NeuroD對細胞分化的影響

1、NeuroD對細胞分化的影響【關(guān)鍵詞】螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)型;轉(zhuǎn)錄因子；神經(jīng)組織蛋白質(zhì)類；基因；細胞分化神經(jīng)源性分化蛋白(neurgenidifferentiatin,NeurD)最早是通過酵母雙雜交分析系統(tǒng)克隆出的一個新的堿性螺旋-環(huán)-螺旋(basiHelix-lp-helix,bHLH)家族成員1。其生物學作用廣泛,除了在神經(jīng)分化和發(fā)育過程中起著重要的作用外,還參與胰腺發(fā)育和細胞分化,對體外培養(yǎng)的細胞系分化也有一定作用。而NeurD基因敲除的小鼠出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的某些細胞死亡,可導致小腦、海馬構(gòu)造及內(nèi)耳感覺神經(jīng)節(jié)細胞的缺失,產(chǎn)生共濟失調(diào)、耳聾等神經(jīng)系統(tǒng)方面的功能障礙。筆者就NeurD對細胞分化的影

2、響方面做一綜述,為臨床相關(guān)疾病的治療提供新的思路。1NeurD的來源堿性螺旋-環(huán)-螺旋基因(basihelix-lp-helixgenes,bHLH)是發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的重要組成局部,廣泛參與神經(jīng)和肌肉發(fā)生、細胞增殖分化、細胞譜系的決定、性別決定等根本生理過程。其特征構(gòu)造域包括：一個螺旋-環(huán)-螺旋構(gòu)造域(helix-lp-helixtif,HLHdain)及其上游短的堿性氨基酸構(gòu)造域(basidain)。bHLH蛋白主要以同源或異源二聚體形式與DNA上E盒(E-bx)序列-ANNTG-結(jié)合而發(fā)揮功能2。根據(jù)其與DNA的結(jié)合形式,bHLH一般分為3類:(1)可以與E盒增強子序列結(jié)合的bHLH蛋

3、白,包括肌漿蛋白(ygenD,yD)、神經(jīng)源性分化蛋白(neurgenidifferentiatin,NeurD)/彈力蛋白(atnal),少突膠質(zhì)細胞因子(ligdendrytelineagegenes,LIG),神經(jīng)原質(zhì)蛋白(neurgenin,NGN)/Tap,ash/ahaete-sute,E-蛋白/少分裂細胞因子(daughterless);(2)可以與N盒(N-bx)抑制子序列結(jié)合的bHLH蛋白,包括Hes/生毛蛋白(hairy)/斷裂增強子enhanerfsplit,E(SPL);(3)不與DNA結(jié)合的bHLH蛋白,有真內(nèi)皮蛋白(intraderal,Id)和細胞外基質(zhì)(E)3。

4、bHLH蛋白的主要功能為調(diào)節(jié)各種干細胞向終末細胞的分化。它的高表達可促進干細胞分化,低表達那么抑制干細胞分化,使干細胞處于持續(xù)增殖狀態(tài)。它們在骨骼饑果蠅的神經(jīng)干細胞以及脊椎動物的脊髓、端腦皮層的發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用4-7。NeurD作為bHLH家族的成員之一,主要作為一種分化因子,在前體細胞向成熟細胞轉(zhuǎn)化的過程中起著重要作用。2基因構(gòu)造與定位NeurD基因位于小鼠2號染色體上,人類2號染色體長臂3區(qū)2帶(2q32),長度約6kb,包括2個外顯子和1個內(nèi)含子,其RNA為2.6kb,主要在大腦、腸和胰腺細胞中表達。其外顯子1由168個堿基組成,編碼局部RNA的5非翻譯區(qū)(UTR);外顯子2編碼

