TGF-β信号转导通路与遗传性脑小血管病

任倩倩 徐隋意 宋士娜 李常新

山西医科大学第一医院神经内科，太原 030001

脑小血管病（cerebral small vessel disease，CSVD）是包括小动脉硬化、散发或遗传性脑淀粉样血管病、遗传性小血管病、炎性或免疫介导的小血管病等在内的一系列疾病，常累及小动脉、小静脉、毛细血管等，大多起病隐匿、病情进展缓慢［1］。患者多表现为认知功能障碍、痴呆、步态异常、精神行为异常等［2-3］。有研究发现，转化生长因子-β（transforming growth factor β，TGF-β）信号通路与CSVD 认知功能损害和痴呆相关［4-6］。TGF-β 是一类由多种细胞分泌的具有生物活性的调节因子，其生物学作用是通过结合靶细胞表面的受体，将信号转导至核内而发挥作用，还可通过调控细胞生长、增殖、分化、迁移导致颅内小血管发生病理改变［7-8］。近年来，有关TGF-β 信号通路与遗传性CSVD发病机制成为研究的热点。

TGF-β蛋白家族及其受体

TGF-β 超家族包括TGF-β、骨形态发生蛋白（bone morphogenic protein，BMP）、激活蛋白及相关蛋白。其中TGF-β 在人体中分布广泛，是通过二硫键连接2 条完全相同的多肽链（含112 个氨基酸）而形成的二聚体，哺乳动物中多见TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3亚型，其编码基因分别位于不同染色体上，具有高度的功能保守性和结构保守性，可广泛表达于内皮细胞、神经细胞、成纤维细胞、上皮细胞以及间充质细胞等［9-10］。

TGF-β 参与调节细胞生长、凋亡、分化、迁移和细胞外基质生成等多种过程，对不同种类细胞可表现出促进或抑制两种作用［9］。无论是在胚胎时期还是在成年后，TGF-β在神经系统发育、功能维持等多个方面都起关键作用，不仅可以调控神经细胞功能、引导细胞迁移、突触发生，还能调节炎性反应、促进认知功能障碍等［11-12］。

TGF-β信号转导通路及其转导机制

TGF-β 信号转导通路可通过Smad 依赖通路和非Smad依赖通路发挥作用，两种通路均有赖于TGF-β 跨膜受体复合物［8，11］。TGF-β 受体依据分子量大小不同分为TGF-βRⅠ（TβRⅠ）、TGF-βRⅡ（TβRⅡ）和TGF-βRⅢ（TβRⅢ）。其中，TβRⅡ是一种丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，可与活化的TGF-β 配体特异性识别、结合，激活细胞内的Ser/Thr 激酶区域，并结合TβRⅠ共同形成跨膜受体复合物，进一步介导后续细胞内的连锁反应。

TGF-β/Smads 信号通路是最经典、研究最广泛的TGF-β 信号通路，当其信号转导功能发生障碍时，可并发CSVD［7-8］、纤维化疾病［13-14］、结缔组织疾病［15］等。Smads 蛋白家族在此通路中起到了关键介导作用。Smads 蛋白家族存在于细胞质中，是最早被证明的TGF-β 受体复合物作用的底物，目前已知的Smads 蛋白至少有8 种（Smad1～Smad8）。受体复合物中活化的TβRⅠ磷酸化下游Smad2/Smad3 蛋白，与Smad4 三聚体结合形成转录复合物，并与特异性结合蛋白结合，最终进入细胞核激活目的基因［16］。在此过程中，Smad7 可通过紧密结合TβRⅠ，抑制Smads 磷酸化而发挥负性调控作用［17］。由此可见Smads蛋白是转导TGF-β信号进入细胞核的关键环节。

TGF-β 相关蛋白还可以激活其他非Smad 依赖的信号通路级联反应，例如促分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、核 因 子 κB（nuclear factor κB，NF-kb）等。由于与Smads 受体结合的连接蛋白具有多样性，MAPK 信号通路被酪氨酸激酶受体或Ras 激活后，可通过磷酸化Smads 调控TGF-β/Smads 信号通路，多条信号通路互相协调，进一步实现对细胞不同生命阶段的精密调控。研究表明，体内动力学缓慢的激活过程常与Smad 依赖的转录反应相关，而对于应激反应等需要快速激活的过程，多以非Smad依赖的MAPK通路为主导［11，18］。

