神經(jīng)酰胺與神經(jīng)細胞增殖

鄧同興 王志新 王敏麗 高曉群

神經(jīng)鞘脂類是重要的細胞活性調節(jié)劑，尤其是神經(jīng)酰胺被認為是多細胞有機體內(nèi)重要的脂類細胞信號之一，它參與多種細胞信號轉導途徑，具有調節(jié)細胞生長、分化及增殖，調控細胞的凋亡(包括自噬)，參與應激、免疫、炎癥等生理功能。本文綜述了神經(jīng)酰胺誘導神經(jīng)細胞增殖的信號通路及機制方面的研究，以更全面地理解神經(jīng)酰胺及其產(chǎn)物在神經(jīng)元中的生理功能及意義，有助于對神經(jīng)損傷后再生及神經(jīng)生發(fā)機制更進一步的研究，為治療和預防神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的神經(jīng)損傷提供新的治療方略及方法。

一、神經(jīng)酰胺

1.神經(jīng)酰胺的生成:神經(jīng)酰胺(ceramide，Cer)由各種脂肪酸經(jīng)N-?；纬傻那拾被奸L鏈(通常是鞘胺醇，二氫鞘胺醇或4-羥雙氫鞘胺醇)構成的(圖1)[1]。神經(jīng)酰胺作為所有神經(jīng)鞘脂類的骨架結構，它的產(chǎn)生涉及多種介質，包括致炎因子、氧化應激、游離脂肪酸水平的增加及肥胖狀態(tài)下的脂肪組織等[2]。機體內(nèi)游離的神經(jīng)酰胺含量很少，它們主要以鞘脂的形式存在于細胞內(nèi)，神經(jīng)酰胺的分類是由其結構中脂肪酸的碳原子數(shù)目而定，在動物體內(nèi)只含有偶數(shù)碳原子的神經(jīng)酰胺(C2～28);Seumois等認為C16、C18和C24神經(jīng)酰胺與動物脂質代謝和信號轉導關系最為密切，其中C16和C24神經(jīng)酰胺參與調節(jié)機體內(nèi)細胞增殖和凋亡，而C18神經(jīng)酰胺則抑制細胞的生長[3]。

圖1 神經(jīng)酰胺的生成與代謝(Reynolds C P，2004)

神經(jīng)酰胺可以由從頭合成或神經(jīng)鞘磷脂酶反應產(chǎn)生，也可以由神經(jīng)酰胺-1-磷酸(C1P)生成，其中從頭合成是以絲氨酸和軟脂酰為原料，經(jīng)過縮合反應生成3-酮二氫鞘氨醇，再通過一系列的酶促反應生成神經(jīng)酰胺，然后參與神經(jīng)鞘磷脂循環(huán)(圖1)[4]。神經(jīng)酰胺合成神經(jīng)鞘磷脂需要神經(jīng)鞘磷脂合成酶(sphingomyelin synthase，SMS)參與，SMS催化神經(jīng)酰胺和卵磷脂生成甘油二酯和神經(jīng)鞘磷脂(SM)，因此，SMS的活性與神經(jīng)鞘磷脂合成以及神經(jīng)酰胺代謝、蓄積等密切相關[5]。

2.神經(jīng)酰胺在神經(jīng)元增殖中的作用:神經(jīng)元對神經(jīng)酰胺生成的生理反應取決于下游信號對神經(jīng)酰胺調節(jié)作用的識別，這些下游信號包括JNK and p38，ERK，MAPK，轉錄因子如caspase和NF-κB等，其中有些在神經(jīng)酰胺介導神經(jīng)元增殖中起著重要作用[1]。在神經(jīng)細胞中，JNK和p38MAPK與細胞凋亡有關，而細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)參與細胞的增殖與分化[6]。

