Neuritin對神經及血管的功能研究進展

董恩柱 楊 麗 任峻峰 張 晨 閆賀寧

石河子大學醫學院(新疆 石河子 832002)

1993年,Nedivifi以谷氨酸類似物紅藻氨酸鹽作為誘導物,刺激大鼠海馬齒狀回,并在其中篩選到一系列與長期可塑性有關的基因[1]。1996 年,從以上眾多基因中 Nedivi 通過光誘導刺激大鼠新皮質實驗,得到一個基因并將其命名為CPG15[2]。1997年,Naeve等的對從人類腦皮質cDNA文庫中篩選得到的CPG15 進行研究,發現它的表達產物能促進神經突起的快速生長,因而又將其命名為Neuritin。

Neuritin基因在不同物種間有較高的保守性,例如人與鼠的同源性可達98%。人類Neuritin 基因主要存在于腦組織,其次為肝臟和肺,心臟和骨骼肌等其它組織中也有該基因表達[3-4]。人類的 Neuritin基因位于染色體 6P25.3,全長2072bp,表達產物含有142個氨基酸。Neuritin 蛋白有可溶性和膜蛋白兩種形式,其膜蛋白形式以GPI 錨定位點錨定在細胞膜上。作為神經營養因子家族的一個新成員,Neuritin不僅在神經系統發揮重要作用,也在血管生成方面扮演重要角色。

1 Neuritin對神經的作用

Neuritin在神經系統的發育中發揮了重要的作用,促進神經元突起生長及神經元遷移、抑制神經元凋亡、促進神經元再生、促進并鞏固突觸回路的形成等,很可能是外周和中樞神經系統疾病的潛在治療靶點。

1.1Neuritin抑制神經元凋亡 Putz等[5]報道,在哺乳動物前腦的發育期間,過表達Neuritin能夠阻止特定神經元始祖細胞亞群的凋亡,使得前腦大于正常對照組。研究表明,過表達Neuritin基因一方面通過抑制損傷神經元Caspase-3的激活來減少細胞凋亡[6],另一方面,通過下調Caspase-8的表達介導抑制內質網應激反應來抑制神經元的凋亡[7]。此外,Rui G用外源性Neuritin抑制脊髓損傷早期Caspase-3的激活和聚ADP核糖聚合酶(PARP)的降解,從而抑制受損神經元的凋亡[8]。因此,當損傷腦組織中Neuritin表達明顯增高時,通過抑制神經元凋亡對蛛網膜下腔出血后早期腦損傷起保護作用。

氧化應激也是神經元凋亡的重要原因之一。氧自由基引起膜磷脂水解,蛋白質、脂質和核酸的過氧化反應,蛋白質失活和變性,核酸骨架斷裂,最終導致神經元凋亡。糖尿病大鼠在外周神經結構和功能出現異常之前,體內Neuritin含量下降,伴隨出現嚴重的氧化應激[9]。據報道,MiR-204可以通過抑制Neuritin1蛋白的表達來提高雪旺細胞對氧化應激的敏感性,誘導了氧化應激和裂解Caspase-3的表達,導致細胞凋亡增加[10]。

1.2Neuritin促進軸突再生 過表達Neuritin會誘導神經纖維生成、軸突樹狀化和軸突延長。Neuritin在外周神經系統軸突再生過程中表達增加,而在糖尿病小鼠模型的外周神經系統中Neuritin表達減少,這種減少的表達可能導致軸突再生不足[11]。Sharma等通過離體實驗進一步表明,Neuritin 1促進軸突損傷后的視網膜神經節細胞存活和軸突再生[12]。Neuritin一方面可以誘導NF200和GAP-43表達上調,為軸突再生創造良好的微環境[8]；另一方面,Neuritin在損傷神經的微環境中會減緩逆行變性,加速神經纖維的功能恢復[13]。