TGF-β信号通路与遗传性CSVD

目前CSVD的病因及相关发病机制仍不明确，有研究证实TGF-β 信号通路在遗传性CSVD 中起作用［19］，但相关研究多局限于平滑肌细胞［［7，20］和成纤维细胞［17］。有研究认为，在血管发生和重塑过程中，TGF-β对内皮细胞有多重影响，可能会导致内皮细胞功能紊乱［21］。内皮细胞功能下降引起血管壁结构改变，血脑屏障通透性增加，血液成分外渗损伤周围脑组织，进而导致神经功能缺损［22-23］。伴皮质下梗死和白质病变的常染色体显性遗传性脑动脉病（CADASIL）是最常见的遗传性CSVD，NOTCH3基因突变可通过介导细胞外基质蛋白等的异常募集，引起TGF-β 信号通路上调，进而导致脑血管功能障碍［24］。NOTCH3细胞外结构域（extracellular domain，ECD）在血管壁的聚集和沉积是CADASIL 早期病理学标志［25］，有学者通过研究其富集的脑区纤维连接蛋白、纤维蛋白1 和TGF-β 结合蛋白（latent TGF-β binding protein，LTBP）家 族 成 员 ，发 现 潜 在 的LTBP-1 与Notch3-ECD 沉积具有特异性聚集，是TGF-β 信号调节因子家族中的关键作用因子，可直接与Notch3-ECD结合改变TGF-β 活性，对下游信号通路产生影响［24，26］。NOTCH3基因突变的致病作用和后续对细胞的影响可能是基于Smads与其他因子的协同作用。研究表明，NOTCH3基因可阻断TGF-β1 依赖的平滑肌细胞分化，而TGF-β1 又可通过Smads 和P38 丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）导致NOTCH3表达的下降［27］。

伴有皮质下梗死和白质病变的常染色体隐性遗传性脑动脉病（CARASIL）是由HTRA1基因纯合突变导致的遗传性CSVD，典型临床表现为颅内小血管病变、脊椎病、脱发等，由于TGF-β家族中的骨形成因子可参与骨形成及毛囊干细胞的生长，当此家族中BMP分泌增多、功能亢进时会促进其脊柱病及脱发等相关临床表型的产生［28］。TGF-β受体变异可导致毛细血管结构消失，导致影像学出现毛细血管扩张征［29］。CARASIL 患者的脑小血管中膜可见TGF-β 沉积。目前HTRA1基因可参与TGF-β1 信号通路转导，抑制TGF-β1 激活已被证实［8，30］。研究认为，HTRA1基因纯合突变（L364P）会下调HTRA1mRNA、蛋白水平，降低HTRA1蛋白酶活性，进一步上调TGF-β/Smads信号通路，诱导成纤维细胞增殖、分化，促进颅内小血管内膜纤维化、动脉硬化［7，10］。另外，HTRA1 丝氨酸蛋白酶功能下降可减弱其对TGF-β1 表达的抑制作用，TGF-β1 的表达增多可引发脑动脉病变［19］。

HTRA1基因突变相关CSVD 症状携带者发病与此基因杂合突变相关［31］，临床表现大多与CARASIL 类似，但后者症状通常较重［32］。不同突变位点突变的致病机制不同［33］，部分基因位点突变存在显性负效应，可影响正常基因表达的蛋白发挥作用［17］；但当HTRA1基因突变位点位于激活其蛋白酶关键部位时（例如L3 环、LD 环），可导致蛋白酶激活障碍，促使下游TGF-β1/Smads 信号通路传导异常［32］。而CARASIL 患者错义突变位点通常位于蛋白酶结构域，L3/LD 区域少见。因此，HTRA1基因潜在致病机制可能是通过表达丝氨酸蛋白酶来调节TGF-β 信号通路［19］，但个体化疾病严重程度与突变位点相关，仍有待进一步深入探讨。

Fabry病是一种由α-半乳糖苷酶A缺乏导致的疾病，临床表现主要为动脉相关并发症，脑血管、肾脏、心脏疾病较常见，但此类血管病变的机制尚不清楚［34］。有研究发现，α-半乳糖苷酶A 缺乏可导致颅内小动脉硬化、血管狭窄等病理改变，是缺血性脑血管病发生的危险因素［35］，TGF-β在此过程中起重要作用。当TGF-β 信号通路下调时，可抑制细胞外基质蛋白的积累，进而抑制动脉硬化的发生和发展［36］。

结 语

随着人口老龄化的增加，CSVD 可能会变得越来越普遍，但其发病机制尚不十分明确，且治疗措施上还存在许多争议。我们已知遗传性CSVD 发病与TGF-β 信号通路存在密切联系，但此通路的调节异常不能作为一元论来解释CSVD的发生，未来可能还需要在分子生物学水平上进一步探索不同信号通路之间的联系，以期为临床治疗提供潜在的分子靶点。