神經(jīng)束蛋白的結(jié)構(gòu)、表達(dá)和生物學(xué)功能

胡 斌,王成舉,屈福祥,張雨平

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院兒科,中國(guó)重慶400037)

神經(jīng)束蛋白(neurofascin,NF)是Ranthjen等[1]1987年發(fā)現(xiàn)于雞體內(nèi)的一種參與神經(jīng)束形成的細(xì)胞表面蛋白。其后,Bennett等[2]通過實(shí)驗(yàn)篩選出一種與錨蛋白G(ankyrin G)相互作用的高相對(duì)分子質(zhì)量的跨膜蛋白質(zhì),被稱為錨蛋白結(jié)合糖蛋白(ankyrin-binding glycoprotein,ABGP),經(jīng)鑒定ABGP就是神經(jīng)束蛋白。目前關(guān)于NF的報(bào)道多來自于雞、嚙齒類動(dòng)物和斑馬魚[3]。神經(jīng)生物學(xué)家經(jīng)過30余年的研究,已經(jīng)對(duì)神經(jīng)束蛋白的結(jié)構(gòu)和功能有了較深的了解,逐漸認(rèn)識(shí)到神經(jīng)束蛋白在神經(jīng)科學(xué)界具有較為重要的價(jià)值。本文綜述了神經(jīng)束蛋白的基本結(jié)構(gòu)、不同亞型的表達(dá)及生物學(xué)功能,期待能有更多的研究人員關(guān)注NF,進(jìn)一步探索NF在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的機(jī)制和潛在應(yīng)用前景。

1 神經(jīng)束蛋白的結(jié)構(gòu)

神經(jīng)束蛋白包括6個(gè)Ig結(jié)構(gòu)域、5個(gè)FNIII樣結(jié)構(gòu)域、1個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和1個(gè)長(zhǎng)度為113個(gè)氨基酸殘基的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域[4]。這種結(jié)構(gòu)與免疫球蛋白超家族(immunoglobulin superfamily,IgSF)的成員極其相似,如神經(jīng)細(xì)胞黏附分子L1、NgCAM相關(guān)黏附分子(NgCAM-related cell adhesion molecules,NrCAM)和類L1同源物(close homologue of L1)。神經(jīng)束蛋白的編碼基因由33個(gè)外顯子組成,大小為72 kb。翻譯后的修飾對(duì)于NF亞型的時(shí)空定位和生物學(xué)功能都具有非常重要的調(diào)控作用。在Ig結(jié)構(gòu)域和FNIII樣結(jié)構(gòu)域之間的選擇性剪接以及富含脯氨酸、丙氨酸、蘇氨酸結(jié)構(gòu)域(proline-,alanine-,threonine-rich domain,PAT)的隨機(jī)插入又為NF提供了表達(dá)結(jié)構(gòu)與功能多樣性的可能[5]。

目前有 NF155、166、180和 186等 4種不同的神經(jīng)束蛋白多肽類型的研究報(bào)道[6],它們之間的差異主要體現(xiàn)在FNIII樣結(jié)構(gòu)域的數(shù)量和選擇剪接的序列[7]。不同神經(jīng)束蛋白亞型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,NF155和NF166亞型無PAT結(jié)構(gòu)域插入,結(jié)構(gòu)上的不同僅在于NF166的FNIII樣結(jié)構(gòu)域3的缺失表達(dá);NF180和NF186亞型的差別在于PAT結(jié)構(gòu)域在FNIII樣結(jié)構(gòu)域上插入的位置不同。有意思的是,各亞型的準(zhǔn)確相對(duì)分子質(zhì)量在不同文獻(xiàn)中存在差異,其原因可能是這些研究使用了不同的神經(jīng)束表達(dá)系統(tǒng)和緩沖液體系[8]。此外,Delmont等[9]于2017年在慢性炎性脫髓鞘神經(jīng)病(chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy,CIDP)患者的血清中發(fā)現(xiàn)了NF140亞型的存在,但其具體結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步的研究。

2 神經(jīng)束蛋白的表達(dá)和生物學(xué)功能

不同NF亞型的表達(dá)受到時(shí)間和空間的調(diào)控,它們既可在胚胎或成體中表達(dá),也可在神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)。這些不同的表達(dá)與發(fā)育進(jìn)程密切相關(guān),如NF180和NF166屬于未成熟的神經(jīng)元蛋白,而神經(jīng)元亞型NF186和膠質(zhì)亞型NF155則主要表達(dá)于成熟的神經(jīng)系統(tǒng)[10]。

2.1 NF155的表達(dá)和生物學(xué)功能

圖1 不同神經(jīng)束蛋白亞型示意圖Ig結(jié)構(gòu)域(Ig1～6,灰色橢圓形);FNIII樣結(jié)構(gòu)域(FN1～5,白色矩形);PAT結(jié)構(gòu)域(黑色圓形)。Fig.1 Schematic illustration of different NF isoformsIg-like domains(Ig1～6,grey ellipses);FNIII-related repeat domains(FN1～5,white rectangles);PAT domains(black circles).

