IGF-I對小腦顆粒神經(jīng)元保護(hù)機(jī)制的研究

楊 娟綜述， 楊 薇審校

胰島素樣生長因子-I(Insulin-like growth factor-I，IGF-I)作為IGF家族中的一員，有重要的神經(jīng)營養(yǎng)和神經(jīng)保護(hù)作用，對神經(jīng)元的存活至關(guān)重要。本文就IGF-I對小腦顆粒神經(jīng)元(Cerebellar granule neurons，CGNs)保護(hù)機(jī)制的研究近況做一綜述。

IGF-I是一種由70個氨基酸組成的單鏈多肽類神經(jīng)營養(yǎng)因子，分子量為7.7KD。機(jī)體許多組織，如肺、腎、胸腺、脾臟、心臟、肌肉、胃都可以合成并分泌IGF-I，但主要由肝臟合成，此外IGF-I合成遍布全腦和脊髓［1］。研究表明，IGF-I信號傳導(dǎo)是調(diào)節(jié)機(jī)體蛋白質(zhì)合成、糖代謝、細(xì)胞增殖和分化的關(guān)鍵性細(xì)胞途徑之一，同時在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的發(fā)育和功能中起重要作用，包括神經(jīng)元存活的調(diào)節(jié)、神經(jīng)發(fā)生、學(xué)習(xí)、記憶、認(rèn)知功能、壽命等［2］。IGF-I通過旁分泌和自分泌方式與其同源性酪氨酸激酶受體IGF-I受體結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，并受IGF-I結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)。

顆粒神經(jīng)元是腦中最大的同源性細(xì)胞群，占小腦神經(jīng)元的90%以上。嚙齒類動物的小腦皮質(zhì)在生后發(fā)育，出生后前3w通過外顆粒層增殖產(chǎn)生大量的小腦顆粒祖細(xì)胞，繼而停止細(xì)胞周期，穿浦肯野細(xì)胞層，遷移到內(nèi)顆粒層，在此最終分化為顆粒神經(jīng)元［3］。

在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，約有50%的神經(jīng)元會發(fā)生凋亡。在小腦皮質(zhì)中，浦肯野細(xì)胞產(chǎn)生并釋放IGF-I，是體內(nèi)CGNs維持生存的首要神經(jīng)營養(yǎng)因子，當(dāng)浦肯野細(xì)胞減少時，IGF-I合成減少，導(dǎo)致 CGNs的變性［4］。亦有研究表明，當(dāng)給予IGF-I受體抗體時，浦肯野細(xì)胞對CGNs的促生長作用被抑制，提示浦肯野細(xì)胞分泌的IGF-I參與鄰近CGNs的凋亡的抑制［5］。有研究發(fā)現(xiàn)，IGF-I、IGF-I受體、IGF-I結(jié)合蛋白的表達(dá)水平與生后小腦生長高峰相關(guān)［6］。對IGF-I轉(zhuǎn)基因鼠的研究很好地證明了其在小腦發(fā)育和功能中的重要性。IGF-I敲除鼠大多死于宮內(nèi)，即使存活，腦部也明顯縮小，并伴有較少的髓磷脂和神經(jīng)過程［7］。而在CNS過度表達(dá)IGF-I的轉(zhuǎn)基因鼠中，腦部呈現(xiàn)過度生長狀態(tài)，尤其以小腦為著，小腦達(dá)正常體積的2倍，顆粒神經(jīng)元和浦肯野細(xì)胞分別增加82%和20%［8］。有研究發(fā)現(xiàn)CGNs數(shù)目的增加主要?dú)w因于IGF-I的促存活作用，其次是由于對顆粒神經(jīng)元祖細(xì)胞的增殖作用［9］。體外CGNs原代培養(yǎng)，在去除血清和低鉀條件下會誘導(dǎo)CGNs凋亡，是常用的凋亡模型。

