Nogo-A在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后再生及發(fā)育中的作用

趙 喆，鄧其躍 (第三軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部神經(jīng)生物學(xué)教研室，重慶 400038)

不論在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域還是在臨床治療方面，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System，CNS)損傷后的再生與修復(fù)一直引人關(guān)注。周圍神經(jīng)系統(tǒng)(Peripheral Nervous System，PNS)損傷后可以很快再生，并且在功能上得到較好的恢復(fù)，而這種再生和功能恢復(fù)在CNS中卻很難。CNS再生困難并非由于單純?nèi)狈υ偕芰?，還與中樞微環(huán)境中不利于再生的因素有關(guān)，如中樞髓鞘中的突起生長(zhǎng)抑制成分等。在眾多抑制分子中Nogo-A是近年來最受關(guān)注并且研究得最清楚的一種，Nogo-A受體NgR1也因其可以介導(dǎo)幾種阻抑分子的作用而被列為重點(diǎn)研究對(duì)象。Nogo-A和NgR1的發(fā)現(xiàn)為治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷帶來了新的希望，針對(duì)其開發(fā)的藥物先后進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。雖然近年來對(duì)Nogo-A的研究較多，但多側(cè)重于神經(jīng)系統(tǒng)損傷或疾病狀態(tài)下的功能，對(duì)于其正常生理功能的認(rèn)識(shí)還不夠。最近發(fā)現(xiàn)屬于amino-Nogo-A的片段NogoΔ20可通過激活RhoA影響CNS的可塑性，這一發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了對(duì)Nogo-A正常生理功能的深入研究。本文將對(duì)生理及病理狀態(tài)下Nogo-A功能的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以全面理解Nogo-A在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用。

1 Nogo-A在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)分布

成年哺乳動(dòng)物CNS損傷后難以再生，主要有內(nèi)、外兩方面的因素:①CNS神經(jīng)元自身缺乏足夠的再生能力;②CNS神經(jīng)元所生存的環(huán)境存在多種生長(zhǎng)抑制性因子。2000年，Chen［1］和Grandpre［2］兩個(gè)研究小組幾乎同時(shí)克隆出大鼠和人類CNS髓鞘中與軸突損傷后再生抑制有關(guān)的基因nogo。nogo基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物共三種，主要為 Nogo-A，其異構(gòu)體包括 Nogo-B和Nogo-C。Nogo-A主要分布于少突膠質(zhì)細(xì)胞，在體內(nèi)和體外試驗(yàn)中都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制軸突生長(zhǎng)的作用。NgR1是最早確定的Nogo-A受體，缺少胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，通過糖基化磷脂酰肌醇連接在神經(jīng)元胞膜或軸突的軸膜上。與Nogo-A的C末端結(jié)構(gòu)Nogo-66識(shí)別，并與多個(gè)共受體組成受體復(fù)合物介導(dǎo)Nogo-A信號(hào)向神經(jīng)元胞內(nèi)傳遞。

Nogo-A主要表達(dá)于成熟動(dòng)物的CNS，在腦及脊髓的水平較高，而背根神經(jīng)節(jié)水平較低，在心臟、肝臟和腎臟等內(nèi)臟器官內(nèi)不表達(dá)，但是胎齡15 d及生后1 d的大鼠骨骼肌內(nèi)有Nogo-A表達(dá)。在胚胎發(fā)育過程當(dāng)中［3］，Nogo-A表達(dá)于皮層放射狀膠質(zhì)細(xì)胞表面，而遷移后神經(jīng)元表面的Nogo-A更多的集中于正在生長(zhǎng)的軸突上。相對(duì)而言，NgR則廣泛表達(dá)于大腦皮質(zhì)、松果體、丘腦、海馬和杏仁體中［4］，其共受體如 p75NTR、LINGO-1［5］、TROY［6］的分布較為廣泛，可以影響神經(jīng)元胞內(nèi)RhoA-ROCK信號(hào)通路。

2 Nogo-A在神經(jīng)損傷中的作用

CNS損傷后可以觀察到Nogo-A的表達(dá)上調(diào)，但這種上調(diào)主要出現(xiàn)在損傷后期，隨著神經(jīng)組織及結(jié)締組織修復(fù)的加快，特別是少突膠質(zhì)細(xì)胞的增生，Nogo-A的表達(dá)升高，對(duì)神經(jīng)纖維生長(zhǎng)的抑制作用明顯加強(qiáng)。王翠芳［7］等人在脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)模型中的研究顯示了傷后不同時(shí)間Nogo-A表達(dá)的差異，Nogo-A在SCI早期表達(dá)未見明顯改變，而在損傷后期(SCI后3 d)才有明顯上升。這也可以解釋SCI后中樞神經(jīng)修復(fù)的緩慢，神經(jīng)元周圍組織對(duì)神經(jīng)元及其突起生長(zhǎng)的抑制以及生長(zhǎng)錐塌陷等問題。RS.Zhan等聯(lián)合應(yīng)用Nogo-A抗體IN-1和IN-3，可以下調(diào)神經(jīng)元c-fos蛋白并上調(diào)c-jun蛋白，促進(jìn)大鼠SCI后神經(jīng)元軸突再生［8］。c-fos蛋白在神經(jīng)元軸突再生中起了重要的抑制作用，c-jun蛋白則可明顯促進(jìn)再生。

