腦紅蛋白在癲癇中的神經(jīng)保護(hù)作用及其機(jī)制研究進(jìn)展

杜歡 彌曼 郭向陽 劉曼玲 劉娜

[摘要] 本文回顧并討論腦紅蛋白的生物學(xué)功能以及其在癲癇中的神經(jīng)保護(hù)作用及具體機(jī)制。腦紅蛋白主要參與神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、促進(jìn)軸突再生并減輕氧化應(yīng)激水平、調(diào)控細(xì)胞凋亡及自噬途徑，從而緩解神經(jīng)元的急性損傷。在癲癇中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的具體機(jī)制：調(diào)節(jié)Pik3k/Akt信號通路、Jak2/Stat3途徑以及抑制caspase-3活性，與促紅細(xì)胞生成素受體協(xié)調(diào)共同啟動有關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。本文為預(yù)防癲癇引起的神經(jīng)元細(xì)胞死亡和治療癲癇引起的腦損傷提供了新思路。

[關(guān)鍵詞] 腦紅蛋白;神經(jīng)保護(hù);癲癇;腦損傷

[中圖分類號] R742.1 ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2019）10（a）-0067-04

Updates on neuroprotective effects and mechanisms of neuroglobin in epilepsy

DU Huan1 ? MI Man2 ? GUO Xiangyang3 ? LIU Manling2 ? LIU Na3

1.Graduate School， Xi′an Medical University， Shaanxi Province， Xi′an ? 710021， China; 2.Institute of General Medicine， Xi′an Medical University， Shaanxi Province， Xi′an ? 710021， China; 3.Department of Pediatrics， Shaanxi Provincial People′s Hospital， Shaanxi Province， Xi′an ? 710068， China

[Abstract] This study reviews and discusses the biological functions of neuroglobin and the neuroprotective effects of neuroglobin in epilepsy and its specific mechanisms. Neuroglobin is mainly involved in the proliferation of neural stem cells， promoting axonal regeneration and reducing oxidative stress levels， regulating apoptosis and autophagy pathways， thereby alleviating acute neuronal damage. The specific mechanism of neuroprotection of neuroglobin in epilepsy is regulating the Pik3k/Akt signaling pathway， the Jak2/Stat3 pathway， and the inhibition of activation of caspase-3 activity， and cooperating with the erythropoietin receptor to initiate the relevant signal transduction pathway. This review provides new ideas for preventing the death of neuronal cells caused by epilepsy and reference for treating brain damage caused by epilepsy.

[Key words] Neuroglobin; Neuroprotective; Epilepsy; Brain damage

2000年，在人類和老鼠大腦中主要表達(dá)的globin類型被識別，并稱為腦紅蛋白（Ngb）[1]。人類Ngb位于14號染色體的長臂上，位置為q24.3[2]。Ngb具有單核苷酸多態(tài)性，能產(chǎn)生蛋白質(zhì)變異，可能影響正常功能，這表現(xiàn)在多種神經(jīng)疾病中[3]。人類的Ngb是3-甲基-3α螺旋狀蛋白質(zhì)[4]廣泛分布于大腦皮質(zhì)、海馬、丘腦、嗅球、下丘腦和小腦等代謝活躍的腦組織中，尤其在下丘腦中高度表達(dá)[5]。主要存在神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)中，也存在線粒體中[6]。Ngb是一種潛在對抗腦缺血缺氧的保護(hù)性蛋白質(zhì)[7]。在缺血缺氧條件下，內(nèi)源性Ngb表達(dá)量上升，有更高與O2結(jié)合的親和力，釋放O2清除氧自由基和活性氮，可作為神經(jīng)保護(hù)劑減輕腦損傷[8-9]。然而，Ngb釋放到缺血組織的氧氣量可能會受到Ngb內(nèi)在化學(xué)物質(zhì)的影響。