在哺乳動物體內(nèi)存在著與神經(jīng)細胞生長、發(fā)育有關的神經(jīng)營養(yǎng)因子即β-神經(jīng)生長因子(β-NGF)，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)，神經(jīng)營養(yǎng)因子-3(NT-3)，神經(jīng)營養(yǎng)因子-4(NT-4)和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)，其中β-NGF在神經(jīng)發(fā)育過程中起著重要作用，它能通過p75NGF受體誘導神經(jīng)鞘磷脂水解，增加神經(jīng)酰胺的生成[1，7]。

在海馬神經(jīng)元，神經(jīng)酰胺是通過中性神經(jīng)鞘磷脂酶(N-SMase)對神經(jīng)生長因子(NGF)的反應生成的，而不是通過酸性神經(jīng)鞘磷脂(A-SMase)酶;由中性神經(jīng)鞘磷脂酶(N-SMase)作用生成的神經(jīng)酰胺能激活神經(jīng)酰胺激活的蛋白激酶(CAPK)，進而啟動絲裂原活化蛋白激酶-細胞外信號調節(jié)激酶(MAPKERK)的級聯(lián)反應，誘導細胞的增殖[1]。海馬神經(jīng)元在后有絲分裂從海馬遷移時，神經(jīng)酰胺并沒有阻止增殖，但是在神經(jīng)細胞形成的進程中，一定程度的刺激會繼續(xù)導致軸突的形成，促使神經(jīng)細胞的代償增殖[8]。

二、與細胞增殖有關的神經(jīng)酰胺信號通路

神經(jīng)酰胺信號通路參與多種細胞信號轉導通路，在不同的細胞中調控不同的細胞效應，其中介導細胞增殖效應的通路包括絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路和神經(jīng)酰胺-1-磷酸(C1P)循環(huán)通路。

1.MAPK通路:絲裂原活化蛋白激酶屬于細胞內(nèi)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其中MAPK信號通路是真核細胞中的一個重要信號系統(tǒng)，能將多種細胞外刺激產(chǎn)生的信號從細胞膜傳遞到細胞核內(nèi)，在細胞的增殖、分化、發(fā)育、轉化和凋亡過程中起著重要作用[9]。在多細胞組織中，細胞增殖的調節(jié)是一個復雜的過程，主要是由周圍細胞產(chǎn)生的外部生長因子的調節(jié)，而MAPK通路涉及一系列的蛋白激酶的級聯(lián)反應，在調節(jié)細胞增殖過程中起著至關重要的作用[10]。該通路主要有3條通路組成，包括 ERK通路、JNK/SAPK通路、p38MAPK通路;這些通路在細胞信號轉導過程中獨立存在，在不同細胞中產(chǎn)生不同的細胞效應。

ERK通路中Raf-MEK-ERK通路反應是經(jīng)典的MAPK信號通路之一，受體酪氨酸激酶、G蛋白偶聯(lián)受體和某些細胞因子受體都能激活ERK信號轉導途徑;ERK既能磷酸化胞質蛋白，又能使一些核轉錄因子如 c-fos、c-Jun、Elk-1、Ets1/2 和 p53 等磷酸化，參與細胞增殖與分化的調控[11]。另外，ERK也能磷酸化ERK信號通路的上游蛋白如NGF受體、SOS、Raf-1、MEK等，進而對該通路進行負反饋調節(jié)[12];磷酸化的ERK有p44MAPK和p42MAPK，也被稱為ERK1和ERK2，它們能調控細胞周期，促進細胞增殖、有絲分裂及分化，參與GAP交聯(lián)、肌動蛋白和微管蛋白網(wǎng)及軸突的延伸，增加酶的活性[12]。經(jīng)典的ERK家族(p44/42MAPK)是細胞有絲分裂的胞內(nèi)檢測點，生長因子等激活p44/42MAPK后啟動有絲分裂，促使細胞向G1/S期分裂[13]。激活的Ras或MEK通過cyclin DI(一種G1/S期特異表達蛋白)啟動因子誘導受體基因的表達，同時，Raf-MEK-ERK級聯(lián)反應調控Cyclin D-Cdk4/6復合物的翻譯后修飾。因此，Raf-MEK-ERK信號通路主要負責調控G1/S期的進程，促進細胞的增殖[14]。

