MIF在阿尔兹海默病中的研究进展

先 仙, 姚 昊

(南京医科大学第二附属医院心血管中心, 江苏 南京 210011)

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是目前导致认知能力下降最常见的原因,它已经成为世界大部分地区一个紧迫的公共卫生问题。它是一种神经退行性疾病,全世界有超过4500万人患病,65岁后患病率每5年增加一倍,其中大约1%的人在60岁以上,8%的人在85岁以上[1]。对AD生物学机制的认识主要来自分子和细胞生物学,包括β淀粉样蛋白(amyloid beta,Aβ)和tau蛋白的聚集。此外,炎症过程在其病理生理中也起着关键作用。近来对神经退行性疾病发展和进展的研究也越来越多,而巨噬细胞迁移抑制因子在其中起到一定的引导与调控作用。所以,本文重点介绍巨噬细胞迁移抑制因子在AD的形成过程中表现出的一系列作用,并对其展开深入性地探究,针对性地寻找以巨噬细胞迁移抑制因子为靶点治疗阿尔兹海默症的方法。

1 MIF概述

巨噬细胞迁移抑制因子(Macrophage migration inhibitory factor,MIF)是一种同源三聚体蛋白,分子量为12.5kDa,由114个氨基酸残基组成,是一种发挥着多效促炎作用的细胞因子。MIF基因位于人类基因组第22染色体(22q11.23),包含3个外显子(107、172和66bp)和2个内含子(188和94bp)。MIF是四种膜受体的配体,即CD74,CXCR 2,CXCR4和CXCR7,基于炎症环境和细胞类型,MIF结合到一个单独的受体或受体复合物,决定了MIF的功能活性。它参与多种功能,包括白细胞招募、炎症、免疫应答、细胞增殖、肿瘤发生和糖皮质激素的反调节等。MIF的表达和分泌谱表明,它在几乎所有哺乳动物细胞中普遍和组成性地表达,如免疫和神经系统细胞,垂体细胞,上皮细胞,内皮细胞,平滑肌细胞,滑膜成纤维细胞和间充质细胞等,并对许多生理病理过程至关重要。越来越多的研究者注意到MIF在神经系统疾病中的不同作用[2],早在21世纪初,就有学者发现在AD患者脑脊液和脑组织中,MIF的浓度高于健康脑,很多动物研究也逐渐证实了MIF与AD之间的联系,使其成为AD的理想候选分子。

2 MIF对AD的作用

2.1MIF与Aβ:淀粉样斑块存在于细胞外间隙,它们由含有40或42个氨基酸的Aβ(Aβ40和Aβ42)异常折叠而成。Aβ在神经元细胞内聚集可启动促炎细胞因子风暴,并伴随小胶质细胞和星形胶质细胞的活化,引起免疫系统的慢性激活和神经变性。从组织病理学的角度来看,AD的主要特征是大脑皮质萎缩和神经元丢失,与Aβ淀粉样斑块和神经纤维缠结相关。有趣的是,MIF表现出类似于Aβ1-42的神经毒性,这与MIF诱导的Bad表达增加有关。Bad在机体中是一种促凋亡蛋白,其升高可引起SH-SY5Y细胞的细胞毒性。体外实验也观察到MIF呈现剂量依赖性的二分效应,低浓度的MIF增加了p-Bad/Bad的比值,而高水平的MIF诱导了Bad的表达并触发细胞凋亡,因此,MIF可能参与AD神经元凋亡的调控[3]。Bacher等[4]使用转基因小鼠模型,观察到转基因小鼠的脑切片与Aβ斑块相关的小胶质细胞中存在MIF免疫标记。此外,小鼠和人神经细胞系的体外研究表明MIF小分子抑制剂(ISO-1)可显著逆转Aβ诱导的毒性。另外,Oyama等[5]也报道了MIF与Aβ在AD患者大脑中共定位,因此Aβ的毒性似乎可以归因于MIF表达的上调。

