神經粘附分子與腦發(fā)育調控機制的研究進展

神經粘附分子與腦發(fā)育調控機制的研究進展

mcclovac細胞膠原子（rcam）是mccl原子的免疫球蛋白超家族。它顯示于許多動物、無脊椎動物中樞神經系統和周圍神經系統細胞表面的糖蛋白。在正常肝細胞的微帶生長、神經纖維成束、觸覺可塑性、學習和記憶中發(fā)揮著重要作用。近來人們發(fā)現內源性及外源性硫酸化氨基聚糖均可影響到NCAM的功能,現將NCAM結構與功能研究進展及硫酸化氨基聚糖對其功能影響作一綜述。一、igam結構域與ncam親相似性結合NCAM于1976年由Rutishanser等首先在雞的視網膜及腦中發(fā)現。在成人腦內,主要有三種形式:NCAM-180、NCAM-140和NCAM-120。這三種形式的NCAM均含相同的胞外區(qū),包括N端的五個Ig同源結構域(IgⅠ、IgⅡ、IgⅢ、IgⅣ及IgⅤ)和兩個纖連蛋白Ⅲ(fibronectinⅢ,FnⅢ)結構域,兩個相鄰結構域由二硫鍵相連。與FnⅢ結構域連接的IgV結構域上有多聚唾液酸(polysialicacid,PSA)—α2,8-連接的線性同源多聚唾液酸的主要結合位點,其中第459位和第430位的天冬酰胺是其糖鏈的糖基化位點;IgⅣ結構域在NCAMmRNA轉錄體中存在選擇性拼接可變結構域的外顯子(variabledomainalternativelysplicedexon,VASE)時,可插入10個氨基酸的額外序列;IgⅢ結構域與NCAM親同性結合有關,但近來的研究顯示此結構域并非唯一有關區(qū)域;IgⅡ結構域則可親異性結合肝素樣多糖。這三種NCAM的主要區(qū)別在于胞內區(qū)的大小及與膜的整合方式的不同。NCAM-180和NCAM-140屬跨膜糖蛋白,包含一跨膜區(qū)和胞質區(qū),但NCAM-180的胞質區(qū)比NCAM-140的含氨基酸殘基多;NCAM-120無胞質區(qū)及跨膜區(qū),通過糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol,GPI)直接與膜相連。多唾液酸化NCAM(PSA-NCAM)主要存在于胚胎期及早期新生動物腦內,成年腦內具高水平結構重塑的局部區(qū)域,包括嗅覺系統和海馬組織的苔蘚纖維系統,也有其存在。近來,有人從人胚胎腦的cDNA文庫中克隆了一種跨膜NCAM樣分子一NCAM2,其編碼基因位于人21號染色體上,功能不詳。NCAM不僅在神經系統中表達,而且在肌肉、上皮等非神經組織中亦有表達。NCAM由同一基因編碼。在NCAM基因序列中,有多個部位是轉錄終止區(qū),對不同區(qū)域的表達則形成不同的NCAM。當表達終止于外顯子13時形成可溶性NCAM,外顯子15表達時形成以GPI整合入膜的NCAM,外顯子16～19表達時則形成跨膜的NCAM。NCAM結構的多樣性除源于不同拼接方式外,還有糖基化、磷酸化、硫酸化等翻譯后修飾的差異。對NCAM糖基化研究較多的是多唾液酸化,此過程是由聚涎酸基轉移酶(polysialyltransferase-1,PST)和/或涎酸基轉移酶X(STX)催化完成的。二、非典型和作用機制(一)csamsarcam親同化結合激活NCAM在神經系統發(fā)育過程中可調節(jié)神經細胞軸突生長、遷移及目標識別。這些作用是通過NCAM親同性結合及親異性結合實現的。NCAM介導同源細胞粘附,其機制還未完全闡明,目前研究顯示可能有三種:(1)相鄰細胞上的兩個NCAM分子可通過各自的IgⅢ結構域的相互作用實現NCAM的親同性結合;(2)通過兩個NCAM分子的5個免疫球蛋白結構域反平行結合來實現;(3)兩個NCAM分子上的IgⅠ和IgⅡ結構域-IgⅠ1和IgⅡ2、IgⅡ1和IgⅠ2-的交互結合。NCAM的親同性粘附受NCAM的糖基化或/和NCAM的選擇性拼接的影響。NCAM上有PSA存在時,由于PSA是一線性α2,8-唾液酸的多聚物,可形成帶有大量負電荷的水化球,在IgⅤ結構域附近產生較大的空間位阻,可使細胞-細胞間的粘附作用降低,故PSA-NCAM是一種具較弱粘附性的NCAM形式,這有利于腦發(fā)育及成年腦組織突觸塑型時結構的重組。這種親同性結合可激活細胞內的信號轉導途經,可能與成纖維細胞生長因子(fibroblastgrowthfactor,FGF)受體有關。