Semaphorin 3A及相关分子对足细胞损伤的机制的研究进展

Research Progress on the Mechanism of Semaphorin 3A and Related Molecules on Podocytes Injury

摘要: SEMA3A的表达定位于远端小管和集合管的足细胞，SEMA3A是足细胞分泌的一种导向蛋白，在肾脏发育过程中，严密的SEMA3A调节对于维持肾小球滤过屏障的结构和功能异常重要。信号素3A (SEMA3A)被认为在足细胞上的裂隙横膈膜(缝隙横膈膜)维持中起着重要的作用。SEMA3A调节足细胞的形状，过多的SEMA3A信号会导致加重肾脏疾病。机制上，过量的SEMA3A在体内诱导肾素、MMP-9 (基质金属蛋白酶-9)和avb3整合素等的失调，SEMA3A通过下调相关受体破坏足细胞结构和功能，因此，SEMA3A是成年肾脏肾小球滤过屏障中足细胞的结构和功能的细胞外负调节器。本篇针对SEMA3A对足细胞形态及功能损伤机制进行综述。

Abstract: The expression of SEMA3A is localized in the podocytes of distal tubules and collecting ducts. SEMA3A is a guiding protein secreted by podocytes. In the process of renal development, strict SEMA3A regulation is important to maintain the abnormal structure and function of glomerular filtration barrier. Signal element 3A (SEMA3A) is considered to play an important role in the maintenance of slit diaphragm on podocytes. SEMA3A regulates the shape of podocytes. Too many SEMA3A signals can aggravate kidney disease. In terms of mechanism, excessive SEMA3A induces the imbalance of renin, MMP-9 and avb3 integrin in vivo, and SEMA3A automatically destroys the shape of podocytes. SEMA3A is an extracellular negative regulator of the structure and function of podocytes in the glomerular filtration barrier of adult kidney. This article reviews the mechanism of SEMA3A on podocyte morphology and function injury.

1. 引言

信号素(semaphorin, SEMA)最初被鉴定为轴突排斥物，随后被认为是多种细胞类型的引诱和排斥信号，在系统发育上从线虫到人类的信号素的基因表达是保守的 [1]。SEMA是一种分泌型或膜相关糖蛋白，根据其结构元件和氨基酸序列分为八类；SEMA 1、4、5、6和7类中的蛋白质是膜相关性的，而2、3和8类中的蛋白质以及病毒信号素是分泌型的 [2] [3]。

近年来发现SEMA家族在肾、免疫、神经、骨骼和心血管系统中的多个系统中发挥关键的调节作用 [4]。在发育的肾脏中，SEMA3A主要定位在S型小体和输尿管芽，在成熟的肾脏中SEMA3A的表达定位于足细胞、远端小管和集合管 [1]。在小鼠模型中，SEMA3A缺失导致肾血管形态缺陷，肾小球毛细血管内皮细胞过多，足细胞消失，足突融合和蛋白尿 [4]。体外实验小鼠模型提示了在肾小球发育过程中，SEMA3A在体内足细胞分化中起着关键作用，在发育过程中为了建立正常的肾小球滤过屏障，需要严格调节SEMA3A的剂量 [1] [4]，在肾小球发育完成后，SEMA3A在成熟足细胞上稳定表达 [5]。肾脏发育过程中的功能研究表明，SEMA3A抑制内皮细胞向肾小球的迁移，限制输尿管芽分支的发育。SEMA3A增加导致肾小球发育不良，足细胞分化延迟，无缝隙横膈膜 [6]。由于健康肾脏内源性表达的SEMA3A不会破坏足细胞，然而在生理状态下，SEMA3A水平不足以干扰整合素–基质相互作用或细胞完整性 [2]。