1.3Neuritin促進神經元突起的生長 Cappelletti[14]等發現在神經生長因子誘導PC12細胞分化過程中,Neuritin調節神經元突起的生長。Pan Zhang[15]等研究表明Neuritin是NEURL1的上游和負調節因子,抑制NEURL1介導的Notch信號,以促進突起生長。而NEURL1是一種重要的調節因子,通過促進Notch配體的Jagged1內吞作用來激活Notch信號。Neuritin顯著抑制NEURL1促進的內吞作用,進而抑制Notch受體Notch胞內結構域(NICD)的激活,降低下游基因hairy和split-1增強子(HES1)的表達。從而Neuritin恢復了Notch激活引起的突起的回縮,促進神經元突起的生長,參與了神經發育和再生過程。

1.4Neuritin改善認知功能 阿爾茨海默病(AD) 是老年癡呆的常見類型,也是一類復雜的神經退行性疾病,但是病因并未明確。Chang[16]等發現AD患者大腦皮層和海馬Neuritin的表達減少,Neuritin能恢復Tg2576神經元原代海馬神經元樹突棘密度的降低和單個棘的成熟,并減輕Tg2576 AD小鼠的認知功能缺損。Li Fei[17]等發現認知損傷的5個月齡APP/PS1小鼠海馬區的miR-574水平顯著升高,而使用miR-574抑制劑能顯著提高Neuritin和突觸蛋白的表達水平,說明miR-574通過調節Neuritin參與小鼠的認知損傷。Zhao[18]發現Neuritin通過增加海馬脊神經密度,阻止極低頻電磁場暴露誘導的行為和認知障礙的效應,逆轉電磁場對小鼠新物體聯想識別記憶的影響。

2 Neuritin對血管生成的作用

神經系統通過不斷更新的電信號負責傳遞信息,而循環系統通過流動的血液負責傳遞營養物質和代謝廢物,二者在功能上非常相似。人體內神經和動脈不僅在宏觀上呈毗鄰位置關系,而且在微觀上都有相似的特殊細胞結構。生長的神經軸突頂端的“軸突生長錐[21]”,延伸扇狀片狀突起和長的指狀絲狀突起來感知局部微環境,從而控制軸突的生長[21-22]；而萌發血管頂端的“內皮尖端細胞”,表現出類似的片狀脂膜和絲足結構,在外觀和功能上與軸突生長錐相似[19,23,24]。分子水平上,兩個系統都使用基于肌動蛋白細胞骨架來感知引導信號,根據周圍微環境的變化拉伸或者收縮,讓處于生長狀態的神經和血管做定向運動[25]。

神經與血管相似的形態結構和功能以及共同的發育原則,使得看似獨立的兩個系統相互聯系、相互影響,二者之間的相互作用協調著它們的生長。神經可以通過一些共同的信號分子對血管產生影響,目前已經發現指導軸突生長分子Netrins,Semaphorins等可以引導血管的生長[19-20]。近期越來越多的證據表明,神經營養因子家族的新成員Neuritin,可能在血管導向和網絡形成中發揮類似神經元軸突向導的作用。

2.1Neuritin影響血管生成 目前已經發現了神經與血管之間共同的分子線索,即四個指導軸突生長分子家族Netrins,Semaphorins,Ephrins和Slits。這些分子線索既指導內皮尖端細胞又指導軸突生長錐,它們的受體不僅可以引導生長的軸突,而且可以引導萌發的血管[19,20,21]。除此之外,Le Jan發現在低氧環境下內皮細胞被誘導表達Neuritin[26],推測其可能在血管導向和網絡形成中發揮類似神經元軸突向導的作用。

2.1.1 Neuritin增加組織中微血管密度 Raggo等研究表明,在卡波西肉瘤相關皰疹病毒感染后,真皮微血管內皮細胞從鵝卵石樣單層樣細胞增殖、轉化和聚集成病灶過程中,Neuritin的表達增加[27],間接提示了Neuritin可以促進血管網絡形成。Lei Zhang等發現在星形膠質細胞瘤中,Neuritin的表達量隨腫瘤惡性程度的增高而升高,而且腫瘤微血管密度也隨Neuritin表達量的升高而增高[28]。Dingding Han通過給予人臍靜脈內皮細胞重組的Neuritin,顯著增加了肝癌組織中微血管的密度[29]。因此,Neuritin可以增加微血管的密度,促進血管網絡形成。

