外周神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)微絲蛋白研究現(xiàn)狀

李建寧，任 維，劉一輝

(1陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安710062;2寧夏醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院)

神經(jīng)微絲蛋白(Neurofilaments，NFs)作為神經(jīng)細(xì)胞骨架系統(tǒng)成員的結(jié)構(gòu)和功能在視神經(jīng)損傷及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system，CNS)疾病中已經(jīng)有很多研究。現(xiàn)將NFs在外周神經(jīng)系統(tǒng)(Peripheral nervous system，PNS)中作用的研究進(jìn)展綜述如下。

1 NFs的一般外周特性

NFs是專(zhuān)一性表達(dá)于CNS和PNS神經(jīng)元及其鄰近軸突中的細(xì)胞骨架主要結(jié)構(gòu)單位。NFs是組裝的異源多聚體，由輕型NF(NF-L;66 kDa)、中型NF(NF-M;95-100 kDa)、重型 NF(NF-H;110-115 kDa)蛋白和 α-介連蛋白(α-Catenin，α-Cat)組成［1］，其中α-Cat表達(dá)于發(fā)育早期，在神經(jīng)系統(tǒng)成熟后正常下調(diào)。NFs在神經(jīng)元胞體或近胞體側(cè)軸突堆積是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的標(biāo)志，也被認(rèn)為是神經(jīng)元軸突降解的標(biāo)志物。通常認(rèn)為NFs具有“腳手架”的功能，在細(xì)胞內(nèi)用來(lái)錨定各種不同的細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器與胞質(zhì)蛋白［2，3］。對(duì)于 NFs形態(tài)、直徑、分類(lèi)、基因定位及多肽鏈結(jié)構(gòu)等相關(guān)生物學(xué)特性的認(rèn)識(shí)已經(jīng)比較清楚［4］，本文僅對(duì)其與PNS及外周神經(jīng)損傷相關(guān)的特性進(jìn)行陳述。

一般認(rèn)為，PNS在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育早期最先表達(dá)的是邊緣蛋白并在整個(gè)軸突發(fā)生過(guò)程中保持高濃度，隨后 NFs逐漸開(kāi)始表達(dá)，直到成熟后穩(wěn)定表達(dá)［5］。與NFs mRNA結(jié)合的蛋白有很多種，均參與維持NFs mRNA的穩(wěn)定性等功能，而這些功能失調(diào)可導(dǎo)致某些疾病發(fā)生。CNS通常通過(guò)對(duì)NFs mRNA的運(yùn)輸、翻譯后調(diào)控及其本身穩(wěn)定性改變來(lái)影響軸突發(fā)育和神經(jīng)元穩(wěn)定性［6］。Yabe等研究發(fā)現(xiàn)，在軸突生長(zhǎng)中NFs運(yùn)輸會(huì)被驅(qū)動(dòng)蛋白(Kinesin)的抗體和噻氨酯噠唑(Nocodazole)所阻斷，提示其可沿微管通過(guò)順行方式利用驅(qū)動(dòng)蛋白作為運(yùn)輸馬達(dá)而輸送到坐骨神經(jīng)遠(yuǎn)端［7］。NFs受制于其他一些蛋白質(zhì)的表達(dá)與調(diào)控。比如運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元存活蛋白-1(Survival Motor Neuron 1，SMN1)表達(dá)減少會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端神經(jīng)肌肉接頭處(NeuroMuscular Junctions，NMJs)NFs堆積［8］。

由NFs建構(gòu)的軸突網(wǎng)絡(luò)形成對(duì)于軸突直徑擴(kuò)張和傳導(dǎo)速度增加至關(guān)重要，有學(xué)者認(rèn)為由重型與中型NF形成神經(jīng)微絲側(cè)臂(Sidearm)，此側(cè)臂被認(rèn)為可以插入神經(jīng)束骨架中，在調(diào)控中間細(xì)絲空間構(gòu)型與軸突直徑中起關(guān)鍵作用，其中的重型NF受到磷酸化調(diào)控，而中型NF在所有NFs空間構(gòu)成與軸突直徑調(diào)控中起更重要的作用［9］。Perrot等［4］也認(rèn)為，NFs亞單位磷酸化在調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)、運(yùn)輸、形態(tài)和功能上起關(guān)鍵作用，而糖基化及一些位點(diǎn)(包括部分蛋白質(zhì)模序)修飾也參與其中。

