神經(jīng)細胞粘附分子結(jié)構(gòu)與生理功能研究進展

1、神經(jīng)細胞粘附分子結(jié)構(gòu)與生理功能研究進展 同一類型的細胞通過識別而粘附，不易分開，這種細胞粘附（adhesion）現(xiàn)象早在1907就被wilson注意到。60、70年代人們致力于發(fā)展研究粘附現(xiàn)象的方法和明確有特異性和選擇性的分子存在。70年代末，借助免疫識別的方法，初步確定細胞粘附分子（cell adhesion molecule,cam）的存在。事實上，細胞的粘附在細胞周期調(diào)控、形態(tài)發(fā)生、變形和再生過程中極為關(guān)鍵。神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元的粘附現(xiàn)象及其在突觸的可塑性作用的研究近年來格外引人矚目，以下擬介紹神經(jīng)細胞粘附分子（neural cell adhesion molecules, ncams）等c

2、ams的分子結(jié)構(gòu)、信號傳遞和生理功能。 1ncams分子結(jié)構(gòu)與分子合成 1.1神經(jīng)系統(tǒng)細胞粘附分子分類 存在于脊椎動物和無脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的cams種類頗多。有關(guān)cams的分類尚無統(tǒng)一標準。一般分法是將其分為ca2+依賴和ca2+非依賴兩大類1，2。前者包括粘著蛋白家族（cadherins），后者包括整合素家族（integrins）、選擇素家族（selectins）、免疫球蛋白超家族（ig superfamily）和膜相聯(lián)蛋白多糖（membrane-associated proteoglycans）。免疫球蛋白超家族又包括許多成員，神經(jīng)細胞粘附分子（ncams）屬其中一個大類。在大鼠ncams

3、包括ncam、l1等幾種不同分子。 1.2 ncam的結(jié)構(gòu) ncam是一組多肽鏈，每一條鏈都有5個連續(xù)的同源區(qū)，區(qū)內(nèi)有一個鏈內(nèi)二硫鍵，與免疫球蛋白超家族類似。5區(qū)之后為類似于纖維粘連蛋白(fibronectin)重復(fù)系列的重復(fù)區(qū)。不同肽鏈的的差別既表現(xiàn)在胞漿區(qū)的不同，也表現(xiàn)在與細胞膜連接的方式不同。如雞的ncam有3個多肽，3個多肽的胞外區(qū)都是一樣的，所不同的是跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)，此由mrna不同剪切所致。兩個較大的多肽以胞漿段整合到膜蛋白，大的(ld)在胞漿區(qū)有額外的261個氨基酸，小的（sd）則沒有，最小的(ssd)則無跨膜區(qū)，無胞漿區(qū)。ld 和sd整合到膜上，能運動，可被脂肪酸酰化ssd無跨

4、膜區(qū)，但錨在磷脂上，更易于在膜表面運動。sd和ld胞漿區(qū)可與細胞的有關(guān)分子相互作用，發(fā)生絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，其中l(wèi)d含有更多的磷酸化位點。5區(qū)及以上的3個位點結(jié)合有寡糖，包括多唾液酸(-2，8-psa)等。 ncam的結(jié)合活性位于fr1片段（6.5104u），含氨基末端，無大量的psa，不超過400殘基。cnbr片段含大量psa，psa位于404、430和459位的天冬酰胺連接的寡糖結(jié)構(gòu)（asparagine-linked oligosaccharides，alo）上。ncam有4個100氨基酸的識別片段，與igs和其他的ncam同源，區(qū)區(qū)作用是同種親合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，結(jié)合的區(qū)為和區(qū)，但未弄清

5、具體的位置，這點與igs不同。ncam結(jié)合的特異性不代表結(jié)合區(qū)氨基酸順序的改變，換句話說，結(jié)合的特異性不取決于氨基酸的順序，起作用的是一系列細胞表面修飾事件。如含psa的第5區(qū)可調(diào)控ncam的結(jié)合能力，寡糖鏈的硫酸化也可通過改變電荷的狀態(tài)來影響同一區(qū)結(jié)合。 ncam的三維結(jié)構(gòu)電鏡分析表明，分子末段有一絞鏈結(jié)構(gòu)，這種絞鏈結(jié)構(gòu)有助于在細胞形態(tài)改變時易化跨膜的同種親合，否則，不利于同種親合。-2，8-psa在ncam中的作用源于靜的負電荷、巨大的排斥力量。它能改變絞接的角度以滿足有復(fù)雜膜的細胞的多重同種親合。 1.3表達與合成的調(diào)控 ncam中所有的多肽都是單一基因編碼，該基因位置是鼠在9號染色體、

