Cell Biosci | 王勇军课题组揭示D型多巴色素异构酶介导损伤脊髓炎症反应的分子机制

撰文︱李慧，何兵强

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

D型多巴色素互变异构酶（D-dopachrome tautomerase，D-DT）的主要功能是催化D型多巴色素形成5,6-二羟基吲哚[1]。正常生理状态下，D-DT表达于机体各个组织中，在肝脏和精巢中的表达最为丰富。令人困惑的是，哺乳动物机体中并不存在D型多巴色素，因而人们对D-DT的生理和病理功能知之甚少[2]。近年来结构生物学研究发现，D-DT是巨噬细胞迁移抑制因子（macrophage migration inhibitory factor，MIF）的同源物，因而推测其可能在先天性免疫反应中发挥重要作用[3, 4]。脊髓损伤后往往引发过度激活的炎症反应，继而引起神经元和少突胶质细胞凋亡，加剧功能丧失[5]。损伤脊髓的炎症反应由损伤相关分子模式（Damage-associated molecular patterns，DAMPs）与小胶质细胞和星形胶质细胞膜表面模式识别受体（Pattern-recognition receptors，PRRs）相互作用，激活炎症反应通路，进而形成级联反应[6]。脊髓损伤后D-DT诱导产生的细胞学基础、对胶质细胞炎症反应的影响以及相关的分子调控机制尚不清楚。

2022年8月14日，南通大学王勇军教授课题组在《细胞与生物科学》（Cell & Bioscience）上发表了题为“D-dopachrome tautomerase drives astroglial inflammation via NF-κB signaling following spinal cord injury”的研究论文，阐述了D-DT作为促炎因子介导脊髓星形胶质细胞炎症反应的调控机理。李慧和何兵强为该论文共同第一作者，王勇军教授为论文通讯作者。作者研究发现，大鼠脊髓损伤后，星形胶质细胞和神经元诱导产生D-DT，通过与星形胶质细胞膜表面受体CD74相互作用，激活MAPKs/NF-κB炎症信号通路，促进TNF-α、IL-1β等炎症因子的表达，加剧了损伤脊髓炎性微环境的形成。采用特异性抑制剂抑制脊髓损伤处D-DT的活性，可以降低核心转录因子NF-κB的表达，减少炎症因子TNF-α、IL-1β等的产生，有助于大鼠运动功能的恢复。该文为有效控制中枢神经炎症提供了新的线索。

首先，作者通过构建大鼠脊髓撞击伤模型，检测了脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）后0d、1d、4d和7d的D-DT表达变化，发现D-DT在脊髓损伤后表达显著上调。接着，作者采用免疫荧光检测了脊髓损伤前后D-DT在NeuN阳性的神经元、S100β阳性的星形胶质细胞、OX42阳性的小胶质细胞以及MBP阳性的少突胶质细胞中的共定位情况，结果观察到D-DT在脊髓神经元和星形胶质细胞中诱导表达（图1d-k），明确脊髓损伤后神经元和星形胶质细胞是D-DT产生的主要细胞来源。

图1 大鼠脊髓损伤后D-DT在损伤部位星形胶质细胞诱导表达

（图源：Li et al., Cell & Bioscience, 2022）

随后，作者采用D-DT重组蛋白刺激大鼠原代星形胶质细胞，通过转录组测序分析发现，D-DT能够激活星形胶质细胞炎症反应通路，且NF-κB是D-DT调控的核心因子（图2b）。

图2 NF-κB是D-DT刺激星形胶质细胞响应的关键调节分子

（图源：Li et al., Cell & Bioscience, 2022）

为了进一步验证测序结果，作者培养原代星形胶质细胞，研究了D-DT发挥作用的功能受体。结果表明，CD74是D-DT介导细胞功能的关键受体，将星形胶质细胞CD74受体干扰后，D-DT激活的星形胶质细胞炎症反应受到显著抑制。继而，作者采用多种MAPKs抑制剂处理星形胶质细胞。结果显示，MAPKs抑制剂能够显著降低p65NF-κB和炎症因子的表达。上述结果证实，D-DT通过与CD74受体相互作用，激活MAPKs/NF-κB信号通路，调控星形胶质细胞炎症因子的产生。

最后，作者通过在脊髓损伤处鞘内给药的方式，检测了D-DT选择性抑制剂4-CPPC对损伤脊髓炎症反应和大鼠运动功能恢复的影响。结果表明，4-CPPC显著降低星形胶质细胞p65NF-κB和炎症因子的表达（图3i-m）。形态学观察发现，4-CPPC能显著控制炎症反应引发的脊髓继发性损伤（图3n，o）。行为学测试表明，抑制损伤脊髓中D-DT的活性，能够有效改善大鼠的后肢运动功能（图3p）。总之，脊髓损伤后抑制D-DT的活性，能够抑制星形胶质细胞介导的炎症反应，改善大鼠运动功能。

图3 D-DT抑制剂有效减弱NF-κB信号并改善大鼠脊髓损伤后的运动功能

（图源：Li et al., Cell & Bioscience, 2022）

文章结论与讨论，（未来）启发与展望

该研究首次揭示了D型多巴色素互变异构酶（D-DT）在脊髓损伤后介导炎症反应的新功能，为治疗中枢神经炎症提供了新的靶点。传统认为，脊髓损伤后小胶质细胞的激活是炎症反应产生的主要原因，该研究还表明，脊髓损伤信号诱导产生的D-DT，同样能够激活星形胶质细胞炎症反应，影响功能恢复。因此，作者认为，在力图控制中枢神经炎症反应时，应同时将小胶质细胞和反应性星形胶质细胞作为炎症细胞来源。此外，由于小胶质细胞同时表达CD74受体，D-DT是否调控小胶质细胞炎症反应以及其中的分子机制，还需进一步研究。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s13578-022-00867-7

本研究得到了国家自然科学基金（编号：3187211）和中国博士后科学基金会（编号：2020M681689）的资助。

第一作者：李慧（左一）、何兵强（左二）；通讯作者：王勇军教授（右一）

（照片提供自：南通大学神经再生重点实验室）

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1. Odh G, Hindemith A, Rosengren AM, Rosengren E, Rorsman H. Isolation of a new tautomerase monitored by the conversion of D-dopachrome to 5,6-dihydroxyindole. Biochem Biophys Res Commun. 1993;197(2):619-24.

2. Illescas O, Pacheco-Fernandez T, Laclette JP, Rodriguez T, Rodriguez-Sosa M. Immune modulation by the macrophage migration inhibitory factor (MIF) family: D-dopachrome tautomerase (DDT) is not (always) a backup system. Cytokine. 2020;133(155121.

3. Merk M, Mitchell RA, Endres S, Bucala R. D-dopachrome tautomerase (D-DT or MIF-2): doubling the MIF cytokine family. Cytokine. 2012;59(1):10-7.

4. Merk M, Zierow S, Leng L, Das R, Du X, Schulte W et al. The D-dopachrome tautomerase (DDT) gene product is a cytokine and functional homolog of macrophage migration inhibitory factor (MIF). Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108(34):E577-85.

5. Hellenbrand DJ, Quinn CM, Piper ZJ, Morehouse CN, Fixel JA, Hanna AS. Inflammation after spinal cord injury: a review of the critical timeline of signaling cues and cellular infiltration. J Neuroinflammation. 2021;18(1):284.

本文完