JNK/SAPK通路涉及多種生理過程，但主要參與caspase-3通路誘導的細胞凋亡過程，Pedram等學者研究發(fā)現(xiàn)ERK與JNK交叉反應和JNK反應產(chǎn)物能促進內(nèi)皮細胞生長因子誘導G1/S期的進展和增加細胞的增殖，JNK最終調節(jié)ERK刺激細胞的增殖[15];而p38MAPK通路主要是調控細胞周期，參與細胞的凋亡過程[16]。

2.神經(jīng)酰胺-1-磷酸循環(huán)通路:神經(jīng)酰胺-1-磷酸(C1P)是神經(jīng)酰胺在神經(jīng)酰胺激酶作用下經(jīng)磷酸化生成的一類有生物活性的神經(jīng)鞘脂類，參與調控應急狀態(tài)下的生理功能，包括抑制細胞凋亡，調控細胞自噬，控制炎癥及促進細胞增殖等[17]。在不同的細胞中，C1P能夠促進有絲分裂而抑制細胞凋亡。研究證實，C1P在巨噬細胞中的主要作用是促進細胞分裂，其中涉及磷酸肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(PKB，也被稱為Akt)的激活，蛋白激酶Ca，以及絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節(jié)激酶1/2(ERK1/2)和 C-Jun-氨基末端激酶(JNK)通路[18]。

C1P抑制細胞凋亡，促進細胞有絲分裂包括兩個主要機制[17]:①直接抑制酸性神經(jīng)鞘磷脂酶，該酶是水解鞘磷脂生成神經(jīng)酰胺的信號激活酶;②抑制絲氨酸棕櫚酰轉移酶，這是神經(jīng)酰胺從頭合成途徑的關鍵調節(jié)酶。這些酶中的任何一種酶被抑制都會引起促凋亡水平的神經(jīng)酰胺含量減少，進而阻止凋亡;此外，C1P能通過促進存活PI3K/PKB通路的刺激作用而抑制細胞凋亡;C1P的其他反應可能對控制細胞增殖或凋亡有重要影響，如細胞鈣內(nèi)流或外流的啟動[19]。最近有研究發(fā)現(xiàn)，C1P能有效地刺激細胞的遷移;C1P刺激細胞的增殖不依賴受體的相互作用，而是取決于細胞內(nèi)C1P的濃度[17]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是C1P調控細胞增殖的關鍵酶之一，它的激活需要先啟動RhoA/ROCK通路，該反應在C1P的促有絲分裂效應中起著重要作用[20]。

三、蛋白激酶Cα在神經(jīng)酰胺信號通路中的作用

蛋白激酶 Cα(protein kinase Cα，PKCα)是蛋白激酶C家族成員之一，屬于經(jīng)典Ca2+依賴型蛋白激酶C。PKCα是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在不同的刺激作用下，參與調控細胞增殖、分化和凋亡等多種生物學功能[21]。PKCα需要激活才能調節(jié)細胞功能，其活化機制[22]包括:①磷酸化(Thr-497，Thr-638，Ser-657);②與輔助因子結合[磷酸肌醇特異性磷脂酶C(PLC)，磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸(PIP2)，肌醇三磷酸(IP3)，甘油二酯(DAG)，Ca2+等];③細胞內(nèi)定位(與胞內(nèi)蛋白結合)。

在不同的細胞類型中，如內(nèi)皮細胞、癌細胞等，PKCα激活Ras-1蛋白激酶的磷酸化，導致細胞外調節(jié)激酶-絲裂原活化蛋白激酶(ERK-MAPK)的級聯(lián)反應，進而促進細胞的增殖;同時，進一步活化激活蛋白1(AP1)的轉錄活性，通過低分子GTP酶Rho激酶與ERK-MAPK級聯(lián)反應的相互作用，引導細胞的遷移[23]。激活的 PKCα還能增加細胞周期蛋白D1(cyclin D1)的表達，促進細胞周期的進程[24]。

