小胶质细胞内的钙离子信号的研究进展

孟雪莲，刘佳，陈长兰

(辽宁大学 药学院，辽宁 沈阳 110036)

小胶质细胞内的钙离子信号的研究进展

孟雪莲，刘佳，陈长兰*

(辽宁大学 药学院，辽宁 沈阳 110036)

细胞内钙离子(Ca2+)对多种生理活动均具有一定的调节作用，它可影响神经递质释放和细胞兴奋性.细胞内钙离子浓度([Ca2+]i)受到多方面调控，[Ca2+]i的变化是重要的信号转导方式之一.小胶质细胞是中枢神经系统中固有的免疫细胞，它们对脑损伤、脑炎症和多种神经退行性疾病有先天性的免疫应答.除了在疾病发生发展中的作用，小胶质细胞也在很大程度上参与了神经元网络的发育和脑组织稳态的维持.受体介导的钙离子信号的传递，是包括小胶质细胞在内的所有细胞中最普遍的信号转导机制.小胶质细胞功能变化与小胶质细胞内钙离子信号的变化密切相关，对小胶质细胞内钙离子信号的研究具有重大的意义.

小胶质细胞；钙离子；神经退行性疾病

0 引言

神经退行性疾病(Neurodegenerative Disease，NDD)是一类以神经元退行性病变为特征的慢性、进行性神经系统疾病，主要包括阿尔茨海默病(Alzheime′s Disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s Disease，PD)、肌萎缩侧索硬化症(amyotrophiclateral sclerosis，ALS)、亨廷顿病(Huntington disease，HD)等.神经退行性疾病是典型的老年病，已引起广泛关注.调查发现，长期服用非甾体类抗炎药(NSAIDs)的老年人患AD的发生率显著降低，NSAIDs是目前研究最多的抑制小胶质细胞活化的药物之一.已有实验结果显示，NSAIDs可显著减少AD模型动物脑内激活的小胶质细胞的数量，减轻中枢炎症，发挥抗AD作用[1].小胶质细胞作为脑内的免疫细胞，在神经退行性疾病中起关键作用.小胶质细胞可通过表达多种受体，来识别不同的危险信号并做出反应.大量的实验表明，小胶质细胞的功能与细胞内Ca2+水平密切相关.小胶质细胞上的一些受体激活可引起细胞中游离钙离子浓度增高，小胶质细胞的过度活化与其胞浆钙离子水平的增高直接相关[2]，而过度激活的小胶质细胞可导致神经元严重变性死亡，引起脑损伤[3-4].然而，目前对于小胶质细胞内Ca2+信号仍知之较少.本文将主要介绍小胶质细胞内钙离子信号的研究进展.

1 小胶质细胞

小胶质细胞是一种免疫细胞，在中枢神经系统(CNS)中最具代表性，其在不同脑区域的密度不同，其中，在脑灰质中的密度最高[5].小胶质细胞大约占脑细胞的12%[6]，神经胶质细胞(Neuroglia)的20%.目前，关于小胶质细胞的起源仍存在一些争论，现在普遍接受的观点是小胶质细胞起源于外周的骨髓细胞，在胚胎形成时骨髓的前体细胞(myeloid precursor cells)进入到CNS中并分化形成了小胶质细胞[7].

在发育成熟的脑中，呈分枝状的静息态小胶质细胞被认为是感应细胞[8-9]，可监测脑内异常变化.小胶质细胞在脑损伤或免疫刺激等伤害的刺激下可被激活.小胶质细胞激活后，形态从分枝状转变为阿米巴样.同时，细胞表面的一些分子，包括CD14、主要组织相容性复合物(major histocompatibility complex,MHC)分子、趋化因子受体等表达水平上调[5,10].小胶质细胞的激活发生在中枢神经系统受损伤的部位，如严重的中枢神经系统损伤、脑癌、脑细胞坏死、感染、脑缺血和神经退行性疾病(如阿尔茨海默症，帕金森症、HIV痴呆等)可使小胶质细胞激活[11].

