NRG1/ErbB4與癲癇相關性及其遺傳易感性研究進展

陳新元 武羽潔 季雨偉 唐 薇

昆明醫科大學第一附屬醫院科教科，云南 昆明 650032

癲癇是一種慢性的神經系統疾病。2018年世界衛生組織(World Health Organization，WHO)報道，全球癲癇患者超過5 000萬人，其中，我國癲癇患者高達900萬以上，且每年都會增加近60萬例，給我國年經濟情況造成巨大負擔，花費超過200億人民幣[1]。國際抗癲癇聯盟(International League Against Epilepsy，ILAE)根據癲癇疾病的復雜性、難治性，相繼更新了癲癇、耐藥性癲癇及癲癇持續狀態的定義[2-4]。

癲癇的特征是大腦神經元過度或超同步放電而發生的2次或2次以上的不可預知和無端的癲癇發作。要找到安全有效的治療方法，關鍵在于了解癲癇發生的來源，目前已經知道，約60%的癲癇是特發性的，40%來自發育或獲得性疾病，如卒中、創傷性腦損傷、感染、腫瘤、藥物戒斷、神經毒性和遺傳缺陷等[5-6]。而遺傳基因缺陷因素一直被廣泛的關注[7]，特別是神經調節蛋白1 (NRG1)及其受體ErbB4編碼基因多態性的鑒定為更好地剖析癲癇的致病機制提供了一個有用的起點。NRG1是一種神經營養因子，ErbB4 受體是其下游靶點，其相互作用影響著神經元的發育、神經傳遞以及突觸可塑性，在中樞神經系統中不可或缺[8]。

1 NRG1/ErbB4與癲癇的相關性

1．1 NRG1/ErbB4信號在神經發育中的作用 NRG1是一種營養因子，包含表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)樣區域，EGF樣結構域位于細胞外結構域的膜近端區域，這是激活ErbB受體酪氨酸激酶的必要條件和充分條件[9]。癲癇是一種神經發育障礙疾病。NRG1和ErbB4蛋白均豐富表達于發育期和成人期大腦中進行增殖或神經基因表達的區域[10]。NRG1促進胚胎神經干細胞中神經元祖細胞的增殖，并參與許多其他神經發育過程。

重組NRG1刺激多種原代神經元的神經元軸突生長，包括海馬神經元[11]、視網膜神經元[12]、小腦顆粒細胞[13]和丘腦神經元[14]。由于刪除NRG1基因的胚胎致命性[15]，NRG1在誘導軸突生長的確切功能尚不清楚。最近的一項研究表明，丘腦皮質軸突(the thalamocortical axon，TCA)的投射受NRG1和ErbB4調控[16]。TCA的發育依賴于從外側神經節突起衍生的中間神經元群向間腦遷移，在間腦中，神經元為后到達的TCA形成一個允許通道[17-18]。而在發育中的大腦皮質，NRG1/ErbB4信號參與了谷氨酸能神經元的徑向遷移和γ-氨基丁酸能神經元的切向遷移。NRG1誘導徑向膠質細胞的形成和擴展，這是大腦皮質神經元和小腦顆粒細胞遷移所必需的[17，19]。

1．2 NRG1/ErbB4對突觸形成及其可塑性的作用NRG1/ErbB4信號影響著突觸的形成。突觸后ErbB4信號可以控制興奮性突觸的功能依賴性成熟：突觸活動觸發NRG1/EEBB4信號，該信號以突觸后致密蛋白95(postsynaptic density protein 95，PSD95)依賴的方式在突觸處聚集或穩定ErbB4，并穩定突觸AMPA(α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸，AMPA)受體。中斷NRG1/ErbB4信號導致突觸AMPA受體和脊狀結構不穩定，致使可塑性受損，最終導致棘狀突起和NMDA受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor，N-甲基-D-天冬氨酸)的缺失[20]。

1．2．1 短期可塑性：癲癇患者大多伴有記憶衰退，反應遲緩，而工作記憶和執行功能等認知過程由前額皮層(prefrontal cortex，PFC)介導。PFC的功能由錐體神經元執行，這些神經元的活動由抑制性和興奮性突觸控制。研究發現，在GABA能神經元的終末有ErbB4的免疫反應，這些神經元似乎支配著PFC的錐體神經元[21-22]。生物化學和電生理學研究表明，外源NRG1刺激GABA釋放以響應去極化，而對基礎釋放沒有明顯影響。ecto-ErbB4處理或抑制NRG1/ErbB4信號傳遞減弱了活性依賴的GABA釋放，表明GABA的傳輸是由NRG1/ErbB4信號水平決定的。NRG1激活GABA釋放，再通過錐體神經元調控信號整合。錐體神經元的最終輸出依賴于谷氨酸能和氨基丁酸能的輸入，這兩種輸入均受NRG1調控[22]。同時，有研究發現，NRG1信號的發育中斷損害了成年動物的神經傳遞，由此推測NRG1對突觸可塑性的調控可能依賴于NRG1的初始活性，該活性由NRG1亞型的局部濃度、ErbB激酶水平和調節NRG1表達的神經元活性控制。因此NRG1的這一功能可能對癲癇患者的工作記憶缺陷有影響。

