與神經生長相關的神經系統(tǒng)特異性蛋白質

1、    關鍵詞： 神經再生 神經發(fā)育 神經生長 摘要與神經突起生長相關的神經系統(tǒng)特異性蛋白質是指神經系統(tǒng)特有的在發(fā)育或再生中能夠促進神經突起生長，或能夠決定和誘導神經突起沿正確方向生長的蛋白質因子。該文對已知的該類蛋白質進行了綜述。 關鍵詞：神經系統(tǒng)特異性蛋白質；神經再生；神經發(fā)育；神經生長神經細胞是一類分化程度最高的細胞，具有神經系統(tǒng)特殊的功能。執(zhí)行這些功能的蛋白質可能是酶、受體以及酶和受體的調控子或其他一些蛋白質因子。因此把僅在神經系統(tǒng)中出現而其他組織中沒有或含量甚微，并且擔負神經組織特異性功能的蛋白質稱為神經系統(tǒng)特異性蛋白質。神經系統(tǒng)特異性蛋白質在

2、神經組織中分布廣泛，種類較多，功能各異。這些蛋白質具有一些共同的特點：在特異的神經組織中含量一般較低；分布在膠質細胞及神經元兩大部位；擔負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；通常是在神經系統(tǒng)發(fā)育的某一階段或某一病理狀態(tài)下才表達出來。1發(fā)展概況對與神經損傷修復有關的特異性蛋白質的探索一直是神經科學研究的重要課題。尤其是在20世紀50年代神經生長因子（nerve growth factor,NGF）的發(fā)現成為這一探索中的里程碑。近20年來，隨著分子生物學技術的廣泛應用，很多相關的蛋白質被相繼克隆和表達，并進行了功能研究。值得注意的是以下兩類蛋白質：一類是在神經損傷中促進神經突

3、起生長的蛋白質，如圍繞被切斷的神經突起遠端的雪旺細胞內發(fā)現的促神經生長的蛋白質神經損傷誘導蛋白質（nerve injury-induced protein，Ninjurin）；另一類是在神經系統(tǒng)發(fā)育中決定神經突起沿正確方向生長的蛋白質，又可以分為誘導性蛋白質或抑制性蛋白質，如哺乳動物發(fā)育中誘導聯合神經元生長錐突起向脊髓腹側線的底板生長這一現象中起作用的netrins蛋白等。這些發(fā)現提示，在神經系統(tǒng)內存在這樣一些蛋白質，它們在神經再生中能夠促進神經突起生長，或在發(fā)育中能夠決定和誘導神經突起向靶的方向生長。由于神經再生與神經發(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

4、認為對神經生長錐的定向生長至少有4種不同的機制存在：接觸介導的誘導（contact-mediated attraction）、化學性誘導（chemoattraction）、接觸介導的排斥（contact-mediated repulsion）、化學性排斥（chemorepulsion）。而擔負這些機制的特異性蛋白質因子既可以為正性作用（促進或誘導），也可以是負性作用（抑制或排斥）。它們存在于細胞表面或細胞外膠質，共同構成了一個長距離的梯度性的外部環(huán)境，使神經生長錐能夠通過特異信號的傳遞，沿既定的正確方向延伸。以下將按功能的差異對神經系統(tǒng)中與生長相關的蛋白質分類進行綜述。2與神經生長相關的蛋白質

5、2.1誘導性蛋白質在這一大類蛋白質中，發(fā)現最早作用最為廣泛的便是神經細胞粘附分子（neural cell adhesion molecule, NCAM）。這些糖蛋白廣泛存在于發(fā)育或成熟的神經系統(tǒng)。并通過自身所帶的大糖分子結構多唾液酸(polysialic acid，PSA，PSA+和PSA)，減弱NCAM和相鄰的其他細胞粘附分子之間的粘附性來介導細胞之間的粘附，從而參與控制神經元發(fā)育的一系列過程，包括細胞的遷移、神經突起的生長、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)現的軸突成束蛋白(fasciclin)5，也是神經細胞粘附分子的一員，它主要在胚胎中樞神經的軸突和外周

6、神經的運動神經元中，Fas可作為一種誘導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，它們共同的特點是：對特定的神經元突觸具有誘向作用，與相關的神經環(huán)路形成有關，結構上都是糖蛋白，粘附在細胞膜上，且有Ig樣區(qū)，通過糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)錨定在膜上。如相對分子質量為51000的小腦Purkinje神經元蛋白(cerebellar Purkinje neuron protein,CEPU-1)，它與neurotrimin、阿片肽聯結的細胞粘附分子(opioid

7、-binding cell adhesion molecule，OBCAM)、邊緣系統(tǒng)相關膜蛋白(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神經元的胞體、軸突、樹突中有強烈表達，被認為是發(fā)育中Purkinje神經元的特異性識別蛋白質。而neurotrimin7則在發(fā)育的丘腦、前腦的皮層板、后腦的Purkinje細胞及腦橋核、小腦顆粒細胞嗅球、背根節(jié)、脊髓中有高表達，它可能是與家族的其他成員一起決定不同的神經元群體表面的差異性，從而形成特異性的神經元連接。LAMP8是