2 小胶质细胞活化

适度激活的小胶质细胞对神经元具有保护作用，它会对病理变化做出吞噬细胞碎片、分泌生长因子和抵御外来的侵袭等不同的适应性反应[12].在阿尔兹海默症病变的过程中可以减少细胞碎片或错误折叠的蛋白如淀粉样蛋白β(Aβ)[13].激活的小胶质细胞能够合成并释放抗炎因子和神经保护因子，例如，脑衍生的神经保护因子(BDNF)、转化生长因子-β(TGF-β)或白细胞介素-10(IL-10)，对周围的组织存在有益作用[14-15].此外，小胶质细胞可能参与了发育成熟脑内的神经发生过程[16].

然而过度激活的小胶质细胞释放大量的神经毒性因子[17]，如白介素-1β(IL-1β)、白介素-6(IL-6)、一氧化氮(NO)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)等[18-19]，导致阿尔茨海默氏病、帕金森病等神经退行性疾病的发生[20].过度活化的小胶质细胞可以导致严重的神经损伤，这已经成为了被广泛接受的事实[21].

3 钙离子

钙是体内含量最多的元素之一，是骨骼组织的主要组成部分，约占机体质量的2%[22].Ca2+参与细胞增殖、分化、生长、衰老等生命活动的信息传递与调控，并在各种生理活动(如肌肉兴奋收缩、血管紧张度调节、神经冲动传导等)中起着十分重要的作用，它是生物体内重要的信使物质，且分布广泛，许多重要疾病的发生和发展是由于其代谢的变化和信号的异常导致.

钙离子可通过多种途径进出细胞，并且通过作用于各种Ca2+感受器从而激活下游分子来调节细胞的分泌和活化.钙离子的多数生理功能是通过与钙调蛋白(calmodulin，CaM)形成复合物来实现的[23].

4 小胶质细胞中钙离子的跨膜转运

1)小胶质细胞中的钙离子内流细胞外钙离子能够经过细胞膜上的钙离子通道进入细胞内.原则上，小胶质细胞的钙离子内流存在三种机制[24]：①配体结合触发的钙离子跨膜流动，即受体门控性钙通道(ROCs)；②细胞膜去极化激活电压门控性钙通道(VOCs)导致的钙内流；③当细胞内钙离子耗竭，为了补充钙离子不足，储存开启性钙通道(SOCs)开放，促使钙离子大量内流.

2)小胶质细胞中的钙离子外排在所有真核细胞中，质膜上的ATP依赖性钙离子泵维持着钙离子跨膜浓度梯度.ATP依赖性钙离子泵使小胶质细胞外钙离子浓度远远高于细胞内(约为105倍)，这使得[Ca2+]i无论短暂的还是长期的改变，均可启动下游的信号转导.在小胶质细胞内钙超载的情况下，Na+/Ca2+交换体可协助钙离子泵将钙离子从细胞中排出[25].

3)小胶质细胞钙库中钙离子的释放细胞内钙离子主要贮存在内质网(ER)或肌质网(SR)中，是细胞内主要的钙库.小胶质细胞内钙离子释放通道主要为1,4,5-三磷酸肌醇(InsP3)受体，即InsP3R家族.细胞膜上相关受体激动，可使细胞中InsP3增加，作用于InsP3Rs，进一步导致细胞内钙库中的钙离子释放[26].简言之，G蛋白偶联受体(GPCRs)或受体蛋白激酶(RPKs)可激活特定亚型的磷脂酶C(PLC)，使4,5-二磷酸肌醇转变为三磷酸肌醇和二酰甘油(DAG).三磷酸肌醇作为第二信使，与内质网上的InsP3Rs结合，使钙库中的钙离子释放.还有一种受体通道.

4)小胶质细胞中钙离子的贮存除了将钙离子从细胞质排出到细胞外，还可以将细胞质中钙离子摄入内质网或者线粒体内.通过内质网上的肌浆网Ca2+-ATP酶(SERCA)可以补充内质网钙库中的钙离子不足[27]，这在G蛋白/InsP3介导的钙离子信号传导中起到关键作用.在小胶质细胞内钙离子浓度增高时，线粒体可作为钙离子储存器或缓冲器，并且可能在SOCs的调节中发挥作用.