1 Ngb的生物學(xué)作用

1.1 Ngb參與神經(jīng)干細(xì)胞的增殖

Luyckx等[10]比較了敲除腦紅蛋白基因（NgbKO）與通過LoxP引入Ngb基因（Ngbf1）兩組中神經(jīng)干細(xì)胞體外生長和增殖能力，結(jié)果NgbKO組神經(jīng)干細(xì)胞體外生長和增殖能力更具潛力。同時，NgbKO組中Cdkn1a下調(diào)和Cdk6上調(diào)，能夠增強(qiáng)細(xì)胞周期和增殖潛能并協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)展。Ngb丟失會影響多個細(xì)胞信號通路，最重要的可能是Akt-Tp53軸，具體分子機(jī)制還需進(jìn)一步研究[10]。

1.2 Ngb促進(jìn)軸突再生

腦缺血會導(dǎo)致嚴(yán)重的細(xì)胞死亡或損傷，包括軸突破裂或大腦收縮。軸突再生對于缺血再灌注后受傷的神經(jīng)元或大腦功能恢復(fù)是至關(guān)重要的。Ngb在缺血再灌注中可作為軸突再生的驅(qū)動因素。Xiong等[11]研究證實Ngb促進(jìn)軸突再生是通過激活p38 MAPK信號通路。Ngb主要通過7-122 aa片段和氧結(jié)合位點H64結(jié)合，激活p38，導(dǎo)致軸突再生。在缺血再灌注條件下，Ngb-p38信號傳導(dǎo)被選擇性激活，上調(diào)軸突生長關(guān)鍵蛋白，如GAP43、Tau-1、和NF200，誘導(dǎo)軸突再生。

1.3 Ngb是大腦中的協(xié)調(diào)神經(jīng)保護(hù)器

Ngb可以使缺血后腦梗死體積的顯著減少，促進(jìn)脊髓損傷后的脊髓功能恢復(fù)[12]。然而，梗死面積大小以及血腦屏障對Ngb的不滲透性限制在腦損傷中應(yīng)用。重組人類紅細(xì)胞素（rhEPO）最近被證明在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生，能夠顯著減少凋亡細(xì)胞數(shù)量和腦水腫發(fā)生，保護(hù)受損的大腦。Zhu等[13]研究新生兒大鼠腦室周圍白質(zhì)損傷模型中發(fā)現(xiàn)促紅細(xì)胞生成素受體（EPOR）和Ngb的水平均上調(diào)。EPOR呈現(xiàn)出急劇上升和緩慢下降的趨勢，而Ngb的表達(dá)呈現(xiàn)出先持續(xù)上升后急劇下降的特點。這與Gao等[14]實驗結(jié)果相似。Ngb和EPOR可能是腦梗死后重要的協(xié)同神經(jīng)保護(hù)因子。當(dāng)EPO與EPOR結(jié)合時，導(dǎo)致受體二聚化和磷酸化，增加Ngb表達(dá)相關(guān)多個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的啟動。因此，Ngb和EPOR是大腦中重要的協(xié)調(diào)神經(jīng)保護(hù)器，但是二者間相互作用機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

