HIV-gp120与BDNF、Wnt信号通路的关系与进展

摘要：人类免疫缺陷病毒（HIV）是引起全球艾滋病（AIDS）流行的病原体，AIDS是目前对人类健康威胁最严重的疾病之一。而HIV-1膜糖蛋白gp120和gp41在HIV感染过程中发挥着重要作用。事实表明，HIV-1膜糖蛋白gp120能使小胶质细胞活化并加速其凋亡，Wnt信号通路参与了神经发育及功能的调节。本文围绕HIV-gp120对神经胶质细胞中BDNF表达的影响及其机制研究，就HIV-gp120、BDNF及Wnt信号通路相互关系的研究进展进行了综述。

关键词：HIV-gp120；BDNF；Wnt信号通路；机制研究进展

（点评：摘要和关键词的字数控制合理，摘要字数在200字以内，关键词3～5个，中间都用分号隔开，简明地阐述了综述的内容。）

1.gp120

艾滋病自1981年在美国首次被发现以来，在全世界迅速蔓延，对人类健康造成了极大的威胁［1-2］。根据血清反应和病毒核酸序列结果，人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）分为HIV-1和HIV-2两型［2］。通过电子显微镜观察，HIV直径100～200nm，由两条单链RNA分子组成，中间有一个柱状核心，外面为脂质包膜，RNA链上紧密结合着病毒RNA依赖性DNA聚合酶、反转录酶（RT、P66和P51）和核衣壳蛋白（P9和P6）。HIV进入靶细胞的过程主要由包膜蛋白（envelope protein，Env）介导。Env为gp160，由外膜蛋白gp120（external protein，SU）和跨膜蛋白gp41（transmem⁃brane protein，TM），通过非共价键连接。HIV-1膜糖蛋白gp120和gp41在其感染过程中发挥着重要作用。在自然状态下，gp160为类似三脚架的三聚体结构。其中，三分子的gp120形成了一个球状复合物，gp41是穿过Env脂质双层的跨膜蛋白，三分子跨膜亚基gp41像三只脚一般插入病毒包膜内［3］。在HIV进入靶细胞的过程中，首先是gp120与靶细胞上的CD4分子和辅助受体先后结合；随后，跨膜亚基gp41的构型发生改变，介导病毒包膜与靶细胞膜的融合，完成病毒进入宿主细胞的感染过程［4］，如图1所示。事实证明，HIV-1糖蛋白gp120能使小胶质细胞活化并加速其凋亡［5］。

图1　HIV感染CD4＋T细胞的过程

2.BDNF

2.1 BDNF概述

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotophic factor，BDNF）是神经营养因子家族中的一员，该家族的其他成员包括神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、神经营养蛋白-3（neurotrophin-3，NT-3）和神经营养蛋白-4/5（neurotrophin-4/5，NT-4/5）。这些蛋白都是通过与它们的同源性受体结合而发挥生物学效应，所有的神经营养因子都与p75神经营养蛋白受体（p75 neurotrophin receptor，p75NR）结合［6］，而每种神经营养蛋白又连接在自己特定的Trk受体络氨酸激酶上［7］：NGF连接TrkA；BDNF和NT-4/5连接TrkB；NT-3连接TrkC（见图2）［7-8］。