5 静息态小胶质细胞中的钙离子

在未激活的小胶质细胞中，[Ca2+]i的变化是重要的信号转导途径之一.小胶质细胞中[Ca2+]i受到多种机制的严格调控[28].当[Ca2+]i发生改变，细胞膜上表达多种不同的离子型和代谢型受体[29].除此之外，[Ca2+]i的增高与小胶质细胞执行的功能密切相关，例如释放前炎症因子、抗炎症因子、一氧化氮和营养因子等[30].然而，这些数据主要是从体外实验获得的，目前，对原位或体内小胶质细胞的钙离子信号知之甚少.

6 活化的小胶质细胞中的钙离子

作为脑内的巨噬细胞，小胶质细胞必须以适当的方式发现危险信号并做出反应.研究表明，小胶质细胞可表达多种受体，用以识别不同的危险信号.在这些危险信号中，补体因子、缓激肽、血小板活化因子、凝血酵素、前列腺素、甲酰肽(fMLP)、LPA(lysophosphatidylic acid)、趋化因子、前炎症因子均可引起小胶质细胞中[Ca2+]i增高[4].多项研究结果表明，激活的小胶质细胞中[Ca2+]i持续增高，其升高一方面来自胞内Ca2+库的释放，另一方面来自胞外Ca2+的内流.以脂多糖(LPS)[31]或Aβ[32]激活体外培养的大鼠或人胚胎小胶质细胞中，可观察到[Ca2+]i的持续增加.同样，从AD病人脑中分离的小胶质细胞基础离钙离子浓度亦显著高于正常人[32].脑内Aβ激活的小胶质细胞中Ca2+依赖的神经毒性物质的释放与AD的发生密切关联[33].此外，研究认为激活的小胶质细胞释放NO、细胞因子、趋化因子均需要[Ca2+]i的提高[34].

P2X7受体激动剂BZ-ATP可激活小胶质细胞，使[Ca2+]i增高.已有研究表明，P2X7受体在AD脑中在AD病人脑中小胶质细胞介导的嘌呤炎症反应中发挥起重要的作用[35].在AD大鼠脑内的小胶质细胞中P2X7受体表达量比正常非痴呆(ND)大鼠脑内小胶质细胞中的表达量增高.在ATP激动剂作用下，通过P2X7受体的介导，原代培养的小胶质细胞会逐渐发生形态上的变化，同时受体表达会逐渐增加.在ATP持续刺激下，小胶质细胞逐渐凋亡.

FPRL1受体在AD脑部炎症反应中发挥重要作用.甲酰肽受体(FPRL1)激动剂fMLP可使小胶质细胞激活，[Ca2+]i增高[36].研究表明，Aβ1-42可通过作用于FPRL1而诱导小鼠小胶质细胞趋化移动，并可通过抑制FPR2 (人FPRL1在小鼠的同源受体)的表达，而抑制Aβ1-42诱导的小胶质细胞激活，同时Aβ1-42还可以抑制TNF-α、IL-1β、IL-6等炎症因子和趋化因子MCP-1的释放[37].

7 活化的小胶质细胞中的钙调蛋白

钙通道的钙依赖性易化(Ca2+-dependent facilitation,CDF)和钙依赖性失活(Ca2+-dependentinactivation,CDI)都是由钙调蛋白(CaM)介导的.目前认为CaM是钙依赖性调节过程中的Ca2+感受器.因此钙调蛋白对钙离子通道的开放非常重要[38].