然而,Zhang等的研究发现,在双转基因小鼠中可以观察到MIF的表达,这些小鼠出现了大量的斑块和认知障碍。为了评估内源性MIF降低对疾病过程的影响,这些小鼠在C57/BL6背景下与MIF+/-小鼠交配,虽然MIF的半合子敲除不影响小鼠的移动能力和视力,但小鼠出现了显著的记忆障碍,表明MIF缺陷影响了空间学习能力;作者进一步研究发现,Aβ处理SH-SY5Y细胞可诱导培养液中MIF浓度显著增加,提示Aβ可触发神经元分泌MIF,在稳定过表达MIF的SH-SY5Y细胞系中,Aβ引起细胞存活率显著降低的毒性完全被抑制,表明MIF分泌升高可以保护神经元免受Aβ诱导的细胞毒性[6]。Hu等[7]也观察到与年轻野生型小鼠异种共生后,MIF在AD小鼠大脑中的表达增加,同时淀粉样斑块减少,研究发现MIF通过L1-70/Top1复合物间接减少了AD大脑中Aβ的沉积,在淀粉样斑块附近观察到大量的小胶质细胞,表明MIF与离子钙结合适配器分子1((Ionized calcium binding adapter molecule 1,Iba1)表达和Aβ清除相关,Iba1是在中枢神经系统中的小胶质细胞中特异性表达约 17kDa 的钙结合蛋白,已被广泛用作小胶质细胞标记物。基于已知的小胶质细胞在清除Aβ沉积中的作用,MIF介导的小胶质细胞激活可能在AD大脑中发挥作用。Carlred等[8]免疫染色显示MIF和Iba1在海马区高度共定位,这进一步证实了MIF在斑块附近的身份和定位。因此,MIF的表达上调在AD中也可能具有保护作用。

由此可见,在AD中,MIF对Aβ的作用存在两种明显矛盾的假说,未来的研究需要拆解内源性MIF在AD中的作用,从而在AD的转基因模型中使用特定的MIF抑制剂和外源性MIF,为针对MIF及Aβ而设计的干预AD的靶向疗法提供了理论基础。

2.2MIF与tau蛋白:神经纤维缠结(neurofibrillarytangles,NFTs)是AD的病理特征之一,这种缠结可引起细胞损伤,导致神经变性,而NFTs由过度磷酸化的tau蛋白组成。tau蛋白是大脑中最常见的微管蛋白,在中枢神经系统中表达,主要分布于神经元轴突,能够促进微管的组装,维持神经元骨架系统结构的稳定性,并参与轴突的正常运转[9]。异常过度磷酸化tau蛋白的堆积以及沉降,引起神经元变性或死亡,从而导致认知障碍。Oikonomidi等[10]研究发现,脑脊液中MIF水平与脑脊液中总tau蛋白和磷酸化的tau蛋白水平呈正相关。Bacher等[4]的一项研究也显示,AD患者和轻度认知障碍受试者的脑脊液中MIF水平显著升高。这些体外研究预测MIF的致病潜力在MIF敲除(knockout,KO)的转基因小鼠的研究中得到了证实,Li等[11]通过免疫荧光染色,与野生型(wild type,WT)小鼠相比,发现MIF-KO减弱了脑室内注射链脲佐菌素(intracerebroventricular streptozotocin,ICV-STZ)小鼠tau蛋白的过度磷酸化。此外,作者在高糖环境下培养MIF-KO小鼠和WT小鼠的原代星形胶质细胞,以模拟STZ的功能,他们在体外用两种条件培养基处理神经元,高糖培养的WT星形胶质细胞原代神经元中tau蛋白的过度磷酸化,MIF抑制剂ISO-1可抑制该作用;以类似的方式培养MIF-KO星形胶质细胞的原代神经元,未观察到tau蛋白的过度磷酸化,而检测直接暴露于MIF和MIF抑制剂ISO-1的神经元,未发现tau磷酸化水平有明显变化,并且MIF增加胶质纤维酸性蛋白的表达表明MIF激活星形胶质细胞。因此,MIF可能主要通过激活星形胶质细胞调节tau蛋白磷酸化。但是,目前MIF激活的星形胶质细胞介质的性质尚不清楚。潜在的候选介质包括已知从星形胶质细胞释放并基于细胞培养的实验中诱导tau蛋白过度磷酸化的一氧化氮和S100B。未来的研究将集中在这些介质通过星形胶质细胞参与MIF导致的tau蛋白过度磷酸化。另外,Brosseron等[12]观察到MIF水平也与tau蛋白和衰老相关,这进一步支持了MIF在AD中的病理作用,表明它可能成为一个有用的诊断标志物和治疗靶点。