Wang等利用新生大鼠缺血缺氧性(HI)模型，發(fā)現(xiàn)Nogo-A及其受體NgR在蛋白質(zhì)水平和mRNA水平均有變化。損傷早期(即6 h以內(nèi))，Nogo-A和NgR1的表達(dá)未見明顯變化，傷后12 h二者的表達(dá)才出現(xiàn)明顯上升。Nogo-A主要表達(dá)在膠質(zhì)細(xì)胞表面及軸突周圍，而NgR1則主要出現(xiàn)在神經(jīng)元及其軸突上。另外，Nogo-A達(dá)峰后會(huì)逐漸恢復(fù)到正常水平，而NgR1則一直維持高表達(dá)狀態(tài)，配體-受體各自不同的轉(zhuǎn)錄表達(dá)方式提示，NgR1還作為髓鞘再生抑制分子MAG和OMgp的受體繼續(xù)發(fā)揮作用［9］。

除對(duì)軸突生長(zhǎng)的抑制作用外，Lenzlinger觀察到Nogo-A表達(dá)的上調(diào)可以阻礙外傷性腦損傷(TBI)大鼠認(rèn)知功能的恢復(fù)，使用Nogo-A單抗抑制Nogo-A則可促進(jìn)該恢復(fù)過程，而且該過程并不依賴皮質(zhì)脊髓束的出芽和海馬神經(jīng)元凋亡的經(jīng)典神經(jīng)保護(hù)機(jī)制。盡管通過限制Nogo-66/NgR1及其下游Rho-ROCK通路的作用可以促進(jìn)軸突再生，但是Nogo-A中心特有結(jié)構(gòu)(NiG)以及其特異性受體的作用仍然有待于進(jìn)一步的探索［10］。

“結(jié)構(gòu)-功能”研究顯示，在Nogo-66外一個(gè)新的amino-Nogo-A區(qū)域(290-562aa)，NogoΔ20，對(duì)于抑制氧化應(yīng)激導(dǎo)致的神經(jīng)元死亡有不可缺少的作用。在培養(yǎng)的原代皮層神經(jīng)元中表達(dá)amino-Nogo-A蛋白可以完全拮抗外源性H2O2造成的氧化應(yīng)激對(duì)神經(jīng)元的損害，有顯著的保護(hù)作用。另外，突變分析確定424、464、559這三個(gè)半胱氨酸殘基參與抑制ROS的產(chǎn)生和amino-Nogo-A的神經(jīng)保護(hù)作用。結(jié)果提示，神經(jīng)元中的Nogo-A可能通過與Prdx2作用改善神經(jīng)元自身抵抗氧化損傷的能力并清除 ROS［11］。

3 Nogo-A在神經(jīng)退行性疾病中的作用

Nogo-A可能與Aβ產(chǎn)生有關(guān)。老年小鼠TBI損傷后，其中樞神經(jīng)的修復(fù)能力要明顯弱于幼年小鼠。Marklund等人發(fā)現(xiàn)，敲除nogo-A/B基因(nogo-A/B-/-)的老年小鼠其運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)、腦組織的缺失、腦內(nèi)Aβ沉積均明顯弱于正常小鼠而類似于假手術(shù)組［12］。其他的體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)包含Nogo在內(nèi)的所有網(wǎng)蛋白家族成員都能結(jié)合并抑制BACE1(β-amyloid-converting enzyme 1)，而 BACE1可以將APP轉(zhuǎn)化為逐漸沉積的 Aβ［13］。雖然如此，但Nogo-A是否會(huì)作為BACE1底物在被剪切后釋放生物活性片段到細(xì)胞外還有待進(jìn)一步研究。

Nogo-A還可以通過蛋白二硫異構(gòu)酶(PDI)參與肌營(yíng)養(yǎng)不良性側(cè)索硬化癥(ALS)疾病中的神經(jīng)保護(hù)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白應(yīng)激或失去分子伴侶功能有可能是ALS的病因之一，網(wǎng)蛋白家族是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白PDI的一個(gè)新調(diào)控因子［14］。對(duì)SOD1(G93A)ALS模型小鼠的存活及行為學(xué)研究顯示，Nogo-A可以在ALS小鼠體內(nèi)保護(hù)神經(jīng)元抵抗神經(jīng)退行性改變，敲除Nogo-A可以加速ALS的進(jìn)程。由此認(rèn)為Nogo-A有助于PDI發(fā)揮正常功能，抵抗類似于ALS的神經(jīng)退行性病變，有神經(jīng)保護(hù)作用。

