NG2膠質細胞增殖和分化的研究進展

劉 遠 葉 云 李明超 張 祚 周吉銀△

1)陸軍軍醫大學第二附屬醫院國家藥物臨床試驗機構，重慶 400037 2)西南醫科大學藥學院，四川 瀘州 646000 3)西南醫科大學附屬醫院藥劑科，四川 瀘州 646000

NG2膠質細胞也稱多突膠質細胞或少突膠質前體細胞，其不同于星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞，是第四類膠質細胞，廣泛分布在中樞神經系統的灰質和白質中，受趨化蛋白、生長因子和信號分子等的影響。在體外，NG2膠質細胞顯示出多能細胞的特征，因其能夠在特定生長因子存在下產生少突膠質細胞、星形膠質細胞，甚至神經元。然而，最近利用幾種轉基因小鼠序列進行的遺傳命運圖譜研究排除了成年NG2膠質細胞在體內的這種多能分化潛能。目前，在未受損的成人中樞神經系統中，NG2膠質細胞通常只產生少突膠質細胞，而在胚胎發生和病理狀態下的分化潛能更寬泛。

1 NG2膠質細胞的增殖和分化

NG2膠質細胞主要存在于胼胝體和腦的灰質區域，成年后仍能繼續增殖。使用細胞增殖標記物BrdU實驗表明，胼胝體NG2膠質細胞的細胞周期隨年齡的增大而增加。出生后6 d(P6)細胞周期<2 d，P60約為9 d，P90約為37 d，P240約為70 d，P540>10 d[1]。成年時可持續產生少突膠質細胞，但少突膠質細胞生成速率伴隨著NG2膠質細胞分裂速率下降。NG2膠質細胞有兩種不同的群體，有絲分裂活躍種群和單獨的靜止種群。小腦白質和胼胝體中有兩類電學特性的NG2膠質細胞，一類表達電壓門控的鈉和鉀通道并激發動作電位以響應去極化刺激，而另一類不表達電壓門控通道，并顯示線性電壓-電流關系[2]。NG2膠質細胞的兩種電生理亞型的比例大致相等，就像分裂和非分裂種群一樣。可能是在發育過程中，所有新生NG2膠質細胞都附著于無髓軸突，其中一些軸突激發動作電位，并將有絲分裂信號傳遞給相關的NG2膠質細胞，這些NG2膠質細胞因此分裂，自我更新并產生髓鞘化少突膠質細胞。其他NG2膠質細胞與軸突相關聯，軸突未被激發或無超過足夠的閾值，因此這些細胞不分裂。其可能以某種其他方式對神經回路作出貢獻，如可能在郎飛結或在神經元-神經元突觸處執行一些基本的穩態功能[3]。NG2膠質增殖率及其相應的新生少突膠質細胞生成速率隨年齡增加而降低，在正常衰老過程中可能有重要意義。如在生命的第4個十年后白質體積開始下降，并且這種白質丟失與認知和運動能力的下降有關。這可能是因髓鞘化的少突膠質細胞的壽命有限，超過這個時間，新生的少突膠質細胞產生的速度不能跟上加速的少突膠質細胞丟失的速度。因此，找到方法保持NG2膠質細胞處于更有增殖能力的狀態可能有助于保持白質完整性并減緩與年齡相關的智力下降[4]。目前認為，在未受損的成人中樞神經系統中，NG2膠質細胞通常只產生少突膠質細胞，而在體外特定條件或病理條件下可產生星形膠質細胞，甚至神經元。

2 NG2膠質細胞增殖和分化的調控機制

NG2膠質細胞在中樞神經系統中的主要作用是生成少突膠質細胞，因此有助于髓鞘的可塑性[5]。其在健康的中樞神經系統中分化為少突膠質細胞，這種行為在各種伴髓鞘丟失的中樞神經系統病變中更為明顯。髓鞘損傷后，NG2膠質細胞遷移到損傷部位，增殖分化為少突膠質細胞，最終使受影響的軸突重新髓鞘化。雖然新形成的髓鞘層較原始的髓鞘層更薄、更短，這種再生髓鞘恢復了快速跳躍傳導并逆轉了功能缺陷[6]。因此，NG2膠質細胞通過調控各種信號分子、生長因子、激素，甚至神經遞質的水平影響其增殖和分化成為良好的治療靶點。

