
再生障碍性贫血(AA)是一种骨髓衰竭性疾病,表现为外周血全血细胞减少、骨髓有核细胞增生低下,伴贫血、感染和出血等。AA发病机制复杂,而近年来发现Notch信号通路在AA发病机制中发挥重要作用。Notch信号通路通过骨髓间充质干细胞(MSC)调控辅助性T细胞(Th)17/调节性T细胞(Treg)平衡,参与AA患者骨髓微环境的改变,如成脂分化、成骨分化等,并且可通过调控T细胞介导的T盒转录因子(T-bet)表达促进AA患者Th1极化,以及增强终末效应(TE)CD8+ T细胞功能及γ干扰素表达,调控树突状细胞(DC)及巨噬细胞亚型。此外,Notch信号通路对造血干细胞(HSC)的自我更新与分化也发挥重要作用。笔者拟就Notch信号通路对AA患者骨髓微环境、HSC、免疫细胞影响的研究进展进行综述,旨在探讨其在AA发病机制中的作用,以期为针对Notch信号通路的靶向治疗提供理论依据。
版权归中华医学会所有。
未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明,本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
再生障碍性贫血(aplastic anemia,AA)发病机制复杂,涉及免疫紊乱、造血干/祖细胞受累和造血微环境异常[1]。其临床表现主要为贫血、感染和出血。Notch属于跨膜受体蛋白家族,其进化高度保守,由Notch受体(Notch1~4),Notch配体,如Jagged-1~-2,delta样配体(delta like ligand,DLL)1、3、4,以及CSL DNA结合蛋白3部分组成[2,3],通过受体与配体间的相互作用调控各谱系细胞分化。最近的研究结果表明,Notch信号通路在AA的发病机制中发挥重要作用。研究发现,AA小鼠模型分离的脾T细胞中Notch1高表达[4]。采用遗传学或者药理学方法阻滞Notch1时,小鼠的骨髓有核细胞数量升高,血常规检查指标获得改善,AA小鼠的存活率显著提高(P<0.001);此外,体外分离的脾T细胞的γ干扰素,肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α水平降低,CD4+、CD8+ T细胞浸润骨髓比例明显降低(P<0.05)[4]。此外,Notch信号通路也影响辅助性T细胞(helper T cell,Th)17/调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)平衡。这说明,Notch信号增强参与AA发病,但是也有实验结果证实,Notch信号在间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)调控骨髓免疫抑制中发挥正向作用。Notch信号也参与调控AA骨髓造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)的自我更新,骨髓微环境中血管生成、促进成骨分化及抑制成脂分化。笔者拟就Notch信号通路对AA患者骨髓微环境、HSC、免疫细胞影响的研究进展进行综述,旨在探讨其在AA发病机制中的作用,以期为靶向Notch信号通路治疗AA提供参考。
Notch受体在结构上可分为Notch胞外区(Notch extracellular domain,NEC),跨膜区,Notch胞内区(Notch intracellular domain, NICD)。目前,在脊椎动物中共发现4种Notch受体,其中Notch1、Notch2、Notch3在多种组织器官中表达,Notch4则局限表达于成熟巨噬细胞、上皮细胞及胰腺细胞,而造血相关细胞主要表达Notch1及Notch2。Notch受体/配体以直接接触的方式相结合。Notch配体又称DSL蛋白,大部分为I型膜蛋白,其功能区可以和Notch受体结合,从而激活Notch信号通路。CSL DNA结合蛋白,即免疫球蛋白κJ区域重组信号结合蛋白(recombination signal binding protein for immunoglobulin kappa J region,RBPJ),是一种转录调节因子,存在于细胞核中,参与调节靶基因的转录[2]。S3裂解位点存在于Notch受体的跨膜区中,信号通路激活后,γ分泌酶对Notch受体进行2次酶切作用,使得其在S3位点发生断裂,NICD游离、活化后进入细胞核,并与DNA结合因子RBPJ和转录共激活因子MAML1~3形成三元复合物,从而调节下游靶基因的表达,调控细胞的增殖和分化。
