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与神经生长相关的神经系统特异性蛋白质 | |||||||||||||||||||||||
| 文章来源：医学全在线 更新时间：2006-5-18 8:16:09 技能论坛 | |||||||||||||||||||||||
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关键词： 神经再生 神经发育 神经生长 摘 要 与神经突起生长相关的神经系统特异性蛋白质是指神经系统特有的在发育或再生中能够促进神经突起生长，或能够决定和诱导神经突起沿正确方向生长的蛋白质因子。该文对已知的该类蛋白质进行了综述。 关键词：神经系统特异性蛋白质；神经再生；神经发育；神经生长 神经细胞是一类分化程度最高的细胞，具有神经系统特殊的功能。执行这些功能的蛋白质可能是酶、受体以及酶和受体的调控子或其他一些蛋白质因子。因此把仅在神经系统中出现而其他组织中没有或含量甚微，并且担负神经组织特异性功能的蛋白质称为神经系统特异性蛋白质。神经系统特异性蛋白质在神经组织中分布广泛，种类较多，功能各异。这些蛋白质具有一些共同的特点：在特异的神经组织中含量一般较低；分布在胶质细胞及神经元两大部位；担负同一或相近功能的往往是具有很大的保守性的一类家族性蛋白质；通常是在神经系统发育的某一阶段或某一病理状态下才表达出来。 1 发展概况 对与神经损伤修复有关的特异性蛋白质的探索一直是神经科学研究的重要课题。尤其是在20世纪50年代神经生长因子（nerve growth factor,NGF）的发现成为这一探索中的里程碑。近20年来，随着分子生物学技术的广泛应用，很多相关的蛋白质被相继克隆和表达，并进行了功能研究。值得注意的是以下两类蛋白质：一类是在神经损伤中促进神经突起生长的蛋白质，如围绕被切断的神经突起远端的雪旺细胞内发现的促神经生长的蛋白质——神经损伤诱导蛋白质（nerve injury-induced protein，Ninjurin）［1］；另一类是在神经系统发育中决定神经突起沿正确方向生长的蛋白质，又可以分为诱导性蛋白质或抑制性蛋白质，如哺乳动物发育中诱导联合神经元生长锥突起向脊髓腹侧线的底板生长这一现象中起作用的netrins蛋白［2］等。 这些发现提示，在神经系统内存在这样一些蛋白质，它们在神经再生中能够促进神经突起生长，或在发育中能够决定和诱导神经突起向靶的方向生长。由于神经再生与神经发育过程有其相似的一面，因而它们的功能既可能是双重的，也可能是单向的。目前认为对神经生长锥的定向生长至少有4种不同的机制存在：接触介导的诱导（contact-mediated attraction）、化学性诱导（chemoattraction）、接触介导的排斥（contact-mediated repulsion）、化学性排斥（chemorepulsion）。而担负这些机制的特异性蛋白质因子既可以为正性作用（促进或诱导），也可以是负性作用（抑制或排斥）。它们存在于细胞表面或细胞外胶质，共同构成了一个长距离的梯度性的外部环境，使神经生长锥能够通过特异信号的传递，沿既定的正确方向延伸［3］。以下将按功能的差异对神经系统中与生长相关的蛋白质分类进行综述。 2 与神经生长相关的蛋白质 2.1 诱导性蛋白质 在这一大类蛋白质中，发现最早作用最为广泛的便是神经细胞粘附分子（neural cell adhesion molecule, NCAM）［4］。这些糖蛋白广泛存在于发育或成熟的神经系统。并通过自身所带的大糖分子结构多唾液酸(polysialic acid，PSA，PSA+和PSA)，减弱NCAM和相邻的其他细胞粘附分子之间的粘附性来介导细胞之间的粘附，从而参与控制神经元发育的一系列过程，包括细胞的迁移、神经突起的生长、选择性的轴突成束、对靶的识别和突触的可塑性。新近在蚱蜢和果蝇中发现的轴突成束蛋白Ⅱ(fasciclinⅡ)［5］，也是神经细胞粘附分子的一员，它主要在胚胎中枢神经的轴突和外周神经的运动神经元中，FasⅡ可作为一种诱导分子控制特定的轴突选择性成束。 另外，还存在着一类免疫球蛋白超家族(immunoglobulin superfamily)成员，它们共同的特点是：对特定的神经元突触具有诱向作用，与相关的神经环路形成有关，结构上都是糖蛋白，粘附在细胞膜上，且有Ig样区，通过糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)锚定在膜上。如相对分子质量为51000的小脑Purkinje神经元蛋白(cerebellar Purkinje neuron protein,CEPU-1)，它与neurotrimin、阿片肽联结的细胞粘附分子(opioid-binding cell adhesion molecule，OBCAM)、边缘系统相关膜蛋白(limbic system-associated membrane protein，LAMP)等有分别为78%、68%和54%的同源性［6］。