图2　神经营养因子连接在两种跨膜受体上

BDNF分为前体型脑源性神经营养蛋白（BDNFprecursor，pro-BDNF）和成熟型脑源性神经营养因子（mature form of brain-derived neurotrophic factor，mBDNF）［9］，pro-BDNF是mBDNF的前体形式，pro-BDNF在功能依赖区和基底部分泌，在细胞外加工产生成熟型mBDNF［10］。过去的研究认为，BDNF基因在细胞核转录后，首先翻译成pro-BDNF，然后在高尔基体和内质网内通过前体转化酶裂解，把具有生物活性的羧基端释放出来，形成成熟的mBDNF并发挥作用，在整个过程中，pro-BDNF只是一个中间体，没有生物学活性［11］。近年来，越来越多的研究发现，pro-BDNF不仅作为mBDNF的前体形式，也可由神经细胞的突触产生并分泌到细胞外，发挥与mBDNF相同或者不同的生物学作用［12-13］。pro-BDNFN端被硫酸化和糖基化，由于硫酸化和糖基化的种类和数量不同，pro-BDNF的相对分子质量一般为28000～36000［14-15］。在生理状态下，pro-BDNF通常以二聚体的形式分泌，其分泌的肽链含249个氨基酸，氨基酸序列内第57和58位点为酶切位点［11］。分泌过程中，前体蛋白转化酶（如PC1/3、PC5/6-B、PACE4）、血纤维蛋白溶酶、基质金属蛋白酶（如MMP-3、MMP-7）等都可作用于此酶切位点，将pro-BDNF分裂成两个末端片断，一个是含118个氨基酸的mBDNF（相对分子质量一般为12000～18000），另一个是前体肽［11-13］。pro-BDNF的产生和分泌在神经元内主要由与活动依赖性有关的囊泡调节［16-17］。有研究显示，神经元树突产生和分泌的大部分蛋白是pro-BDNF，而不是mBDNF［16-17］。pro-BDNF和mBDNF与不同的受体结合而发挥生物学效应。mBDNF受体为p75NTR和TrkB，其中，TrkB是mBDNF的高亲和力受体；而pro-BDNF受体分别为p75NTR、TrkB和sortilin［18-19］。

BDNF在中枢神经系统的产生和加工如图3所示［10］。如图3A所示，pro-BDNF需要被一些细胞器加工之后才能变成成熟的mBDNF，pro-BDNF在内质网中被弗林蛋白酶（furin）剪切，然后在分泌小泡内被前体转化酶调节，如果pro-BDNF到达胞外，它能够被纤溶酶（plasmin）加工成成熟的mBDNF，这些成熟的mBDNF能活化细胞膜表面的TrkB受体。另外，细胞外的pro-BDNF结合在p75NTR，然后内吞入细胞核，通过剪切变成成熟的mBDNF，激活TrkB受体，或者就在细胞膜表面循环。如图3B所示，神经元上BDNF基因的转录位点可能决定BDNF的分泌形式。含短的3’UTR的BDNFmRNA主要在神经元胞体上聚集，而含长的3’UTR的BDNFmRNA主要在神经元的树突上聚集。胞体上长生的BDNF在高尔基体的加工下变成成熟的mBDNF，而大多数树突中缺少高尔基体，导致pro-BDNF不能加工，然后就直接以pro-BDNF的形式释放出来，所以pro-BDNF是神经元树突上主要的分泌形式。

2.2　BDNF对神经元的调节

BDNF是德国神经生物学家Batch及其同事于1982年首次从猪脑中纯化并发现的具有防止神经元死亡功能的一种蛋白质［20］。BDNF主要在脑内合成，广泛分布于中枢神经系统（CNS）、感觉及背髓运动神经元内，通过BDNF的mRNA技术分析发现，BDNF在CNS主要分布在海马、枣仁核和皮质［20-21］。在海马中，BDNF水平比神经生长因子（NGF）水平高20～30倍，BDNF主要存在于海马CA1、CA3区的锥体细胞及齿状回和门区，具有自分泌和旁分泌作用方式。以前也有研究证明pro-BDNF能够从培养的神经元中分泌［22］。

图3　BDNF在中枢神经系统的产生和加工

Yang等［13］研究证明，神经元能够释放pro-BDNF和mBDNF，但pro-BDNF的释放量更多一些，它对神经元轴突的延长、树突的生长以及突触的形成有重要的作用。也有很多文献指出，BDNF在神经元的发育、分化以及神经病学紊乱过程中，通过调节突触活动而起到关键作用［23-26］。对脑源性神经营养因子体外作用的研究已经证明了控制轴突生长、分化的具体信号机制以及对神经元的作用［27］。有文献指出，Wnt信号通路可能通过神经营养因子信号直接调节神经元轴突的生长［28］。因此，脑源性神经营养因子的前体蛋白pro-BDNF和成熟的神经营养因子mBDNF对神经元和中枢神经系统的调节有着很重要的作用。

2.3　BDNF与突触活动

近年来有报道证明神经营养因子也是突触调节的一个影响因素。BDNF除了增强神经元的存活和分化，也在突触可塑性方面起重要作用。最近Wool等［29］研究发现，pro-BDNF在LTD中发挥重要作用。pro-BDNF激活p75NTR受体，mBDNF激活TrkB受体，能增强海马NMDA NR2B受体依赖的LTD和NR2B介导的突触电流。pro-BDNF和mBDNF都是海马形成LTP和LTD所必需的。Levine等［30］也证明，在海马切片和原代培养的海马神经元中，BDNF通过NMDA受体对突触后膜的LTP产生作用。在海马的CAI突触，确实可以证实BDNF促进长时程增强效应（LTP）［31］。Sano等［32］发现，Ca2＋信号通路的活化可以增加BDNFmRNA的表达。(www.xing528.com)