足细胞是包裹在肾小球毛细血管周围的上皮细胞，与内皮细胞一起形成滤过屏障。成熟的足细胞有初级突起和以F-a肌动蛋白为基础的相互交错形成的次级突起合称为足突。足突与足突之间由被修饰的粘附连接，称为狭缝横膈膜(缝隙横膈膜)，狭缝横膈膜(缝隙横膈膜)构成信号传导平台，紧密调节细胞形态和滤过屏障的功能。足突和横膈膜的结构完整性对正常足细胞功能至关重要 [7]。狭缝横膈膜(缝隙横膈膜)是由与多蛋白复合物相关的nephrin (足细胞裂空膜蛋白)分子的胞外结构域组成的修饰粘附连接。GBM (肾小球基底膜)是IV型胶原和层粘连蛋白521链、perlecan、syndecan、entactin和agrin (相关蛋白)的复合物 [8]。

2. 过量足细胞信号素-3A导致肾小球疾病，涉及肾素等相关因子相互作用

SEMA3A及其受体neuropolin-1 (神经纤毛蛋白1)和neuropolin-2 (神经纤毛蛋白2)、plexin-A1 (丛状蛋白A1)在分化的足细胞、远端小管和集合管细胞上表达，重组SEMA3A在体外降低podocin (足细胞裂孔膜蛋白)与nephrin和CD2相关蛋白的表达 [9]。在没有配体的情况下，SEMA3A受体可以促进整合素–基质相互作用，从而维持细胞附着和极化 [10]。在配体存在下，SEMA3A受体plexin-A1通过GTP (三磷酸鸟苷)水解介导RAS (肾素血管紧张素系统)失活，从而抑制整合素–基质相互作用并导致细胞收缩和极性破坏 [10]。我们发现过量的SEMA3A在体内诱导了nephrin、MMP-9和avb3整合素的失调，并且我们鉴定了SEMA3A信号受体plexin-A1和nephrin之间的一种新的相互作用，该相互作用将SEMA3A信号连接到狭缝隔膜(缝隙横膈膜)信号复合物。这些发现证实了SEMA3A是肾小球滤过屏障完整性和功能的细胞外负调节因子。过量的SEMA3A在体内引起足突消失、肾小球基底层分层和内皮损伤，并通过下调nephrin和抑制avb3整合素破坏细胞足细胞形态 [8]。

将培养的足细胞暴露于重组SEMA3A可诱导足细胞生长素的下调，并减少nephrin、足细胞生长素和CD2AP (足细胞裂孔膜蛋白)之间的相互作用。向成年小鼠全身给药重组SEMA3A可诱导短暂、可逆的足突消失和蛋白尿 [4] [11] [12]。说明由SEMA3A功能获得引起的nephrin的下调也是部分可逆的。

SEMA3A降低avb3整合素肾小球活性并诱导足细胞收缩和形状改变。avb3、b3、b1整合素在整个肾脏的表达水平并未因SEMA3A的过度表达而改变。SEMA3A过度表达诱导肾素、MMP-9和avb3整合素可逆性失调，导致足突消失、显著的GBM表型、系膜扩张和内皮细胞损伤 [8]。虽然SEMA3A诱导的nephrin下调导致足细胞消失，但肾小球中MMP-9的上调和avb3整合素活性的降低导致GBM完整性的破坏和内皮损伤。对足细胞和内皮细胞肌动蛋白细胞骨架的直接作用可能有助于体内足细胞的消失和内皮增生。Plexin-A1和nephrin相互作用将SEMA3A信号与nephrin信号通路联系起来，为SEMA3A诱导的足突消失提供了机制。要准确地了解plexin-A1、nephrin相互作用如何调节nephrin的周转和足细胞骨架，还需要进一步的研究，包括确定负责的肌动蛋白结合蛋白。足细胞plexin-A1下游的SEMA3A信号通路可能揭示蛋白性肾病和糖尿病肾病发病机制中的新分子和细胞机制，并可能确定新的治疗靶点 [8]。

