血脑屏障的研究进展

血脑屏障的研究进展

朱明启综述,赵宝东审校

(锦州医学院人体解剖学教研室,辽宁锦州121001)

=中图分类号>R32914=文献标识码>A=文章编号>1000-5161(2005)01-0053-04

血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)的概念是1913年由E1E1Goldman正式提出的[1]。直止20世纪60年代,应用电子显微镜才揭示了BBB的解剖学基础:BBB是一层连续覆盖在99%脑毛细血管腔表面的内皮细胞膜,细胞之间有紧密连接(tight junction,T J)[2],并认为T J是BBB的最主要的结构[3]。近年的研究显示:BBB是一个复杂的细胞系统,它主要由内皮细胞(endothelial cell, EC)、EC的TJ、星形细胞(astrocyte)、周皮细胞(pericyte)和血管周围的小胶质细胞(perivascular microglia)以及基膜(basement membrane)等结构构成并维持了BBB的特殊功能,保持了中枢神经系统(CNS)内环境的稳定。随着细胞生物学及分子生物学研究的深入,对BBB的结构和功能有了进一步的了解。下面就人的BBB研究现状加以综述。

1紧密连接的分子构成和信号调节

111紧密连接的分子构成

人的BBB的紧密连接主要由跨膜蛋白和胞质附着蛋白两种成分组成,细胞骨架也是组成TJ的重要组成部分。

11111跨膜蛋白

1993年,Furuse等[4]分离出第一个T J跨膜蛋白,称为occluding。序列分析发现occluding是一个分子量为60kD的蛋白质,其氨基端和C端均位于细胞内,细胞外部分跨膜四次,形成两个环状结构,每个环由45个氨基酸构成,第一个环状结构主要由甘氨酸和酪氨酸组成,是细胞间形成T J的主要部位。occluding直接参与了脑微血管内皮细胞上的T J形成。1998年Furuse等[5]又发现了两个新的完整的TJ跨膜分子:Clauding-1,Claud2ing-2。Clauding是一个多基因家族,至今已发现超过20个成员。Clauding在成纤维细胞上异位表达也诱导出类TJ结构,说明Clauding参与了TJ 的形成,但与TJ的器官特异性无关[6]。与occlud2 ing相似,Clauding也具有两个环状结构,但其组成至今仍不清楚。Clauding与occluding以二聚体形式存在,与相邻细胞的同型蛋白结合形成/绑鞋带0样结构,组成对合的封闭链,封闭细胞间隙。

1998年Martin-Padura等[7]发现了另一个跨膜蛋白)))连接粘附分子(J AM),属于免疫球蛋白家族成员。几乎所有上皮、内皮细胞表面均有J AM,J AM高表达的细胞所形成的TJ并不表现出对可溶性示踪剂的扩散阻力增加,说明其功能主要是参与TJ渗透性的调节。

11112胞质附着蛋白

胞质附着蛋白是TJ支持结构的基础。TJ蛋白ZO(zonula occludens prteins)是第一个被证实的TJ附着蛋白,属于MAGUK(membrane-associ2 ated guanylate kinase-like proteins)家族,主要包括ZO-1,ZO-2和ZO-3三个亚型,这一家族在胞质内有多个结合位点,ZO与occludin的C端及clauding相互作用,将跨膜蛋白和细胞骨架连接在一起,并能识别TJ位置及传递各类信号。另一个胞质附着蛋白是扣带蛋白,是一种存在于TJ上的双股类肌球蛋白,形态类似豆芽,头端与跨膜蛋白相连接,尾端连接ZO蛋白,为附着蛋白和跨膜蛋白的连接提供支架[8]。T J胞质附着蛋白还包括AF6,7H6等成分,TJ上的7H6抗原磷酸化蛋白对金属及大分子不通透,而且7H6对TJ的能量状态很敏感:ATP缺乏7H6能可逆的与TJ分离,而细胞间的ZO仍保持连接,细胞间通透性增高[9]。

11113细胞骨架蛋白

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锦州医学院学报

J Jinzhou Med College2005F eb1,26(1)

1作者简介2朱明启(1970-),男,山东省菏泽市人,在读硕士研究生,主要研究方向为神经解剖学。

细胞骨架蛋白主要由微丝构成,这种微丝将跨膜蛋白和胞质附着蛋白组成的连接复合物固定在细胞内,这对维持T J的稳定有重要作用[10]。

112紧密连接的信号调节

T J位于与Caveolin1相关的、富含胆固醇的胞膜上。Caveolin1调节许多信号转导通道的活性,许多胞质信号分子聚集在TJ复合物上并参与信号级联反应以调控T J的形成和分解[11]。