Notch信号通路的下游靶基因包括c-Myc和Hes-1[3]。3,5-二氟苯乙酰-L-丙氨酰-S-苯基甘氨酸-t-丁酯(N-[N-(3,5-difluorophenacetyl)-L-alanyl]-S-phenylglycine t-butyl ester, DAPT)为γ分泌酶抑制剂(gamma secretase inhibitor, GSI),可抑制γ分泌酶的作用,阻止NICD的游离,而阻断Notch信号转导。除经典途径之外,NICD亦参与非经典途径,该途径由雷帕霉素靶蛋白复合体(mechanistic target of rapamycin complex, mTORC)2,AKT,核因子-κB等组成。
AA患者骨髓中脂肪细胞/成骨细胞比例明显上调。脂肪细胞在骨髓微环境中阻碍正常造血过程,而成骨细胞对HSC具有保护作用。Chatterjee等[5]研究发现,在经化疗药物诱导处理的AA小鼠骨髓中,Jagged+细胞数量明显减少,造血龛中游离Notch1表达水平亦下降(P<0.01),抗氧化成分超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)-2水平减少,活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)水平升高(P<0.000 1)。ROS的产生对成骨细胞具有不利影响,Notch1信号通路通过上调SOD-2水平以抑制小鼠骨髓中氧化应激反应[6]。此外,Chatterjee等[5]研究发现,随着ROS水平的升高,与正常小鼠相比,AA小鼠骨髓脂肪细胞数量增加,成骨细胞数量减少。可见,AA小鼠HSC中Notch1表达水平下调,使ROS水平增加,促进成脂分化,抑制成骨分化。
VEGF由血管内皮细胞分泌,促进HSC的自我更新和存活,并介导造血功能的恢复。研究结果显示,AA患者(n=60)骨髓微血管密度(microvessel density, MVD)与健康个体(n=17)相比明显降低(P<0.001)[7],骨内膜细胞、血管细胞和血管周围细胞,血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)也明显低于健康个体(P<0.05)[8,9]。
文献报道,DLL与VEGF共同作用,促进内皮细胞分化,而当抑制VEGF/Notch信号通路后,尖端细胞便不能产生伪足,无法形成血管[10]。Deng等[11]采用VEGF/Notch-1短发夹RNA(short hairpin RNA,shRNA)转染正常骨髓MSC后发现,人脐静脉内皮细胞的增殖受损、迁移受阻、骨髓血管生成减少(P<0.05)。Shao等[12]研究结果证实,骨髓内皮细胞的再生需要高水平的Notch1,而骨髓中的HSC和MSC分泌的血管紧张素(angiopoietin, Ang)1可促进Notch配体DLL4和Jagged1的表达(P<0.05),进而刺激Notch信号转导。可见,骨髓MSC可通过VEGF/Notch信号通路对血管生成发挥重要作用。
Deng等[11]研究发现,AA患者(n=3)骨髓MSC VEGF,VEGF受体(VERF receptor,VEGFR),游离Notch1,Notch1,Jagged1,Delta-like1,Hes1蛋白表达水平均降低。这说明,AA患者中促血管生成的VEGF/Notch信号通路受损。与健康个体(n=5)相比,DAPT处理AA患者(n=10)骨髓MSC后,细胞增殖降低,凋亡增加,且成脂分化增加;而采用VEGF处理骨髓MSC后,上述指标均得到改善(P<0.05)。廖凤玲等[13]研究结果亦证实,VEGF可通过Notch信号通路促进大鼠MSC的增殖。这说明,骨髓MSC的VEGF/Notch信号通路受到抑制,而该信号通路促进骨髓MSC的增殖,抑制其凋亡及成脂分化,促进骨髓微血管的增殖。研究发现,在斑马鱼胚胎中,HSC通过内皮-造血转化(endothelial to hematopoietic transition,EHT)由主动脉内皮细胞分化而来,这一过程需要VEGF/Notch信号通路的参与,而VEGF/Notch信号通路的激活也有助于AA患者造血功能的恢复[14]。