虽然，神经营养因子调节突触的功能和突触可塑性现在已经被广泛接受，但是，其调控的具体机制还不是很清楚。在过去的研究中，研究者对神经营养因子在突触可塑性中所充当的作用的结论主要来自两个观察结果：①神经营养因子的表达是通过神经电位的活动发生的；②神经营养因子能够调节突触传导的效能［33-37］。图4是一个简化了的表示BDNF对突触活动的影响的示意图［38］。突触的活化诱导谷氨酸释放，导致突触后膜NMDA（N-methyl-D-aspartate）和AMPA（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid）受体活化。BDNFmRNA有选择性地转移到脊椎中，在突触后膜的特定位置翻译并释放出来，BDNF结合在突触前膜的TrkB受体上，并活化细胞内的一些信号转导通路。BDNF也能够通过突触后膜上的TrkB受体进行自分泌。

图4　BDNF的合成、释放以及对突触的影响的分子级联

3.Wnt/β-catenin信号通路

3.1　经典的Wnt信号通路概述

Wnt蛋白是一类分泌型糖基化蛋白，在生命发育的各个阶段都有很广泛的表达，主要通过自分泌和旁分泌方式发挥作用［39］。Wnt是一种配体，需要与细胞膜上相对应的受体结合后才能够激活细胞内各级信号的转导分子，通过信号传导发挥生物学效应［40］。在不同的物种中，Wnt配体和Fz受体的种类和数量各不相同。人的基因组中，Wnt配体有19种，相应的Fz受体有11种；而小鼠中，Fz受体有13种［41］。不同的Wnt与与之相应的Fz受体结合产生的作用也不相同。根据是否依赖于β-catenin（可简写为β-cat），Wnt信号通路可以分为依赖于β-catenin的经典信号通路和不依赖于β-catenin的非经典信号通路。而非经典的Wnt信号通路又包括两个分支：Wnt/PCP通路和Wnt/Ca2＋通路［40］。目前的研究表明，Wnt1、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt8a、Wnt8b、Wnt10a和Wnt10b激活经典Wnt信号通路，Wnt4、Wnt5a、Wnt5b、Wnt6、Wnt7a和Wnt7b则激活非经典Wnt通路［42-43］，而Wnt11可同时激活两种Wnt信号通路［44］。

在Wnt经典信号通路中，Wnt蛋白与具有七次跨膜结构的特异性Fz受体结合，同时与单次跨膜的低密度脂蛋白受体相关性蛋白5/6（LRP5/6）辅助受体结合，并在细胞膜的表面形成三聚的配体-受体复合物［45］，然后活化Dishevelled（DVL）蛋白，抑制Wnt通路关键调节酶——糖原合成激酶-3β（GSK-3β）的活性，进而阻止β-catenin被磷酸化所引起的降解，破坏由GSK-3β、轴蛋白（Axin）、β-catenin和结肠瘤息肉抑制蛋白（APC）等组成的复合物。在Wnt经典信号通路没有激活时（见图5A），β-catenin被苏/酪氨酸激酶CK1和GSK-3β磷酸化，随后快速被泛素化-蛋白酶体降解，所以，β-catenin浓度维持在比较低的水平［46-48］。当Wnt与Frizzed受体结合时，Wnt经典信号通路被激活（见图5B），DVL通过募集GSK-3结合蛋白（GBP）抑制降解复合体中GSK-3β的活性而阻止β-catenin的降解，β-catenin在胞质累积到一定程度后进入细胞核，与转录因子T细胞因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）结合后相互作用，调节Wnt靶基因的表达［43，49］。目前，研究比较多的Wnt靶基因主要有cyclin D1、Axin 2、c-myc等［50-51］。