6、人在11號。雞的ncam編碼區(qū)至少有19個外顯子，橫跨50 kb，第14個外顯子對3條肽通用。cams的表達是有位置和組織特異性的。它的合成隨信號和反式調(diào)控元件的不同而不同，很多的轉(zhuǎn)錄后元件也可調(diào)控cams的合成。 目前對cam 表達調(diào)控的基因機制已有了較多了解。ncam和ngcam基因中一部分調(diào)控位點已被鑒定，這些位點能與hox和pax基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。在n cam基因的rna起始點的上游區(qū)，有sp1轉(zhuǎn)錄因子和camp反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（creb）轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。反式調(diào)控元件包括5個神經(jīng)元限制的沉默元件（neuron-restrictive sliencer elements）和一個p

7、ax 產(chǎn)物的結(jié)合位點。cams合成后一個重要變化就是進行糖基化（glycosylation）修飾。在小雞，ncam的每一條多肽都至少有4組alo，最初附加的糖鏈都是高甘露糖鏈，在30 min內(nèi)轉(zhuǎn)成復(fù)合型。ncam的ig區(qū)psa可顯著影響分子之間的結(jié)合速率，因此，ncam的psa合成倍受重視。盡管psa可能受物理性電活動的影響，但基本上還是受合成的調(diào)控，特別是受發(fā)育的進程調(diào)控。迄今為止，已有兩種涎酸基轉(zhuǎn)移酶(sialyl transferases)被克隆，即pst和stx，它們參與糖基的合成。被支配的靶和電活動可影響psa的合成，ach和nmda介導的鈣的內(nèi)流以及pkc有利于psa的合成。 2n

8、cams在細胞粘附過程中的信號傳遞 現(xiàn)在，已初步明確各種粘附分子的結(jié)合能在胞內(nèi)啟動信號的傳遞過程。該信號途經(jīng)可以與其它受體的信號途徑實現(xiàn)對接。這里簡單回顧一下常見受體介導的信號途徑，它們包括：1）受體酪氨酸激酶途經(jīng)（receptor tyrosine kinase pathway，rtk）：這條途徑開始于rtk，ras是該途徑的中心，故又稱ras途徑。rtk與各種生長因子結(jié)合后，受體在膜上集中，并導致激酶的激活和特異酪氨酸殘基的自動磷酸化。ras激活后，通過對轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化，將信號傳到胞核。但該途徑并無特異性。其它信號途徑可與之相通；2）g-蛋白途徑；3）其它途徑：一些細胞因子如白介素的受體

9、可激活胞漿性酪氨酸激酶家族的the janus kinases(jak-stat)，該激酶可啟動ras信號途徑，也可直接激活名為stats的胞漿蛋白，從而調(diào)控某些基因轉(zhuǎn)錄。值得注意的是，上述信號途徑不同程度地與細胞骨架有雙向作用。如較小的gtp結(jié)合蛋白分子rho和rac發(fā)現(xiàn)與肌動蛋白有關(guān)。 現(xiàn)有資料表明，由細胞粘附分子介導的信號傳遞在細胞生長、分化和行為方面有重要的作用，并有可能介入了經(jīng)典的傳導途徑3。 ncam、l1可改變胞內(nèi)的ph和camp，對胞內(nèi)ca2+的影響更引人注目。ncams所致的突起生長需要g蛋白和l型、n型鈣通道的參與,模擬鈣通道的開放則同樣能刺激突起的生長4。使用酪氨酸激酶的

