與神經(jīng)生長相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)

關(guān)鍵詞： 神經(jīng)再生 神經(jīng)發(fā)育 神經(jīng)生長

　　摘　要　與神經(jīng)突起生長相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)是指神經(jīng)系統(tǒng)特有的在發(fā)育或再生中能夠促進(jìn)神經(jīng)突起生長，或能夠決定和誘導(dǎo)神經(jīng)突起沿正確方向生長的蛋白質(zhì)因子。該文對已知的該類蛋白質(zhì)進(jìn)行了綜述�！　�

　　關(guān)鍵詞：神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)；神經(jīng)再生；神經(jīng)發(fā)育；神經(jīng)生長

　　神經(jīng)細(xì)胞是一類分化程度最高的細(xì)胞，具有神經(jīng)系統(tǒng)特殊的功能。執(zhí)行這些功能的蛋白質(zhì)可能是酶、受體以及酶和受體的調(diào)控子或其他一些蛋白質(zhì)因子。因此把僅在神經(jīng)系統(tǒng)中出現(xiàn)而其他組織中沒有或含量甚微，并且擔(dān)負(fù)神經(jīng)組織特異性功能的蛋白質(zhì)稱為神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)。神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)在神經(jīng)組織中分布廣泛，種類較多，功能各異。這些蛋白質(zhì)具有一些共同的特點(diǎn)：在特異的神經(jīng)組織中含量一般較低；分布在膠質(zhì)細(xì)胞及神經(jīng)元兩大部位；擔(dān)負(fù)同一或相近功能的往往是具有很大的保守性的一類家族性蛋白質(zhì)；通常是在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的某一階段或某一病理狀態(tài)下才表達(dá)出來。

　　1　發(fā)展概況

　　對與神經(jīng)損傷修復(fù)有關(guān)的特異性蛋白質(zhì)的探索一直是神經(jīng)科學(xué)研究的重要課題。尤其是在20世紀(jì)50年代神經(jīng)生長因子（nerve growth factor,NGF）的發(fā)現(xiàn)成為這一探索中的里程碑。近20年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，很多相關(guān)的蛋白質(zhì)被相繼克隆和表達(dá)，并進(jìn)行了功能研究。值得注意的是以下兩類蛋白質(zhì)：一類是在神經(jīng)損傷中促進(jìn)神經(jīng)突起生長的蛋白質(zhì)，如圍繞被切斷的神經(jīng)突起遠(yuǎn)端的雪旺細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)的促神經(jīng)生長的蛋白質(zhì)——神經(jīng)損傷誘導(dǎo)蛋白質(zhì)（nerve injury-induced protein，Ninjurin）［1］；另一類是在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中決定神經(jīng)突起沿正確方向生長的蛋白質(zhì)，又可以分為誘導(dǎo)性蛋白質(zhì)或抑制性蛋白質(zhì)，如哺乳動物發(fā)育中誘導(dǎo)聯(lián)合神經(jīng)元生長錐突起向脊髓腹側(cè)線的底板生長這一現(xiàn)象中起作用的netrins蛋白［2］等。

　　這些發(fā)現(xiàn)提示，在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)存在這樣一些蛋白質(zhì)，它們在神經(jīng)再生中能夠促進(jìn)神經(jīng)突起生長，或在發(fā)育中能夠決定和誘導(dǎo)神經(jīng)突起向靶的方向生長。由于神經(jīng)再生與神經(jīng)發(fā)育過程有其相似的一面，因而它們的功能既可能是雙重的，也可能是單向的。目前認(rèn)為對神經(jīng)生長錐的定向生長至少有4種不同的機(jī)制存在：接觸介導(dǎo)的誘導(dǎo)（contact-mediated attraction）、化學(xué)性誘導(dǎo)（chemoattraction）、接觸介導(dǎo)的排斥（contact-mediated repulsion）、化學(xué)性排斥（chemorepulsion）。而擔(dān)負(fù)這些機(jī)制的特異性蛋白質(zhì)因子既可以為正性作用（促進(jìn)或誘導(dǎo)），也可以是負(fù)性作用（抑制或排斥）。它們存在于細(xì)胞表面或細(xì)胞外膠質(zhì)，共同構(gòu)成了一個長距離的梯度性的外部環(huán)境，使神經(jīng)生長錐能夠通過特異信號的傳遞，沿既定的正確方向延伸［3］。以下將按功能的差異對神經(jīng)系統(tǒng)中與生長相關(guān)的蛋白質(zhì)分類進(jìn)行綜述。