8、相對分子質量為6400068 000的糖蛋白，LAMP主要表達在發(fā)育前腦中與邊緣系統(tǒng)相關的皮層及皮層下的神經元。其功能為邊緣系統(tǒng)的誘向分子，在邊緣系統(tǒng)特異性神經環(huán)路的形成中具有重要作用。另一類調控神經元發(fā)育，并與神經突起定向生長有關的家族性蛋白質便是同源盒蛋白9。它是指脊椎動物中含同源盒結構的基因（homeobox gene），即同源盒基因所編碼的蛋白質。它們是神經系統(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，主要表達在脊髓，少量表達在后腦。目前認為Hox基因的表達與中樞神經在發(fā)育中的分區(qū)有關，為不同神經元的發(fā)育提供位置特征。P

9、ax為配對盒基因（paired-type homeobox）?，F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基因的早期表達與神經系統(tǒng)發(fā)育中空間和時間的局限性有密切關系，提示Pax基因在某些誘導過程，特殊細胞的分化及神經發(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十多種，它們絕大多數在特定的神經元亞群中表達，參與特定神經元的發(fā)育，如Lhx4和Lhx3可共同參與調控運動神經元的發(fā)育，軸突尋路及特異性聯結的形成?？紤]到神經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再生中也有作用。另外，如相對分子質量為18 000的分泌型

10、蛋白質肝素結合的生長相關分子(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系統(tǒng)神經纖維的發(fā)育，腦室表層的上行神經纖維和神經皮層及邊緣區(qū)的神經突起生長具有促進作用，并指引腦神經元軸突的遷移方向，而且這種作用是通過與神經元表面肝素樣分子的結合而實現的。在胚胎發(fā)生期軸突聯合形成期間，中樞神經系統(tǒng)中線膠質的COMM基因（無連合基因，commissureless gene）的表達產物為一個370個氨基酸長度的跨膜蛋白質（沒有信號肽）,它是指引聯合生長錐跨越中樞神經系統(tǒng)中線的誘向信號機制中必不可少的一個分子1

11、1。2.2抑制性蛋白質神經系統(tǒng)抑制性蛋白質是指在神經系統(tǒng)發(fā)育過程中阻止非相關神經元的突觸進入特定的靶區(qū)，防止形成非特異的聯結。其中神經細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)神經元的軸突生長的作用。GP55的表達水平從胚胎期10 d開始逐步增高，孵育后充分表達，能夠作為一種細胞粘附分子阻止神經突起的生長。再如家族性的semaphorins蛋白13，是結構異常保守的細胞表面分泌蛋白。長約750個氨基酸，細胞外是約500個氨基酸的異常保守的semaphorins區(qū)。semaph

12、orins種類繁多。在發(fā)育的機體中，能夠阻止神經突起的分叉，影響神經突起                 的方向，阻止軸突進入一定的靶區(qū)，阻止突觸終末的形成。另一類家族性的抑制性蛋白質是OBCAM14，它是對一些神經突起的生長具有抑制作用的特異分子。小鼠腦的OBCAM為相對分子質量58000或51 000的蛋白質,是一種N端高度糖基化的蛋白質。58 000和51000的蛋白質在牛腦中的紋狀體和大腦皮層中都有高表達，而51000的蛋白質在

13、小腦中也可檢測到。其他還有新近發(fā)現的腦衰蛋白（collapsin）15，髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein, MAG)16和相對分子質量35000的神經阻抑蛋白(neural inhibitor,NI-35)17等。腦衰蛋白為雞胚胎腦中相對分子質量為100 000的糖蛋白。它的生物學作用是作為一種誘向分子在雞發(fā)育的中樞神經系統(tǒng)中阻斷損害的軸突再生。重組的腦衰蛋白可以導致感覺神經節(jié)生長錐的崩解，但對視網膜神經節(jié)生長錐則沒有明顯的作用。MAG是中樞和外周神經髓鞘組織中一種對各種神經元軸突再生有抑制作用的蛋白質，它是一種雙功能的分子；可促進新生的背根神經節(jié)神

14、經元軸突的生長，阻止成年動物背根神經節(jié)神經突起的生長（包括生后視網膜、脊髓、下丘腦、頸上神經節(jié)神經元的生長）。NI-35也是一種中樞神經的髓鞘蛋白質，對神經突起的生長具有抑制作用。部分純化的NI-35可以導致背根節(jié)神經生長錐的塌陷。2.3與神經損傷修復相關的因子在這些蛋白質中，研究較早的多是外周神經中的神經膠質或髓鞘蛋白。它們多是細胞外間質或細胞表面的粘附分子。這也與外周神經組織有較強的再生能力有關。其表達和功能詳見表1。表1與外周神經再生有關的細胞外間質及細胞表面分子類別表達部位功能L1粘附分子正在髓鞘化的雪旺細胞；再生的神經突起促進軸突的再生;已再生的軸突髓鞘化神經細胞粘附 分子(NCAM