1．2．2 長期的可塑性：突觸長期的可塑性需要新的蛋白質合成，NRG1能夠調節大腦的長期可塑性。首先，NRG1已被證明可以刺激關鍵神經遞質受體的表達，包括谷氨酸、GABA和ACh[21，23]。因此，其可能潛在地調節興奮性和抑制性神經傳遞。更重要的是，小腦顆粒細胞中由NRG1介導的GABA誘導電流增加、CA1海馬神經元的微型IPSC振幅降低，海馬GABA能神經元的ACh誘導電流峰值增加[24]，都需要蛋白合成。此外，NRG1能刺激Ca2+激活的K+通道在副交感神經細胞中的表達[23]。考慮到ErbB4的獨特突觸定位，很容易推測NRG1可能調控突觸的局部蛋白合成，以此來影響突出的長期可塑性。最后，NRG1的表達和加工受神經元活性調控。因此，NRG1誘導的神經傳遞增加以及隨后更多NRG1的產生可能有助于突觸的長期可塑性。

1．3 NRG1/ErbB4臨床研究 NRG1/ErbB4信號通路很可能通過調節神經元的興奮性，參與了原發性癲癇發病機制。有研究利用海綿狀血管瘤(CA)患者的癥狀性癲癇樣本，排除CA的影響，發現癥狀性癲癇患者顳葉皮層NRG1和ErbB4蛋白水平顯著升高[25]，揭示了與原發性癲癇不同的NRG1/ErbB4信號通路在癥狀性癲癇中的關鍵作用，表明NRG1/ErbB4信號可能在癥狀性癲癇中發揮重要作用。然而有研究表明，ErbB4在顳中癲癇患者的癲癇組織中表達明顯降低[26]。這種ErbB4在顳葉癲癇和癥狀性癲癇中的表達差異，提示ErbB4在這兩種癲癇中可能發揮不同的作用[27]。顳葉癲癇患者ErbB4蛋白顯著降低，提示ErbB4可能是顳中癲癇發作的原因之一。而在癥狀性癲癇患者中，顳葉ErbB4信號明顯升高，表明NRG1/ErbB4信號可能作為一種穩態調節劑保護大腦，免受癲癇樣活動的加重。

1．4 亞基因型NRG1和ErbB4大鼠研究 NRG1和ErbB4突變小鼠的研究為，這些基因突變作為癲癇危險因素的潛在作用提供了支持。為了研究NRG1信號在癲癇發生中的作用，研究人員用大鼠建立了一個激發模型，反復使用最初的非驚厥電刺激，導致行為性癲癇的逐漸強化和電圖性癲癇持續時間的逐漸延長[28-29]，模型一旦建立，對電刺激的增強敏感性持續終生。最后發現與癲癇發作相關的NRG1/ErbB4信號確實增加了，而且這種信號具有顯著的抗癲癇作用。通過細胞特異性突變，發現GABA能中間神經元介導了NRG1/ErbB4信號的抗癲癇作用。這些結果強調了GABA能神經元中的NRG1/ErbB4信號在限制癲癇發生過程中不穩定發作活動方面的重要性。

1．4．1 癲癇發作活動增加了NRG1及其功能的表達：在完全激發大鼠的癲癇發作后，通過檢測NRG1 mRNA發現，在一次電刺激誘發癲癇發作后，海馬中的NRG1 mRNA表達增加，刺激后3 h達到峰值。值得注意的是，NRG1的三種主要亞型(Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型)的mRNA水平均有明顯升高[28，30]，只是程度不同。進一步的ELISA實驗表明，刺激完全激發的大鼠癲癇發作活動導致海馬中NRG1蛋白在3 h后增加。為了確定NRG1上調是否是一種癲癇的普遍現象，研究人員建立了另一個廣泛使用的癲癇模型，匹魯卡品喚起強烈的癲癇持續狀態。在此模型中觀察到，匹魯卡品誘導的癲癇發作也導致NRG1 mRNA和NRG1蛋白表達增加[30]。通過測量兩種模型大鼠大腦中磷酸化的ErbB4 (p-ErbB4)水平發現，癲癇發作活動在不改變ErbB4水平的情況下增加了NRG1及其功能的表達。