2.3MIF与神经炎症:神经炎症是AD神经变性的重要过程,参与了淀粉样蛋白沉积、神经元损伤、神经纤维缠结形成和死亡的恶性循环。研究发现,这种神经炎症会抑制海马某些区域(如齿状回)的神经再生,从而夸大疾病的严重程度和AD痴呆的发生。流行病学证据和在不同小鼠模型中的研究表明,阻断与中枢神经系统先天性免疫反应相关的慢性炎症可以减弱AD样病理。随着神经炎症事件的上调被明确定义为AD病理的关键机制,MIF已成为研究AD病理生理学的理想靶点。研究表明,MIF与有神经炎症成分的疾病(如帕金森病和肌萎缩侧索硬化)有关,在这些疾病中MIF具有保护作用[13],但在AD中,关于保护作用和损害作用的数据不一致。在AD患者的脑脊液和死后大脑中,MIF水平显著增加。然而,MIF表达的增加仅出现在AD患者中,而不出现在轻度认知障碍或血管性痴呆患者中,临床上,在控制了脑脊液Aβ1-42和tau水平等潜在混杂因素后,脑脊液MIF水平可独立预测认知障碍老年人的认知功能下降率[10]。在死后的AD脑小胶质细胞和纤维缠结的神经元中,MIF受体CD74的表达也增加。在机制上,MIF可以通过促进其他炎症介质的表达来影响tau蛋白磷酸化,例如活化的星形胶质细胞释放的可溶性细胞因子。此外,MIF抑制剂ISO-1显著减少了这些炎症因子的分泌,表明MIF可能是诱导细胞因子产生所必需的。MIF由神经元和神经胶质细胞表达,由于其在炎症中的核心作用,MIF代表了抗炎治疗的相关靶点。Nasiri等[14]提出了细胞内MIF在ICV-STZ模型中启动神经变性中的作用,在体内和体外试验中观察到MIF-KO细胞和动物,接受刺激后细胞因子水平没有上调,并且改善了小鼠的认知行为。ICV-STZ可导致海马依赖性认知功能损害,MIF抑制剂ISO-1显著改善了这种情境记忆障碍,表明MIF相关炎症是ICV-STZ诱导记忆障碍的主要原因。

不同类型的细胞释放MIF是由脂多糖、DNA损伤等的促炎刺激触发的,作为启动炎症反应的早期细胞因子和维持炎症反应的介质发挥作用。MIF的增加也与其他细胞因子的释放相关,促进慢性神经炎症,并可能加速神经退行性变过程。最初促炎细胞因子激活小胶质细胞,随后增强病理过程中的碎屑清除。然而,小胶质细胞和星形胶质细胞是中枢神经系统炎症的主要介质,这些免疫介质的长期表达可能对中枢神经系统产生有害影响。因此,在炎症级联中找到一个合适的靶点是至关重要的,理想的治疗策略应该抑制炎症反应的有害方面,而不影响有益的抗炎反应。

2.4MIF与胰岛素:高胰岛素血症和胰岛素抵抗对AD期间的认知损害有显著影响。最近,一种新的糖尿病亚型-“3型”糖尿病被认为是与AD相关的脑-胰岛素抵抗状态[15]。虽然大脑中产生胰岛素抵抗的确切细胞类型尚未被确定,但一项研究表明,皮质神经元在长时间暴露于高胰岛素浓度后形成对胰岛素的抵抗,这是通过抑制Akt、p70S6K和GSK-3β的磷酸化来实现的。由于已知MIF可以抑制Akt磷酸化,因此其在脑病理过程中的高表达可能加剧神经元的胰岛素抵抗。在神经退行性疾病中,脑内高血糖的存在可能导致蛋白质的糖基化,最终导致氧化应激。

