軸突生長的分子機(jī)制

軸突生長的分子機(jī)制

神經(jīng)連接是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)。在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中,軸突的生長受影響生長錐生長方向的分子調(diào)節(jié)和控制。生長導(dǎo)向分子與生長抑制分子都由軸突延伸四周和靶組織的細(xì)胞產(chǎn)生,釋放到細(xì)胞外或附著于細(xì)胞膜,與相應(yīng)的特定受體分子作用,引導(dǎo)軸突靶向延伸。這些因子主要包括:導(dǎo)素(Netrins)、信號素(Semaphorins)、Eph相關(guān)受體酪胺酸激酶配體(LigandsofEph-relatedreceptortyrosinekinases)和Slit等。1網(wǎng)絡(luò)家族1.1工物界對促進(jìn)軸突生長的作用Netrins家族是一組由在發(fā)育期脊髓中線膠質(zhì)細(xì)胞分泌的軸突導(dǎo)向分子。在1988年,Tessier-Lavigne等首次發(fā)現(xiàn),鼠胚脊髓低板細(xì)胞能誘導(dǎo)脊髓聯(lián)合神經(jīng)元(感覺中間神經(jīng)元)軸突出芽并向腹側(cè)延伸。Netrin-1最初由Serafini在1994年發(fā)現(xiàn)。已發(fā)現(xiàn)的Netrins家族包括線蟲的UNC-6,果蠅的Netrin-A,Netrin-B,Netrin-1被證明廣泛的存在于雞、小鼠、爪蟾、斑馬魚和人類,Netrin-2主要存在于雞,Netrin-3存在于小鼠和人體內(nèi)。Netrins分子既可以是與細(xì)胞膜相連的非擴(kuò)散分子,也可以是可擴(kuò)散的分泌蛋白。Netrins最先被發(fā)現(xiàn)時被認(rèn)為是長距離作用的分子,也有證據(jù)表明Netrins可以是短距離作用物質(zhì),通過細(xì)胞間的相互作用,誘導(dǎo)軸突生長。關(guān)于進(jìn)一步的實驗確認(rèn),存在爭議:有實驗認(rèn)為Netrins只能在短距離內(nèi)發(fā)揮作用,也有實驗表明Netrins可以在幾個毫米的距離上依然發(fā)揮其誘導(dǎo)作用。Kennedy認(rèn)為,Netrins對神經(jīng)軸突的作用可分為促進(jìn)生長錐生長與誘導(dǎo)生長錐遷移。在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中Netrins可以起到不同作用:吸引與排斥,取決于生長錐上表達(dá)的受體種類與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的不同。1.2神經(jīng)軸突受誘導(dǎo)物質(zhì)刺激的機(jī)制不同軸突的生長錐由于遵循不同路線對相同誘導(dǎo)物質(zhì)的反應(yīng)不同,但同一軸突的生長錐在不同位點上對同一誘導(dǎo)物質(zhì)的反應(yīng)也可存在差異。在研究爪蟾胚胎視路上Netrin-1的表達(dá)時,Shewan等發(fā)現(xiàn)隨著胚胎成熟,視神經(jīng)的通路與Netrin-1的表達(dá)逐漸分離,這指出生長錐對Netrins的反應(yīng)性可以變化,因此軸突從富含Netrins的區(qū)域逃離到達(dá)缺乏Netrin-1表達(dá)的區(qū)域。神經(jīng)軸突受誘導(dǎo)物質(zhì)刺激的經(jīng)歷可以改變其對特定分子的反映,Shewan等發(fā)現(xiàn)給以高濃度Netrin-1可使年輕的生長錐老化。關(guān)于軸突的自身調(diào)節(jié)機(jī)制,目前已有部分被闡明,主要是環(huán)核苷酸的調(diào)節(jié),蛋白質(zhì)的合成以及鈣離子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。