5、剩余局部的5UTR、蛋白質(zhì)編碼區(qū)、3UTR,蛋白質(zhì)編碼區(qū)僅位于外顯子2上,在其基因中另發(fā)現(xiàn)有8個ATTTA區(qū),為RNA快速降解信號。與小鼠相比,人的NeurD基因啟動子區(qū)高度保守,包括2個轉(zhuǎn)錄起始位點(TSP),TATA盒位于距下游TSP約31bp處,調(diào)控啟動子活性元件位于鄰近的408bp區(qū)8。在小鼠和青蛙中,NeurD主要在含有不完全分化神經(jīng)元的組織中表達,如背神經(jīng)節(jié)、聽囊、視網(wǎng)膜、嗅上皮、嗅球、松果腺、小腦、海馬和皮質(zhì)。3NeurD對細胞分化的作用3.1NeurD對胰腺的作用NeurD在小鼠腦中被發(fā)現(xiàn)的同時,另一組研究人員在倉鼠中克隆出胰島素基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,被稱為BETA2(-ellE-

6、bxtransativatr2)。經(jīng)Suthern雜交證實,NeurD與BETA2為同一轉(zhuǎn)錄因子。這一發(fā)現(xiàn)說明NeurD在胰腺組織中也同樣發(fā)揮其功能8。3.1.1NeurD對胰腺發(fā)育的影響有實驗證實,NeurD對胰島素基因的表達和調(diào)控有著重要影響8-12,動物實驗也證實NeurD對胰腺的發(fā)育過程起著至關(guān)重要的作用13。小鼠胚胎期9.5d胰腺即已開場發(fā)育,一直到整個胰腺發(fā)育完成,在細胞內(nèi)均可測及NeurD蛋白。出生后在所有成熟細胞和少量細胞內(nèi)均見蛋白表達,但在和PP細胞內(nèi)未測及蛋白。3.1.2作用機制NeurD屬B類bHLH家族,它與A類bHLH蛋白E47形成二聚體后,高親和力地與胰島素基因的E

7、盒結(jié)合,在胰島細胞中激活胰島素基因的轉(zhuǎn)錄,對胰腺細胞的發(fā)育及生理功能有著重要的作用13。在基因敲除小鼠中發(fā)如今孕17.5d時細胞大面積死亡,剩余細胞缺乏以形成胰島。小鼠出生后5d內(nèi)就死于嚴重的高血糖癥?；蚯贸∈笾锌蓹z出胰腺分泌的各種內(nèi)分泌激素,但是胰島素程度僅為正常的5%。細胞同樣有所減少,但不及細胞明顯。采用人類神經(jīng)母細胞瘤細胞系(IR-32)與倉鼠胰島素腫瘤細胞系(HIT-T15)瞬時轉(zhuǎn)染實驗顯示：NeurD基因啟動子區(qū)至少有3個正向調(diào)控元件,其中4個序列為ANNTG的E盒,分別稱之為E1、E2、E3和E4盒。E1和E4盒與自身活化有關(guān),尤其是E1更為重要;而E2、E3盒與自身活化無關(guān)

8、,E3盒對于激活NeurD基因轉(zhuǎn)錄有重要作用。總之,通過E盒序列,由NeurD自身和另一E盒結(jié)合蛋白正向共同調(diào)控NeurD基因的表達。NeurD家族成員除正向調(diào)控自身表達及穿插激活互相的表達外,同時還可激活下游基因轉(zhuǎn)錄,NeurD指導的轉(zhuǎn)錄通過與許多下游基因調(diào)控區(qū)存在的DNA共有序列-E盒互相作用完成14,其詳細機制還在探究之中。3.1.3NeurD與糖尿病的關(guān)系NeurD基因在人類2號染色體長臂3區(qū)2帶(2q32)上,其基因定位鄰近于1型糖尿病基因IDD7(D2S152)位點處,人們對其基因變異與糖尿病的關(guān)系進展了一系列研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：NeurD基因45位密碼子211核苷酸處G(A突變,導致