　　2　與神經(jīng)生長相關(guān)的蛋白質(zhì)

　　2.1　誘導(dǎo)性蛋白質(zhì)

　　在這一大類蛋白質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)最早作用最為廣泛的便是神經(jīng)細(xì)胞粘附分子（neural cell adhesion molecule, NCAM）［4］。這些糖蛋白廣泛存在于發(fā)育或成熟的神經(jīng)系統(tǒng)。并通過自身所帶的大糖分子結(jié)構(gòu)多唾液酸(polysialic acid，PSA，PSA+和PSA��)，減弱NCAM和相鄰的其他細(xì)胞粘附分子之間的粘附性來介導(dǎo)細(xì)胞之間的粘附，從而參與控制神經(jīng)元發(fā)育的一系列過程，包括細(xì)胞的遷移、神經(jīng)突起的生長、選擇性的軸突成束、對靶的識別和突觸的可塑性。新近在蚱蜢和果蠅中發(fā)現(xiàn)的軸突成束蛋白Ⅱ(fasciclinⅡ)［5］，也是神經(jīng)細(xì)胞粘附分子的一員，它主要在胚胎中樞神經(jīng)的軸突和外周神經(jīng)的運(yùn)動神經(jīng)元中，F(xiàn)asⅡ可作為一種誘導(dǎo)分子控制特定的軸突選擇性成束。

　　另外，還存在著一類免疫球蛋白超家族(immunoglobulin superfamily)成員，它們共同的特點(diǎn)是：對特定的神經(jīng)元突觸具有誘向作用，與相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路形成有關(guān)，結(jié)構(gòu)上都是糖蛋白，粘附在細(xì)胞膜上，且有Ig樣區(qū)，通過糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)錨定在膜上。如相對分子質(zhì)量為51000的小腦Purkinje神經(jīng)元蛋白(cerebellar Purkinje neuron protein,CEPU-1)，它與neurotrimin、阿片肽聯(lián)結(jié)的細(xì)胞粘附分子(opioid-binding cell adhesion molecule，OBCAM)、邊緣系統(tǒng)相關(guān)膜蛋白(limbic system-associated membrane protein，LAMP)等有分別為78%、68%和54%的同源性［6］。CEPU在發(fā)育小腦Purkinje神經(jīng)元的胞體、軸突、樹突中有強(qiáng)烈表達(dá)，被認(rèn)為是發(fā)育中Purkinje神經(jīng)元的特異性識別蛋白質(zhì)。而neurotrimin［7］則在發(fā)育的丘腦、前腦的皮層板、后腦的Purkinje細(xì)胞及腦橋核、小腦顆粒細(xì)胞嗅球、背根節(jié)、脊髓中有高表達(dá)，它可能是與家族的其他成員一起決定不同的神經(jīng)元群體表面的差異性，從而形成特異性的神經(jīng)元連接。LAMP［8］是相對分子質(zhì)量為64000～68 000的糖蛋白，LAMP主要表達(dá)在發(fā)育前腦中與邊緣系統(tǒng)相關(guān)的皮層及皮層下的神經(jīng)元。其功能為邊緣系統(tǒng)的誘向分子，在邊緣系統(tǒng)特異性神經(jīng)環(huán)路的形成中具有重要作用。