NF155主要存在于膠質(zhì)細(xì)胞中,由FNIII樣結(jié)構(gòu)域1～4組成,通過小外顯子的排他表達(dá)區(qū)別于其他神經(jīng)元亞型。NF155的表達(dá)始于髓鞘的形成,并在髓鞘形成期間持續(xù)高表達(dá)。隨著少突膠質(zhì)細(xì)胞的逐漸發(fā)育成熟,NF155從胞體向細(xì)胞突起末端遷移,最終分布于成熟中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘結(jié)側(cè)區(qū)脂筏中[11]。NF155在軸突起始段的形成早期發(fā)揮著重要的作用,Pomicter等[12]通過NF155基因敲除小鼠研究發(fā)現(xiàn),NF155的表達(dá)缺失造成軸突起始段形成障礙,從而使小鼠表現(xiàn)出明顯的共濟(jì)失調(diào)和神經(jīng)傳導(dǎo)速率下降,壽命僅3周。此外,NF155在髓鞘結(jié)構(gòu)的形成和損傷后的修復(fù)過程中也起到重要作用[13],其通過與軸突膜上表達(dá)的caspr/contactin復(fù)合物相互作用確保髓鞘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Sherman等[14]的研究顯示,在caspr-/-和contactin-/-小鼠中,NF155仍能在結(jié)側(cè)區(qū)聚集,而在NF155-/-小鼠中,盡管caspr和contactin總量未減少,但卻不能聚集于結(jié)側(cè)區(qū),提示NF155在復(fù)合物形成的過程中起到驅(qū)動(dòng)的作用。Mathey等[15]的研究亦發(fā)現(xiàn)NF155對(duì)髓鞘損傷后的修復(fù)功能可以作為治療自身抗體介導(dǎo)的軸突損傷新靶點(diǎn)。

2.2 NF166、NF180的表達(dá)和生物學(xué)功能

NF166和NF180是最早發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)束蛋白亞型,主要表達(dá)于胚胎小腦、脊髓和視網(wǎng)膜纖維豐富的區(qū)域。Ranthjen等[1]研究發(fā)現(xiàn)NF166和NF180在免疫學(xué)上與其他已知的神經(jīng)細(xì)胞表面蛋白不同,二者可通過單克隆抗體F6干擾實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致視網(wǎng)膜軸突的生長(zhǎng)受限和交感神經(jīng)束狀結(jié)構(gòu)受損;此外,該研究團(tuán)隊(duì)還證明NF166和NF180參與了軸突之間的相互作用。隨著研究的進(jìn)一步深入,人們證實(shí)NF166和NF180都只在未成熟的神經(jīng)元中表達(dá),而它們的主要生物學(xué)功能就是選擇性地調(diào)節(jié)神經(jīng)軸突生長(zhǎng)。Volkmer等[16]的研究表明,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中NF180的PAT結(jié)構(gòu)域可以加強(qiáng)與NrCAM的相互作用,共同影響著軸突的生長(zhǎng);而在外周神經(jīng)系統(tǒng)中,NF166-contactin-2的交互作用控制著背根神經(jīng)節(jié)軸突的延伸[17],提示雖然中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)存在差異,但NF不同亞型NF166和NF180卻起到相似的功能。除此之外,NF166和NF180還與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的組織動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。Lustig等[18]的研究證明NF166和NF180在軸突起始段和朗飛結(jié)處高度富集,并通過聯(lián)合Na+通道,共同作用于軸突電位和信號(hào)傳導(dǎo)啟動(dòng)過程;Burkarth等[19]通過海馬體神經(jīng)元原代培養(yǎng),進(jìn)一步證明NF180在神經(jīng)元形成初期聚集于突觸軸突表面,并在神經(jīng)元成熟的過程中逐漸向軸突末端遷移。