CEPU在发育小脑Purkinje神经元的胞体、轴突、树突中有强烈表达，被认为是发育中Purkinje神经元的特异性识别蛋白质。而neurotrimin［7］则在发育的丘脑、前脑的皮层板、后脑的Purkinje细胞及脑桥核、小脑颗粒细胞嗅球、背根节、脊髓中有高表达，它可能是与家族的其他成员一起决定不同的神经元群体表面的差异性，从而形成特异性的神经元连接。LAMP［8］是相对分子质量为64000～68 000的糖蛋白，LAMP主要表达在发育前脑中与边缘系统相关的皮层及皮层下的神经元。其功能为边缘系统的诱向分子，在边缘系统特异性神经环路的形成中具有重要作用。 另一类调控神经元发育，并与神经突起定向生长有关的家族性蛋白质便是同源盒蛋白［9］。它是指脊椎动物中含同源盒结构的基因（homeobox gene），即同源盒基因所编码的蛋白质。它们是神经系统的主控发育基因。同源盒基因目前有Hox，Pax和LIM同源盒基因等几大类。其中Hox同源盒基因有4个基因簇，主要表达在脊髓，少量表达在后脑。目前认为Hox基因的表达与中枢神经在发育中的分区有关，为不同神经元的发育提供位置特征。Pax为配对盒基因（paired-type homeobox）。现在已成功筛选分离到9种不同的小鼠Pax基因（Pax1-9）。研究表明，Pax基因的早期表达与神经系统发育中空间和时间的局限性有密切关系，提示Pax基因在某些诱导过程，特殊细胞的分化及神经发育过程中各种解剖界限的建立等方面有着重要作用。Lim同源盒基因家族的成员多达十多种，它们绝大多数在特定的神经元亚群中表达，参与特定神经元的发育，如Lhx4和Lhx3可共同参与调控运动神经元的发育，轴突寻路及特异性联结的形成。考虑到神经的再生往往是个体发育的重演，因此推测同源盒蛋白可能在神经再生中也有作用。 另外，如相对分子质量为18 000的分泌型蛋白质——肝素结合的生长相关分子(heparin-binding growth-associated molecule, HB-GAM)［10］，它在胚胎后期和出生后早期对外周神经系统神经纤维的发育，脑室表层的上行神经纤维和神经皮层及边缘区的神经突起生长具有促进作用，并指引脑神经元轴突的迁移方向，而且这种作用是通过与神经元表面肝素样分子的结合而实现的。在胚胎发生期轴突联合形成期间，中枢神经系统中线胶质的COMM基因（无连合基因，commissureless gene）的表达产物为一个370个氨基酸长度的跨膜蛋白质（没有信号肽）,它是指引联合生长锥跨越中枢神经系统中线的诱向信号机制中必不可少的一个分子［11］。 2.2 抑制性蛋白质 神经系统抑制性蛋白质是指在神经系统发育过程中阻止非相关神经元的突触进入特定的靶区，防止形成非特异的联结。其中神经细胞粘附分子家族的成员便在其中发挥着重要作用。如相对分子质量55000的糖蛋白（GP55）［12］，从成年小鼠脑中分离出来的GP55至少有两种类型，都具有阻止鸡背根节神经元的轴突生长的作用。GP55的表达水平从胚胎期10 d开始逐步增高，孵育后充分表达，能够作为一种细胞粘附分子阻止神经突起的生长。再如家族性的semaphorins蛋白［13］，是结构异常保守的细胞表面分泌蛋白。长约750个氨基酸，细胞外是约500个氨基酸的异常保守的semaphorins区。semaphorins种类繁多。在发育的机体中，能够阻止神经突起的分叉，影响神经突起的方向，阻止轴突进入一定的靶区，阻止突触终末的形成。 另一类家族性的抑制性蛋白质是OBCAM［14］，它是对一些神经突起的生长具有抑制作用的特异分子。小鼠脑的OBCAM为相对分子质量58000或51 000的蛋白质,是一种N端高度糖基化的蛋白质。58 000和51000的蛋白质在牛脑中的纹状体和大脑皮层中都有高表达，而51000的蛋白质在小脑中也可检测到。 其他还有新近发现的脑衰蛋白（collapsin）［15］，髓鞘相关糖蛋白(myelin-associated glycoprotein, MAG)［16］和相对分子质量35000的神经阻抑蛋白(neural inhibitor,NI-35)［17］等。脑衰蛋白为鸡胚胎脑中相对分子质量为100 000的糖蛋白。它的生物学作用是作为一种诱向分子在鸡发育的中枢神经系统中阻断损害的轴突再生。重组的脑衰蛋白可以导致感觉神经节生长锥的崩解，但对视网膜神经节生长锥则没有明显的作用。MAG是中枢和外周神经髓鞘组织中一种对各种神经元轴突再生有抑制作用的蛋白质，它是一种双功能的分子；可促进新生的背根神经节神经元轴突的生长，阻止成年动物背根神经节神经突起的生长（包括生后视网膜、脊髓、下丘脑、颈上神经节神经元的生长）。NI-35也是一种中枢神经的髓鞘蛋白质，对神经突起的生长具有抑制作用。部分纯化的NI-35可以导致背根节神经生长锥的塌陷。 2.3 与神经损伤修复相关的因子 在这些蛋白质中，研究较早的多是外周神经中的神经胶质或髓鞘蛋白。它们多是细胞外间质或细胞表面的粘附分子。这也与外周神经组织有较强的再生能力有关。其表达和功能详见表1［3］。