1．4．2 NRG1抑制癲癇發作：在大鼠激發模型中，使用兩種改變NRG1活性的策略：外源性NRG1的使用和內源性NRG1的中和。為了研究NRG1在癲癇發生中的作用，腦室內NRG1灌注增強了假手術和激發模型大鼠海馬區ErbB4的激活。與媒介或變性處理的NRG1相比，每一次電刺激前NRG1的灌注均顯著延遲了激發模型誘發癲癇的發生，表現為行為發作級別的進展減慢、放電(Electro-Static discharge，ESD)延長時間的減少以及喚起刻板性行為發作所需的電刺激次數的增加。這些結果表明外源性NRG1可以抑制激發模型中的癲癇發生[28]。為了進一步確定內源性NRG1是否調控癲癇發生，通過使用一種可溶形式ErbB4(ecto-ErbB4)來探討隔離NRG1的后果。這種多肽包含的ErbB4與 NRG1結合并隔離，從而阻止它激活內源性受體[31]。與媒介或變性ecto-ErbB4治療相比，注入ecto-ErbB4極大地促進了發作強度的發展，這表明了內源性NRG1在癲癇發展中有抑制作用[28，31]。以上結果表明，癲癇發作與誘發癲癇的NRG1具有密切相關性。

1．4．3 ErbB4激活在癲癇發生中的作用：大鼠激發模型中，通過在激發過程中使用了PD158780，這是一種有效的ErbB酪氨酸激酶活性抑制劑[32]。與媒介處理相比，PD158780大大加快了行為發作級別的進展，增加了ESD的延長，減少了激發過程中喚起刻板行為發作所需的刺激次數。結合ecto-ErbB4的結果，表明ErbB受體的酪氨酸激酶活性對于NRG1介導癲癇發生的具有抑制作用。通過以上動物實驗，我們能得到結論，NRG1通過激活ErbB4酪氨酸激酶磷酸化來抑制癲癇發生[18，32]。在進一步的研究中還發現，NRG1/ErbB4信號不僅可以抑制激發過程中的癲癇發生，還可以減輕癲癇腦內興奮狀態的形成。此外，NRG1/ErbB4信號的激活也抑制了癲癇誘導的神經回路的長期改變。

2 NRG1/ErbB4基因的癲癇易感性

癲癇具有遺傳性，人們已經發現了幾種易患癲癇的基因[28]，在對NRG1基因多態性的檢測中發現其與癲癇發生具有一定的相關性，推測NRG1/ErbB4可能作為癲癇的易感基因影響著癲癇的發生。目前，研究已經證實NRG1是精神分裂癥的主要易感基因之一[32-33]，而癲癇與精神分裂癥之間具有一定的關聯性，研究表明[34-37]，患有癲癇疾病者有1.5倍的風險發展為精神分裂癥，精神分裂癥患者同樣也會出現癲癇樣癥狀，由此可以推測兩者之間可能存在相同的生物學表型和易感基因。 通過NRG1/ErbB4基因的突變與癲癇發生的相關性研究。已有學者發現，NRG1(SNP rs35753505)與癲癇易感性有關性，其中NRG1 SNP(rs35753505)基因多態性影響著部分性癲癇的易感性[38]。早期有研究發現，早發性肌陣攣性腦病患者也存在ErbB4基因的突變[39]。LI等[40]也曾報道過在顳葉癲癇患者中ErbB4 mRNA表達發生下調。這些結果表明，NRG1/ErbB4有很大可能是許多人群中的一種癲癇易感性基因。

3 討論

癲癇通常被認為是一種神經功能障礙疾病[41]。NRG1/ErbB4信號明顯參與了大腦發育的重要過程[10，42]，NRG1通過激活ErbB4受體，增強前額皮質釋放GABA，抑制興奮性神經元活動。NRG1或ErbB4功能的喪失或NRG1信號的干擾將影響大腦中神經細胞的發育以及突觸的形成，從而導致神經傳遞和皮質功能的改變，發生癲癇樣癥狀和認知障礙。雖然已經證實NRG1/ErbB4與癲癇發生有很大的相關性，但NRG1和ErbB4中的基因變異如何影響癲癇易感性仍不清楚。一種可能的假設是，基因變異具有調節作用，通過改變NRG1和ErbB4的表達，或剪接NRG1和ErbB4基因，或通過改變NRG1或ErbB4 mRNA的穩定性，從而影響癲癇的易感性[28]。已有研究為這一假設提供了一些證據，如在動物癲癇激發模型中，人們發現NRG1 mRNA表達增加，ErbB4表達異常[30，41]。雖然在人類致癇組織中也發現NRG1和ErbB4蛋白水平顯著升高，但NRG1和ErbB4的蛋白水平是否與癲癇易感性相關，也一直存在爭議，需要更多的臨床試驗去證明。總的來說，NRG1/ErbB4信號通路影響著癲癇的發生發展，其與癲癇的易感性我們也會在臨床上進一步去證實，希望為癲癇的治療在遺傳學上提供一些新的方向。