15、)正在髓鞘化的雪旺細胞；再生的神經突起及連接遠端和近端神經殘根的成纖維細胞促進軸突的再生髓鞘相關蛋白(MAG)重新出現在再生神經突起髓鞘化的軸突容許或促進軸突在再生的早期沿著已進行髓鞘化的雪旺細胞生長，并參與再生軸突的髓鞘化P0髓鞘蛋白重新出現在再生神經突起髓鞘化的軸突容許或促進軸突在再生的早期沿著已進行髓鞘化的雪旺細胞生長，參與已再生軸突的髓鞘化層連蛋白 (laminin)雪旺細胞的基質及表面促進軸突的再生生腱蛋白 (tenascin)聚集在雪旺細胞的基底層與橋接近端和遠端的膠原纖維相連促進軸突的再生近期發(fā)現的與神經生長有關的神經系統(tǒng)特異性蛋白質有Ninjurin、外周髓鞘蛋白-22（per

16、ipheral myelin protein,PMP-22）、乙酰膽堿受體活性誘導蛋白（acetylcholine receptor inducing activity protein，ARIA）等。Ninjurin18為一種新的神經損傷誘導蛋白質，被認為能夠介導同源性或異源性的粘附，在體外能夠促進背根節(jié)神經元突起的延伸。小鼠Ninjurin的cDNA編碼一個152個氨基酸長度的蛋白質，相對分子質量約為16300。Ninjurin多出現在圍繞被切斷的神經突起遠段的雪旺細胞內,但在神經切斷后的背根神經節(jié)（DRG）神經元內表達增加，也可在損傷后形成的神經瘤中及頸上交感節(jié)（SCG）神經元中檢測到它的

17、活性。PMP-2219是神經擠壓傷后出現的cDNA所表達的一個22000大小的蛋白質。其mRNA主要由雪旺細胞產生，蛋白質完全表達在外周神經系統(tǒng)，并且是髓鞘的主要組分?，F已證實在培養(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的選擇性表達增加20。胚胎和成年動物的神經組織和神經肌肉接頭表達各種不同的ARIA異構體，并在神經損傷后的缺失、再生中受到調控。3研究技術及展望近年來,對于新的神經特異性蛋白或基因的探索已成為神經科學領域的熱點。隨著分子生物學技術在神經科學領域的廣泛應用，神經系統(tǒng)特異性蛋白質的研究在技術上已有很大突破。該研

18、究的思路及方法大致為：(1)從特定的神經組織中分離特異性的蛋白質。這種方法是在體外觀察到某種神經生物學現象，然后推測到特定組織中蛋白質因子的作用，采用各種電泳和色譜等生化技術來提純蛋白質。這種方法最大的缺點是費時、費錢、費力，但一旦獲得特異的蛋白質分子，便功能明確。(2)利用分子生物學的方法從cDNA序列推知蛋白質的一級結構：如差異顯示逆轉錄技術（differential display reverse transcription-PCR,DDRT-PCR）、mRNA指紋分析技術、篩選cDNA文庫和基因組文庫、基因陣列和基因芯片等技術的應用。這些技術雖然有著快速、高效率克隆特異性基因的優(yōu)點，但

19、進行功能鑒定則是一個難題。(3)隨著人類基因組計劃工作的完成和蛋白質組計劃的逐漸展開，現在已經大范圍開展對神經系統(tǒng)的各種基因和蛋白質的搜索和破譯研究，各種生物學數據庫的建立也為研究提供了方便?？梢灶A測，隨著對新的神經發(fā)育或再生相關基因及蛋白質研究的日益深入，將有助于對神經元在分子和細胞水平的發(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，有助于進一步認識神經系統(tǒng)在發(fā)生、發(fā)育和損傷、再生之間的相互聯系及影響，同時也會極大地促進對神經再生和修復等疑難問題的突破。    參考文獻Araki t,Mibrandt J. Ninjurin,a novel a

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21、growth cone guidanceJ.Annu Rev Neurosci,1996,19:341.Rutishauser U.Adhesion molecules of the nervous systemJ.Curr opin Neurobiol,1993,3(5):709.5Lin DM,Fetter RD,Kopezynski C，et al.Genetic analysis of fascilinin drosophila:defasciculation,refasciculation,and altered fasciculationJ.Neuron,1994,13(5):10

22、55.6Spaltmann F,Brmendorf T.CEPU-1,a novel immunoglobulin superfamily molecule,is expressed by developing cerebellar Purkinje cellsJ.J neurosci,1996,16(5):1770.7Struyk AF,Canoll PD,Wolfgang MJ.Cloning of neurotrimin defines a new subfamily of differentially expressed neural cell adhesion moleculesJ.J neurosci,1995,15(3)