中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)縫隙連接的研究進展

林敏，伍麗娜，胡曉松，李帥

縫隙連接(gap junction,GJ)是目前認為細胞間唯一能直接進行物質(zhì)和信息交換的通道，這種物質(zhì)和信息交流稱為由縫隙連接介導(dǎo)的細胞間通訊(gap junctional intercellular communication,GJIC)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布廣泛，對維持正常的神經(jīng)活動起著重要作用。近年來，多項研究發(fā)現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展與縫隙連接重構(gòu)或功能異常有關(guān)，一些縫隙連接阻斷劑可能成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療的有效藥物。

1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)縫隙連接的組成與功能

縫隙連接是一種廣泛存在的細胞連接形式，由相鄰細胞膜上的連接小體組成。連接小體一一對應(yīng)，小體中心的小管對接，構(gòu)成了細胞間的直接通道[1]。研究發(fā)現(xiàn)，每個連接小體只能由6個同型的縫隙連接蛋白(connexin,Cx)組成，而一個縫隙連接可由兩個不同類型的連接小體組成[2]。Cx是構(gòu)成縫隙連接通道的一大類膜蛋白，至今在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)21種[3]，其中Cx26、 Cx29、 Cx30、 Cx32、 Cx36、 Cx37、 Cx40、 Cx43、Cx45、Cx46及Cx47這11種在成熟和發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)有不同程度表達[4]。研究發(fā)現(xiàn)，在哺乳類動物腦組織中表達的Cx類型分布不同，具有一定特異性。神經(jīng)元上主要是Cx32、Cx36、Cx26，星形膠質(zhì)細胞上主要為Cx43、Cx30、Cx45、Cx40、Cx32，少突膠質(zhì)細胞上主要是Cx32、Cx45。其中星形膠質(zhì)細胞上的Cx43表達最強，神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞上的Cx32位居第二[5]。

1.1 神經(jīng)元中縫隙連接的功能

1.1.1 參與神經(jīng)元的電活動 縫隙連接以電流作為信息載體，存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的同類神經(jīng)元之間，促進神經(jīng)元的同步活動。Meister等發(fā)現(xiàn)，相鄰神經(jīng)節(jié)細胞動作電位傳遞的時間間隔幾乎為零，因此認為這種傳遞是直接通過縫隙連接促使神經(jīng)元活動達到同步化的[6]。

1.1.2 參與神經(jīng)元的發(fā)育與再生 研究表明，在哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)元之間以縫隙連接相互連接并表達Cx36；Cx36在人早期發(fā)育過程中呈短暫升高，隨后下降，并在成年期保持低表達。在腦外傷和癲癇等神經(jīng)元損傷疾病中，縫隙連接的表達又有所上升，縫隙連接參與了神經(jīng)元的發(fā)育[7]。

1.1.3 參與物質(zhì)傳遞 在Ca2+和其他因素作用下，縫隙連接可開放或閉合。一般分子量小于1500 Da的物質(zhì)，包括離子、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)等信息分子、氨基酸、葡萄糖、維生素等，均得以在相鄰細胞間流通，使細胞在營養(yǎng)代謝、增殖分化和功能等方面成為統(tǒng)一體。

1.2 膠質(zhì)細胞中縫隙連接的功能

1.2.1 緩沖K+Magnotti等發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)活動中，各種膠質(zhì)細胞Cx的交匯點是構(gòu)成吸收和遷移細胞外K+的網(wǎng)絡(luò)，有利于神經(jīng)元外部過多K+攝入，并迅速通過縫隙連接分散到相鄰的膠質(zhì)細胞，以維持細胞外K+的穩(wěn)態(tài)，有助于神經(jīng)元電活動的正常進行[8]。

1.2.2 傳遞Ca2+Ca2+通過縫隙連接在星形膠質(zhì)細胞中擴散，稱為Ca2+波。Ca2+波為遠距離信號的傳播提供基礎(chǔ)[9]。此外，星形膠質(zhì)細胞與神經(jīng)元之間的縫隙連接通訊還參與Ca2+的自身調(diào)節(jié)。

2 縫隙連接與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2.1 癲癇

近年來，多項研究發(fā)現(xiàn)縫隙連接與癲癇之間有密切關(guān)系。神經(jīng)元間存在的縫隙連接促使神經(jīng)元超同步化放電，引起癲癇[10]。Wang等在大鼠體內(nèi)外軀體感覺皮質(zhì)中檢測到，活化的谷氨酸(glutamate,Glu)增加了神經(jīng)元縫隙連接偶聯(lián)和Cx36表達；相反，滅活的谷氨酸阻礙癲癇和Cx36表達[11]。神經(jīng)元的縫隙連接偶聯(lián)是谷氨酸導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的關(guān)鍵部位。