2.1.2 Neuritin增強血管內皮細胞遷移能力 Dingding Han[29]通過細胞劃痕實驗發現,Neuritin能夠誘導血管內皮細胞的遷移,并且在體外以劑量依賴性的方式顯著增強人臍靜脈內皮細胞遷移。張建慶等通過細胞劃痕實驗和Transwell遷移實驗,也觀察到過表達Neuritin的血管內皮細胞遷移能力顯著增強[30]。而在微觀角度,Raggo等發現Neuritin的過表達改變了NIH-3T3細胞的形態并支持它們的錨定非依賴性生長[22]；張建慶[30]掃描電鏡還可觀察到 Neuritin 過表達血管內皮細胞表面出現偽足,細胞間粘連排列變得緊密,這些細胞微觀結構的改變促進了內皮細胞的遷移。據報道,過表達Neuritin后細胞內Notch1、VEGFR表達量增加,說明Neuritin可以激活細胞內多種信號分子來促進血管內皮細胞的遷移[30]。

2.1.3 Neuritin增強血管內皮細胞增殖能力 Neuritin表達受到干擾后,HPMEC(人肺微血管內皮細胞株)和NSCLC-VECs(原代人非小細胞肺癌血管內皮細胞)的G0/G1期阻滯增加,S期分布減少,細胞周期進程明顯抑制,凋亡細胞比例明顯升高[30]。隨著細胞內Neuritin表達量的升高,Notch1、VEGFR mRNA與蛋白水平表達明顯增加,Notch可以通過促進VEGFR3與VEGF-C反應抑制內皮細胞凋亡[30]。所以,血管內皮細胞過表達 Neuritin后,促進細胞周期發生,增強內皮細胞增殖能力。

這些證據均提示,Neuritin的表達直接促進了血管生成,推測Neuritin很可能在血管生成過程中發揮了重要作用。

2.2Neuritin對腫瘤作用 Neuritin在多種癌組織均存在高表達。Raggo[27]等將過表達Neuritin的NIH 3T3(胚胎成纖維細胞系)細胞注入裸鼠體內,促進了腫瘤的形成,提示Neuritin很可能是腫瘤發生發展的一個正向調控基因。在乳腺正常組織到乳腺導管內癌、最后到乳腺浸潤性導管癌的變化過程中,Neuritin蛋白及其mRNA呈現顯著增高的趨勢[31]。隨著癌前病變向癌細胞的轉化,Neuritin的高表達對乳腺癌的發生發展起著非常重要的作用。

3 問題與展望

Neuritin在神經系統中發揮了重要的作用其機制日益明確,同時有越來越多的證據表明Neuritin在血管網絡形成過程中也發揮了作用,但其機制仍有待于進一步研究。Neuritin不僅影響神經和血管的形成,而且對干細胞的遷移、衰老、增殖和活性也有影響[32]。JINGLING ZHU[33]發現經過Neuritin處理產生的神經元樣細胞,既表達神經元標記物,還部分表現出神經電生理特性。Neuritin處理可能是誘導骨髓間充質干細胞朝向神經元分化的有效方法,為疾病建模和基于細胞的治療的發展提供一種新途徑。

目前國內外學者對于Neuritin蛋白的研究方法已經很成熟,可通過構建Neuritin畢赤酵母分泌表達系統得到高純度的具有天然活性的Neuritin蛋白,也可通過大腸桿菌構建pE T-32a-neuritin原核表達載體并純化得到Neuritin蛋白。這為Neuritin功能的研究提供了極大的便利,相信在不久的將來便可揭示它在神經和血管方面扮演的角色及其作用機制,成為神經及血管系統相關疾病的新的治療靶點。