9、氨基酸發(fā)生改變(Ala45(Thr),此變異在中國人與日本人群中與1型糖尿病親密相關(guān)15-16,而與2型糖尿病的關(guān)系尚不明確。3.2NeurD與神經(jīng)分化和發(fā)育的關(guān)系3.2.1NeurD與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育外周神經(jīng)系統(tǒng)的大局部構(gòu)造在胚胎發(fā)育過程中存在NeurD的瞬時表達。而在中樞神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)造,如皮質(zhì)、海馬、小腦和嗅球中,NeurD的表達可維持到成年期。因此,在神經(jīng)系統(tǒng)中NeurD可能有兩個表達時期,一個是在神經(jīng)發(fā)生過程中的瞬時表達,另一個即已分化的成熟神經(jīng)元中的持續(xù)表達1。Lee等也發(fā)如今人和小鼠的皮質(zhì)和脊髓神經(jīng)細胞分化時NeurDRNA表達到達頂峰,而成熟后那么下降,但在小腦和海馬等部位RNA那么持

10、續(xù)表達17-18。在非洲蟾蜍屬胚胎中NeurD異常表達能引起神經(jīng)元前體提早分化,而且使上皮細胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元;非洲蟾、斑馬魚或小雞胚胎異位表達NeurD、Ngn2或其他神經(jīng)元bHLH蛋白也可引起神經(jīng)元前體提早分化,因此認為NeurD充當一種神經(jīng)元分化基因,并能促使非神經(jīng)細胞分化為神經(jīng)元1,19。在基因敲除小鼠模型(NeurD-null)中發(fā)現(xiàn),除了有嚴重的糖尿病外,小鼠還表現(xiàn)出共濟失調(diào)及轉(zhuǎn)圈(headirling)等神經(jīng)系統(tǒng)病癥,小腦和海馬中的顆粒細胞大量死亡20-21。進一步研究證實,前體顆粒細胞的發(fā)育與遷移,在缺少NeurD情況下并未明顯異常,但是一旦其遷移至海馬齒狀回后,細胞的增殖與分化受

11、到明顯抑制,從而導致細胞大量死亡。此外,在敲除NeurD和ATH-2/NEX1基因的小鼠模型中,顆粒細胞無法分化成熟,膜上無法測及正常鈉電流,同時細胞突起明顯減少22。以上結(jié)果證實,NeurD在神經(jīng)發(fā)育與分化過程中起著重要作用。但是細胞未能分化成熟與細胞死亡間是否存在必然聯(lián)絡(luò),NeurD是否是通過促進細胞分化而使之存活下來,目前均不得而知。3.2.2NeurD與內(nèi)耳神經(jīng)細胞NeurD作為bHLH轉(zhuǎn)錄家族成員之一,在內(nèi)耳的發(fā)育過程中起著重要作用。在小鼠孕9.5d時內(nèi)耳開場發(fā)育,感覺神經(jīng)元和毛細胞開場大量增生,但直到出生后12-14d才進一步發(fā)育成熟23-26。三種bHLH轉(zhuǎn)錄因子在內(nèi)耳發(fā)育過程中

12、起重要作用27。Ngn1和ath1在發(fā)育的早期分別影響感覺神經(jīng)元和毛細胞的形成28-30,而NeurD在第二階段,即細胞的成熟中起作用。在缺少NeurD的條件下,耳蝸內(nèi)的神經(jīng)元幾乎完全死亡,而前庭內(nèi)的神經(jīng)元也大量喪失,剩余的神經(jīng)元也無法有序地將投射纖維聯(lián)絡(luò)于內(nèi)耳感覺上皮細胞中。提示NeurD在內(nèi)耳神經(jīng)元的發(fā)育與投射通路的建立中起著重要作用31-32。3.2.3NeurD與視網(wǎng)膜NeurD在小鼠視網(wǎng)膜發(fā)育早期的前體細胞中即已廣泛存在,最后可發(fā)育為無長突細胞、感光細胞等終末細胞。NeurD在其發(fā)育分化過程中起作用。在基因敲除模型中,無長突細胞明顯減少且不能分化成熟33-34。而過度表達NeurD后

