丙戊酸鈉對神經(jīng)干細胞增殖與分化過程的調(diào)控*

李 雯 何 輝 金國華

(南通大學醫(yī)學院人體解剖學系,江蘇省神經(jīng)再生重點實驗室,神經(jīng)再生協(xié)同創(chuàng)新中心,南通 226001)

在成年哺乳動物腦內(nèi)有一類多能性干細胞,即神經(jīng)干細胞(neural stem cells,NSCs),它們可以分化產(chǎn)生構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)的3個主要細胞類型——神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞[1]。NSCs替代療法是治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和退行性病變的策略之一[2],如何能夠促進成體NSCs向神經(jīng)元分化是研究熱點[3]。丙戊酸鈉(valproate)是一種組蛋白去乙?；敢种苿?可上調(diào)組蛋白乙酰化水平,在表觀遺傳層面調(diào)控基因的表達[4-5]。丙戊酸鈉是臨床常用的治療癲癇以及雙相情感障礙等疾病的藥物[6],研究表明丙戊酸鈉可抑制NSCs增殖,促進NSCs向神經(jīng)元分化,并抑制其向星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞分化[7]。現(xiàn)就丙戊酸鈉調(diào)控NSCs增殖與分化過程的機制進行綜述,以期為丙戊酸鈉治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和退行性病變等的潛在臨床價值提供線索。

1 丙戊酸鈉概述

在哺乳動物胚胎期間的神經(jīng)發(fā)育和成年之后的神經(jīng)發(fā)生過程中,眾多分子和信號通路都參與其中,而表觀修飾能通過DNA 甲基化、組蛋白修飾等方式來調(diào)控這些重要功能分子的表達水平[8]。在過去的幾十年中,組蛋白乙?；揎棻粡V泛研究,組蛋白乙?；饕l(fā)生在組蛋白H3、H4的氮端較保守的賴氨酸位置上,主要通過組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases,HATs)和組蛋白去乙?；?histone deacetylases,HDACs)協(xié)調(diào)進行,前者使組蛋白乙?；缴?后者則能下調(diào)組蛋白的乙?；痆4]。組蛋白乙?；揎椏梢愿淖兘M蛋白和DNA間的相互作用,從而調(diào)控基因的表達[5]。丙戊酸鈉作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑家族中的一員,可以抑制組蛋白去乙?；富钚?參與表觀遺傳水平的基因表達調(diào)控。

丙戊酸鈉是一種臨床上常用的抗癲癇藥物,并廣泛應用于治療雙相情感障礙、神經(jīng)性疼痛、急性躁狂和偏頭痛等疾病[9],其藥理作用涉及調(diào)控神經(jīng)信號傳遞的多種機制。癲癇、神經(jīng)性疼痛和偏頭痛等是由于大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電導致的大腦短暫性功能障礙[10]。研究表明丙戊酸鈉能夠抑制γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)代謝酶,抑制GABA的降解,使腦內(nèi) GABA 聚集,抑制鈉離子通道開放,減弱T型鈣離子電流,抑制病灶神經(jīng)元過度放電同時遏制異常放電的擴散,從而緩解癥狀[11]。丙戊酸鈉不僅可用于治療上述疾病,目前也有很多研究提示其可能成為一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和退行性疾病等的潛在治療藥物。阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)是臨床常見的神經(jīng)退行性疾病,以學習記憶等認知功能喪失為主要特征[12],研究顯示口服丙戊酸鈉可以顯著改善小鼠記憶缺陷,同時可以發(fā)揮抗炎作用[13]。此外,丙戊酸鈉能夠改善大鼠在失血性休克后的生存質(zhì)量并保護神經(jīng)元防止低氧損傷,減少細胞凋亡的發(fā)生并減輕腦部水腫[14]。另有研究人員觀察到創(chuàng)傷性腦損傷大鼠在接受400mg/kg的丙戊酸鈉治療后30min腦損傷顯著減輕,海馬樹突損傷、大腦皮層挫傷體積減少,運動功能和空間記憶得到明顯改善[15]。另外,近年來有研究顯示丙戊酸鈉可通過激活某些腫瘤抑制因子,抑制癌細胞增殖[16],或誘導腫瘤細胞凋亡的發(fā)生[17],誘導癌細胞分化[18]從而達到治療癌癥的目的。由此可見,丙戊酸鈉具有重要的神經(jīng)保護功能,并能調(diào)控細胞的增殖與分化過程。