2．1趨化蛋白趨化蛋白主要包括Netrin-1和Semaphorin。Netrin-1是一種信號分子，被認為是發育過程中的軸突導向分子。除軸突引導外，在發育早期Netrin-1作為NG2膠質細胞進入視神經的趨化劑，在發育后期，其起到抵制NG2膠質細胞停止遷移的作用[7]。在發育的脊髓中，Netrin-1只作用于NG2膠質細胞上的受體，促進NG2膠質細胞的擴散[8]。將Netrin-1阻斷抗體注射到溶血磷脂酰膽堿(LPC)誘導的脫髓鞘的脊髓中，NG2膠質細胞募集到損傷部位的數量增加，而分化的少突膠質細胞的數量減少[9]。提示在MS早期Netrin-1表達可減弱NG2膠質細胞的募集，而晚期表達可促進其分化。因此，Netrin-1信號的精確調控可能是增強髓鞘再生過程的關鍵。

與Netrin-1相似，Semaphorin也稱為軸突導向分子[10]。有關NG2膠質細胞，大多數聚焦在Semaphorin3、Semaphorin3A和Semaphorin3F。Semaphorin3A和Semaphorin3F均可影響NG2膠質細胞的遷移，但似乎具有完全相反的作用，Semaphorin3A可以排斥NG2膠質遷移，而Semaphorin3F具有化學吸引作用[7]。在LPC誘導的脫髓鞘中也有同樣的發現[11]。在伴大量炎癥的多發性硬化(MS)病變中，表達Semaphorin3F的細胞數量比Semaphorin3A多，而在炎癥較少的病變中則相反[12]。與這些發現一致，在動物脫髓鞘模型中炎癥增強髓鞘再生[13]。

2．2生長因子很多生長因子被證明能調控NG2膠質細胞的增殖，包括血小板衍生生長因子-A(PDGF-A)、胰島素樣生長因子(IGF-1)、成纖維細胞生長因子2(FGF-2)、表皮生長因子(EGF)、腦源性神經營養因子(BDNF)和睫狀神經生長因子(CNTF)。最顯著的生長因子是PDGF-A，其可增加健康成年小鼠腦中以及LPC和雙環己酮草酰二腙誘導的脫髓鞘中NG2膠質細胞的數量，而不影響其分化為成熟少突膠質細胞的速率[14]。除了調控增殖，PDGF-A還可通過激活ERK1/2信號，促進培養的NG2膠質細胞的募集和遷移[15]。IGF-1是另一種誘導NG2膠質細胞增殖和分化的因子。對培養的大鼠NG2膠質細胞研究發現，IGF-1通過激活PI3K/Akt/mTOR抑制細胞周期素D1的降解促進NG2膠質細胞的增殖[16]。IGF-1也是治療MS、缺血、精神分裂癥或自閉癥的潛在靶點[17]。

FGF-2通過激活MAPK/ERK1/2信號通路激活細胞周期素D1 mRNA的轉錄，與IGF-1協同促進培養的NG2膠質細胞的增殖[16]。腦室給予FGF-2可抑制NG2膠質細胞的分化并擾亂髓鞘形成[18]，而FGF-2在實驗性脫髓鞘和MS病變髓鞘再生過程中上調。系統敲除FGF-2或Plp-Cre中的FGFR-1不影響NG2膠質細胞的增殖，但可增加雙環己酮草酰二腙誘導的脫髓鞘中NG2膠質細胞的分化[19]。在NG2膠質細胞的不對稱分裂中，EGF受體在子細胞之間也不對稱地分離，有助于EGFR陽性的子細胞持續的自我更新，而EGFR陰性的子細胞分化[20]。另外，在EGFR過表達的Cnp-Cre鼠中或EGF經鼻內輸送到慢性缺氧并伴彌漫性白質損傷的新生鼠中發現NG2膠質細胞的增殖和分化率增加[21]。這些結果表明，EGF的促分化作用可能只發生在中樞神經系統損傷情況下。