1.2.1對生長錐的影響降低cAMP的水平或抑制蛋白激酶A(PKA)的活性可以使生長錐對Netrins的反應(yīng)從被吸引到被排斥;增加cAMP的水平或提高PKA的活性又可以使被排斥變?yōu)楸晃?。對不同年齡階段胚胎的生長錐內(nèi)cAMP水平分析,Shewan等發(fā)現(xiàn)其水平隨年齡上升而明顯的下降。也有證據(jù)表明生長錐上受體DCC(deletedincolorectalcarcinoma)和膜相關(guān)腺苷酸2b受體(A2bR)的表達(dá)都隨時間而下降,且后者下降程度與cAMP的下降更為匹配,因此DCC和A2bR可能都參與介導(dǎo)了對Netrin-1反應(yīng)性的轉(zhuǎn)變,或是單獨或是協(xié)助。關(guān)于單獨或協(xié)助的說法仍存在爭議。1.2.2軸突分子的誘導(dǎo)神經(jīng)導(dǎo)向因子通過促進(jìn)生長錐局部的蛋白質(zhì)合成,影響細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)水平,從而控制生長錐的方向。Campbell等對體外分離培養(yǎng)的爪蟾視網(wǎng)膜軸突給予Netrin-1,誘導(dǎo)了生長錐局部的蛋白質(zhì)合成,如果阻斷翻譯則軸突轉(zhuǎn)向消失但生長則未受影響。Ming等認(rèn)為蛋白質(zhì)的合成對于向著Netrin-1移動生長的生長錐是復(fù)敏性過程是必要的,認(rèn)為軸突的排斥Netrin-1生長現(xiàn)象是因為復(fù)敏過程的缺少,此時軸突延第一個脫敏循環(huán)后表現(xiàn)出的方向延伸生長,也就表現(xiàn)為排斥。1.2.3生長錐對常用生長錐的敏感人為的Ca離子濃度在缺乏Netrin-1下也可以誘導(dǎo)軸突轉(zhuǎn)向。Ming等觀察到生長錐對Netrin-1敏感時,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度可因Netrin-1的存在而升高。但有人認(rèn)為鈣離子濃度持續(xù)升高不是導(dǎo)致生長錐脫敏的直接原因。2semaiii基因?qū)虻鞍准易迨且淮箢惙置谛突蚩缒ば吞堑鞍?其N端都含有532個氨基酸殘基組成的保守序列-sema區(qū)。根據(jù)所含的結(jié)構(gòu)域不同,semaphorin命名委員會將之分為8類。到目前為止,Semaphorin家族在脊椎動物中至少有19個成員,在無脊椎動物中至少有3個成員,在病毒中至少有2個成員。最先發(fā)現(xiàn)的該家族成員是Semaphorin-1和collapsin-1。SemaI是跨膜分子,在蚱蜢胚胎發(fā)育中引導(dǎo)周邊神經(jīng)軸突生長。鼠和人SemaIII是研究較多的分泌型信號素,在脊髓腹側(cè)除底伴外的細(xì)胞和大腦中均有高水平表達(dá)。目前已知其家族成員有6個,分別為Sema3A~3F。體外培養(yǎng)實驗中,Sema3能排斥對NGF敏感的小感覺神經(jīng)元的軸突,使它不能向腹側(cè)投射,而終止于背角的I層和II層,但Sema3對NT-3敏感的大感覺神經(jīng)元的軸突無排斥作用,它的軸突投射到脊髓腹側(cè)與運動神經(jīng)元形成突觸。1999年Neuropilin-1(NP-1)、Neuropilin-2(NP-2)被鑒定為semaphorin的受體。最初發(fā)現(xiàn)Semaphorins的功能與軸突相關(guān),它們可以影響軸突的收縮、分枝、突觸形成、導(dǎo)向。不同的Semaphorin在軸突發(fā)育的不同層次上發(fā)揮作用,常常為負(fù)調(diào)節(jié)作用,而且高度特異。但該家族分子并非僅在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育方面起作用,SemaIII就可以在幾種組織的發(fā)育中起重要作用,同時還可作為心臟的生長調(diào)節(jié)因子。3eph受體分子受體酪氨酸激酶(RTKs)在細(xì)胞分化、增殖、遷徙與存活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起重要作用。