CaM分子量为17.6kD，由148个氨基酸组成，空间结构呈亚玲状，两端(N端，C端)膨大呈球形，中间由细长的α螺旋结构连接，两端各有两个Ca2+结合位点[39]，其中C端与Ca2+的亲和力是N端的10倍.当Ca2+与CaM结合形成复合物时，CaM由原来松散的结构变成紧密的螺旋结构并暴露疏水区，成为 Ca2+-CaM依赖性靶酶的结合部位[40].CaM的一级结构极为保守，已证实动物、植物以及低级真核生物所得到的CaM氨基酸组成及排列基本相同.它本身无活性，但能改变多种靶蛋白的构象，包括酶、膜转运蛋白等，其中最重要的是Ca激酶，包括蛋白磷酸化酶、脱磷酸酶和钙转移酶等[41].钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)是一种丝/氨酸苏氨酸蛋白激酶，将某些底物磷酸化而改变其活性，CaMKⅡ的活化需要Ca2+/CaM的启动，CaM和CaMKⅡ同时参与钙离子通道的钙依赖性调节过程.钙通道蛋白的CaMKⅡ磷酸化对L型钙通道(目前最具药理学意义的一类钙通道，通道被激活后持续时间长，失活慢)的CDF起决定性作用.进一步的研究表明，CaMKⅡ与alc亚基(L型钙通道的主要功能单位之一)C末端的相互作用对CDF是必需的，在Ca2+介导下，CaMKⅡ紧紧结合于通道的alc亚基上，起到钙峰率检测器作用.

研究表明，经红藻氨酸处理的小鼠海马组织中，激活的小胶质细胞内CaM的表达显著增高[42].研究发现，由LPS诱导的炎症反应包含Ca2+介导的信号调节.将RAW264.7细胞暴露给LPS能够引起CaM的快速增加，而CaM与炎症反应的调节密切相关.随着CaM的增加，关键转录因子(如NF-κB p65亚基，磷酸化的c-Jun，Sp1)向细胞核内定位移动，致炎细胞因子TNF-α和iNOS跟着增加.通过稳定转染CaM增加细胞内CaM的水平，导致LPS诱导的TNF-α和iNOS表达的减少，同时伴随着他们的转录调节因子活化的减少.因此在Ca2+依赖的信号调节过程中，CaM对控制LPS处理细胞过程中所导致的致炎因子表达能起至关重要的作用[43].近期研究也证实，在LPS激活的BV-2小胶质细胞中，抑制Ca2+-CaMKⅡ/TAK1-NF-κB信号通路，可使iNOS表达降低，NO生成减少[44].

综上所述，小胶质细胞与阿尔茨海默病、帕金森症等神经退行性疾病的病理进程有重要的关联.调节小胶质细胞功能状态，增强它的保护作用，减弱、抑制它的炎症反应，有利于疾病的预防和治疗.钙离子信号参与了小胶质细胞的多种功能调控.通过多年研究，钙离子信号的传递对小胶质细胞功能的影响已取得了很大的进展，但许多问题仍存在争议.因此小胶质细胞内钙离子水平的变化及其信号转导通路值得进行更深入的研究，在防治炎症相关的中枢神经退行性疾病中具有重要的研究价值.

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(责任编辑 李 超)

Calcium Signaling in Microglia

MENG Xue-lian,LIU Jia,CHEN Chang-lan*

(SchoolofPharmaceuticalsciences,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

Intracellular calcium(Ca2+) has the regulation to a variety of physiological activities.It can affect the release of neurotransmitter and the excitability of cell.Intracellular calcium concentration([Ca2+]i) subject to many regulatory,the change of [Ca2+]iis one of the most important pathways of signal transduction.Microglia are inherent immune cells in the central nervous system.They have innate immune response to brain injury,brain inflammation and a variety of neurodegenerative diseases.In addition to roles in disease development,microglia are also heavily involved in the development of neural networks and the homeostasis of neural network.Receptor-mediated calcium signaling transfer is the most common signal transduction mechanisms in all cells,including microglia.The functional changes of microglia are closely related to the changes of calcium signaling in microglia,and it is of great significance for the study of microglia calcium signal.

microglia; calcium; neurodegenerative diseases

2016-07-05

国家自然科学基金项目(81503085，31371085)；辽宁省自然科学基金项目(2014020171)；辽宁大学教改项目(JG2016YB0052)

孟雪莲(1978-)，女，辽宁沈阳人，博士，副教授，从事药理学研究，E-mail：rubymxl@163.com.

*通讯作者：陈长兰(1963-)，教授，E-mail:chenchanglanbio@aliyun.com.

R 967

A

1000-5846(2017)01-0034-07