BDNF通過酪氨酸受體激酶B(TrkB)受體起作用，該受體在脊髓NG2膠質細胞上表達[22]。系統性敲除BDNF導致被招募到受損白質的NG2膠質細胞的增殖數量減少，同時BDNF信號缺失不利于雙環己酮草酰二腙誘導的脫髓鞘后小鼠胼胝體的髓鞘再生[23]。MS患者的BDNF水平較低，廣泛使用的MS治療藥物醋酸格拉替雷和芬戈莫德則通過升高BDNF發揮作用[24]。然而，MS中BDNF是否直接作用于NG2膠質細胞，或更成熟的少突膠質細胞前體，或調節免疫反應仍需要進一步闡明。CNTF在脫髓鞘病變以及髓鞘再生過程中上調。在實驗性變態反應性腦脊髓炎(EAE)模型中，CNTF缺乏的小鼠NG2膠質細胞的數量和增殖率均增加。CNTF家族配體的效應因子STAT3的敲除減弱了LPC誘導的脫髓鞘和挫傷性脊髓損傷后NG2膠質細胞的分化[25-26]。

2．3核受體配體、載脂蛋白轉鐵蛋白和G蛋白偶聯受體17 許多研究表明，孕酮可促進中樞神經系統髓鞘形成，特別是通過刺激NG2膠質細胞的增殖和分化為髓鞘化的少突膠質細胞。孕酮可促進培養的和大鼠脊髓中的NG2膠質細胞增殖，且髓鞘堿性蛋白(Mbp)的表達增加，表明孕酮也可促進NG2膠質細胞的分化[27]。在LPC誘導的脫髓鞘和EAE中，孕酮促進NG2膠質細胞的增殖并增強髓鞘再生。維甲酸對少突膠質細胞的成熟有積極作用，但其作用于NG2膠質細胞還是更成熟的少突膠質細胞前體還有待闡明。脊髓脫髓鞘中維甲酸受體γ(RXR-γ)激活正向調控NG2膠質細胞的分化和髓鞘再生[28]。EAE或雙環己酮草酰二腙誘導的脫髓鞘后，甲狀腺激素(THs)可通過促進大鼠和小鼠NG2膠質細胞的分化調控少突膠質細胞的發育和髓鞘形成。BAXI等[29]發現，THs在NG2膠質細胞上的效應主要是由TH受體β介導的，其合成的激動劑GC-1能增強體外NG2膠質細胞的分化以及體內髓鞘形成。

轉鐵蛋白(Tfs)是哺乳動物肝臟和腦中合成的鐵轉運蛋白。在神經組織中，少突膠質序列細胞是合成轉鐵蛋白的主要細胞，而轉鐵蛋白在中樞神經系統發育過程中也作為少突膠質序列細胞的促分化因子和營養因子。去鐵轉鐵蛋白通過ERK/MAPK和Akt/mTOR通路促進NG2膠質細胞的分化，是少突膠質細胞成熟重要的調節因子[30]。最近提出有關去鐵轉鐵蛋白和甲狀腺激素在少突膠質細胞分化中串擾的現象，甲狀腺功能減退大鼠去鐵轉鐵蛋白水平下降和髓鞘形成受損，而甲狀腺功能亢進大鼠有正相反的表現[31]。

G蛋白偶聯受體17(GPR17)在生理條件下主要表達于NG2膠質細胞和分化早期的少突膠質細胞。GPR17通過其配體UDP-葡萄糖激活誘導培養的NG2膠質細胞的分化[32]。UDP-葡萄糖處理來自缺血誘導的室周白質軟化癥的新生大鼠細胞顯著增強NG2膠質細胞的分化[33]。在少突膠質序列細胞成熟的后期階段，GPR17必須下調才能滿足合適的髓鞘形成。表明GPR17在損傷早期被激活以促進NG2膠質細胞的分化，而在損傷后期持續激活卻有礙合適的髓鞘再生[34]。