　　另一類調(diào)控神經(jīng)元發(fā)育，并與神經(jīng)突起定向生長有關(guān)的家族性蛋白質(zhì)便是同源盒蛋白［9］。它是指脊椎動物中含同源盒結(jié)構(gòu)的基因（homeobox gene），即同源盒基因所編碼的蛋白質(zhì)。它們是神經(jīng)系統(tǒng)的主控發(fā)育基因。同源盒基因目前有Hox，Pax和LIM同源盒基因等幾大類。其中Hox同源盒基因有4個基因簇，主要表達(dá)在脊髓，少量表達(dá)在后腦。目前認(rèn)為Hox基因的表達(dá)與中樞神經(jīng)在發(fā)育中的分區(qū)有關(guān)，為不同神經(jīng)元的發(fā)育提供位置特征。Pax為配對盒基因（paired-type homeobox）�，F(xiàn)在已成功篩選分離到9種不同的小鼠Pax基因（Pax1-9）。研究表明，Pax基因的早期表達(dá)與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中空間和時(shí)間的局限性有密切關(guān)系，提示Pax基因在某些誘導(dǎo)過程，特殊細(xì)胞的分化及神經(jīng)發(fā)育過程中各種解剖界限的建立等方面有著重要作用。Lim同源盒基因家族的成員多達(dá)十多種，它們絕大多數(shù)在特定的神經(jīng)元亞群中表達(dá)，參與特定神經(jīng)元的發(fā)育，如Lhx4和Lhx3可共同參與調(diào)控運(yùn)動神經(jīng)元的發(fā)育，軸突尋路及特異性聯(lián)結(jié)的形成。考慮到神經(jīng)的再生往往是個體發(fā)育的重演，因此推測同源盒蛋白可能在神經(jīng)再生中也有作用。

　　另外，如相對分子質(zhì)量為18 000的分泌型蛋白質(zhì)——肝素結(jié)合的生長相關(guān)分子(heparin-binding growth-associated molecule, HB-GAM)［10］，它在胚胎后期和出生后早期對外周神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)纖維的發(fā)育，腦室表層的上行神經(jīng)纖維和神經(jīng)皮層及邊緣區(qū)的神經(jīng)突起生長具有促進(jìn)作用，并指引腦神經(jīng)元軸突的遷移方向，而且這種作用是通過與神經(jīng)元表面肝素樣分子的結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。在胚胎發(fā)生期軸突聯(lián)合形成期間，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中線膠質(zhì)的COMM基因（無連合基因，commissureless gene）的表達(dá)產(chǎn)物為一個370個氨基酸長度的跨膜蛋白質(zhì)（沒有信號肽）,它是指引聯(lián)合生長錐跨越中樞神經(jīng)系統(tǒng)中線的誘向信號機(jī)制中必不可少的一個分子［11］。

　　2.2　抑制性蛋白質(zhì)

　　神經(jīng)系統(tǒng)抑制性蛋白質(zhì)是指在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中阻止非相關(guān)神經(jīng)元的突觸進(jìn)入特定的靶區(qū)，防止形成非特異的聯(lián)結(jié)。其中神經(jīng)細(xì)胞粘附分子家族的成員便在其中發(fā)揮著重要作用。如相對分子質(zhì)量55000的糖蛋白（GP55）［12］，從成年小鼠腦中分離出來的GP55至少有兩種類型，都具有阻止雞背根節(jié)神經(jīng)元的軸突生長的作用。GP55的表達(dá)水平從胚胎期10 d開始逐步增高，孵育后充分表達(dá)，能夠作為一種細(xì)胞粘附分子阻止神經(jīng)突起的生長。再如家族性的semaphorins蛋白［13］，是結(jié)構(gòu)異常保守的細(xì)胞表面分泌蛋白。長約750個氨基酸，細(xì)胞外是約500個氨基酸的異常保守的semaphorins區(qū)。semaphorins種類繁多。在發(fā)育的機(jī)體中，能夠阻止神經(jīng)突起的分叉，影響神經(jīng)突起的方向，阻止軸突進(jìn)入一定的靶區(qū)，阻止突觸終末的形成。