据报道,MIF的糖基化和氧化发生在AD脑内[16],这些过程会对MIF的酶促功能和MIF刺激的神经胶质细胞ERK磷酸化产生负面影响。在AD期间,MIF参与了神经胶质细胞对大脑中异常蛋白积聚的反应,研究人员认为,由糖基化引起的MIF活性的抑制和减少可能是疾病进展的“临界点”。一方面,葡萄糖/胰岛素稳态失衡导致MIF蛋白在AD中正常生理功能的缺失。通过荧光苯基硼酸凝胶电泳发现,随着AD病理的进展,MIF的糖基化水平增加,这种糖基化修饰抑制MIF的酶活性和稳定性。除了翻译后的变化,MIF的过度表达可能与AD的病理有关,因为ISO-1抑制MIF的表达是有益的。然而,在人类中,高产MIF-173G/C等位基因与AD的发生没有关联。MIF与脑内胰岛素抵抗的关系目前尚未见报道。假设MIF的过度表达可能是通过诱导星形胶质细胞的炎症反应来介导胰岛素抵抗,MIF通过ERK磷酸化刺激星形胶质细胞中的胆固醇25-羟化酶和磷脂酶A2-ⅡA,并改变其表型为促炎。因此,星形胶质细胞分泌或表达的介质可能与神经元的胰岛素触发信号通路相互作用,从而传递胰岛素抵抗。另一方面,MIF可能有利于维持脑内正常的胰岛素敏感性,因为MIF缺失减弱了海马的胰岛素敏感性,小鼠表现出焦虑样行为和识别记忆受损,其特征为胰岛素受体底物1的Ser307抑制磷酸化增加,并且研究发现果糖饮食可改善缺乏MIF对雄性小鼠前额皮质炎症、神经可塑性和行为的影响[17]。综上所述,MIF可能具有神经保护作用,早期AD病理,即糖基化介导的功能丧失,大脑产生更活跃的MIF信号来补偿。在AD发病机制中的作用,这两种机制并不相互作用,在某些情况下,这些功能之间完全有可能存在病理性的交互作用。此外,MIF在大脑中的确切功能仍不清楚,因为最近有报道称,MIF可能有助于中枢神经系统损伤后的再生,并有助于生长因子的增加,而这些生长因子反过来又有利于星形胶质细胞和少突胶质细胞的增殖、迁移和神经保护[18]。

3 展 望

MIF在AD发病机制中具有神经损伤和神经保护功能,这两种机制可能并不相互排斥。如果内源性MIF在AD的发展中起保护作用,则应努力在疾病的早期阶段定制由MIF本身或活性肽组成的激动方法。以类似的方式,应在接受针对不同适应症的特异性MIF抑制剂治疗的患者中开展专门的安全性研究,以防止可能促进AD发生,特别是在具有高危表型的个体中。在这方面,应该进行啮齿类动物模型的临床前研究,以确定特异性MIF抑制剂是否危害认知功能。因此,适当调节MIF的表达、分泌和功能对AD的成功治疗可能至关重要。另外,MIF家族的第二个成员D-DT,和MIF一样,D-DT与CD74结合,但其结合率比MIF高3倍,解离率比MIF快11倍,并且D-DT不具备与CXCR2结合的基序。由于它们的相似性,D-DT也称为MIF-2,经常发挥与MIF功能相协同和重叠的效应,然而目前尚缺乏D-DT在啮齿类动物模型和AD患者中的研究,但事实证明D-DT在成年小鼠大脑中广泛表达,并在异质中间神经元中强烈表达,这表明D-DT在大脑中也有功能,D-DT在AD发生发展中的潜在作用也值得进一步研究。总的来说,MIF在AD中的作用尚未被完全理解,分离MIF及其受体在AD中的确切作用可能为AD的诊断和治疗提供新的机会,需要进一步的研究来阐明其在这些条件下的确切作用模式。