蛋白激酶Cα在神經(jīng)酰胺信號通路中也發(fā)揮著重要作用，主要參與神經(jīng)酰胺-1-磷酸(C1P)循環(huán)通路。在該通路中，PKCα的激活不依賴磷脂酰肌醇或磷酸卵磷脂依賴性磷脂酶C前刺激物，但需要神經(jīng)鞘磷脂合成酶(SMS)的刺激[17]。抑制PKCα的活性會阻斷C1P誘導細胞的有絲分裂，阻止細胞的增殖[17]。C1P能促進PKCα在Ser-657殘基位點的磷酸化，活化的 PKCα是誘導細胞增殖的主要刺激物[25]。PKCα經(jīng)SMS激活后，進一步通過 C1P激活DNA的合成，同時，激活MAPK下游信號ERK1/2以及PKB，共同促進細胞的有絲分裂，誘導細胞增殖[17]。

四、SMS2-/-基因敲除小鼠在研究神經(jīng)酰胺信號通路中的意義

神經(jīng)鞘磷脂合成酶是神經(jīng)鞘磷脂合成的關鍵酶，它參與催化磷酸膽堿由磷酸卵磷酯(PC)轉移到神經(jīng)酰胺，生成鞘磷脂和甘油二酯[26]。SMS在鞘脂和磷脂代謝過程中處于中心地位，參與調節(jié)細胞內(nèi)甘油二酯和神經(jīng)酰胺的水平。在哺乳動物基因組中，SMS有兩種同工酶即SMS1和SMS2，其中SMS1主要集中在高爾基體，而SMS2主要分布于細胞膜與高爾基體上[27]。SMS1主要調節(jié)細胞內(nèi)SM的水平，參與神經(jīng)酰胺調控不同細胞功能，以及Fas誘導的細胞凋亡;而SMS2主要參與細胞膜及脂筏SM水平及細胞外信號的傳遞，調節(jié) NFB的活性[28]。RNA干擾誘導的SMS1或SMS2的缺失會引起SM的合成減少，神經(jīng)酰胺大量蓄積，增強神經(jīng)酰胺的細胞效應[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，SMS2-/-基因敲除小鼠血液SM水平降低，患動脈粥樣硬化的風險也降低[30]。

美國紐約州立大學蔣憲成教授以C57BL/6小鼠為背景，將SMS2基因1.1kb的內(nèi)含子1、0.7kb的外顯子2和6.2kb的內(nèi)含子2敲除，再通過與C57BL/6J小鼠的雜交而得到SMS2+/-小鼠，然后將收獲的SMS2+/-小鼠進行互交、回交，最終成功地克隆出神經(jīng)鞘磷脂合成酶2基因敲除鼠(SMS2-/-)[30]。該系小鼠SMS2-/-基因的缺失，造成神經(jīng)酰胺在體內(nèi)蓄積，引起神經(jīng)酰胺下游信號級聯(lián)反應的激活，產(chǎn)生不同的細胞效應。該模型的建立不僅有利于研究神經(jīng)鞘磷脂代謝所致動脈粥樣硬化的作用，也為神經(jīng)酰胺相關的神經(jīng)細胞增殖與凋亡的研究提供了一個重要的動物模型基礎[30]。

五、總結與展望

總之，神經(jīng)酰胺作為重要的第二信使，在不同細胞中產(chǎn)生不同的細胞效應，在細胞的增殖、分化及凋亡過程中起著至關重要的作用，并參與某些疾病如腫瘤、白血病等疾病發(fā)生發(fā)展的病理生理過程。因此，闡明神經(jīng)酰胺在細胞尤其是神經(jīng)細胞中的作用機制，有利于完善細胞增殖分化及凋亡等機制的研究，尤其是神經(jīng)損傷后再生及神經(jīng)生發(fā)機制方面的研究，對于某些疾病的治療和預防有著重要意義。神經(jīng)酰胺在誘導一些細胞凋亡的同時，也參與了細胞的增殖、分化過程，但它在神經(jīng)細胞中的生物效應尚有待進一步的實驗論證。

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