11211Ca调节T J活性

Ca2+参与了各种细胞间连接的形成,并且对连接正常功能的维持起了重要作用[12]。TJ对细胞外的Ca2+浓度十分敏感,将Caco-2上皮细胞放入无Ca2+的培液中培养,则很快出现T J完整性的破坏,而随着细胞外Ca2+浓度的增加,TJ的完整性得到改善。研究发现,细胞外Ca2+浓度对TJ的影响与蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC )信号通路有关,低钙对T J的影响可通过PKC的活化及PKA的抑制而得到改善。与细胞外Ca2+相比,细胞内钙不改变ZO-1/肌动蛋白的相互作用,主要改变ZO-1/肌动蛋白的结合并改变oc2 cludin在细胞内的位置[11]。

11212胶质细胞对TJ的影响

在体条件下,内皮细胞和胶质尽管隔着基膜不直接接触,但胶质细胞对内皮细胞形成TJ有着重要影响,它在一定程度上加强、支持了屏障功能。脑微血管内皮细胞与胶质细胞共培养使跨内皮细胞膜电阻增加75%,采用胶质细胞源性细胞营养因子和cAMP处理后,内皮细胞的跨膜电阻可增加到正常的25%[12]。

11213磷酸化调节TJ结构的完整性

所有跨膜蛋白和胞质附着蛋白的磷酸化在TJ 形成和调节方面具有重要作用。其磷酸化可发生在Occludin和ZO-1的丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸残基上。研究证实,TJ破坏后,其形成或再形成与occluding磷酸化升高有关,尤其是发生在丝氨酸和酪氨酸残基上的磷酸化。T J的调节也依赖细胞间酪氨酸的磷酸化,TJ屏障功能形成与TJ复合物上酪氨酸磷酸化减少有关。最近研究证实,酪氨酸磷酸化与occluding表达减少,可使跨膜阻力降低和BBB通透性升高[13]。

11214蛋白激酶C对TJ的调节

PKC是TJ形成和调节的重要因子,对ZO-1从细胞内迁移到细胞膜表面起重要作用。ZO-1蛋白上有34个PKC磷酸化一致序列,提示ZO-1在细胞间连接的胞膜表面的PKC信号转导途径中作为细胞骨架存在。PKC同功酶在TJ生理功能的保持、病理条件下的反应中起重要作用。两个不典型PKC亚型PKC N和PKC K特异结合蛋白ASIP沉积于T J上,在细胞极性形成方面发挥作用。其依靠细胞粘附、信号网络、细胞骨架和蛋白转运共同构成了BBB分化和功能形成的基础[14]。

11215异源三聚体G蛋白和小GTP结合蛋白对TJ的调节

G蛋白是由A,B,C三种亚基组成的三聚体,是膜胞质侧镶嵌蛋白,参与cAMP信使通路的信号转导。其A亚基能与GTP结合,并有GTP酶的活性,能够水解GT P,根据G蛋白对腺苷酸环化酶作用的性质不同又分为Gs(刺激作用)和Gi(抑制作用)二种。有证据表明异源三聚体G蛋白参与TJ的调节及功能状态。研究发现T J上存在G A 亚单位(i2,i3和12),G A i2亚单位与PKC N共同定位ZO细胞间接触位点上,并且G A i2亚单位活性对脑微血管内皮细胞跨膜电阻和TJ特有的高电阻、低通透特性产生影响[15]。

2内皮细胞及吞饮功能

脑血管EC与其他组织EC的主要区别在于前者具有复杂的T J和丰富的线粒体,但缺少跨膜转运的质膜小泡(plasma vesicle)以及缺乏细胞孔。另外,脑血管细胞内皮细胞的胞膜上含有一些特殊蛋白:碱性磷酸酶、r-谷氨酸转肽酶、糖转蛋白、转铁蛋白受体等。以上结构是脑血管内皮细胞特有的,它们对维持脑血管内皮T J功能具有重要作用。大分子物质转运研究证实,BBB以外的血管内皮细胞含有大量的小凹陷和小泡,这对细胞的内吞起重要作用,但BBB的血管内皮细胞缺乏这种结构,这说明脑血管内皮细胞具有特殊的吞饮机制。一般认为其内吞机制分三大类:第一类受体介导的内吞,是细胞在网格蛋白参与下内吞结合在质膜受体上的大分子物质;第二类吸附内吞,是细胞内吞在质膜上的物质分子的过程;第三类液相内吞,是一些与质膜没有亲和力的分子溶于细胞间质而被包裹/饮0入的过程[16]。

3星形胶质细胞的作用

脑血管的超微结构研究表明,星形胶质细胞环脑血管现象是脑血管的一个独有的特点,在BBB 发育的同时就已经出现[17]。Svendaard等[18]的实

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