研究發(fā)現(xiàn)，IGF-I不僅參與凋亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)、凋亡基因的激活和細(xì)胞凋亡的執(zhí)行，而且還通過影響其他生物活性分子起作用。IGF-I抗凋亡可能涉及的信號傳導(dǎo)通路主要包括絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)和磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(Phosphatidylinositol3-kinase，PI3-K/AKT)信號通路，而 IGF-I對神經(jīng)元的保護(hù)作用主要通過PI3-K/AKT途徑。IGF-I通過結(jié)合IGFI受體，使之發(fā)生自身磷酸化，隨之激活PI3-K/AKT信號級聯(lián)反應(yīng)，反過來介導(dǎo)IGF-I的神經(jīng)保護(hù)作用。AKT，又稱為蛋白激酶B(Protein Kinase B，PKB)是絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，是PI3-K的下游調(diào)節(jié)分子，對神經(jīng)元的存活起關(guān)鍵作用，激活的AKT磷酸化BAD，使之滅活(BAD作為BCL-2家族的促凋亡成員，激活內(nèi)在凋亡途徑)［10］。IGF-I的神經(jīng)保護(hù)作用涉及的信號傳導(dǎo)途徑依據(jù)細(xì)胞類型不同而有所區(qū)別，例如IGF-I對CGNs的保護(hù)作用不受MAPK激酶抑制劑PD98059的影響，而PD98059與LY294002都能抑制IGF-I對PC12細(xì)胞的抗凋亡作用［11］。趙靈芝等人［12］研究證實苯妥英鈉通過降低AKT活性，參與CGNs的凋亡;IGF-I可顯著抑制由苯妥英鈉誘導(dǎo)的 CGNs凋亡，給予 PI3-K特異性抑制劑LY294002，可消除IGF-I對CGNs的保護(hù)作用。

Linseman等人研究發(fā)現(xiàn)，IGF-I通過PI3-K/AKT此途徑抑制Bim(Bax依賴的細(xì)胞色素C產(chǎn)生的中介者)的產(chǎn)生，抑制Caspase-9(凋亡內(nèi)在途經(jīng)的起始者)與Caspase-3(凋亡的執(zhí)行者)的活性，進(jìn)而抑制細(xì)胞色素C的釋放［13］。IGF-I在生后發(fā)育的早期階段增加小腦抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xl的表達(dá)，減少晚期階段促凋亡蛋白Bax和Bad的表達(dá)，進(jìn)一步抑制caspase3蛋白催化活性［9］。目前線粒體細(xì)胞色素C的釋放，有兩大機(jī)制受到廣泛關(guān)注，一是通透性轉(zhuǎn)換孔(Permeability transition pore，PTP)的開放，PTP是由電壓依賴性陰離子通道、腺嘌呤核苷酸載體、親環(huán)蛋白D及一系列蛋白質(zhì)組成的異蛋白質(zhì)絡(luò)合物，其位于內(nèi)外線粒體膜的結(jié)合位點(diǎn)，一些促凋亡因素能打開PTP，導(dǎo)致線粒體膜電位的破壞、ATP合成的減少、溶質(zhì)和水進(jìn)入線粒體基質(zhì)，最后引起線粒體腫脹和線粒體外膜的破壞，蛋白質(zhì)滲出。去除營養(yǎng)因子的CGNs中，IGF-I并不能阻止線粒體腫脹和去極化，此時PTP是開放的，提示PTP的開放是不足以引起細(xì)胞色素C的釋放的［13］。二是線粒體外膜上含Bax或者Bak蛋白質(zhì)形成的通道。Bax與Bak從屬于Bcl-2家族，有促凋亡作用。研究顯示Bim增進(jìn)Bax與Bak的促凋亡作用，同時抑制Bcl-2的抗凋亡作用［14］。在去鉀和血清的CGNs中，蛋白表達(dá)定量分析顯示Bims的表達(dá)顯著上調(diào)，而IGF-I減弱其表達(dá)，說明Bim的抑制是IGF-I抑制細(xì)胞色素C釋放的機(jī)制之一［13］。

