除Gal-3的AD模型小鼠脑内Aβ斑块负荷降低、促炎应答反应减低、认知功能改善［9，34］。有研究报道，Gal-3 作为TREM2 的内源性配体，激活TLR及TREM2-DAP12相关信号途径，继而诱导小胶质细胞的促炎反应［9］。另一方面，Gal-3 可直接结合Aβ，介导其寡聚化和神经毒性［34］。在AD 的体外培养细胞模型H4-APPsw细胞中发现，Gal-33结合蛋白（Galectin 3-binding protein，GAL3BP）可减少Aβ的生成［35］，这与Gal-3促进AD病理的研究结果不相一致，可能与体外细胞培养模型的选择有关。临床相关研究发现，与健康对照相比，AD患者血清中Gal-3表达明显升高，且与疾病严重程度呈正相关。Gal-3与认知功能损害之间的关联提示其作为AD 早期诊断生物标志物具有一定的潜力［36-37］。

与Gal-3 不同，Gal-1 和Gal-8 在AD 中发挥潜在神经保护作用。研究发现，Gal-1 连续3 周处理PDAPPJ20 转基因小鼠（AD 小鼠模型）后，其在新物体定位识别实验中显示出明显的认知功能改善，同时海马区淀粉样蛋白沉积减少了53.5%。该研究通过荧光素标记海马血管系统及Aβ斑块，发现Gal-1处理的小鼠血管周Aβ降低了30%，提示Gal-1 可能通过保护血脑屏障完整性来促进Aβ清除［38］。Gal-8可以保护原代海马神经元免受Aβ寡聚体、营养剥夺、谷氨酸兴奋毒性和过氧化氢诱导的氧化应激损害。这种神经保护作用是通过激活β1-整合素、ERK1/2和PI3K-AKT 信号通路来实现的［39］。此外，Gal-8 可以监测到tau 聚集体进入细胞后所致的内膜完整性受损，并通过募集货物受体NDP52，激活自噬清除，减少tau 蛋白的聚集和传播，进而减轻AD 病理［11］。

Gal-9 是一种T 细胞配体，在先天性及适应性免疫应答中起多效调节作用。目前，Gal-9在神经退行性疾病中的作用尚不明确。有研究发现，AD患者外周血中Gal-9 水平和回肠胆汁酸结合蛋白（ileal bile acid binding protein，I-BABP）水平均升高，且高于轻度认知功能损害组。多因素分析显示，I-BABP 和Gal-9 的水平与AD 症状明显相关。该项研究提示，作为肠上皮受损标志物的I-BABP可能与T细胞协同作用加速认知障碍［40］。

4 半乳糖凝集素与PD

对PD 患者和正常对照者的脑脊液进行质谱分析发现，Gal-1 在2 组中存在差异表达，PD 患者脑脊液中Gal-1 表达相对较低，与脑脊液中AD 经典病理标志物总tau、p-tau、神经丝轻链水平以及简易智能评分量表评分相关［41］。一项在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydro⁃pyridine，MPTP） 诱导的PD 小鼠模型中的研究显示，纹状体部位注射Gal-1 后，Gal-1 可通过调控MAPK/IκB/NF-κB信号通路，抑制小胶质细胞的活化和促炎因子释放，从而减轻黑质多巴胺能神经元变性，改善运动症状［42］。

Gal-3 在急性外周炎症相关PD 模型发病中的作用也有报道。腹腔注射LPS或口服葡聚糖硫酸钠所致的急性外周炎症模型中，发现在中脑黑质部位有大量促炎型小胶质细胞活化，同时Gal-3和促炎细胞因子如IL-1β、TNF-α表达上调，而在敲除Gal-3后，黑质部位小胶质细胞活化减少，促炎细胞因子表达相对减少［43］。与健康对照者相比，PD患者血清中Gal-3水平明显升高，且与疾病严重程度相关［44-46］，这为Gal-3作为PD早期诊断的外周标志物提供了证据支撑。

5 半乳糖凝集素与HD

研究发现，血清及脑组织Gal-3 水平在HD 患者及HD小鼠模型中都明显升高，且与疾病严重程度相关［10，47］。在HD小鼠中，Gal-3主要在小胶质细胞中高表达，这发生在运动功能受损之前并且可持续整个疾病过程。抑制Gal-3 表达后，HD 小鼠的神经炎症减轻，mHTT 聚集减少，神经元多巴胺和环磷酸腺苷调节的磷酸化蛋白32（dopamine and cAMP regulated phosphoprotein of 32 kDa，DARPP32）水平及运动功能障碍得到了恢复和改善。进一步研究发现，Gal-3通过NF-κB和NLRP3炎症小体依赖通路参与炎症反应，加速神经变性和运动障碍的发生［10］。因此，抑制Gal-3可改善HD小鼠脑内小胶质细胞介导的神经炎症，提示Gal-3作为HD新药物治疗靶点的可能性。

6 半乳糖凝集素与ALS

相较于健康对照者，ALS 患者血清中Gal-3 水平增高，尤其是女性患者，并且与ALS病程呈正相关［48］。此外，ALS 患者脑脊液中也观察到了Gal-3 水平的升高，与认知功能损伤明显相关［36］。以上研究显示出Gal-3 作为ALS 生物标志物的可能性。与对照组相比，敲除Gal-3 的SOD1（G93A）小鼠显示出更强的小胶质细胞活化、炎症因子释放以及更快的疾病进展速度，表明Gal-3在ALS病理进展中发挥保护作用［18］。

7 结论

半乳糖凝集素是一类内源性的β-半乳糖苷结合蛋白，在心脏病、糖尿病、肝炎、肾病、肿瘤及自身免疫性疾病中都发挥重要作用。近年来，越来越多的研究关注半乳糖凝集素在神经退行性疾病中的作用，目前研究比较多的有Gal-1/3/8 和Gal-9。其中，Gal-1/8/9 主要发挥神经保护作用，而Gal-3 具有双重效应，在AD中通过诱导小胶质细胞活化介导神经炎症，抑制病理性蛋白的自噬清除，或直接与Aβ结合以加强其神经毒性等多个机制来促进疾病病理进展。另一方面，在ALS小鼠模型，Gal-3通过抑制小胶质细胞活化、促进轴突及髓鞘再生等途径发挥神经保护作用［18，49］。在AD，PD，HD和ALS等多种神经退行性疾病中，血清半乳糖凝集素蛋白表达水平升高，且与疾病严重程度相关，提示半乳糖凝集素可能成为神经退行性疾病早期诊断方便有效的生物标志物。