内皮细胞αV/β5整合素受体信号通路在鸢尾素诱导海马BDNF表达中的关键作用

《Molecular Neurobiology》：Critical Role of the Endothelial αV/β5 Integrin Receptor Signaling Pathway in Promoting Irisin-induced Hippocampal BDNF Expression

本研究针对鸢尾素(irisin)提升海马脑源性神经营养因子(BDNF)表达的具体机制尚不明确的问题，开展了关于内皮αV/β5整合素受体信号通路作用的研究。研究人员通过离体海马切片培养和在体运动大鼠模型，发现鸢尾素通过激活内皮αV/β5整合素/FAK/eNOS信号通路上调海马BDNF表达。该研究揭示了运动有益大脑认知功能的新机制，为以血管内皮为靶点增强神经营养因子表达提供了新思路。

　　

当我们挥汗如雨地进行体育锻炼时，不仅肌肉变得更强壮，我们的大脑也悄然发生着积极的变化。这种身心连接的神秘纽带，近年来被科学家们聚焦于一种名为鸢尾素(irisin)的肌肉因子。它在运动时由肌肉释放入血，被誉为“运动信使”，能够远程调控大脑海马区一种关键的神经营养因子——脑源性神经营养因子(BDNF)的表达。BDNF对神经元的存活、分化、突触可塑性以及学习记忆至关重要。然而，鸢尾素究竟如何跨越血脑屏障，并精准地提升海马BDNF水平，其内在的分子机制如同一个未解之谜，吸引着众多研究者的目光。

以往的研究多将目光投向神经元，认为鸢尾素可能直接作用于脑细胞。但一个常被忽略的事实是，大脑中近一半的BDNF其实来源于遍布脑组织的血管内皮细胞。鸢尾素已被证实具有依赖一氧化氮(NO)的血管舒张作用，而NO本身又能促进内皮细胞产生BDNF。更重要的是，在骨骼和脂肪组织中，一种名为αV/β5的整合素受体被鉴定为鸢尾素的关键受体，而这种受体同样存在于内皮细胞上。这不禁让人猜想：鸢尾素是否主要是通过“敲响”脑血管内皮细胞的“门铃”（αV/β5整合素），进而启动一系列信号传导，最终奏响海马BDNF升高的“乐章”？为了解答这个问题，发表在《Molecular Neurobiology》上的这项研究进行了一系列精巧的实验。

研究人员综合运用了离体器官培养和在体动物模型。在离体实验中，他们采集大鼠海马组织进行切片培养，并施加不同浓度的重组鸢尾素(r-irisin)，同时使用αV/β5整合素的特异性拮抗剂cilengitide进行干预。在体实验中，他们将大鼠分为静坐组和为期7天的中等强度跑步运动组，运动被证实能有效提高血清鸢尾素水平。研究技术主要包括蛋白质免疫印迹(Western Blotting)用于定量检测海马组织中BDNF、磷酸化焦点粘附激酶(p-FAK^Y397)、αV/β5整合素、磷酸化内皮型一氧化氮合酶(p-eNOS^S1177)等蛋白的表达水平；以及免疫荧光染色技术，用于精确定位这些蛋白在海马组织细胞，特别是GLUT1标记的内皮细胞中的表达和分布。通过相关性分析，进一步探寻这些关键分子之间的内在联系。

Effect of Irisin on Hippocampal BDNF Expression in the Presence or Absence of an αV/β5 Receptor Antagonist

研究人员首先在离体海马切片中证实，重组鸢尾素(r-irisin)处理能剂量依赖性地显著增加BDNF蛋白表达。当使用αV/β5整合素受体拮抗剂cilengitide (Cil.)后，鸢尾素诱导的BDNF升高效应被有效阻断，且呈剂量依赖性。这表明鸢尾素促进海马BDNF表达的作用依赖于αV/β5整合素受体。