骨髓MSC作为骨髓微环境中的关键成分,可通过成骨分化、免疫抑制、调节细胞因子分泌等途径影响和调节骨髓微环境,从而成为AA治疗的潜在靶点之一。而AA患者骨髓MSC抗原呈递相关基因表达下调,Th1、Th2和Th17细胞分化相关基因表达上调,且抑制CD3+T细胞活化和抑制CD3+T细胞向Th1细胞分化的能力显著受损,表明其免疫调节功能异常[15]。类视黄醇相关孤儿受体γt (retinoid-related orphan receptor gamma-t, RORγt)与叉头框蛋白(fork head box, FOX)P3分别是在Th17和Treg中发现的特异性转录因子。Li等[16]纳入15例AA患者予MSC输注后,患者外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cell, PBMC)的Notch1、Notch2、DLL1、Jagged1、RBPJ及FoxP3表达水平均增加,而RORγt表达水平下调(P<0.01);白细胞介素(interleukin, IL)-2,γ干扰素和TNF-α水平降低,转化生长因子(transforming growth factor, TGF)-β水平升高(P<0.001);Th1和Th17比例明显降低,Treg比例明显上升(P<0.05)。这与体外MSC与患者CD4+淋巴细胞亚型共培养的结果一致。而GSI可逆转上述细胞与细胞因子的变化(P<0.01)。该研究结果证实,骨髓MSC可通过Notch/RORγt/FoxP3信号通路调节AA中Th17/Treg平衡,参与免疫调节。
在脊椎动物中,HSC来源于胚胎内主动脉-性腺-中肾(aorta-gonad-mesonephros, AGM)区,该过程被称为内皮细胞向造血细胞转化(endothelial to hematopoietic transition, EHT),而Notch信号通路在EHT中发挥核心作用[17]。在造血系统中,HSC富含活性NICD,Notch1驱动的细胞周期的调控因子c-Myc表达对HSC的自我更新至关重要[18]。Chatterjee等[5]研究发现,AA小鼠模型HSC中Notch1水平下调,c-Myc水平也减少,从而导致c-Myc介导的HSC自我更新能力和存活率降低;AA小鼠模型HSC中Notch1下调还使得Notch1/SOD-2信号通路受到抑制,ROS水平升高,使得HSC DNA甲基化程度降低,细胞凋亡比例增加。在骨髓微环境中,正常HSC的Notch信号通路的作用有待进一步研究。而应用Notch信号通路靶向药物抑制AA患者的免疫功能,需要考虑到其对造血功能的不良影响。
大部分针对AA患者的研究结果表明,Th1迁移至骨髓,其以造血干细胞为靶细胞,并通过旁观者效应损害基质细胞。T盒转录因子(T-box transcription factor, T-bet)是Th1分化的主要转录调节因子,T-盒蛋白(T-box protein,Tbx)21是其编码基因。T-bet可激活γ干扰素转录、增强IL-12的反应性,亦可将分化中的Th2及已分化完全的Th2逆转为Th1。Tang等[19]研究结果表明,将Tbx21基因缺失的小鼠淋巴结细胞输注至受体小鼠,无法诱导出AA表型。Solomou等[20]研究结果显示,接受免疫抑制治疗(immunosuppressive therapy, IST)后部分缓解(partial remission,PR)或者复发的AA患者(n=19)PBMC中T-bet表达水平增高;而对于对IST有效且仍处于PR期的患者(n=9),PBMC中T-bet表达水平低于检测范围下限。
多项研究结果表明,树突状细胞(dendritic cell, DC)表面Delta1或者Delta4的表达可增强其激活初始Th,促进Th1发育的能力;而GSI可降低Tbx21启动子上的Notch1复合物和T-bet的表达水平,从而抑制体内、外Th1的分化。Solomou等[20]研究结果亦证实,Notch1可通过影响Tbx21的表达促进Th1分化。Minter等[21]利用AA小鼠模型实验证实,在疾病活动期,脾和骨髓T细胞内Notch1和调节Th1分化的关键转录因子T-bet的表达水平均增加(P<0.001);在体内敲除Notch1基因或者予GSI,可使小鼠中位生存时间明显延长(21.0 d比28.5 d,P<0.05;21 d比67 d;P<0.001),甚至免于致死性骨髓衰竭。而在未经治疗的AA患者外周血T细胞中,也观察到这一现象,并且在Tbx21启动子上检测到Notch1复合物。这表明,Notch1可直接调控T-bet的编码基因[21]。上述研究结果证实,AA中T细胞Delta1或者Delta4/Notch1/T-bet过度激活,促进Th1极化。