2．4細胞內信號通路Wnt信號通路受上游信號分子，如β-catenin或結腸腺瘤樣息肉(APC)基因的調控被激活，可調控NG2膠質細胞的分化，但不影響其增殖[35]。最近HAMMOND等[36]研究表明，Tcf7l2在發育過程以及雙環己酮草酰二腙誘導的脫髓鞘中以Wnt信號獨立方式促進NG2膠質細胞的分化。Wnt信號對髓鞘形成有抑制和促進雙重作用。Wnt信號參與少突膠質細胞成熟的各個階段，然而其如何影響NG2膠質細胞的命運以及整個髓鞘再生過程還有待于闡明[37]。

Akt/mTOR信號通路參與了OL發育的許多方面，包括OPC增殖、遷移、分化和髓鞘形成[38]。在培養的大鼠和人NG2膠質細胞中，同時使用AKT/mTOR信號通路上游抑制劑磷酸酶與張力蛋白同源基因(PTEN)與IGF-1可誘導NG2膠質細胞的成熟[39]。在Cnp-Cre鼠中敲除少突膠質序列細胞中的mTOR或RAPTOR和RICTOR會明顯損害脊髓髓鞘發育形成期間NG2膠質細胞的分化[40]。敲除Cnp-Cre和Olig1-Cre鼠中的mTORC1的激活劑Rheb1后也觀察到相似的結果[41]。

ERK/MAPK信號通路也參與對NG2膠質細胞的調控[42]。對培養的NG2膠質細胞的研究發現，白細胞介素-17A誘導ERK1/2的活化與NG2膠質細胞的分化有緊密的相關性[43]。NAJM等[44]使用藥物咪康唑激活NG2膠質細胞中的ERK1/2，促進LPC誘導的小鼠脊髓脫髓鞘后廣泛的髓鞘再生。

Notch信號通路是動物進化過程中最古老、最保守的信號級聯反應之一。早期證據表明Notch信號通路抑制少突膠質細胞的成熟。反應性星形膠質細胞源性內皮素-1激活Notch信號通路抑制LPC誘導的脫髓鞘后NG2膠質細胞的分化[45]。

2．5神經元活動除各種信號分子、生長因子和激素外，電活動也可調節發育時期髓鞘形成。神經元活動還可促進成年腦內NG2膠質細胞的募集和分化，這可能有助于神經可塑性[46]。這種適應性髓鞘形成對于新的運動技能學習至關重要，且可以通過刪除髓鞘調節因子(Myrf)而完全阻斷，Myrf是少突膠質序列細胞髓鞘形成所必需的轉錄因子[47]。FIELDS等[48]也對活動依賴性適應性髓鞘形成進行了綜述。NG2膠質細胞與無髓鞘軸突形成直接的突觸聯系，并存在幾乎所有主要的神經遞質受體[49]。這樣的分子結構使神經元能夠通過分泌的神經遞質直接調控NG2膠質細胞，主要包括谷氨酸(AMPA/kainate和NMDA)、γ-氨基丁酸(GABA)。

使用大鼠溴化乙錠脫髓鞘模型研究谷氨酸對髓鞘再生的影響中，發現在脫髓鞘早期，NG2膠質細胞表達AMPA受體對NG2膠質細胞招募到脫髓鞘軸突至關重要，而在后期NG2膠質細胞表達NMDA受體對NG2膠質細胞的分化和髓鞘再生的調控也是必須的[50]。除谷氨酸外，GABA對NG2膠質細胞也有影響。缺氧對NG2膠質細胞的影響可通過氨己烯酸和噻加賓治療得到改善，這兩種藥物均可增加GABA的活性，表明GABA能信號可促進NG2膠質細胞的分化[51]。由于GABA受體的激活會降低NG2膠質細胞上AMPA電流振幅，故谷氨酸能和GABA能信號可能共同參與了NG2膠質細胞的成熟過程[52]。