13、,又可使感光細胞明顯增加。在小雞基因干擾動物模型中,利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體在視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮和色素上皮中高表達NeurD,可以使視錐細胞增生,而對其它細胞沒有明顯影響,而在基因敲除模型中,可使多種類型的視網(wǎng)膜細胞缺失從而嚴重擾亂光感受器的發(fā)生35-36。除了上述提到的神經(jīng)細胞外,在邊緣系統(tǒng)、下丘腦、大腦皮層和嗅覺神經(jīng)元等細胞中均有報道見NeurD的表達。但其在各類細胞中的作用還需進一步研究證實37-42。3.3NeurD對體外培養(yǎng)細胞系的影響NeurD在一定條件下可誘導間充質(zhì)干細胞(esenhyalsteell,S)分化為神經(jīng)干細胞、神經(jīng)元、小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞等43。在未分化的S

14、中檢測到NeurD表達,說明這些細胞已經(jīng)準備好向神經(jīng)元分化44,在分化后數(shù)小時內(nèi)NeurD表達有所增高,但隨著時間延長,其表達逐漸開場減弱。增加NeurD表達可促進S分化為神經(jīng)元。因此,未分化S表達NeurD,分化后表達減低到?jīng)]有表達,這和S轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元相一致,也說明在分化后的神經(jīng)元,其轉(zhuǎn)錄因子只是短暫表達45。Flrian在誘導室管膜區(qū)細胞分化為少突膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的實驗中發(fā)現(xiàn)NeurD表達也增高,同時發(fā)現(xiàn)NeurD參與了其基因轉(zhuǎn)錄過程的調(diào)控,但其詳細作用還未最后證實46。Farah等認為NeurD的功能主要是調(diào)節(jié)誘導分化的神經(jīng)元樣細胞與細胞分裂的關(guān)系。通過小鼠胚胎肉瘤細胞(P19細胞

15、)轉(zhuǎn)染NeurD的轉(zhuǎn)錄因子可以啟動非神經(jīng)細胞的神經(jīng)分化。小鼠P19細胞瞬時表達NeurD、ASH1、Ngn1或其他神經(jīng)元bHLH蛋白,在無維A酸條件下可促使P19細胞向不同神經(jīng)細胞分化,并且可誘導細胞周期的脫離、使細胞周期依賴激酶抑制物P27KIP1增高47。4展望目前,通過基因敲除小鼠模型已初步理解到NeurD在神經(jīng)細胞和胰腺內(nèi)分泌細胞的分化發(fā)育過程中起著重要作用。但還有許多方面尚未提醒其中奧秘,NeurD的表達特異性就是其中之一。許多神經(jīng)細胞發(fā)育過程中并未出現(xiàn)NeurD表達頂峰,如嗅細胞,但敲除NeurD基因后卻觀察到此類細胞的大量死亡。NeurD是第一個被發(fā)現(xiàn)可以調(diào)控胰腺內(nèi)分泌細胞的發(fā)育

16、和分化的神經(jīng)轉(zhuǎn)錄因子,但在不同的遺傳背景下NeurD對胰腺細胞調(diào)控也存在著宏大差異8,是否有后續(xù)因子可以調(diào)控NeurD的表達還尚未知。NeurD蛋白程度的表達和調(diào)控也有許多問題懸而未決。Duftn通過修飾NeurD蛋白羧基末端的絲氨酸殘基可以使NeurD蛋白表現(xiàn)出完全相反的功能48,其詳細作用機制未清。對NeurD調(diào)控區(qū)域是否存在突變、突變所產(chǎn)生的生理和病理作用及其調(diào)節(jié)細胞再生和凋亡信號平衡的機制,尚缺乏必要的認識,對此進展深化研究將有望為上述疾病的治療提供新的參考方向。【參考文獻】1LeeJE,HllenbergS,SniderL,etal.nversinfXenpusetderintneu

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