10、抑制劑表明，在突起生長的過程中，非受體的酪氨酸激酶的活性是增高的，且在鈣通道激活之前。l1所到之處所致的ca2+變化也是l型鈣通道開放的結(jié)果。進一步研究表明，ncam可激活酪氨酸激酶基因fyn,而l1則激活酪氨酸激酶基因src。除此之外，ncam還可通過花生四烯酸（aa）激活鈣通道?？梢?，ncams涉及g蛋白和酪氨酸激酶途徑。ig家族的信號傳導作用還可在與之有相同結(jié)構(gòu)的酪氨酸激酶和酪氨酸磷酸化酶看出。這兩類酶有胞外區(qū)，也有ig的結(jié)構(gòu)域,能觸發(fā)同種、鈣非依賴的粘附，還可刺激激酶的活動。如ncam抗體能造成tubulin的酪氨酸、絲氨酸/蘇氨酸的脫磷酸化，表明ncam、l1涉及酪氨酸激酶和磷酸化酶

11、的調(diào)節(jié)。 在非神經(jīng)系統(tǒng)中，細胞基質(zhì)與細胞粘附所致的基因表達非常常見。但有關(guān)由cams等介入的細胞與細胞粘附所涉及的基因表達報道較少。 生長因子、腫瘤激活因子、激素等都能影響到各種cams的合成。神經(jīng)生長因子、camp可刺激pc12和schwann 細胞表達l1和ncam。許多胞內(nèi)信號系統(tǒng)和胞外信號分子能由神經(jīng)沖動產(chǎn)生,它們進而調(diào)節(jié)cams的表達。如一部分神經(jīng)遞質(zhì)能上調(diào)培養(yǎng)的n2a細胞和小腦顆粒細胞中l(wèi)1的表達。在海兔研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)肽能降低其運動神經(jīng)元的表面海兔的細胞粘附分子(apcam)的表達,而5-ht則降低其感覺神經(jīng)元的apcam的表達。 最近的離體試驗表明，神經(jīng)沖動也可影響cams的表達

12、。在胚胎背根神經(jīng)節(jié)（drg）中,自發(fā)電活動的發(fā)展與外周靶的神經(jīng)支配相偶合,發(fā)現(xiàn)動作電位的作用能使突觸長芽，并進入大鼠的背根神經(jīng)節(jié)。給培養(yǎng)drg神經(jīng)元施予低頻電刺激可下調(diào)l1的表達,但不影響ncam,當用高頻刺激時，對l1無影響。低頻刺激可導致明顯的軸突解聚（defasciculation）和粘附的降 低。神經(jīng)沖動活動也對突觸的形成和穩(wěn)定發(fā)揮作用,在小雞肌纖維孵育之前,ncam和n-粘著素水平極低,而在除神經(jīng)支配后迅速增加。神經(jīng)沖動亦能調(diào)節(jié)psa-ncam轉(zhuǎn)移到皮層神經(jīng)元表面的過程。 3cams在神經(jīng)系統(tǒng)可塑性中的作用及其機制 各種不同的cams大量存在于海馬的前后突觸的膜上。采用多種技術(shù)手段，

13、現(xiàn)在已積累了有關(guān)cams參與神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的大量資料59。第一，在經(jīng)常發(fā)生神經(jīng)發(fā)生和可塑性的腦區(qū)有發(fā)育階段特性的突起生長和細胞的遷移，并有cams的表達；第二，在突觸可塑性和學習中，有cams表達的變化和各種轉(zhuǎn)錄后修飾；第三，抗體和抑制ncam表達可損害突觸傳遞長時程增強(ltp)和學習。 l1和ncam的相互影響涉及l(fā)tp，這種相互關(guān)系依賴于l1上的寡甘露糖鏈，它能結(jié)合ncam的第四個ig區(qū)，若這種關(guān)系被破壞，ltp則被強烈抑制。提示第四區(qū)似乎特別關(guān)鍵，而第一區(qū)則不然。海馬腦片注入ncam抗體阻斷高頻刺激所致的ltp，而不影響基本的突觸傳遞。當ltp建立10 min后，l1和ncam抗體對其

14、無影響，表明ncam涉及l(fā)tp的起始階段。曾報道過l1的抗體和重組片斷對ltp的影響,在用星形膠質(zhì)細胞異位表達l1的轉(zhuǎn)基因鼠上,ltp受損,而一般突觸傳遞和ptp、雙脈沖易化不受影響，說明l1介導的突觸形態(tài)改變是ltp維持所必需的。 神經(jīng)細胞粘附分子參與可塑性有兩個機制：其一為cam介導的細胞骨架動力的改變，涉及活動依賴的突觸重建。n-粘著蛋白的胞漿區(qū)直接與細胞骨架作用，而ncam、l1的胞漿區(qū)直接與ankyrins（位于特異胞膜區(qū)的胞漿表面的spectrin結(jié)合蛋白家族的一員）相連。其二為胞內(nèi)信號系統(tǒng)。這種胞內(nèi)信號有如下的特點：就是胞內(nèi)信號的改變可反饋到突觸后膜，通過cam調(diào)控細胞與細胞的粘