Cx43在癲癇中呈高表達。其機制可能為Cx43增加了星形膠質(zhì)細胞之間突觸偶聯(lián)數(shù)目，有利于神經(jīng)元同步放電，從而增加了癲癇持續(xù)狀態(tài)發(fā)生的可能性。但究竟是癲癇引起Cx43表達升高，還是Cx43表達增強引起癲癇，一直困擾人們。Beheshti等發(fā)現(xiàn)，在大鼠急性癲癇模型中，海馬區(qū)Cx36 mRNA和蛋白水平均上調(diào)，而Cx43卻沒有改變[12]。提示Cx36的上調(diào)誘發(fā)了癲癇，在癲癇發(fā)展中才有Cx43的上調(diào)。Takahashi等檢測到難治性癲癇患者星形膠質(zhì)細胞標記物膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)和Cx43的增加，而K+電流的改變卻沒有馬上觀察到[13]。提示在難治性癲癇發(fā)病之初Cx43上調(diào)，但星形膠質(zhì)細胞縫隙連接功能沒有改變，無法誘導(dǎo)癲癇。因此推測是癲癇誘導(dǎo)了Cx43上調(diào)。

對于Cx32在癲癇中的表達存在爭議。曾楊濱等在氯化鋰-匹羅卡品致癇大鼠模型中檢測到，海馬區(qū)與皮層區(qū)Cx32和Cx43免疫陽性表達都較正常組高[14]。Collignon等對47例接受杏仁核海馬切開術(shù)的頑固性癲癇患者進行海馬的連續(xù)取樣，觀察Cx32、Cx36和Cx43的表達情況，結(jié)果顯示癲癇患者海馬區(qū)Cx43表達升高，Cx36表達不變，Cx32表達降低[15]。姚伯昕等檢測了30例難治性顳葉癲癇患者的組織標本，發(fā)現(xiàn)癲癇灶組及周邊腦組織組中Cx32的表達無顯著性差異[16]。

縫隙連接在少突膠質(zhì)細胞中的作用是營養(yǎng)髓鞘，Cx32是在少突膠質(zhì)細胞最早被檢測出來的連接蛋白，它在髓鞘發(fā)育、沃勒變性和軸突再生時表達。敲除Cx32的轉(zhuǎn)基因大鼠髓鞘很稀疏，神經(jīng)傳導(dǎo)速度明顯下降。推測Cx32是影響癲癇異常電傳播速度的重要因素，也是治療癲癇、延長癲癇潛伏期的一個新的研究方向。

2.2 神經(jīng)膠質(zhì)細胞瘤

GJIC對細胞的生長、繁殖等生物學(xué)行為起著重要調(diào)控作用；GJIC功能障礙，Cx表達低下或缺失與神經(jīng)膠質(zhì)細胞瘤的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系極為密切。Cx43通過增加p21和p27的表達延長細胞周期[17]。用Cx43 cDNA轉(zhuǎn)染腫瘤細胞后，Cx43 mRNA明顯增加，GJIC功能增強，細胞增殖速度較未轉(zhuǎn)染的腫瘤細胞明顯下降[18-19]。Herrero-Gonzalez等發(fā)現(xiàn)，Cx43能減少神經(jīng)膠質(zhì)瘤的致癌活動并減慢腫瘤細胞的增長速率[17]。因此尋找有效藥物促進Cx表達上調(diào)，可為抗癌治療提供一種新手段[20]。Leone用細胞熒光檢測技術(shù)檢測用白藜蘆醇及X線處理過的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞中縫隙連接數(shù)目，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇能誘導(dǎo)細胞周期的延遲，與X線聯(lián)合能增加GJIC[21]。

然而體外研究提示，敲除Cx43，降低細胞運動性；過表達Cx43，提高細胞運動性，Cx43與神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞遷移呈正相關(guān)[22]。Oliveira等也發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤C6細胞系與正常膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)的遷移過程中，GJIC阻斷劑生胃酮可阻止細胞遷移[23]。推測膠質(zhì)瘤C6細胞系可能與正常的膠質(zhì)細胞建立異源性GJIC，以正常膠質(zhì)細胞作為基層或附著層向遠處遷移。研究發(fā)現(xiàn)，惡性膠質(zhì)瘤中心低表達Cx43，而邊緣及星形膠質(zhì)細胞高表達Cx43，可能促進膠質(zhì)瘤細胞侵襲[24]。

現(xiàn)階段對是否應(yīng)該通過增強GJIC來治療神經(jīng)膠質(zhì)細胞瘤的意見尚不統(tǒng)一，但眾多研究證明了細胞間縫隙連接與膠質(zhì)細胞瘤密切相關(guān)。