Yamagishi等人研究發(fā)現(xiàn)，IGF-I能夠降低p38和c-Jun的活性，抑制CGNs的凋亡，但是給予LY294002并不能完全抑制IGF-I的促存活作用，提示IGF-I可能通過PI3-K以外的分子途徑激活A(yù)KT，發(fā)揮促存活作用［15］。Yamade等亦證明在培養(yǎng)的皮質(zhì)神經(jīng)元中，LY294002只是部分抑制IGF-I的促存活作用［16］。Berra等研究發(fā)現(xiàn)，PI3-K/AKT的抑制導(dǎo)致p38的激活和凋亡的發(fā)生［17］。近來有研究報道，ASK1是p38-c-jun途徑的上游調(diào)節(jié)分子［18］。IGF-I能夠抑制ASK1，提示是通過PI3-K-ASK1途徑抑制p38的作用［15］。有研究顯示，糖原合酶激酶(Glycogen synthase kinase-3beta，GSK3β)促進(jìn)CGNs發(fā)生凋亡，結(jié)構(gòu)活躍的GSK3β使促凋亡Bcl-2家族成員BAX磷酸化并異位到CGNs的線粒體內(nèi)導(dǎo)致凋亡［19］，應(yīng)用藥物抑制GSK3β的活性后，能阻止低鉀誘導(dǎo)的凋亡，同時研究發(fā)現(xiàn)GSK3β是高鉀、IGF-I、cAMP、鋰發(fā)揮促存活作用的共同下游調(diào)節(jié)分子，通過AKT誘導(dǎo)GSK3β磷酸化，抑制其活性，減少低鉀誘導(dǎo)的CGNs的凋亡［20］。同時有研究顯示，組蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylases，HDACs)是GSK3β致神經(jīng)毒性的下游調(diào)節(jié)分子，在給予IGF-I后，通過激活A(yù)KT抑制 HDAC3介導(dǎo)的神經(jīng)毒性［21］。有研究證實 FoxG1是IGF-I介導(dǎo)神經(jīng)元存活的下游中介物，IGF-I通過抑制低鉀誘導(dǎo)CGNs凋亡過程中FoxG1表達(dá)的下降，減少CGNs的凋亡［22］。之前已有研究提示，F(xiàn)oxG1在Thr271位點(diǎn)被AKT直接磷酸化［23］。

Bonthius等研究證實，IGF-I通過 NO-cGMP-PKG途徑發(fā)揮對CGNs的神經(jīng)營養(yǎng)作用，但是對暴露于酒精的CGNs無保護(hù)作用［24］。目前酒精對腦的損壞眾所周知，發(fā)育中的小腦對酒精尤其敏感，但酒精導(dǎo)致神經(jīng)元數(shù)量減少的的具體作用機(jī)制不甚清楚，酒精可能直接殺死顆粒神經(jīng)元或通過抑制谷氨酸鹽的營養(yǎng)作用而減少細(xì)胞的數(shù)量。近來有研究顯示酒精會抑制IGF-I信號傳導(dǎo)通路。Zhang等研究證實，酒精通過抑制IGF-I受體激酶的自身磷酸化和與PI3-K的結(jié)合，拮抗IGF-I在低鉀條件下的抗凋亡作用，即使增大IGF-I含量也不能保護(hù)CGNs免于酒精毒性作用，提示酒精通過非競爭性作用機(jī)制抑制IGF-I的保護(hù)作用［25］。IGF-I對CGNs的保護(hù)作用的研究近來已成為研究熱點(diǎn)，IGF-I對細(xì)胞凋亡的抑制調(diào)控機(jī)制尚未完全闡釋清楚，可能還存在許多未知的信號途徑和調(diào)控基因在發(fā)揮作用，但隨著對IGF-I與細(xì)胞凋亡研究的不斷深入，IGF-I信號傳導(dǎo)途徑的干預(yù)有可能作為保護(hù)CGNs的新靶點(diǎn)。

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