　　另一類家族性的抑制性蛋白質(zhì)是OBCAM［14］，它是對一些神經(jīng)突起的生長具有抑制作用的特異分子。小鼠腦的OBCAM為相對分子質(zhì)量58000或51 000的蛋白質(zhì),是一種N端高度糖基化的蛋白質(zhì)。58 000和51000的蛋白質(zhì)在牛腦中的紋狀體和大腦皮層中都有高表達(dá)，而51000的蛋白質(zhì)在小腦中也可檢測到。

　　其他還有新近發(fā)現(xiàn)的腦衰蛋白（collapsin）［15］，髓鞘相關(guān)糖蛋白(myelin-associated glycoprotein, MAG)［16］和相對分子質(zhì)量35000的神經(jīng)阻抑蛋白(neural inhibitor,NI-35)［17］等。腦衰蛋白為雞胚胎腦中相對分子質(zhì)量為100 000的糖蛋白。它的生物學(xué)作用是作為一種誘向分子在雞發(fā)育的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中阻斷損害的軸突再生。重組的腦衰蛋白可以導(dǎo)致感覺神經(jīng)節(jié)生長錐的崩解，但對視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)生長錐則沒有明顯的作用。MAG是中樞和外周神經(jīng)髓鞘組織中一種對各種神經(jīng)元軸突再生有抑制作用的蛋白質(zhì)，它是一種雙功能的分子；可促進(jìn)新生的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突的生長，阻止成年動物背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)突起的生長（包括生后視網(wǎng)膜、脊髓、下丘腦、頸上神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的生長）。NI-35也是一種中樞神經(jīng)的髓鞘蛋白質(zhì)，對神經(jīng)突起的生長具有抑制作用。部分純化的NI-35可以導(dǎo)致背根節(jié)神經(jīng)生長錐的塌陷。

　　2.3　與神經(jīng)損傷修復(fù)相關(guān)的因子

　　在這些蛋白質(zhì)中，研究較早的多是外周神經(jīng)中的神經(jīng)膠質(zhì)或髓鞘蛋白。它們多是細(xì)胞外間質(zhì)或細(xì)胞表面的粘附分子。這也與外周神經(jīng)組織有較強(qiáng)的再生能力有關(guān)。其表達(dá)和功能詳見表1［3］。

表1　與外周神經(jīng)再生有關(guān)的細(xì)胞外間質(zhì)及細(xì)胞表面分子

類別	表達(dá)部位	功　　能
L1粘附分子	正在髓鞘化的雪旺細(xì)胞；再生的神經(jīng)突起	促進(jìn)軸突的再生;已再生的軸突髓鞘化
神經(jīng)細(xì)胞粘附 　　分子(NCAM)	正在髓鞘化的雪旺細(xì)胞；再生的神經(jīng)突起及連接遠(yuǎn)　端和近端神經(jīng)殘根的成纖維細(xì)胞	促進(jìn)軸突的再生
髓鞘相關(guān)蛋白(MAG)	重新出現(xiàn)在再生神經(jīng)突起髓鞘化的軸突	容許或促進(jìn)軸突在再生的早期沿著已進(jìn)行髓鞘化　的雪旺細(xì)胞生長，并參與再生軸突的髓鞘化
P0髓鞘蛋白	重新出現(xiàn)在再生神經(jīng)突起髓鞘化的軸突	容許或促進(jìn)軸突在再生的早期沿著已進(jìn)行髓鞘化　的雪旺細(xì)胞生長，參與已再生軸突的髓鞘化
層連蛋白 　　(laminin)	雪旺細(xì)胞的基質(zhì)及表面	促進(jìn)軸突的再生
生腱蛋白 　　(tenascin)	聚集在雪旺細(xì)胞的基底層與橋接近端和遠(yuǎn)端的膠　原纖維相連	促進(jìn)軸突的再生