2 Ngb在癲癇中的神經(jīng)保護(hù)作用

2.1 Ngb在癲癇發(fā)作中的神經(jīng)保護(hù)作用

癲癇是神經(jīng)系統(tǒng)中較為常見的發(fā)作性疾病。癲癇發(fā)作引起神經(jīng)沖動爆發(fā)，全身肌肉不自主抽搐，對氧的需求大大增加，造成腦組織神經(jīng)元細(xì)胞相對缺氧，與心肌、骨骼肌收縮時造成短暫缺血類似。而Ngb作為氧的載體，在缺氧情況下表達(dá)上調(diào)[15]。隨著癲癇的進(jìn)展，海馬區(qū)Ngb表達(dá)水平均上調(diào);CA1、DG區(qū)的表達(dá)在24 h達(dá)到頂峰后，輕度下降，但持續(xù)處于高表達(dá)狀態(tài);CA3區(qū)卻呈持續(xù)升高趨勢。Ngb表達(dá)水平與海馬神經(jīng)元存活數(shù)呈正相關(guān)，提示Ngb可能是癲癇發(fā)作所致缺血缺氧的一種神經(jīng)保護(hù)代償機(jī)制[16]。驚厥發(fā)作時，Ngb表達(dá)隨著發(fā)作持續(xù)時間延長而呈持續(xù)升高狀態(tài)。而發(fā)作結(jié)束后Ngb表達(dá)隨之下降，下降速度小于發(fā)作時上升速度，儲備氧緩慢釋放。這與高壓氧作用相似，進(jìn)而緩解因癲癇發(fā)作而產(chǎn)生的相對缺氧狀態(tài)對神經(jīng)元造成的急性損傷。雖然表達(dá)增加并不能直接抑制腦組織的異常興奮點或是阻斷癲癇異常放電通路，但Ngb作為神經(jīng)系統(tǒng)特異性氧載體，發(fā)揮內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)作用、減輕癲癇發(fā)作，尤其是癲癇持續(xù)狀態(tài)對腦組織造成的缺氧性損害[17]。癲癇發(fā)作時會引起細(xì)胞自噬和凋亡[18]。Rami等[19]證實在癲癇發(fā)作后，大腦皮層的神經(jīng)元數(shù)量減少，凋亡細(xì)胞的數(shù)量增加。另外LC3、P62、Beclin-1和Bcl-2自噬及凋亡因子水平的變化顯示，在自噬及凋亡發(fā)生的癲癇大鼠大腦發(fā)育過程中，如LC3表達(dá)增強(qiáng)可能是由溶酶體活性降低或自噬體-溶酶體融合改變引起。癲癇發(fā)作會引發(fā)與自噬損傷相關(guān)的病理改變。反之，在前饋回路中能夠引發(fā)更多的癲癇發(fā)作，導(dǎo)致更高的癲癇發(fā)作頻率和癥狀反復(fù)發(fā)生[20-21]。Ngb能夠調(diào)控自噬途徑，減輕癲癇中神經(jīng)元細(xì)胞的死亡。然而，具體機(jī)制尚未明確，可能會成為未來研究的新方向。

Ngb能夠減輕氧化應(yīng)激水平、調(diào)控細(xì)胞凋亡及自噬途徑。目前已有證據(jù)表明，自噬和癲癇發(fā)生之間有直接關(guān)系。如果能發(fā)現(xiàn)一種可穿過血腦屏障并上調(diào)Ngb表達(dá)的小分子物質(zhì)，將會使癲癇發(fā)作或癲癇發(fā)作后導(dǎo)致腦損傷的患者獲益。銀納米顆粒（AgNPs）是直徑在1～100 nm之間的銀原子簇。在評價AgNP暴露對大鼠皮質(zhì)、海馬和小腦Ngb表達(dá)水平的結(jié)果中顯示，海馬區(qū)AgNP對Ngb表達(dá)水平無調(diào)節(jié)作用。而在小腦中能否增加Ngb的表達(dá)[22]，還需更深一步研究證實。

2.2 Ngb在癲癇引起的腦損傷的神經(jīng)保護(hù)作用

在癲癇引起的腦損傷中，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以合成并釋放Ngb，有抗氧化、抗凋亡作用，代表了一種內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)機(jī)制[23]。Ngb有獨特的生理功能，與其他球蛋白（血紅蛋白、肌紅蛋白）氧氣儲存和運(yùn)輸作用不同[24]。Ngb作為一種代謝調(diào)節(jié)劑，抑制AMPK信號通路傳導(dǎo)來增強(qiáng)細(xì)胞合成代謝，表現(xiàn)為增加糖原和脂肪生成[25]。Ngb在大腦發(fā)育的祖細(xì)胞群中有所表達(dá)，在腦損傷造成缺血時表達(dá)增加，可能與缺血性神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)發(fā)生的作用機(jī)制相似[26]。另外，在腦損傷后，星形膠質(zhì)細(xì)胞中Ngb表達(dá)增加，促進(jìn)神經(jīng)元存活。張蓓等[27]證實Ngb對局灶性腦缺血大鼠有神經(jīng)保護(hù)作用可減小腦梗死體積，改善神經(jīng)功能。