多项研究结果显示,AA患者CD4+/CD8+ T细胞比例倒置或者降低。IL-2、TNF-α、γ干扰素水平增高,从而抑制骨髓造血功能。此外,CD8+ T细胞可抑制骨髓红系集落形成单位(colony forming unit-erythroid, CFU-E),粒细胞/巨噬细胞集落形成单位(colony forming unit-granulocyte and macrophage, CFU-GM)的生长,从而直接抑制造血功能。活化CD8+ T细胞可以转化为终末效应细胞(terminal effector cell, TEC)或者记忆前体细胞(memory precursor cell,MPC)[24]。Hu等[25]研究发现,AA患者(n=45)PBMC和骨髓单个核细胞中效应CD8+ T细胞比例显著高于健康个体(n=30)(P<0.001)。该研究结果提示,CD8+ T细胞比例升高可能与AA发病机制中的免疫异常有关。
Notch激活TEC特异性基因表达程序,并抑制MPC的特异性程序。Huang等[26]研究结果表明,NICD表达可促进TEC的分化,并且敲除Notch1和Notch2或者靶向抑制Notch信号通路的主要转录效应因子RBPJ可干扰Notch信号通路,导致TEC分化减少。Minter等[21]研究亦发现,与健康个体(n=6)相比,AA患者(n=9)的CD8+ T细胞群中Notch1表达比例较高(P<0.001);并且采用GSI处理AA患者的CD8+T细胞后,颗粒酶B表达水平明显降低(P<0.01)。上述研究结果表明,Notch信号通路在AA患者CD8+ T细胞活化过程中被激活,是产生γ干扰素和颗粒酶B等效应分子的必需信号。此外,Notch是否调控AA患者CD8+ T细胞向TEC或者MPC的分化有待进一步探究。
研究结果表明,与健康个体(n=35)相比,AA患者(n=85)外周血和骨髓中Th17数量显著增加,且疗效差的患者(n=51)外周血Th17比例明显高于疗效好者(n=34)(P<0.05)[27]。此外,AA患儿(n=13)接受IST治疗12个月后Th17比例明显低于IST治疗前(P<0.01)[28]。Th17主要以分泌IL-17为特征,刺激巨噬细胞、中性粒细胞分泌IL-6及TNF-α等促炎因子,与AA发病明显相关。国内、外大量研究结果证实,AA患者骨髓及外周血中缺乏Treg,不能抑制Th1增殖。而且在接受IST治疗后处于恢复期的患者中,可以观察到Treg不同程度的恢复[28]。但是目前对Notch信号通路调控Th17/Treg扩增与分化的研究结果存在矛盾,需要进一步研究验证。
You等[29]研究发现,采用可溶性Jagged-1/Fc嵌合蛋白直接激活Jagged-1/Notch信号,可导致IL-6、TGF-β诱导的CD4+ T细胞RORγ表达水平明显降低,IL-17表达也明显受到抑制;而采用小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA)靶向敲除Hes-1可促进CD4+ T细胞表达IL-17。该研究结果表明,Notch1/Hes-1可通过RORγ抑制CD4+ T细胞向Th17分化。Wang等[30]研究亦得到相同结论。Zaman等[31]研究结果表明,Notch通过促进DC产生视黄醛脱氢酶Aldh1a2,增强TGF-β信号,从而抑制Th17产生,促进Treg分化。Coutaz等[32]进行的小鼠体内实验结果证实,Notch可负向调节Th17分化。并且在细胞高代谢需求期间,Notch促进Th17细胞因子快速释放,可抵消上述负向调节。该研究更加全面阐明Notch信号通路在Th17分化和功能调节中的作用。