图5　Wnt经典信号通路

3.2　Wnt信号对神经发生、突触可塑性的调节

目前的研究已经证明，Wnt信号对神经元连接的形成有关键的作用。Fradkin等［52］研究发现，过表达果蝇的Wnt基因Wnt3能编码一种使轴突神经束连接紊乱的蛋白。也有文献指出，在轴突延长和突触发生时期，一些小鼠的Wnt基因能在神经元有丝分裂后期表达［53-54］。近几年也发现在大脑中能够检测到Wnt蛋白、Fz受体以及其分泌型相关蛋白［51，55］。Wnt信号也能够调节成年海马的神经发生［56］。在成年海马干细胞中也能检测到Wnt信号表达，并促进干细胞增殖以及新神经元的产生［57］。抑制Wnt通路则可以减少海马的神经发生，降低大鼠学习和记忆能力［58］。

已经有越来越多的文献报道Wnt信号通路对突触可塑性的调节。最早提出Wnt可能跟突触的形成有关是因为发现在浦肯野细胞发育成小脑时，在轴突的生长和突触的形成过程中有Wnt3的表达［59］。直接证明Wnt信号与突触可塑性有关的证据是，在体外培养的小脑的颗粒细胞中，突触发生的过程中有Wnt7a的表达［54］。Wnt经典信号通路的特点之一是调节基因的表达，这个调节进程需要晚期的长时程增强作用（L-LTP）［60-61］。在强直刺激下，Wnt信号通路激活剂可使成年小鼠海马产生的LTP增强，而Wnt信号通路抑制剂可使成年小鼠海马产生的LTP减弱［62］。这些都显示Wnt信号通路在突触可塑性的调节中有着重要的作用。

4.HIV-gp120、BDNF、Wnt信号通路三者的关系

神经元与神经胶质细胞密切地相互作用，因此，神经元激活后快速分泌的Wnt配体可能会影响神经胶质细胞的生物学功能［63］。有研究证明，Wnt3a与其Wnt配体结合，经经典信号通路，可刺激促炎免疫反应因子基因的表达，加速IL-1和TNF-α等促炎因子的从头合成［64］。然而，另有实验证明Wnt3a不会诱导产生神经毒性；相反，在小胶质细胞中，Wnt3a可诱导外来体的释放［65］。

HIV相关的神经元丢失，一般认为是由病毒相关的神经毒性蛋白导致的。这些蛋白包括HIV-1病毒本身的部分，如糖蛋白41、120和160，转录反式激活因子（TAT），负因子（NEF），以及病毒蛋白的R（Vpr）［62，66］。HIVgp120通过激活半胱天冬酶依赖的细胞凋亡途径导致神经元细胞在体外和体内的死亡，尤其是半胱天冬酶-3。脑源性神经营养因子已被证明可以通过抑制caspase-3的活性来阻止gp120介导的神经元凋亡［46，67-68］。最近的证据表明，一些病毒蛋白可以直接通过结合到特定的趋化因子受体，例如CXCR4和CCR5影响神经细胞的生存。gp120感染宿主细胞的机制见图6［47］。

BDNF属于生长因子中的神经营养因子家族，该家族还包括神经生长因子（NGF）、神经营养因子-3（NT-3）和NT4/5。在神经病变疾病的动物模型中已经表明，BDNF可能是对HAD退化神经元最有力的神经保护剂［41-42］。BDNF对MPTP和6-OH-多巴胺两种神经毒素具有保护作用［43-44］。在体内，脑源性神经营养因子可以防止由HIV-gp120诱导产生的黑质纹状体退化［45］。

图6　gp120的神经毒性作用和BDNF的保护作用

由此可见，在神经元中，HIV-gp120改变BDNF前体生成成熟BDNF的进程［47］。BDNF通过阻止gp120内化而抑制HIV-gp120诱导的小脑颗粒细胞的死亡［46］，还可以通过激活TrkB而阻止HIV-gp120诱导的细胞死亡［49］。脑源性神经营养因子还可作为原型的神经保护因子抵抗HIV-1相关的神经元退化［47］。中枢神经系统中神经胶质细胞的数量与神经元的比例为10∶1，而在神经胶质细胞中却很少有研究，所以，在神经胶质细胞中进行gp120对BDNF表达影响的研究具有十分重要的意义。

（点评：正文部分先分别介绍了HIV-gp120、BDNF、Wnt及它们在神经调节过程中的作用，并用通路图清楚地表示出来，综合得出HIV-gp120、BDNF、Wnt信号通路三者的关系，思路清晰明了。）