另外，NgR1的共受體LINGO-1對(duì)多巴胺能神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的可塑性和整合有重要作用，是帕金森氏病(PD)的可能病因之一［15］。Inoue等［16］發(fā)現(xiàn)，LINGO-1 表達(dá)于中腦多巴胺能神經(jīng)元，在PD病人的黑質(zhì)中LINGO-1表達(dá)上調(diào)。LINGO-1敲除后，6-OHDA或MPTP毒性作用下多巴胺能神經(jīng)元的存活率升高，這一神經(jīng)保護(hù)作用伴隨著Akt磷酸化。用LINGO-1-Fc封閉LINGO-1功能后也能得到類似結(jié)果。Nogo-A/NgR1的神經(jīng)保護(hù)作用和突起生長(zhǎng)增強(qiáng)效應(yīng)也同時(shí)得到體現(xiàn)。

4 Nogo-A在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和可塑性中的作用

人胚胎發(fā)育過程中，nogo和ngr1基因在8周～23周人胚胎的腦組織及牙組織中均有明顯表達(dá)，但在完成有絲分裂的神經(jīng)元中，nogo和ngr1的表達(dá)均強(qiáng)于牙組織。在這些組織中，nogo基因表達(dá)要明顯早于ngr1基因表達(dá);胚胎早期，nogo基因的表達(dá)較ngr1也明顯廣泛的多［17］。Al Halabiah等推測(cè)是由于nogo基因的不同轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物有3種亞型(Nogo-A/B/C)，其分布較為廣泛，尤其Nogo-C在外周組織中分布更為廣泛。

Nogo-A在皮質(zhì)發(fā)育當(dāng)中具有重要的作用:胚胎階段，Nogo-A的表達(dá)與神經(jīng)發(fā)生以及皮質(zhì)神經(jīng)元的成熟相關(guān);Nogo-A還可能調(diào)節(jié)神經(jīng)元細(xì)胞的極化和突起生長(zhǎng);Nogo蛋白可能在神經(jīng)元的遷移以及軸突生長(zhǎng)起作用［18］。Nogo-A在早期胚胎脊髓內(nèi)主要見于放射狀膠質(zhì)細(xì)胞，但是隨著胚胎發(fā)育，Nogo-A在放射狀膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)逐漸減弱;脊髓中心管附近Nogo-A的表達(dá)模式也呈現(xiàn)先低后高的狀態(tài)。提示Nogo-A早期的作用可能與神經(jīng)元正常的軸突發(fā)芽相關(guān)，為神經(jīng)元軸索到達(dá)正常位置提供通道;而后期Nogo-A主要表達(dá)于近中心管附近，則可抑制已正確取向的軸突再出芽［19］。另外一個(gè)現(xiàn)象是:在小鼠胚胎發(fā)育過程當(dāng)中，Nogo-A在脊髓內(nèi)主要分布于膠質(zhì)細(xì)胞的現(xiàn)象，與之前在大鼠胚胎、雞胚和人胚脊髓中Nogo-A主要分布在神經(jīng)元表面有所不同［20］。

Nogo-A特異的片段NogoΔ20可以通過激活RhoA誘導(dǎo)生長(zhǎng)錐塌陷、抑制突起生長(zhǎng)、細(xì)胞遷移。研究表明NogoΔ20可以經(jīng)Pincher-和rac-依賴及clathrin-和dynamin-非依賴的機(jī)制被內(nèi)吞入神經(jīng)元。Pincher-介導(dǎo)的大胞飲作用，會(huì)形成含有NogoΔ20的信號(hào)小體，后者將直接激活RhoA導(dǎo)致生長(zhǎng)錐塌陷。在背根節(jié)神經(jīng)元分部培養(yǎng)中，NogoΔ20被胞飲進(jìn)入突起內(nèi)后逆行運(yùn)送到細(xì)胞體，在轉(zhuǎn)運(yùn)途中激活RhoA并降低磷酸化cAMP反應(yīng)元件在細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合。因此，Pincher-依賴的大胞飲作用會(huì)引起Nogo-A信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)內(nèi)涵體的形成，其同時(shí)在生長(zhǎng)錐和逆行轉(zhuǎn)運(yùn)至胞體后對(duì)神經(jīng)元生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)調(diào)控［21］。

5 展望

由于Nogo-A或NgR1抗體應(yīng)用方便、副作用小，目前已被進(jìn)入CNS損傷后再生的臨床治療研究階段。但是，Nogo-A的表達(dá)時(shí)間、動(dòng)物的年齡、Nogo-A抗體的使用時(shí)機(jī)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷及再生修復(fù)之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步的探討。Nogo-A除了包含具有CNS再生抑制作用的amino-Nogo-A和Nogo-66外，Nogo-A中可能還有多個(gè)功能獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域，如NogoΔ20，在正常生理狀態(tài)下參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和可塑性。單純敲除Nogo-A或下調(diào)NgR1表達(dá)并不能完全改善CNS再生困難的狀態(tài)，鑒定更多的Nogo-A結(jié)構(gòu)域或能與amino-Nogo-A識(shí)別的受體分子將有助于全面理解Nogo-A的功能，從而為開發(fā)藥物治療CNS損傷提供重要參考。

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