然而,亦有研究结果表明,Notch信号对Th17/Treg的调控可能促进AA的发生、发展。Coutaz等[32]研究发现,RORγt、IL-17和IL23R启动子是Notch信号的直接靶点。因此,当Notch信号被阻断时,Th17的分化将受到影响。典型的Notch信号介质RBPJ是IL-23R表达的关键驱动因素。Charbonnier等[33]研究发现,敲除Treg中的Notch1或者RBPJ可增强Treg的调节功能,而促进Treg中NICD的表达可降低其调节免疫的功能,且促进Treg向Th1样效应细胞转化,继而导致自身免疫性疾病的发生。
DC作为抗原呈递细胞,是影响免疫功能的重要因素。DC上Notch配体与T细胞上Notch受体结合可调节T细胞分化。DC上DLL1或者DLL4的表达促进Th1发育;DC的DLL1和Jagged-1对细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic T lymphocyte, CTL)则具有抑制作用[34]。不同于成熟DC,耐受性DC(tolerogenic DC, TolDC)可刺激配体减少,分泌免疫抑制细胞因子,调节T细胞极化,诱导特异性免疫耐受。Wei等[35]研究发现,抗氧化和细胞保护途径中的关键调节转录因子核因子E2相关因子(nuclear factor E2-related factor, Nrf)2诱导的TolDC可降低Th17,增加Treg数量,提高AA小鼠模型的造血功能和存活率(P<0.05)。调节性DC(regulatory DC, RegDC)属于TolDC的一种[36]。Li等[37]研究结果显示,骨髓MSC通过Notch信号通路诱导RegDC的分化。骨髓MSC表达高水平Jagged-1,而RegDC表达高水平Notch1。在Jagged1基因敲除骨髓MSC与DC共培养中,RegDC表达明显受到抑制。这说明,DC上不同的Notch配体具有不同的免疫调节作用,构建表达特异性Notch配体的DC可能对包括AA在内免疫因素参与致病的多种疾病具有治疗作用。而Notch信号通路对AA患者DC亚型的调控有待进一步研究。
目前,研究发现,越来越多的血液系统疾病与Notch信号通路的活化存在密切关系,如T细胞白血病、急性髓细胞白血病、霍奇金淋巴瘤、多发性骨髓瘤等。例如,T细胞白血病细胞中普遍存在Notch信号的活化及Notch靶基因的高表达[40]。Notch在CD4+、CD8+ T细胞中均为效应细胞分化的调节因子,在Treg、Th17、DC、巨噬细胞的分化中也发挥重要作用。抑制Notch信号通路对自身免疫系统疾病亦具有治疗前景,如在采用GSI治疗实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)和胶原诱导性关节炎(collagen induced arthritis, CIA)小鼠模型后,疾病均获得改善;中药制剂龙胆泻肝丸及DAPT均可通过抑制Notch信号通路逆转实验性自身免疫性葡萄膜炎(experimental autoimmune uveoretinitis, EAU)的Th17/Treg失衡[41,42]。并且有研究结果表明,人工合成的Notch T细胞具有区分不同抗原表达密度靶细胞的能力,能够减少对正常细胞的损害,理论上比常规的嵌合抗原受体T细胞(chimeric antigen receptor-T cell, CAR-T)更具有可控性[43]。此外,文献报道,干扰Notch4信号可使Treg释放具有免疫抑制功能的外泌体,从而保护动脉免受炎症攻击[44]。上述研究均为设计靶向Notch信号通路的治疗手段提供了参考。
然而,由于GSI、DAPT的作用并不局限于Notch信号通路,因此开发更具特异性的Notch抑制剂对于AA的精准治疗更具价值。既往直接采用靶向转录因子的小分子抑制剂效果不佳,因此靶向T-bet上游调控因子可能会提供更好的选择。由于不同Notch配体具有不同的免疫调节作用,可构建表达特异性配体的DC,以调节AA患者的免疫功能。由于Notch信号通路在AA患者成脂分化、成骨分化、血管新生、骨髓MSC免疫调节、HSC自我更新及分化中发挥重要作用,而AA患者骨髓微环境中Notch信号通路受损,因此仍需要探究Notch不同配体及下游靶点的不同作用,以期探索新型靶向疗法,改善AA患者的疗效。
所有作者声明无利益冲突





