2 NFs與PNS

2.1 NFs與正常外周神經(jīng)纖維 目前研究認(rèn)為，NFs在成年鼠PNS(包括CNS)軸突中密集堆積似乎是一種普遍現(xiàn)象，NFs為PNS軸突中含量最多的細(xì)胞骨架成分，在有髓軸突中占90%以上。成年鼠軸突內(nèi)NFs間距為28 nm，幼鼠軸突內(nèi)NF間距為55 nm，幼鼠與成年鼠近端與遠(yuǎn)端坐骨神經(jīng)中NFs密度不同，此差別與軸突橫截面積相關(guān)［10］。對(duì)巨軸索神經(jīng)病的研究發(fā)現(xiàn)，NF在軸突上的定向缺失可導(dǎo)致其直徑增加和間距減少［11］。PNS主要通過(guò)類(lèi)似于CNS神經(jīng)元胞體進(jìn)行信息整合、處理加工及輸出，調(diào)控NFs表達(dá)。Perrot等［4］認(rèn)為，NFs決定軸突直徑并促進(jìn)長(zhǎng)距離軸突生長(zhǎng)活動(dòng)，從而影響沿軸突進(jìn)行的電傳導(dǎo)。

通常根據(jù)移動(dòng)特性將軸突內(nèi)的NFs分為移動(dòng)NFs和靜止NFs，但是NFs靜止態(tài)與停頓態(tài)之間的關(guān)系還不清楚［12～14］。一般認(rèn)為，NFs是在神經(jīng)元胞體合成并被沿軸突通過(guò)慢速運(yùn)輸傳遞的［15］。Yuan等［14］在視神經(jīng)中發(fā)現(xiàn)，少于25%的NFs在經(jīng)慢速軸漿運(yùn)輸后仍然保留在視神經(jīng)軸突內(nèi)，提示在成熟視神經(jīng)軸突內(nèi)超過(guò)90%的NFs組成固定細(xì)胞骨架，其余不足10%則經(jīng)過(guò)慢速軸漿運(yùn)輸;同時(shí)認(rèn)為經(jīng)慢速軸漿運(yùn)輸?shù)腘Fs或其亞基多聚體是形成成熟軸突高穩(wěn)定性細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的前體。對(duì)于NFs三聯(lián)體的研究發(fā)現(xiàn)，PNS中NFs三聯(lián)體在mRNA水平明顯上調(diào)，這種上調(diào)需要靶標(biāo)的接觸，且與NFs mRNA的穩(wěn)定性相關(guān)，繼而受擔(dān)任NFs mRMA穩(wěn)定性決定者的上游蛋白調(diào)控［16］。NFs表達(dá)與軸突發(fā)育和神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)維持密切相關(guān)。主要通過(guò)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控來(lái)影響其mRNA運(yùn)輸、翻譯及穩(wěn)定性。有實(shí)驗(yàn)顯示，在軸突再生中機(jī)體通過(guò)增加轉(zhuǎn)錄決定NFs表達(dá)，并認(rèn)為正是這種調(diào)控的異常導(dǎo)致疾病產(chǎn)生［6］。已知在金魚(yú)摩斯納細(xì)胞軸突及哺乳動(dòng)物坐骨神經(jīng)中有NFM的mRNA水平表達(dá)，但是否是從鄰近的浦肯野細(xì)胞和施旺細(xì)胞合成并運(yùn)輸而至尚不清楚［17］。Grant等［18］發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶-5(Cyclin-dependent kinases-5，Cdk5)可通過(guò)使NFs發(fā)生磷酸化反應(yīng)影響骨架蛋白質(zhì)間的動(dòng)態(tài)交互，繼而調(diào)控神經(jīng)纖維生成與軸突徑向生長(zhǎng)。有研究利用放射標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)NFs在大鼠背根神經(jīng)節(jié)(Dorsal Root Ganglia，DRG)和靠近DRG胞體軸突中的磷酸化程度比DRG胞體遠(yuǎn)端坐骨神經(jīng)要高，且磷酸化程度與細(xì)胞骨架蛋白慢速運(yùn)輸密切相關(guān)［19］。

