曾 澳 閆 語(yǔ) 王淑榮 張 妍 何宇茜

角膜受到不利因素的刺激時(shí)，可通過(guò)產(chǎn)生角膜新生血管(CNV)來(lái)加強(qiáng)角膜的免疫防御功能，并且促進(jìn)角膜的愈合。然而，CNV如果不加以治療，可促使角膜形成瘢痕組織，嚴(yán)重時(shí)可致盲[1]。在美國(guó)，CNV的致盲率高達(dá)4.14%，我國(guó)每年也有大量的患者因此失明。遺憾的是，CNV發(fā)生發(fā)展機(jī)制尚未研究透徹。由于Smad蛋白對(duì)血管因子有調(diào)控作用，因此，本文主要就近年來(lái)Smad蛋白調(diào)控CNV發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展作一綜述。

1 Smad蛋白的主要成員與特點(diǎn)

在脊椎動(dòng)物中Smad蛋白有8種，根據(jù)其功能可分為三大類：第一類為受體調(diào)節(jié)型Smads(R-Smads)，包括Smad2/3和Smad1/5/8；第二類為共同通路型Smad(Co-Smad)，僅包括Smad4，其為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)共同需要的因子；第三類為抑制型Smads(I-Smads),包括Smad6和Smad7，主要作用為抑制TGF-β家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[2]。其中，R-Smads和Smad4具有兩個(gè)高度保守的結(jié)構(gòu)域：N-末端結(jié)構(gòu)域(MH1結(jié)構(gòu)域)和C-末端結(jié)構(gòu)域(MH2結(jié)構(gòu)域)，前者的作用是結(jié)合DNA，而后者的作用是介導(dǎo)蛋白質(zhì)與多種調(diào)節(jié)劑和效應(yīng)蛋白相互作用，從而發(fā)揮正向生物學(xué)作用[3]。與R-Smads和Smad4不同的是，I-Smads缺少這些保守結(jié)構(gòu)域，從而發(fā)揮負(fù)向調(diào)節(jié)作用[4]。Smad蛋白參與TGF-β超家族的下游調(diào)控，TGF-β超家族主要包括激活素、抑制素、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)以及TGF-β家族(TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3)等。在TGF-β超家族激活的Smad信號(hào)通路中，不同的配體結(jié)合相應(yīng)的Ⅰ型受體，即激活蛋白受體樣激酶(ALK)和Ⅱ型受體(本質(zhì)為跨膜的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶)，隨后Ⅱ型受體磷酸化并且激活Ⅰ型受體，進(jìn)而激活相應(yīng)的R-Smads[5](表1)。之后，磷酸化的R-Smads被釋放并與Co-Smad結(jié)合形成異聚物,再轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核[4]，然后與其他輔因子一起調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而發(fā)揮生物學(xué)作用[5]。

2 Smad蛋白在CNV發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用

2.1 Smad蛋白調(diào)節(jié)莖細(xì)胞、尖細(xì)胞形成血管出芽是CNV形成的關(guān)鍵過(guò)程，且主要與莖細(xì)胞、尖細(xì)胞的分化有關(guān)。新生血管芽最前端的細(xì)胞被稱為尖細(xì)胞。尖細(xì)胞可以發(fā)出絲狀偽足，用于引導(dǎo)血管出芽，此外尖細(xì)胞還能控制血管生成的數(shù)量。緊鄰尖細(xì)胞后方的細(xì)胞被稱為莖細(xì)胞，其增殖能力強(qiáng)，主要起延長(zhǎng)新生血管分支和形成管腔的作用[6-7]。ALK激活Smad蛋白后可參與調(diào)控莖細(xì)胞、尖細(xì)胞形成,并通過(guò)以下通路調(diào)控CNV的發(fā)生發(fā)展。

2.1.1 BMP-ALK-Smad信號(hào)通路BMP9/BMP10激活的ALK1-Smad1/5/8信號(hào)通路能與Notch信號(hào)途徑協(xié)同促進(jìn)Notch信號(hào)靶基因的表達(dá)，從而促進(jìn)莖細(xì)胞形成，抑制血管出芽[8-9]，進(jìn)而抑制CNV的發(fā)生發(fā)展。另外有研究發(fā)現(xiàn)[10]，BMP6不僅可通過(guò)激活A(yù)LK2-Smad1/5信號(hào)來(lái)促進(jìn)莖細(xì)胞形成，還可以通過(guò)激活A(yù)LK3-p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)-熱休克蛋白27(HSP27)信號(hào)來(lái)促進(jìn)尖細(xì)胞形成。因此，BMP6通過(guò)調(diào)控ALK3-p38MAPK-HSP27信號(hào)和ALK2-Smad1/5信號(hào)來(lái)維持莖細(xì)胞、尖細(xì)胞的平衡，這種平衡有利于CNV的發(fā)生發(fā)展。然而，BMP2卻只能通過(guò)激活A(yù)LK3-p38MAPK-HSP27信號(hào)來(lái)促進(jìn)尖細(xì)胞形成[10]。