15、附，以迅速地改變突觸的結(jié)構(gòu)和效率。胞內(nèi)蛋白水解酶calpain水解ncam的胞內(nèi)區(qū)能較快地解除和重新組織突觸的結(jié)構(gòu)聯(lián)系。 在研究aplysia的縮鰓反射時，發(fā)現(xiàn)有新的突觸聯(lián)系形成，且與長期記憶平行。在此過程中既有新的蛋白合成，也有蛋白的減少，如海兔cam(apcam)，但這種減少只發(fā)生在感覺神經(jīng)元的細胞表面，新蛋白的合成則受camp的調(diào)控10,11?？磥?，apcam是使感覺神經(jīng)元通過同種親合造成粘著而限制生長，訓練使apcam發(fā)生內(nèi)在化作用（internalization）,造成感覺神經(jīng)元的突觸前解粘。在多種動物的長時突觸可塑性中，發(fā)現(xiàn)都有依賴camp、pka介導的轉(zhuǎn)錄和creb介導的基因表達

16、現(xiàn)象。creb已被鑒定存在creb1（激活子）和 creb2(抑制子)兩種類型。最近，又確定了3個基本的記憶突變型，即dnc, rutabaga和amnesiac,它們都涉及camp途徑。creb所致的基因表達是執(zhí)行突觸結(jié)構(gòu)功能成分生長的一個因素。dnc突變中，creb2抑制功能性而不是結(jié)構(gòu)性可塑性，在fas減效基因中，creb1可致突觸結(jié)構(gòu)和功能的增強。在野生型，creb1的表達并不能增強突觸功能。提示，creb和fas的作用是平行的。camp的升高，降低cam，促進結(jié)構(gòu)生長，與此同時，creb1則刺激突觸功能的增強。 反復(fù)暴露感覺神經(jīng)元于血清素,發(fā)現(xiàn)apcam能產(chǎn)生某特異形式的磷酸化，從而

17、使apcam內(nèi)在化和降解（涉及依賴泛素水解酶途徑）。這種降解有利于突觸前軸突的同種親合的解除、長芽和與突觸后細胞新聯(lián)系的建立。那些有胞漿尾巴含降解信號順序的apcam能被降解，而只有細胞表面部分的apcam而則不被降解。要完成此降解過程，map與creb還需刺激泛素c末端水解酶的表達12。 現(xiàn)已明確興奮性氨基酸ampa受體與ltp的維持有關(guān),那么ncams是否與這類興奮性氨基酸受體有關(guān)呢?通過神經(jīng)氨酸酶減少ncams中的唾液酸殘基（sialic acid residues，ssr)會影響到ncam的結(jié)合特性。神經(jīng)氨酸酶作用皮層神經(jīng)元膜(15、37)后，使ncams140 和180 的外觀大小減

18、少約5%,而對不同的氨基酸受體大小無影響。但使放射標記的ampa與其受體結(jié)合率提高20%,對其它氨基酸受體則無明確影響。說明,胞外環(huán)境特別是ssr可影響ampa受體的結(jié)合特性13。在海馬的空間和非空間學習中,海馬齒狀回的ncam的psa的瞬時和時間依賴 的修飾是其特點之一。 從以上對有關(guān)ncams文獻復(fù)習看出，ncams作為神經(jīng)元胞膜上的結(jié)構(gòu)分子，既參與了常規(guī)的跨膜信號傳遞，又參與形態(tài)結(jié)構(gòu)的形成與維持，因而在突觸活動，特別是可塑性活動中發(fā)揮了特殊作用。但由于ncams分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類多，目前仍有許多問題有待闡明，如ncams與常規(guī)的膜受體有何具體空間關(guān)系與功能聯(lián)系尚不清楚。 參考文獻 1ed

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