最大的RTKs超家族分支為Eph受體家族,在脊椎動物中起碼有13個成員。1994年Bartly等曾以Eph受體的Eck胞外序列為探針,分離純化出第一個Eph配體B61。重組B61蛋白和受體Eck有高度親和力,兩者結(jié)合后誘導(dǎo)該受體磷酸化。隨后發(fā)現(xiàn)的多種Eph配體,按結(jié)構(gòu)分為錨定型和跨膜型,目前已知惟有Sek-1受體可以與上述兩類配體作用。從視網(wǎng)膜到中腦頂蓋之間神經(jīng)纖維的排列方式是Eph受體調(diào)節(jié)軸突生長的例子之一。顳側(cè)視網(wǎng)膜軸突纖維有較高的EphA3表達(dá),投射到其配體Ephrin-A2和Ephrin-A5較低水平的頂蓋前部,離體實驗中證實這兩中配體與其受體互為排斥分子。當(dāng)改變雞視區(qū)頂蓋Ephrin-A2的分布時,將會誘發(fā)顳側(cè)神經(jīng)軸突產(chǎn)生異常投射軌跡,并能避開配體高表達(dá)的異位區(qū)域。4slit蛋白4.1slit基因的同源性Slit分子是發(fā)現(xiàn)的第一種對神經(jīng)生長和神經(jīng)元遷移都有導(dǎo)向作用的因子。Slits是發(fā)育期脊髓中線膠質(zhì)細(xì)胞和中隔組織分泌的一組相對分子量為170-190KD的分泌型蛋白質(zhì),包括N端短的信號肽、富含亮氨酸的重復(fù)序列、6~9個EGF樣序列、一個ALPS區(qū)域和一個C端富含半胱氨酸的區(qū)域。哺乳動物的slit基因包括人類的hslits和大鼠的rslit,它們有60%以上的同源性。果蠅和線蟲中各有一種Slit基因,而人和鼠中各有3種Slit同源基因。4.2slit理論對背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞增長的作用Slit分子對軸突生長有著排斥性導(dǎo)向作用。中線細(xì)胞分泌的起排斥作用的導(dǎo)向因子Slits和表達(dá)在這些尋路軸突表面的受體相互作用,決定這些軸突是否穿過中線,阻止已經(jīng)穿過中線的軸突回穿,并決定這些軸突的縱向投射模型。Slit分子也可促進(jìn)背根神經(jīng)節(jié)軸突的延伸和分枝。還可以抑制化學(xué)趨向因子誘導(dǎo)的白細(xì)胞運動。比如Slit可促使DRG的軸突分枝,也可推斥來自脊髓的運動神經(jīng)元,在其他環(huán)境總還能使嗅球投射的軸突方向改變。5神經(jīng)纖維生長指令神經(jīng)纖維最前端生長錐的細(xì)胞膜上有一類稱為“瞬間受體電位通道”(TRPC)的陽離子通道起著傳遞神經(jīng)纖維生長指令的作用。神經(jīng)纖維外的導(dǎo)向因子“腦原性神經(jīng)營養(yǎng)因子”(BDNF)通過打開“瞬間受體電位通道”(TRPC),導(dǎo)致生長錐內(nèi)的鈣離子濃度增加。這樣一個過程引導(dǎo)了神經(jīng)纖維朝“腦原性神經(jīng)營養(yǎng)因子”(BDNF)濃度高的一側(cè)生長,從而影響到神經(jīng)纖維的生長方向。6神經(jīng)引導(dǎo)分子軸突生長方向受多種分子的調(diào)控,這些分子在神經(jīng)發(fā)育中特定時間和特定地點的表達(dá),通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的信息傳遞,共同引導(dǎo)軸突選擇正確的路徑并成功建立連接。隨著分子生物學(xué)的應(yīng)用和分離技術(shù)的不斷發(fā)展,可以展望:更多的神經(jīng)軸突引導(dǎo)分子將被發(fā)現(xiàn),不同引導(dǎo)分子的作用機(jī)理將被更清晰的闡明。從而我們對特異性投射和回路形成有著更多的了解,對于神經(jīng)損傷與神經(jīng)再生、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等問題將有較大的臨床意義。目前存在的待解決問題是:①如何發(fā)現(xiàn)更多的神經(jīng)引導(dǎo)分子,特別是特殊階段的或者特定地點才表達(dá)