FGF受體上含細胞粘附分子的同源結構域(celladhesionmolecularhomologydomain,CHD)。CHD上有3個相鄰的序列,分別與NCAM、細胞粘附分子L1及N-cadherin同源。NCAM可能通過與CHD上的NCAM同源結構域結合來調節(jié)FGF受體活性。而FGF受體又激活磷脂酶Cγ(phospholipaseCγ,PLCγ)產生甘油二酯(diacylglycerol,DAG),通過電壓依賴性鈣通道誘導Ca2+內流。通過激活這一途徑,NCAM親同性結合可促進原代培養(yǎng)的神經元和神經元細胞系的軸突生長。但NCAM親同性結合激活的細胞內信號轉導途經可能要比上述復雜得多。有資料顯示,NCAM刺激軸突生長作用尚需p59fyn酪氨酸激酶參與。即NCAM刺激軸突生長可能有兩種途經:NCAM-Ras-絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)途徑和NCAM-FGF受體-PLCγ-蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)途徑,且這兩種途徑可能均是必需的。在NCAM中,PSA是影響NCAM作用的關鍵因素之一。NCAM缺乏的小鼠嗅球明顯變小,這是由于缺少PSA使嗅顆粒細胞前體細胞遷移減少所致。PSA為齒狀回顆粒細胞苔蘚纖維生長所必需,缺乏PSA-NCAM的小鼠苔蘚纖維不成束,可影響海馬CA3區(qū)突觸的產生。De-Stefano等認為PSA-NCAM不僅參與了發(fā)育過程中的突觸重建,而且在損傷誘導神經元可塑性方面也起著重要作用。(二)體外受精時間及影響海馬突觸前后膜上存在大量的NCAM,在持續(xù)性突觸發(fā)生和可塑性腦區(qū)均有與軸突在發(fā)育階段生長類似的特征性NCAM的表達,其作用發(fā)揮與其分子結構有關。在胚胎發(fā)育早期,含VASE的NCAM轉錄體低于3%,而在成年中樞神經系統中,這種NCAM轉錄體可達50%,此時NCAM對軸突生長的刺激作用大大降低;相反,PSA在胚胎發(fā)育早期NCAM中含量豐富,可達30%,此時NCAM對軸突生長刺激作用強,而成年后PSA含量減少,僅為10%,對軸突生長刺激作用變弱。隨著胚胎的發(fā)育成熟,含VASE的NCAM轉錄體的量逐漸增多而NCAM分子中PSA的含量逐漸減少,使NCAM刺激軸突生長作用逐漸減弱,對神經系統可塑性影響也由提高轉為抑制。即PSA下調伴隨著NCAM由促可塑性分子向促穩(wěn)定性分子的轉化。在體外孵育的海馬腦片中加入NCAM抗體后可抑制海馬CA1區(qū)長時程增強(longtermpotentiation,LTP)的產生,這種作用在高頻刺激后幾秒鐘內明顯顯示出來,提示NCAM可能影響LTP的誘導或早期維持,且依賴PSA的存在,因為酶去除PSA后LTP誘導受到抑制。(三)hspg及可溶性硫酸軟骨素蛋白聚糖有資料顯示突觸前后連接是NCAM介導的,NCAM-140在突觸前后膜上均有表達,而NCAM-180僅限于后膜上。Rose等發(fā)現在雛雞一次性被動回避行為模型的長時記憶形成過程中,有兩次蛋白質合成高峰期。阻斷該兩時段糖蛋白的合成均可導致小雞對回避行為的遺忘。進一步研究發(fā)現,NCAM合成增加出現在糖蛋白合成的第二峰,故推測糖蛋白合成的第一峰可能反映已存在蛋白質的轉錄后修飾,第二峰可能反映新蛋白質的合成。成年大鼠在學習訓練后其海馬齒狀回顆粒細胞中NCAM多唾液酸化程度升高,主要發(fā)生在NCAM-180上。這是否與突觸形成的選擇性穩(wěn)定化作用相一致,尚需進一步探討。三、硫酸化氨基聚糖對NCAM及記憶的影響目前發(fā)現存在于神經系統中的幾種蛋白聚糖(proteoglycans,PGs)。