2 丙戊酸鈉對NSCs增殖的影響及其機制

神經(jīng)發(fā)生過程中神經(jīng)干細胞的增殖受到多種因素的影響,其所涉及的機制十分復雜。已有研究指出丙戊酸鈉對NSCs的增殖過程發(fā)揮抑制作用。

2.1 丙戊酸鈉調(diào)控細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶信號通路

細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族的一員,是將信號從細胞表面受體傳遞至細胞核的關(guān)鍵分子,參與調(diào)節(jié)細胞的生長、發(fā)育和死亡[19]。研究指出,丙戊酸鈉對NSCs增殖過程的調(diào)控與ERK信號通路的激活有關(guān)。丙戊酸鈉處理可抑制神經(jīng)球形成,這種抑制作用是通過抑制細胞周期的S期,即DNA合成期來實現(xiàn)的[20]。DNA合成的抑制與早期生長反應蛋白1(early growth response 1,Egr1)的表達上調(diào)有關(guān),Egr1是與神經(jīng)發(fā)生相關(guān)的基因,可被ERK信號通路中的神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)激活[21]。因此,丙戊酸鈉可通過激活ERK信號通路上調(diào)Egr1的表達,從而抑制NSCs增殖。

2.2 丙戊酸鈉調(diào)控p21Cip/WAF1的表達

細胞周期素依賴性激酶抑制劑p21Cip/WAF1是重要的細胞周期負調(diào)控因子,可結(jié)合并抑制細胞周期素和細胞周期素依賴性激酶1(cyclin dependent kinase 1,CDK1)、CDK2以及CDK4/6復合物的活性,從而調(diào)控細胞周期進程[22]。有研究人員分離培養(yǎng)外傷性脊髓損傷大鼠的脊髓多能神經(jīng)干/前體細胞(neural stem/precursor cells,NSPCs),并用丙戊酸鈉處理,顯示NSPCs的增殖受到明顯抑制,進一步研究表明細胞周期調(diào)節(jié)因子p21Cip/WAF1的mRNA和蛋白水平均顯著增加,細胞阻滯于G0/G1期[23]。

3 丙戊酸鈉對NSCs分化的影響及其機制

很多研究表明丙戊酸鈉可以促進NSCs向神經(jīng)元分化,并抑制其向星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞分化,丙戊酸鈉促進神經(jīng)元發(fā)生的過程有多種分子和信號通路參與。

3.1 丙戊酸鈉調(diào)控堿性螺旋家族基因的表達

研究人員用丙戊酸鈉處理大鼠海馬神經(jīng)前體細胞,顯示丙戊酸鈉處理可誘導NSCs分化,使神經(jīng)元數(shù)量明顯增加,神經(jīng)元發(fā)育因子——神經(jīng)元素1(neurogenin,Ngn1)和無調(diào)性堿性螺旋(basic helix-loop-helix,bHLH)轉(zhuǎn)錄因子1(atonal bHLH transcription factor 1,Math1)表達上調(diào),它們的啟動子區(qū)域H4乙?；皆龈遊24]。另有研究指出從大鼠海馬中分離出神經(jīng)前體細胞,經(jīng)丙戊酸鈉處理后會誘導其向神經(jīng)元分化,表達神經(jīng)源性分化蛋白1(neurogenic differentiation 1,NeuroD)等轉(zhuǎn)錄因子,并抑制其向星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞分化[25]。眾所周知,Ngn1、Math1和NeuroD均是bHLH家族的成員,主要功能是調(diào)節(jié)NSCs向終末細胞分化[26]。以上結(jié)果表明丙戊酸鈉通過抑制HDACs活性,促進bHLH家族與神經(jīng)元分化有關(guān)的基因高表達,從而促進神經(jīng)元分化。