研究发现nephrin和plexin-A1之间存在一种新的直接相互作用。Nephrin与plexin-A1相互作用将缝隙隔膜信号复合物与细胞外信号联系起来 [13]。因此，SEMA3A是肾小球滤过屏障结构和功能的细胞外负调节因子。过量的SEMA3A与neuropilin-1结合，导致plexin-A1活化，与nephrin相互作用，细胞膜整合素抑制，导致足突消失内皮损伤和肾小球基底膜(GBM)分层。Vegf-A (血管内皮生长因子)基因敲除也抑制整合素活性并导致相似的表型。SEMA3A信号由受体复合体介导，受体复合体分别由neuropilin-1和plexin-A1、SEMA3A结合受体和信号受体组成 [14] [15] [16] [17]。SEMA3A过量导致可逆性nephrin下调，而podocin表达水平没有改变，这表明nephrin表达降低不是由于足细胞丢失所致。nephrin丢失破坏了横膈膜的完整性，导致足突消失和肾小球滤过屏障通透性增加 [13]。

足细胞有一个功能性的自分泌SEMA3A系统，该系统受分化和配体利用率的调节。说明了SEMA3A信号能诱导足细胞凋亡并下调podocin，减少podocin与CD2AP和podocin与nephrin的相互作用，提示SEMA3A在缝隙横膈膜的内稳态中起作用。为了确定SEMA3A在足细胞中的功能，检测了SEMA3A能否调节缝隙隔膜蛋白和足细胞存活，Western分析和共免疫沉淀结果显示，SEMA3A诱导podocin剂量反应性下调，并降低其与CD2相关蛋白和nephrin的相互作用 [11]，发现足细胞有一个功能性的自分泌SEMA3A系统，该系统受分化和配体利用率的调节。提示了SEMA3A信号诱导足细胞凋亡，下调podocin，减少podocin与CD2AP和podocin与nephrin的相互作用，提示SEMA3A在缝隙横膈膜的内稳态中起作用 [11]。

3. SEMA3A和MICAL-1 (蛋白质单加氧酶1)对足细胞形态的调控

MICAL-1是一种肌动蛋白结合蛋白，在足细胞中介导SEMA3A信号 [7]。SEMA3A在体内和培养中影响足细胞的形状和功能 [4] [5] [6] [8]。暴露于SEMA3A诱导足细胞收缩和F-肌动蛋白崩塌 [8]。MICAL-1是一种蛋白质单加氧酶，已知它将SEMA3A信号与肌动蛋白细胞骨架联系起来 [18] [19] [20]，最近在足细胞中发现了肌动蛋白细胞骨架。足细胞MICAL-1可消除SEMA3A诱导的足细胞形状变化 [21]。

足细胞的足突是由F-a-肌动蛋白为基础组成，足突之间由横膈膜连接，横膈膜在功能上是信号传递的平台，在结构上是细胞的骨架。MICAL-1是一种加单氧酶且将SEMA3A信号与肌动蛋白细胞骨架联系起来 [7]，其通过氧化还原依赖机制调节细胞形状、迁移和胞吐 [18]。SEMA3A功能增强加重Kimmelstiel-Wilson (基–威综合征)样肾小球结节中的层粘连蛋白和IV型胶原积聚，通过nephrin、avb3整合素和MICAL-1与plexin-A1的相互作用导致弥漫性足细胞足突消失和F-肌动蛋白塌陷。MICAL-1基因敲除和SEMA3A抑制能够消除SEMA3A诱导的足细胞F-a肌动蛋白塌陷，这表明MICAL-1介导了SEMA3A诱导的足细胞F-a肌动蛋白塌陷 [21]。

4. JNK通路可能参与SEMA3A诱导的足细胞凋亡

JNK (c-Jun N-末端激酶)途径是MAPK (丝裂原活化蛋白激酶)途径的重要信号级联途径之一，在多种细胞过程中发挥作用，包括增殖、分化、迁移和凋亡 [22]。据报道，SEMA3A可激活神经元中的JNK通路 [23]。Dox (阿霉素)引起大量蛋白尿和足细胞凋亡以及足细胞中SEMA3A表达的增加，所有这些都通过SEMA3A-I (SEMA3A抑制剂)治疗得到改善。JNK被称为SEMA3A信号的下游(JNK在SEMA3A信号的下游发挥作用)，在注射Dox的小鼠足细胞中被激活，而SEMA3A-I治疗部分阻断了激活。在体外，SEMA3A-I对Dox诱导的足细胞凋亡具有保护作用，重组SEMA3A通过激活JNK信号通路诱导足细胞凋亡。JNK抑制剂可抑制SEMA3A诱导的足细胞凋亡，提示JNK通路可能参与SEMA3A诱导的足细胞凋亡 [24]。