表1 TGF-β超家族各主要成員對(duì)Smad蛋白的調(diào)控

2.1.2 其他信號(hào)通路實(shí)驗(yàn)證明[11]，TGF-β激活的ALK1-Smad信號(hào)可促進(jìn)血管出芽；而其激活的ALK5-Smad信號(hào)維持新生血管穩(wěn)定。當(dāng)TGF-β1-ALK5-Smad2信號(hào)通路激活時(shí)，其通過(guò)改變血管生成過(guò)程中一些關(guān)鍵受體的表達(dá)量從而影響莖細(xì)胞、尖細(xì)胞形成，進(jìn)而影響CNV的發(fā)生發(fā)展。相反，TGF-β-ALK1-Smad信號(hào)通路可通過(guò)間接抑制TGF-β-ALK5-Smad信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)血管出芽[11]，從而促進(jìn)CNV的發(fā)生發(fā)展。此外，尖細(xì)胞高表達(dá)神經(jīng)纖毛蛋白-1(Nrp-1)，而Nrp-1可通過(guò)抑制TGF-β和BMP9/BMP10激活的ALK1/ALK5-Smad2/3信號(hào)通路來(lái)抑制莖細(xì)胞形成，進(jìn)而促進(jìn)血管出芽[12]，從而有利于CNV的發(fā)生發(fā)展。

2.2 Smad蛋白調(diào)控促血管生成和抗血管生成因子的表達(dá)角膜中促血管生成和抗血管生成機(jī)制的不平衡影響了CNV的發(fā)生發(fā)展[13]。Smad蛋白可能通過(guò)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)途徑、Ras同源基因-Rho相關(guān)螺旋卷曲蛋白激酶(Rho-Rock) 途徑、Wnt途徑和Notch途徑，參與促血管生成和抗血管生成因子表達(dá)的調(diào)控，從而影響著CNV的發(fā)生發(fā)展(圖1)。

圖1 Smad蛋白相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在CNV發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用

2.2.1 Smad蛋白與VEGF途徑VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E和胎盤生長(zhǎng)因子(PLGF)。其中，VEGF-A是最有效的促血管生成因子。在角膜中，明確發(fā)現(xiàn)了VEGF-A表達(dá)的上調(diào)可促進(jìn)CNV的形成[14]，其機(jī)制為VEGF結(jié)合其受體VEGFR2后，可激活多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，如MAPK、磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B和一氧化氮信號(hào)，進(jìn)而促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移[15-16]。目前有研究證明，抗VEGF途徑的藥物可以有效抑制CNV的形成。此外，VEGF基因的啟動(dòng)子區(qū)域受TGF-β/Smad通路的影響，這說(shuō)明TGF-β/Smad是VEGF的上游通路[17]。有研究證明，TGF-β1-ALK1-Smad1/5-PLGF/VEGFR1-VEGF-A/VEGFR2信號(hào)通路能夠促進(jìn)血管生成，但是，TGF-β-ALK5-Smad2/3信號(hào)通路卻抑制血管生成[18]。由此可見，TGF-β/Smad通路對(duì)血管生成有雙重作用，可能和參與通路的ALK及Smads的種類有關(guān)。此外，在腫瘤微血管環(huán)境中，BMP介導(dǎo)的Smad1/5/8信號(hào)通路可使缺氧誘導(dǎo)因子降解，從而對(duì)缺氧誘導(dǎo)的VEGF表達(dá)產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用，然而此結(jié)論是否適用于角膜血管還不清楚[19]。對(duì)于I-Smads來(lái)說(shuō)，有研究發(fā)現(xiàn)，Smad7能下調(diào)VEGF的表達(dá)，從而發(fā)揮抑制CNV發(fā)生發(fā)展的作用[20]。