近期发现的与神经生长有关的神经系统特异性蛋白质有Ninjurin、外周髓鞘蛋白-22（peripheral myelin protein,PMP-22）、乙酰胆碱受体活性诱导蛋白（acetylcholine receptor inducing activity protein，ARIA）等。Ninjurin［18］为一种新的神经损伤诱导蛋白质，被认为能够介导同源性或异源性的粘附，在体外能够促进背根节神经元突起的延伸。小鼠Ninjurin的cDNA编码一个152个氨基酸长度的蛋白质，相对分子质量约为16300。Ninjurin多出现在围绕被切断的神经突起远段的雪旺细胞内,但在神经切断后的背根神经节（DRG）神经元内表达增加，也可在损伤后形成的神经瘤中及颈上交感节（SCG）神经元中检测到它的活性。PMP-22［19］是神经挤压伤后出现的cDNA所表达的一个22000大小的蛋白质。其mRNA主要由雪旺细胞产生，蛋白质完全表达在外周神经系统，并且是髓鞘的主要组分。现已证实在培养的鸟或哺乳类动物的肌肉组织中加入ARIA可以增加乙酰胆碱受体的合成率，这种增加伴随着乙酰胆碱受体亚单位mRNA的选择性表达增加［20］。胚胎和成年动物的神经组织和神经肌肉接头表达各种不同的ARIA异构体，并在神经损伤后的缺失、再生中受到调控。
3 研究技术及展望 近年来,对于新的神经特异性蛋白或基因的探索已成为神经科学领域的热点。随着分子生物学技术在神经科学领域的广泛应用，神经系统特异性蛋白质的研究在技术上已有很大突破。该研究的思路及方法大致为：(1)从特定的神经组织中分离特异性的蛋白质。这种方法是在体外观察到某种神经生物学现象，然后推测到特定组织中蛋白质因子的作用，采用各种电泳和色谱等生化技术来提纯蛋白质。这种方法最大的缺点是费时、费钱、费力，但一旦获得特异的蛋白质分子，便功能明确。(2)利用分子生物学的方法从cDNA序列推知蛋白质的一级结构：如差异显示逆转录技术（differential display reverse transcription-PCR,DDRT-PCR）、mRNA指纹分析技术、筛选cDNA文库和基因组文库、基因阵列和基因芯片等技术的应用。这些技术虽然有着快速、高效率克隆特异性基因的优点，但进行功能鉴定则是一个难题。(3)随着人类基因组计划工作的完成和蛋白质组计划的逐渐展开，现在已经大范围开展对神经系统的各种基因和蛋白质的搜索和破译研究，各种生物学数据库的建立也为研究提供了方便。 可以预测，随着对新的神经发育或再生相关基因及蛋白质研究的日益深入，将有助于对神经元在分子和细胞水平的发生、发育及其在疾病或损伤状态下的变化过程的深入了解，有助于进一步认识神经系统在发生、发育和损伤、再生之间的相互联系及影响，同时也会极大地促进对神经再生和修复等疑难问题的突破。 参考文献 ［2］ Kennedy TE,Serafini T,de la Torre JR，et al．Netrins are diffusible chemotropic factors for commissural axons in the embryonic spinal cord［J］.Cell,1994,78(3):425. ［3］ Goodman CS.Mechanisms and molecules that control growth cone guidance［J］.Annu Rev Neurosci,1996,19:341. ［4］ Rutishauser U.Adhesion molecules of the nervous system［J］.Curr opin Neurobiol,1993,3(5):709. ［5］ Lin DM,Fetter RD,Kopezynski C，et al.Genetic analysis of fascilinⅡin drosophila:defasciculation,refasciculation,and altered fasciculation［J］.Neuron,1994,13(5):1055. ［6］Spaltmann F,Brmendorf T.CEPU-1,a novel immunoglobulin superfamily molecule,is expressed by developing cerebellar Purkinje cells［J］.J neurosci,1996,16(5):1770. ［7］ Struyk AF,Canoll PD,Wolfgang MJ.Cloning of neurotrimin defines a new subfamily of differentially expressed neural cell adhesion molecules［J］.J neurosci,1995,15(3):2141. ［8］ Pimenta AF,Zhukareva V,Barbe MF,et al.The limbic system-associated membrane protein is an Ig superfamily member that mediates selective neuronal growth and axon targeting［J］. Neuron,1995,15(2):287. ［9］ 蔡文琴，李海标. 