近期發(fā)現(xiàn)的與神經(jīng)生長有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)有Ninjurin、外周髓鞘蛋白-22（peripheral myelin protein,PMP-22）、乙酰膽堿受體活性誘導(dǎo)蛋白（acetylcholine receptor inducing activity protein，ARIA）等。Ninjurin［18］為一種新的神經(jīng)損傷誘導(dǎo)蛋白質(zhì)，被認(rèn)為能夠介導(dǎo)同源性或異源性的粘附，在體外能夠促進(jìn)背根節(jié)神經(jīng)元突起的延伸。小鼠Ninjurin的cDNA編碼一個152個氨基酸長度的蛋白質(zhì)，相對分子質(zhì)量約為16300。Ninjurin多出現(xiàn)在圍繞被切斷的神經(jīng)突起遠(yuǎn)段的雪旺細(xì)胞內(nèi),但在神經(jīng)切斷后的背根神經(jīng)節(jié)（DRG）神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)增加，也可在損傷后形成的神經(jīng)瘤中及頸上交感節(jié)（SCG）神經(jīng)元中檢測到它的活性。PMP-22［19］是神經(jīng)擠壓傷后出現(xiàn)的cDNA所表達(dá)的一個22000大小的蛋白質(zhì)。其mRNA主要由雪旺細(xì)胞產(chǎn)生，蛋白質(zhì)完全表達(dá)在外周神經(jīng)系統(tǒng)，并且是髓鞘的主要組分。現(xiàn)已證實(shí)在培養(yǎng)的鳥或哺乳類動物的肌肉組織中加入ARIA可以增加乙酰膽堿受體的合成率，這種增加伴隨著乙酰膽堿受體亞單位mRNA的選擇性表達(dá)增加［20］。胚胎和成年動物的神經(jīng)組織和神經(jīng)肌肉接頭表達(dá)各種不同的ARIA異構(gòu)體，并在神經(jīng)損傷后的缺失、再生中受到調(diào)控。

　3　研究技術(shù)及展望

　　近年來,對于新的神經(jīng)特異性蛋白或基因的探索已成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，神經(jīng)系統(tǒng)特異性蛋白質(zhì)的研究在技術(shù)上已有很大突破。該研究的思路及方法大致為：(1)從特定的神經(jīng)組織中分離特異性的蛋白質(zhì)。這種方法是在體外觀察到某種神經(jīng)生物學(xué)現(xiàn)象，然后推測到特定組織中蛋白質(zhì)因子的作用，采用各種電泳和色譜等生化技術(shù)來提純蛋白質(zhì)。這種方法最大的缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢、費(fèi)力，但一旦獲得特異的蛋白質(zhì)分子，便功能明確。(2)利用分子生物學(xué)的方法從cDNA序列推知蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：如差異顯示逆轉(zhuǎn)錄技術(shù)（differential display reverse transcription-PCR,DDRT-PCR）、mRNA指紋分析技術(shù)、篩選cDNA文庫和基因組文庫、基因陣列和基因芯片等技術(shù)的應(yīng)用。這些技術(shù)雖然有著快速、高效率克隆特異性基因的優(yōu)點(diǎn)，但進(jìn)行功能鑒定則是一個難題。(3)隨著人類基因組計(jì)劃工作的完成和蛋白質(zhì)組計(jì)劃的逐漸展開，現(xiàn)在已經(jīng)大范圍開展對神經(jīng)系統(tǒng)的各種基因和蛋白質(zhì)的搜索和破譯研究，各種生物學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立也為研究提供了方便。

　　可以預(yù)測，隨著對新的神經(jīng)發(fā)育或再生相關(guān)基因及蛋白質(zhì)研究的日益深入，將有助于對神經(jīng)元在分子和細(xì)胞水平的發(fā)生、發(fā)育及其在疾病或損傷狀態(tài)下的變化過程的深入了解，有助于進(jìn)一步認(rèn)識神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)生、發(fā)育和損傷、再生之間的相互聯(lián)系及影響，同時(shí)也會極大地促進(jìn)對神經(jīng)再生和修復(fù)等疑難問題的突破。

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