2.3 NF186的表達(dá)和生物學(xué)功能

NF186是成熟神經(jīng)元中表達(dá)的主要神經(jīng)束蛋白亞型,在結(jié)構(gòu)上附加了FNIII樣結(jié)構(gòu)域5,主要表達(dá)于軸突起始段和朗飛結(jié)(nodes of Ranvier)區(qū)域[20]。在海馬體的成熟神經(jīng)元中,NF186通過干擾并減少軸突起始段的突觸數(shù)量使神經(jīng)元保持穩(wěn)定,這種對(duì)神經(jīng)元軸突的生長(zhǎng)抑制作用有可能是由于NF186的FNIII樣結(jié)構(gòu)域5的表達(dá)降低了其與 contactin-2 的親和力[21～22]。NF186 保持神經(jīng)元結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的生物學(xué)功能還表現(xiàn)在它與細(xì)胞骨架成分錨蛋白G的相互作用[23]。此外,Feinberg等[24]的研究表明NF186作用于鈉離子通道無髓鞘節(jié)段的β1和β3亞基聚集處,直接影響髓鞘朗飛結(jié)結(jié)側(cè)區(qū)的信號(hào)傳導(dǎo),在神經(jīng)纖維的神經(jīng)膠質(zhì)和神經(jīng)元跳躍傳導(dǎo)過程中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。NF186表達(dá)不足將直接影響髓鞘結(jié)側(cè)區(qū)的絕緣性,在多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)患者中表現(xiàn)為髓鞘各區(qū)相應(yīng)軸膜的離子通道分布紊亂,結(jié)區(qū)的Na+通道結(jié)構(gòu)破壞且不能聚集,原本位于近結(jié)側(cè)區(qū)的Kv1.2通道跨過結(jié)側(cè)區(qū)到達(dá)結(jié)區(qū),使得有髓纖維的快速神經(jīng)傳導(dǎo)失敗[25]。

2.4 NF胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域的生物學(xué)功能

NF的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域有可能被酪氨酸磷酸化修飾,而去磷酸化狀態(tài)下的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域更傾向于與錨蛋白G相互作用。酪氨酸磷酸化會(huì)導(dǎo)致NF的橫向流動(dòng)性增加,從而為它的遷移運(yùn)動(dòng)提供可能[26]。Barry等[27]通過原代海馬體神經(jīng)元培養(yǎng),證明NF和錨蛋白G在軸突起始段的聚集是獨(dú)立的,但軸突起始段的延伸卻高度依賴著NF和錨蛋白G的錨定結(jié)合,因此NF的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域有可能調(diào)控著軸突發(fā)育過程中NF的定位[28]。此外,Kirschbaum等[29]的研究提示,存在于NF胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域第56位和第100位的絲氨酸殘基具有N-糖基化和O-糖基化潛在位點(diǎn),有可能通過磷酸化修飾增強(qiáng)NF與細(xì)胞外信號(hào)通路分子之間的相互作用。

3 神經(jīng)束蛋白的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究及前景

目前,已在人類的一些自身免疫性脫髓鞘疾病中發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)束蛋白特異性抗體,如在MS和急慢性炎性脫髓鞘神經(jīng)病(acute/chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy,AIDP/CIDP)患者的血液或腦脊液中發(fā)現(xiàn)了NF155和NF186的特異性抗體[30～31]。Hochmeister 等[32]研究證實(shí)神經(jīng)束蛋白自身抗體將加重多發(fā)性硬化動(dòng)物模型的軸突病變和疾病的嚴(yán)重程度,同時(shí)該研究也發(fā)現(xiàn)多發(fā)性硬化孕鼠的神經(jīng)束蛋白抗體可以通過胎盤轉(zhuǎn)移至胎鼠,但其后代并未表現(xiàn)出任何異常,推測(cè)在MS孕婦血液中即使檢測(cè)到抗神經(jīng)束蛋白抗體,也不太可能會(huì)對(duì)她們的孩子產(chǎn)生髓鞘相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的負(fù)面影響。此外,Zhang等[33]通過構(gòu)建缺氧缺血性腦白質(zhì)損傷(hypoxic ischemic brain damage,HIBD)新生大鼠模型,發(fā)現(xiàn)大鼠腦組織出現(xiàn)脂筏量減少、髓鞘結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂、松散、分層等形態(tài)學(xué)改變,并伴有軸突萎縮及其導(dǎo)致的一系列神經(jīng)功能異常,而這些癥狀的出現(xiàn)與NF155表達(dá)下降密切相關(guān),提示NF155在腦白質(zhì)疾病發(fā)病機(jī)制中可能起著重要的作用,NF155有可能成為未來腦白質(zhì)損傷性疾病干預(yù)治療的新途徑和靶點(diǎn)。

雖然目前NF在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、損傷及修復(fù)中的作用和地位正得到越來越多的關(guān)注,但有許多內(nèi)容尚需要更深入的了解和認(rèn)識(shí),同時(shí)我們也期待能以NF作為嶄新的切入點(diǎn)闡明相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理機(jī)制并開發(fā)新的治療思路和方案。