3 NG2膠質細胞的分化潛能

在體外或病理條件下NG2膠質細胞有著更多的分化潛能，除分化為少突膠質細胞外，還可以產生星形膠質細胞，甚至神經元。在胚胎形成期間，前腦腹側中超過1/3的原漿型星形膠質細胞來自NG2膠質細胞[53]。在皮層冷凍損傷、局灶性腦缺血(FCI)和挫傷性脊髓損傷的轉基因小鼠中也檢測到NG2膠質細胞來源的星形膠質細胞。另一方面，在肌萎縮側索硬化的Pdgfra-Cre小鼠模型中無觀察到來源自NG2膠質細胞的星形膠質細胞[54]。這些研究表明NG2膠質細胞的星形膠質細胞分化潛能在很大程度上取決于損傷類型和(或)基因小鼠模型。脊髓注射BMP4導致NG2膠質細胞分化為星形膠質細胞增多，表明BMP信號通路可能是驅使NG2膠質細胞分化為星形膠質細胞的可能機制。另有研究顯示局灶性腦缺血后NG2膠質細胞產生星形膠質細胞是通過Shh信號蛋白調控的[55]。抑制Shh信號蛋白使NG2膠質細胞來源的星形膠質細胞明顯減少，而激活Shh信號蛋白則刺激NG2膠質細胞分化為星形膠質細胞但不影響其增殖。Shh和BMP在中樞神經系統損傷時均會上調，在膠質瘢痕的形成中發揮了重要作用[56]。

BELACHEW等[57]在出生后早期及成年(P30)小鼠海馬(主要在齒狀回)中發現NG2陽性細胞來源的神經元。RIVERS等[58]在小鼠梨狀皮質中檢測到少量神經元。另外，下丘腦NG2膠質細胞也能夠分化為功能性的神經元。近年來，利用病毒誘導的多種轉錄因子表達可將NG2膠質細胞重新編程為功能神經元。在阿爾茨海默病小鼠刺傷模型中，病毒誘導NeuroD1的表達，使皮層NG2膠質細胞分化為功能性谷氨酸能和GABA能神經元[59]。病毒誘導Sox2和(或)Ascl1表達的刺傷模型中觀察到NG2膠質細胞來源的成熟神經元。在小鼠紋狀體中，NG2膠質細胞中轉錄因子Ascl1、Lmx1a和Nurr1的過表達，會導致其轉化為成熟的谷氨酸能以及GABA能神經元[60]。類似地，病毒誘導Sox2和/或Ascl1表達的刺傷模型中，觀察到NG2膠質細胞來源的成熟神經元[61]。在小鼠紋狀體中，NG2膠質細胞中轉錄因子Ascl1、Lmx1a和Nurr1的過表達，會導致它們轉化為成熟的谷氨酸能以及GABA能神經元[62]。此外，創傷性腦損傷后，病毒介導轉錄因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc的表達將NG2膠質細胞重編程為Nanog陽性的胚胎干細胞樣細胞，隨后產生功能性神經元[63]。

4 小結

自從NG2膠質細胞作為獨立的細胞類型，已經進行了大量的關于調控NG2膠質細胞分子機制的研究。目前對影響NG2膠質細胞增殖和分化的各種信號分子、生長因子等了解漸多，使得NG2膠質細胞的增殖和分化過程可以被調控。近年來，在改善伴少突膠質細胞損傷的中樞神經系統病變方面已經取得很大進展。NG2膠質細胞參與包括創傷性腦損傷、挫傷性脊髓損傷、缺血、白質損傷和膠質瘤形成等中樞神經系統病變，因此，闡明其增殖分化機制并開發其分化潛能對中樞神經系統病變的治療及恢復有著重要的作用。