2.2 NFs與外周神經(jīng)損傷 外周神經(jīng)病理性疼痛是一類(lèi)特殊疼痛，其直接來(lái)源于影響軀體感覺(jué)系統(tǒng)的損傷或疾病，以自發(fā)性疼痛、痛覺(jué)過(guò)敏和痛覺(jué)超敏為特征［20］。多種動(dòng)物外周神經(jīng)損傷模型的相關(guān)損傷機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，與疼痛密切相關(guān)的多種蛋白質(zhì)因子均可有不同水平的表達(dá)變化［21，22］。NFs具有高度動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，在發(fā)育與成熟神經(jīng)元中經(jīng)歷了亞單位組成的明顯變化，繼而影響軸突的形態(tài)與生理學(xué)功能［2］。低等脊椎動(dòng)物中樞神經(jīng)截?cái)嗪螅琋F-M mRNA在PNS中的表達(dá)比正常軸突降低，說(shuō)明PNS有髓軸突直徑由NF-M 決定［23，24］。一般認(rèn)為，CNS受損后，作為細(xì)胞骨架組成的NFs在mRNA和蛋白質(zhì)水平均下調(diào)，比如大鼠CNS腦皮質(zhì)損傷能引起受損側(cè)及對(duì)側(cè)腦皮質(zhì)中NF-H蛋白水平明顯下調(diào)［25］。已證實(shí)NFs與CNS疾病(如肌萎縮側(cè)索硬化癥，多發(fā)性硬化癥等)發(fā)生機(jī)制、預(yù)后監(jiān)測(cè)關(guān)系密切［26］。如前文所述，針對(duì)其結(jié)構(gòu)磷酸化、糖基化等修飾所引起的變化均與神經(jīng)變性疾病發(fā)病機(jī)理相關(guān)［2］。

相較于CNS，外周神經(jīng)損傷可導(dǎo)致神經(jīng)結(jié)構(gòu)發(fā)生程度不一的改變，這些改變一方面是損傷的結(jié)果，一方面是應(yīng)對(duì)損傷的修復(fù)過(guò)程。有研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)成年大鼠一側(cè)坐骨神經(jīng)造成壓迫損傷后，L4和L5水平大DRG胞體中NF三聯(lián)體mRNA水平在術(shù)后7、14、28 d均降低，NF-L和NF-M mRNA水平術(shù)后1 d即下調(diào)，NF-H mRNA水平則于損傷 7d后下調(diào)［27］。對(duì)截?cái)嗤庵苌窠?jīng)后再生軸突進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，NFs亞單位表達(dá)與軸突生長(zhǎng)模式是重復(fù)進(jìn)行的，并推測(cè)NFs亞單位表達(dá)與再生與否密切相關(guān)［28］。Xiao等［22］檢測(cè)了坐骨神經(jīng)截?cái)嗪?2、7、14、28 d 后相連DRG胞體中三種NF mRNA水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅有NF-M在7 d前后輕微降低。

Uchida等［10］也發(fā)現(xiàn)，近端NF堆積可導(dǎo)致遠(yuǎn)端軸突生長(zhǎng)停滯。Chiu等在強(qiáng)飼2，5-己二酮(2，5-HexaneDione，HD)導(dǎo)致的神經(jīng)軸突萎縮模型中發(fā)現(xiàn)，脛骨神經(jīng)軸突中三種NF蛋白均有明顯下降，而坐骨神經(jīng)中僅為小幅降低，提示軸突NFs含量遞減與HD導(dǎo)致的軸突萎縮并非一一對(duì)應(yīng)，即可能有其他調(diào)控NFs密度因子的改變參與了軸突萎縮的發(fā)生機(jī)制［29］。Lopachin等［30］也認(rèn)為 HD 與可溶性 NF蛋白密切相關(guān)，可通過(guò)阻斷骨架結(jié)構(gòu)合成與維持導(dǎo)致軸突萎縮。Song等［31］對(duì)HD所致坐骨神經(jīng)炎癥進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，16周后坐骨神經(jīng)中NF-H和NF-L表達(dá)升高恢復(fù)到正常水平，而NF-M則無(wú)明顯逆轉(zhuǎn);相關(guān)研究提示，PNS中NFs的確參與了軸突損傷(壓迫性與藥物性)后的變性與再生過(guò)程。

3 小結(jié)

綜上所述，NFs廣泛存在于PNS中，不論在正常軸突組織及其發(fā)育中，還是在受損軸突的正常再生中，NFs蛋白表達(dá)與軸突向外生長(zhǎng)和成熟的一致性均存在密切關(guān)系［6］，與外周神經(jīng)病理性疼痛的產(chǎn)生和維持有密切聯(lián)系。在上述層面應(yīng)用藥物干預(yù)可能成為較好的治療途徑，從而為臨床慢性疼痛患者減輕痛苦提供更廣闊的前景。

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