3.2 丙戊酸鈉調(diào)控Wnt信號通路

Wnt蛋白是富含半胱氨酸的脂質(zhì)修飾蛋白,在細胞發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[27]。研究人員用丙戊酸鈉處理胚鼠來源的NSCs,于分化后第3、7和10天檢測經(jīng)典Wnt信號通路的重要組成成員Wnt-3α和β-連環(huán)蛋白的表達水平,結(jié)果顯示在分化后第3、7和10天,Wnt3a和β-連環(huán)蛋白的表達均高于對照組，并伴隨神經(jīng)元數(shù)量的增加。但第7天和第10天Wnt3a和β-連環(huán)蛋白的表達水平均低于第3天,并沒有隨著分化的進程表達進一步增加[28],因此推測Wnt3a和β-連環(huán)蛋白主要在NSCs分化早期表達,且丙戊酸鈉可以通過上調(diào)Wnt3a和β-連環(huán)蛋白的表達從而激活Wnt信號通路,進而誘導NSCs分化為神經(jīng)元。

3.3 丙戊酸鈉調(diào)控哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路

雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一種在進化上比較保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶,屬于磷脂酰肌醇激酶相關(guān)蛋白家族的成員,可調(diào)控細胞生長和增殖,在神經(jīng)發(fā)育過程中參與神經(jīng)元分化和膠質(zhì)細胞發(fā)生[29]。有研究表明,丙戊酸鈉可激活mTOR,誘導NSCs向神經(jīng)元分化,而應用mTOR抑制劑后丙戊酸鈉誘導的神經(jīng)元分化受到抑制,提示由丙戊酸鈉誘導的神經(jīng)元分化可由mTOR通路活化介導。進一步研究顯示,丙戊酸鈉通過抑制細胞中DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases,DNMT)1(DNMT1)和DNMT3a的表達[30],促進Ngn1去甲基化;而抑制mTOR信號可阻斷Ngn1調(diào)節(jié)元件的去甲基化,這些結(jié)果提示了mTOR信號通路可通過DNA去甲基化調(diào)節(jié)Ngn1的表達,從而介導了丙戊酸鈉誘導的NSCs向神經(jīng)元的分化[31]。

3.4 丙戊酸鈉調(diào)控c-Jun氮末端激酶信號通路

c-Jun氮末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)是MAPK的亞類,具有多種生理功能,參與細胞存活、細胞凋亡和程序性細胞死亡過程[32],此外,JNK還參與神經(jīng)突生長、神經(jīng)元分化和神經(jīng)系統(tǒng)記憶形成等過程[33]。研究人員用丙戊酸鈉處理小鼠胚胎NSCs,顯示丙戊酸鈉可促進JNK的激活,增加c-Jun的磷酸化水平,促進小鼠胚胎NSCs向神經(jīng)元分化和神經(jīng)突的生長,且上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、神經(jīng)膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)和人腦多巴胺神經(jīng)營養(yǎng)因子(cerebral dopamine neurotrophic factor,CDNF)的表達;利用JNK抑制劑抑制JNK的激活,則會抑制丙戊酸鈉誘導的神經(jīng)元分化以及丙戊酸鈉誘導的BDNF、GDNF和CDNF高表達[34],這些結(jié)果證明JNK的激活參與丙戊酸鈉誘導的神經(jīng)元分化和神經(jīng)突起生長。

成年動物腦內(nèi)具有自我更新和多向分化潛能的NSCs可以為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和退行性疾病的治療提供良好的細胞來源,掌握促進NSCs分化為神經(jīng)元的方法對于提高治療效果是十分重要的。許多研究都已證明丙戊酸鈉在NSCs的命運決定中發(fā)揮著重要作用,它能夠調(diào)控多基因的表達,促進神經(jīng)元再生,改善認知和運動功能,因此可能成為治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷或退行性疾病的潛在藥物,了解其發(fā)揮作用的機制有助于為其臨床應用價值提供依據(jù)。

參 考 文 獻

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