(1)硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(heparansulfatePG,HSPG)類:①GPI家族,如糖基磷脂酰肌醇蛋白聚糖(glypican)、腦蛋白聚糖(cerebroglycan),②粘結蛋白聚糖(syndecan)家族,如神經粘結蛋白聚糖(N-syndecan),③細胞外基質(extracellularmatrix,ECM)家族,如串珠樣蛋白聚糖(perlecan)、存在于神經-肌肉連接點突觸部位的乙酰膽堿受體集聚因子(agrin);(2)硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitinsulfatePG,CSPG)類:①可聚蛋白聚糖(aggrecan)家族,如aggrecan、短小蛋白聚糖(brevican)、多能蛋白聚糖(versican)、神經蛋白聚糖(neurocan),②其他,如雙鏈蛋白聚糖(biglycan)等。這些物質廣泛分布于發(fā)育的及成熟的神經系統細胞表面及細胞外基質上,可調節(jié)發(fā)育中的細胞分化、軸突生長及中樞神經系統中神經元的再生,使得蛋白聚糖可參與與學習和記憶相關的神經結構與功能調節(jié)。CSPG分子上的寡糖富含硫酰基和磺基,具強抗原性,是CSPG分子的表面抗原決定簇,如HNK-1抗原。Hottman從細胞趨化素中分離出一種具有HNK-1抗原決定簇的CSPG,它參與神經細胞與神經膠質細胞之間的粘附,與神經嵴的定位有關。在雞視網膜發(fā)育中CSPG和HSPG的含量發(fā)生著變化,CSPG相對增加的同時HSPG相對減少;在新生鼠發(fā)育中也有類似情況發(fā)生。早期雞腦發(fā)育可能更多依賴于HSPG介導的功能,更復雜的腦結構如中腦蓋的發(fā)育則需要HSPG介導功能的下降和/或CSPG介導功能的增強。PGs可正性或負性調控軸突和樹突的伸展,HSPG的表達與軸突產生及生長有關,而CSPG則一般被認為可抑制軸突生長。用含β-木糖苷(外源性的β-木糖苷能完全抑制PC12細胞內CSPG合成,對HSPG的合成也有抑制作用)的培養(yǎng)液孵育PC12細胞,則該細胞分裂停止,軸突生長加快。agrin與NCAM都位于神經肌肉連接的突觸位點上,兩者之間的相互作用極可能是軸突產生中的關鍵。從星形膠質細胞條件培養(yǎng)基中純化的HSPG和可溶性硫酸乙酰肝素(heparansulfate,HS)能誘導大鼠皮質神經元和運動神經元的軸突延長。雞腦中軸突生長活躍的軸突干和基板上有HSPG存在,酶去除HS可干擾軸突生長?？扇苄訦S能影響非洲蟾蜍胚胎視網膜覆膜層的延展,提示HSPG促軸突生長作用與連接于核心蛋白上的HS鏈有關。HSPG促軸突生長作用可能部分是通過與NCAM作用介導的,Cole等發(fā)現在視網膜細胞粘附過程中有NCAM上的肝素結合結構域(heparinbindingdomain,HBD)和細胞表面HS的參與。參與結合的NCAM上的HBD的氨基酸序列為:131IWKHKGRDVILKKDVRFI148,但參與結合的HS鏈的特異性糖序列還未知。CSPG也可與NCAM發(fā)生直接作用。phosphacan是一種由星形膠質細胞合成的可溶的神經組織特異CSPG,含受體型蛋白酪氨酸磷酸酶的整個胞外區(qū),即RPTPζ/β。phosphacan可與NCAM可逆結合,具高親和性(其與NCAM的Kd為0.1nmol/L),為神經元和膠質細胞粘附和軸突增生的強抑制劑。Milev等發(fā)現phosphacan/RPTPζ/β與NCAM的作用是由天冬酰胺(Asn-232,Asn-281)連接的寡糖介導的。肝素樣聚糖在活性依賴的突觸可塑性中起關鍵作用。Lauri等發(fā)現HS完整在LTP早期表達中是必需的,而參與此過程的HSPG可能為N-syndecan,其分子中具有高比例的2-0-和6-0-硫酸化單糖殘基的HS存在。選擇性2-0-和6-0-去硫酸化可破壞聚糖抑制LTP的作用,提示N-syndecan中的肝素樣聚糖及其硫酸化修飾在其生物活性中起重要作用。N-syndecan可與多種生物大分子如NCAM、FGF、肝素結合的生長相關分子(heparin-bindinggrowth-associatedmolecule,HB-GAM)等結合,并作為胞外肝素結合分子與fyn轉導途徑的中間傳遞體調節(jié)著活性依賴的神經元的連接。近來有資料表明,肝素對學習和記憶也有影響。腹腔內給予Wistar大鼠肝素5天,發(fā)現可提高動物獲取食物能力及空間學習能力。早期研究發(fā)現,肝素可在體外與NCAM結合,NCAM結合肝素具時間依賴性、飽和性,Scatchard和Hillplot分析顯示兩