5. Vegf (血管内皮生长因子)和SEMA3A之间存在一些功能性竞争

Vegf-A (血管内皮生长因子A)是一种足细胞存活因子，而SEMA3A诱导足细胞凋亡。根据研究证明，向健康小鼠内全身注射外源性SEMA3A可引起急性和短暂的大量蛋白尿、足细胞足突消失、内皮细胞损伤、缝隙隔膜蛋白的下调以及信号Vegf R2 (Vegf-A受体2)的下调，这些可以通过联合应用SEMA3A和Vegf-A来消除 [12]。研究提示等摩尔剂量的SEMA3A和Vegf165是可以预防SEMA3A引起的蛋白尿和肾小球滤过屏障的损伤，通过下调缝隙隔膜蛋白和VegfR2。Vegf165对neuropolin-1的结合竞争性阻止了SEMA3A信号的传导 [12]。这提示Vegf165抵消了SEMA3A对肾脏的损伤，提示SEMA3A与Vegf165平衡参与了肾小球滤过屏障的稳态。neuropolin胞外A和B结构域编码SEMA3A和Vegf165的结合位点，这两个位点不同但相邻，并且在彼此的结合区域中具有结合增强子序列 [25]，解释了SEMA3A和Vegf165之间观察到的一些功能竞争 [12] [26] [27]。

足细胞Vegf164 (最丰富的Vegfa亚型)在糖尿病小鼠模型中的过度表达导致晚期糖尿病肾小球病变，其特征为Kimmelstiel-Wilson样结节性肾小球硬化、微动脉瘤、系膜溶解、肾小球基底膜增厚、足细胞消失和大量蛋白尿伴高滤过 [28]。足细胞Vegf164过度表达与糖尿病肾病患者中SEMA3A过度表达导致肾小球病变几乎一致，且研究证明足细胞Vegf164过度表达诱导SEMA3A升高。Vegf164和SEMA3A之间可能存在一种协同作用。它还导致Vegf R2和SEMA3A水平升高，以及nephrin和MMP-2 (基质金属蛋白酶-2)的下调，而循环中Vegf-A水平与对照组糖尿病小鼠相似。1型糖尿病小鼠模型中足细胞Vegf₁₆₄的过表达导致严重的结节性肾小球硬化 [28]。

SEMA3A还可抑制内皮细胞迁移和凋亡。SEMA3A与Vegf竞争内皮细胞中的neuropolins-1结合(neuropolins-1是胚胎血管形成所必需的)。由于Vegf通过Flk-1 (Vegf受体)诱导内皮细胞迁移，而neuropolins-1作为共受体增强了这种效应，因此SEMA3A可能通过从受体复合物中置换Vegf来抑制内皮细胞迁移 [5]。SEMA3A和sema3F转录物定位于Vegf-A表达部位，而SEMA3A受体neuropolins-1、neuropolins-2定位于VegfR2表达部位，即足细胞、内皮细胞和集合小管。由于Vegf164和SEMA3A竞争neuropolins-1结合，提示信号通路可能相互作用并调节肾脏发育 [1]。

6. 小结

SEMA3A水平的调节对于维持肾小球滤过屏障的结构和功能异常重要。SEMA3A调节足细胞的形状，过多的SEMA3A信号会导致加重肾脏疾病。机制上，过量的SEMA3A在体内诱导肾素、MMP-9和avb3整合素等的失调，SEMA3A便会自动破坏足细胞的形状。SEMA3A和MICAL-1对足细胞形态有一定的调控作用。JNK通路可能参与SEMA3A诱导的足细胞凋亡。Vegf和SEMA3A之间存在一些功能性竞争。要准确知道SEMA3A对足细胞形态及功能损伤机制还需要进一步的研究。SEMA3A可能是肾病治疗干预的一个有吸引力的靶点。