2.3 腦梗死

近年來發(fā)現(xiàn)，在腦梗死后神經(jīng)元損傷過程中，膠質(zhì)細胞活化扮演著極其重要的角色[25-26]，膠質(zhì)細胞間縫隙連接在缺血狀態(tài)下仍然有部分開放[27]。研究者對GJIC的腦保護作用意見尚不統(tǒng)一。有研究發(fā)現(xiàn)，在大腦中動脈閉塞后，神經(jīng)膠質(zhì)細胞GJIC誘導(dǎo)了遠側(cè)海馬損傷和認知障礙[28]。Zhang等發(fā)現(xiàn)，腦缺血提高縫隙連接的開放，通過縫隙連接阻斷劑生胃酮的干預(yù)減小了腦缺血或再灌住后的腦損傷[29]。

然而一些持相反觀念的專家認為，通過GJIC建立的功能合胞體可以稀釋缺血區(qū)的有害物質(zhì)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的輸送和分配；阻斷GJIC會加重神經(jīng)元的損害。Blanc等發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細胞間縫隙連接通過參與細胞間Ca2+穩(wěn)定的自動調(diào)節(jié)，減少神經(jīng)元對氧化性損傷的易感性[30]。

GJIC在腦梗死中可能是把“雙刃劍”，既有利于有益物質(zhì)的傳導(dǎo)，又是有害物質(zhì)傳導(dǎo)的通道。

2.4 腦血管痙攣

在蛛網(wǎng)膜下腔出血引起腦血管痙攣的研究中，GJIC的作用越來越受到重視。Yamazaki等通過膜片鉗、電壓鉗技術(shù)證實，腦血管平滑?。交〖毎g、平滑?。瓋?nèi)皮細胞間存在GJIC，由此傳遞信息分子和點沖動，引起相鄰肌纖維的同步功能活動，從而誘發(fā)腦血管痙攣的產(chǎn)生[31]。Wang等在研究Cx43在兔基底動脈內(nèi)皮血管緊張素Ⅰ(angiotensin I,AngⅠ)被激活后的作用發(fā)現(xiàn)，GJIC的增加是通過AngⅠ調(diào)整Cx43的表達來實現(xiàn)的[32]。由此提出了蛛網(wǎng)膜下腔出血后限制血管內(nèi)GJIC可能成為減少腦血管痙攣的治療方法?？p隙連接阻斷劑生胃酮減少實驗性腦血管痙攣，下調(diào)實驗性蛛網(wǎng)膜下腔出血后Cx43的表達[33]。

2.5 阿爾茨海默病

隨著人口老齡化程度的加劇，阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)的發(fā)病趨勢呈上升態(tài)勢。Nagy等發(fā)現(xiàn)，AD患者含大量淀粉樣蛋白斑的皮質(zhì)區(qū)域中，Cx43免疫染色密度明顯增加，并且一些淀粉樣蛋白斑與加強的Cx43免疫反應(yīng)性區(qū)域位置相吻合[34]。Koulakoff等發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)膠質(zhì)縫隙連接通道參與AD的神經(jīng)退行性變過程[35]。AD與縫隙連接間的內(nèi)在聯(lián)系已越來越受到人們的重視。

2.6 腦外傷

腦外傷會導(dǎo)致神經(jīng)細胞的丟失和相關(guān)神經(jīng)功能缺損，而細胞間縫隙連接及Cx43也有不同程度改變。創(chuàng)傷后，由于病灶處細胞酸中毒，內(nèi)皮素表達上調(diào)，致炎因子大量釋放，導(dǎo)致縫隙連接關(guān)閉和功能降低。Ohsumi等發(fā)現(xiàn)，腦外傷后，海馬和皮層磷酸化Cx43和磷酸化細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(phosphorylated extracellular signal-regulated kinase,p-ERK)雙標免疫染色顯示，在損傷后6 h，磷酸化Cx43和p-ERK免疫活性在同一星形膠質(zhì)細胞中增強[36]。證實在腦外傷中，星形膠質(zhì)細胞縫隙連接參與海馬的病理生理過程。Manaenko等發(fā)現(xiàn)，高劑量縫隙連接阻斷劑生胃酮加重神經(jīng)功能缺損，增加死亡率[37]?？p隙連接的抑制作用沒有在腦出血引起的大腦損傷中發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

3 展望

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)縫隙連接的研究正逐步滲透到各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，GJIC的研究尚處于起步發(fā)展階段。GJIC和Cx在神經(jīng)膠質(zhì)細胞瘤、腦梗死等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的表達仍存在爭議；以GJIC和Cx作為靶點治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病機制的研究還有較大的空間?？p隙連接阻斷劑如生胃酮、奎寧等的運用也為治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病開辟新的治療途徑。

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