Irisin enhances hippocampal BDNF expression via the FAK signaling pathway

焦点粘附激酶(FAK)是整合素受体下游的关键信号分子。研究发现，r-irisin处理能显著增强海马切片中FAK在酪氨酸397位点的磷酸化(p-FAK^Y397)，而这一激活同样可被cilengitide所抑制。在运动大鼠模型中，海马p-FAK^Y397水平也显著高于静坐组。相关性分析显示，无论在离体还是体内，p-FAK^Y397的水平都与BDNF表达呈显著正相关。在体实验中，海马p-FAK^Y397还与血清鸢尾素水平正相关。这些结果提示，鸢尾素通过αV/β5整合素激活FAK信号通路，进而参与BDNF的上调。

Cellular localization and expression of the αV/β5 integrin complex

那么，αV/β5整合素受体在脑中何处发挥作用？免疫荧光染色显示，该受体确实表达于海马血管的内皮细胞（GLUT1阳性）以及神经元上。重要的是，运动大鼠海马内皮细胞中的αV/β5整合素信号强度显著高于静坐组，而神经元上的表达未见明显差异。Western Blotting结果也证实，运动组整体海马组织的αV/β5整合素蛋白表达更高。这表明运动诱导的αV/β5整合素表达增加主要发生在大脑血管内皮。

Irisin enhances eNOS activation

已知鸢尾素能促进NO生成，而eNOS是NO合成的关键酶。研究发现，r-irisin处理能显著提高离体海马切片中eNOS在丝氨酸1177位点的磷酸化(p-eNOS^S1177)，此效应也可被cilengitide阻断。同样，运动大鼠海马的p-eNOS^S1177水平也显著升高。p-eNOS^S1177水平与BDNF表达在离体和在体条件下均呈正相关。此外，p-eNOS^S1177与p-FAK^Y397的水平也显著正相关，提示FAK的激活可能与eNOS的磷酸化有关。

Cellular Localization and Expression of p-eNOS ^S1177 and Its Correlation with Endothelial αV/β5 Integrin and BDNF Expressions

为了将信号通路与细胞定位精确关联，研究人员进一步通过免疫荧光双标染色观察海马内皮细胞内的变化。结果显示，p-eNOS^S1177和BDNF均与内皮细胞标记物GLUT1共定位。定量分析发现，运动大鼠海马内皮细胞中的p-eNOS^S1177和BDNF荧光强度均显著高于静坐组。更重要的是，在内皮细胞层面，p-eNOS^S1177与BDNF的表达强度呈正相关，内皮αV/β5整合素的信号强度也与p-eNOS^S1177和BDNF的表达强度分别呈正相关。这强有力地支持了鸢尾素通过内皮αV/β5整合素-FAK-eNOS信号轴，促进内皮源性BDNF表达的这一机制。

综上所述，这项研究揭示了运动诱导的肌肉因子鸢尾素调控大脑海马BDNF表达的一条新颖且重要的通路：循环中的鸢尾素作用于脑血管内皮细胞表面的αV/β5整合素受体，激活其下游的FAK信号，进而促进eNOS磷酸化和NO产生，最终导致内皮源性BDNF表达上调。这项工作将研究视角从神经元成功拓展至血管内皮，强调了神经血管单元在介导运动益脑效应中的核心地位。它不仅深化了对运动-大脑轴分子机制的理解，而且为开发靶向血管内皮以增强神经营养支持、对抗神经退行性疾病和认知障碍的新策略提供了坚实的理论依据和潜在靶点。当然，该研究也存在一些局限，例如cilengitide对αV/β3整合素也有抑制作用，未来需要更特异性的工具来精确解析不同整合素亚型的贡献。此外，FAK激活eNOS的具体下游分子环节也有待进一步阐明。尽管如此，这项研究无疑为我们理解身体活动如何滋养大脑打开了又一扇窗户，照亮了通往大脑健康的新路径。