3 Ngb在癲癇中的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制

3.1 Ngb通過pi3k/akt信號對癲癇形成的缺血性腦損傷進(jìn)行神經(jīng)保護(hù)

在癲癇形成腦缺血后，Ngb通過pi3k/akt信號通路，對神經(jīng)細(xì)胞起到了保護(hù)作用，這條信號通路與細(xì)胞存活有關(guān)。血紅素不但上調(diào)了mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)，也增加了pAkt水平。逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)和蛋白質(zhì)印跡分析顯示，抑制pi3k/akt對mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)沒有影響，而對Ngb表達(dá)有影響，提示Pi3k/Akt在Ngb神經(jīng)保護(hù)有關(guān)信號通路的中下游[28]。

3.2 Ngb減弱了通過Jak2/Stat3途徑獲得的氧葡萄糖剝奪引起的細(xì)胞凋亡

癲癇發(fā)作可引起大腦的氧葡萄糖剝奪，許多機(jī)制顯示了Ngb對氧葡萄糖剝奪（OGD）的神經(jīng)保護(hù)作用。Ngb通過調(diào)控某些基因的表達(dá)來保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)。此外，Ngb可以抑制線粒體的凋亡，通過Jak2/Stat3信號途徑促進(jìn)了抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)，并阻斷caspase-3激活從而抑制細(xì)胞凋亡。研究結(jié)果顯示，通過激活Jak2/Stat3途徑，Ngb可以保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受OGD誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。

3.3 Ngb抑制caspase-3活性，對星型膠質(zhì)細(xì)胞起到保護(hù)作用

Ngb可以促進(jìn)神經(jīng)元的生長。對于星型膠質(zhì)細(xì)胞的保護(hù)作用，主要通過恢復(fù)內(nèi)源性抗氧化酶的表達(dá)和活性，減少活性氧（ROS）產(chǎn)生和促炎細(xì)胞因子[誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、環(huán)氧合酶2、白細(xì)胞介素（IL）-6、IL-33表達(dá)體現(xiàn)。Ngb作為一種膠質(zhì)保護(hù)劑，通過調(diào)節(jié)線粒體呼吸頻率等功能抑制H2O2激活caspase-3，防止H2O2誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡[29]。

4 結(jié)語

Ngb在癲癇造成的腦缺血缺氧下有一定的神經(jīng)保護(hù)作用，包括參與神經(jīng)干細(xì)胞增殖，促進(jìn)軸突再生。目前發(fā)現(xiàn)的機(jī)制有以下3種：Pi3k/Akt信號通路抑制線粒體凋亡;Jak2/Stat3信號途徑促進(jìn)抗凋亡蛋白Bcl-2表達(dá)，阻斷caspase-3激活，抑制細(xì)胞凋亡;抑制磷酸肌酸-3激酶，恢復(fù)內(nèi)源性抗氧化酶表達(dá)和活性，減少ROS產(chǎn)生和促炎細(xì)胞因子表達(dá)。然而，具體機(jī)制尚未明確，需要進(jìn)一步研究證實。Ngb能夠緩解癲癇發(fā)作引起的神經(jīng)元急性損傷，可能與癲癇發(fā)作時引起細(xì)胞自噬和凋亡有關(guān)。Ngb減輕氧化應(yīng)激水平、調(diào)控細(xì)胞凋亡及自噬途徑。另外，da Concei？觭？觔o等[22]發(fā)現(xiàn)銀納米顆粒能增加小腦中Ngb的表達(dá)。基于此研究，如果設(shè)計或發(fā)現(xiàn)一種新的引物，能夠穿過血腦屏障并上調(diào)或啟動Ngb表達(dá)，可能會對癲癇發(fā)作或癲癇發(fā)作后導(dǎo)致腦損傷的患者獲益，這將成為治療驚厥或癲癇發(fā)作性疾病的一種新方法。

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（收稿日期：2019-05-20 ?本文編輯：王曉曄）