发育神经生物学［M］.北京:科学出版社,1999.21. ［10］ Rauvala H,Vanhala A,Castr E,et al.Expression of hB-GAM(heparin-binding growth-associated molecules) in the pathways of developing axonal processes in vivo and neurite outgrowth in vitro induced by hB-GAM［J］.Develop Brain Res,1994,79(2):157. ［11］ Tear G,Harris R,Sutaria S,et al.Commissureless controls growth cone guidance across the CNS middle in Drosophila and encodes a novel membrane protein［J］.Neuron,1996,16(3):501. ［12］ Clarke GA,Moss DJ.Identification of a novel protein from adult chicken brain that inhibits neurite outgrowth［J］.J Cell sci,1994,107(12):3393. ［13］Kolodkin AL,Matthes DJ,Goodman CS.The semaphorin genes encode a family of transmembrane and secreted growth cone guidance molecules［J］.Cell,1993,75(7):1389. ［14］ Haschisuka A,Yamazaki T,Sawada J.Characterization and tissue distribution of opioid-binding cell adhesion molecule(OBCAM) using monoclonal antibodies［J］.Neurochem Int, 1996,28(4):373. ［15］ Luo Y,Raible D,Raper JA.Collapsin:a protein in brain that induces the collapse and paralysis of neuronal growth cones［J］.Cell,1993,75(2):217. ［16］ Tang S,Woodhall RW,Shen YJ,et al.Soluble myelin-associated glycoprotein (MAG) found in vivo inhibits axonal regeneration［J］.Mol Cell neurosci,1997,9(5/6):333. ［17］ Igarashi M,Strittmatter SM,Vartanian T,et al.Mediation by G protein of signals that cause collapse of growth cones［J］.Science,1993,259(5091):77. ［18］ Araki T,Zimonjic DB,Popescu NC,et al.Mechanism of homophilic binding mediated by ninjurin,a novel widely expressed adhesion molecule［J］.J Biol chem,1997,272(34):21373. ［19］ Snipes GJ,Suter U,Welcher AA,et al.Characterization of a novel peripheral nervous system myelin protein(PMP-22/SR13)［J］.J Cell biol,1992,117(1):225. ［20］ Ng YP,Pun S,Yang JF,et al.Chick muscle expresses various ARIA isoforms:regulation during development,denervation,and regeneration［J］. Mol cell Neurosci,1997,9(2):132. |
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