2.2.2 Smad蛋白與Wnt途徑配體蛋白質(zhì)Wnt和膜蛋白受體結(jié)合可激活Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，經(jīng)典的Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑主要由β-catenin介導(dǎo)[21]。研究證明，Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑能直接促進(jìn)VEGF和其他促血管生長(zhǎng)因子的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)新血管的形成[22]。此外，R-Smads蛋白可以與Wnt/β-catenin途徑協(xié)同激活靶基因轉(zhuǎn)錄，如VEGF基因，其中，Smad3可以促進(jìn)β-catenin進(jìn)行核易位，從而促進(jìn)Wnt/β-catenin信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)[23]；同樣，Wnt信號(hào)可通過(guò)抑制糖原合成酶激酶-3β的活性，從而抑制Smad1和Smad3多泛素化和降解，進(jìn)而促進(jìn)Smad蛋白發(fā)揮作用[23]。另外，當(dāng)β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受抑制后，TGF-β誘導(dǎo)的Smad3激活減少，進(jìn)一步提示我們Wnt/β-catenin途徑可促進(jìn)TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[24]。由于TGF-β/Smad信號(hào)同Wnt/β-catenin途徑可相互刺激，因此，Smad7不僅可通過(guò)抑制TGF-β/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)間接抑制Wnt/β-catenin途徑，還能與β-catenin結(jié)合以促進(jìn)β-catenin降解，從而直接抑制β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，這為CNV的治療提供了廣闊的思路，如過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ激動(dòng)劑可能通過(guò)刺激Smad7，以抑制TGF-β/Smad信號(hào)通路和Wnt/β-catenin途徑，從而抑制VEGF等血管因子的生成，進(jìn)而抑制CNV的發(fā)生發(fā)展[25]。

2.2.3 Smad蛋白與Rho/Rock途徑Rho/Rock信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移密切相關(guān)[26]。研究發(fā)現(xiàn)，Rho/Rock途徑能上調(diào)促血管生成因子，如基質(zhì)金屬蛋白酶-9和骨橋蛋白的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)血管生成[27]。Smad蛋白可通過(guò)兩種途徑與Rho/Rock途徑相互作用：其一，VEGF是Rho/Rock途徑的上游信號(hào)[28]，因此，Smad蛋白可能通過(guò)VEGF間接地影響Rho/Rock途徑；其二，RhoA蛋白是TGF-β1的下游因子[29]，TGF-β1/Smad信號(hào)通路可以促進(jìn)Rho/Rock信號(hào)途徑中的RhoA、RhoC和Rock1蛋白的表達(dá)，而TGF-β/Smad抑制劑則抑制它們的表達(dá)，同樣，Rho/Rock信號(hào)抑制劑下調(diào)Smad2蛋白的表達(dá)[30]。因此，TGF-β/Smad信號(hào)通路還可以直接與Rho/Rock途徑相互作用來(lái)調(diào)控CNV的發(fā)生發(fā)展。

2.2.4 Smad蛋白與Notch途徑在人體中，Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑主要包括五種Notch配體(Delta-like1、3、4即Dll1、3、4;Jagged1和Jagged2)和四種Notch受體(Notch1-4)[31]。Notch配體與受體結(jié)合后激活Notch信號(hào)，Notch胞內(nèi)段(NICD)被裂解并釋放，然后從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核[32]。在人角膜上皮細(xì)胞中，Notch信號(hào)通路不僅可直接參與調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和分化，還協(xié)助堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)角膜血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞增殖[33]。然而，Notch信號(hào)還可參與調(diào)節(jié)Smad6的表達(dá)，從而抑制內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)BMP的反應(yīng)性，繼而抑制新血管形成[34]。因此，Notch信號(hào)對(duì)CNV可能起著雙重作用。有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β激活的Smad3可與NICD發(fā)生作用，從而促進(jìn)Notch信號(hào)靶基因的表達(dá)[23]。此外，TGF-β/Smad信號(hào)通路誘導(dǎo)產(chǎn)生的VEGF是Notch信號(hào)的上游通路[26]，在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，二者形成VEGF-VEGFR-Dll4-Notch-VEGFR調(diào)節(jié)反饋通路[35]，這表明，Smad蛋白還可能通過(guò)VEGF間接作用于Notch信號(hào)。另外，TGF-β抑制劑可以下調(diào)Notch信號(hào)通路中的RNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)[36]，進(jìn)一步說(shuō)明TGF-β/Smad信號(hào)通路能促進(jìn)Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。而且，BMP/Smad通路也可以直接與Notch信號(hào)靶基因的調(diào)控序列結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[23]。

3 前景展望

雖然早有研究發(fā)現(xiàn)，Smad蛋白在促血管生成因子和抗血管生成因子的表達(dá)調(diào)控中具有關(guān)鍵作用[37]。但是近些年來(lái)，Smad蛋白直接調(diào)控CNV發(fā)生發(fā)展的研究相當(dāng)少。本文主要總結(jié)了Smad蛋白對(duì)莖細(xì)胞、尖細(xì)胞形成的調(diào)控以及Smad蛋白與VEGF途徑、Wnt途徑、Rho/Rock途徑和Notch途徑的相互作用，從而推測(cè)Smad蛋白可能通過(guò)這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與CNV發(fā)生發(fā)展的調(diào)控，但是其具體機(jī)制尚未明確，尚需進(jìn)一步研究，以為CNV的治療提供新的可能靶點(diǎn)。