NRG1/ErbB4與癲癇相關(guān)性及其遺傳易感性研究進(jìn)展

陳新元 武羽潔 季雨偉 唐 薇

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院科教科，云南 昆明 650032

癲癇是一種慢性的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。2018年世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)報(bào)道，全球癲癇患者超過5 000萬人，其中，我國(guó)癲癇患者高達(dá)900萬以上，且每年都會(huì)增加近60萬例，給我國(guó)年經(jīng)濟(jì)情況造成巨大負(fù)擔(dān)，花費(fèi)超過200億人民幣[1]。國(guó)際抗癲癇聯(lián)盟(International League Against Epilepsy，ILAE)根據(jù)癲癇疾病的復(fù)雜性、難治性，相繼更新了癲癇、耐藥性癲癇及癲癇持續(xù)狀態(tài)的定義[2-4]。

癲癇的特征是大腦神經(jīng)元過度或超同步放電而發(fā)生的2次或2次以上的不可預(yù)知和無端的癲癇發(fā)作。要找到安全有效的治療方法，關(guān)鍵在于了解癲癇發(fā)生的來源，目前已經(jīng)知道，約60%的癲癇是特發(fā)性的，40%來自發(fā)育或獲得性疾病，如卒中、創(chuàng)傷性腦損傷、感染、腫瘤、藥物戒斷、神經(jīng)毒性和遺傳缺陷等[5-6]。而遺傳基因缺陷因素一直被廣泛的關(guān)注[7]，特別是神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1 (NRG1)及其受體ErbB4編碼基因多態(tài)性的鑒定為更好地剖析癲癇的致病機(jī)制提供了一個(gè)有用的起點(diǎn)。NRG1是一種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，ErbB4 受體是其下游靶點(diǎn)，其相互作用影響著神經(jīng)元的發(fā)育、神經(jīng)傳遞以及突觸可塑性，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中不可或缺[8]。

1 NRG1/ErbB4與癲癇的相關(guān)性

1．1 NRG1/ErbB4信號(hào)在神經(jīng)發(fā)育中的作用 NRG1是一種營(yíng)養(yǎng)因子，包含表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor，EGF)樣區(qū)域，EGF樣結(jié)構(gòu)域位于細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域的膜近端區(qū)域，這是激活ErbB受體酪氨酸激酶的必要條件和充分條件[9]。癲癇是一種神經(jīng)發(fā)育障礙疾病。NRG1和ErbB4蛋白均豐富表達(dá)于發(fā)育期和成人期大腦中進(jìn)行增殖或神經(jīng)基因表達(dá)的區(qū)域[10]。NRG1促進(jìn)胚胎神經(jīng)干細(xì)胞中神經(jīng)元祖細(xì)胞的增殖，并參與許多其他神經(jīng)發(fā)育過程。

重組NRG1刺激多種原代神經(jīng)元的神經(jīng)元軸突生長(zhǎng)，包括海馬神經(jīng)元[11]、視網(wǎng)膜神經(jīng)元[12]、小腦顆粒細(xì)胞[13]和丘腦神經(jīng)元[14]。由于刪除NRG1基因的胚胎致命性[15]，NRG1在誘導(dǎo)軸突生長(zhǎng)的確切功能尚不清楚。最近的一項(xiàng)研究表明，丘腦皮質(zhì)軸突(the thalamocortical axon，TCA)的投射受NRG1和ErbB4調(diào)控[16]。TCA的發(fā)育依賴于從外側(cè)神經(jīng)節(jié)突起衍生的中間神經(jīng)元群向間腦遷移，在間腦中，神經(jīng)元為后到達(dá)的TCA形成一個(gè)允許通道[17-18]。而在發(fā)育中的大腦皮質(zhì)，NRG1/ErbB4信號(hào)參與了谷氨酸能神經(jīng)元的徑向遷移和γ-氨基丁酸能神經(jīng)元的切向遷移。NRG1誘導(dǎo)徑向膠質(zhì)細(xì)胞的形成和擴(kuò)展，這是大腦皮質(zhì)神經(jīng)元和小腦顆粒細(xì)胞遷移所必需的[17，19]。

1．2 NRG1/ErbB4對(duì)突觸形成及其可塑性的作用NRG1/ErbB4信號(hào)影響著突觸的形成。突觸后ErbB4信號(hào)可以控制興奮性突觸的功能依賴性成熟：突觸活動(dòng)觸發(fā)NRG1/EEBB4信號(hào)，該信號(hào)以突觸后致密蛋白95(postsynaptic density protein 95，PSD95)依賴的方式在突觸處聚集或穩(wěn)定ErbB4，并穩(wěn)定突觸AMPA(α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸，AMPA)受體。中斷NRG1/ErbB4信號(hào)導(dǎo)致突觸AMPA受體和脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，致使可塑性受損，最終導(dǎo)致棘狀突起和NMDA受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor，N-甲基-D-天冬氨酸)的缺失[20]。

1．2．1 短期可塑性：癲癇患者大多伴有記憶衰退，反應(yīng)遲緩，而工作記憶和執(zhí)行功能等認(rèn)知過程由前額皮層(prefrontal cortex，PFC)介導(dǎo)。PFC的功能由錐體神經(jīng)元執(zhí)行，這些神經(jīng)元的活動(dòng)由抑制性和興奮性突觸控制。研究發(fā)現(xiàn)，在GABA能神經(jīng)元的終末有ErbB4的免疫反應(yīng)，這些神經(jīng)元似乎支配著PFC的錐體神經(jīng)元[21-22]。生物化學(xué)和電生理學(xué)研究表明，外源NRG1刺激GABA釋放以響應(yīng)去極化，而對(duì)基礎(chǔ)釋放沒有明顯影響。ecto-ErbB4處理或抑制NRG1/ErbB4信號(hào)傳遞減弱了活性依賴的GABA釋放，表明GABA的傳輸是由NRG1/ErbB4信號(hào)水平?jīng)Q定的。NRG1激活GABA釋放，再通過錐體神經(jīng)元調(diào)控信號(hào)整合。錐體神經(jīng)元的最終輸出依賴于谷氨酸能和氨基丁酸能的輸入，這兩種輸入均受NRG1調(diào)控[22]。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，NRG1信號(hào)的發(fā)育中斷損害了成年動(dòng)物的神經(jīng)傳遞，由此推測(cè)NRG1對(duì)突觸可塑性的調(diào)控可能依賴于NRG1的初始活性，該活性由NRG1亞型的局部濃度、ErbB激酶水平和調(diào)節(jié)NRG1表達(dá)的神經(jīng)元活性控制。因此NRG1的這一功能可能對(duì)癲癇患者的工作記憶缺陷有影響。

1．2．2 長(zhǎng)期的可塑性：突觸長(zhǎng)期的可塑性需要新的蛋白質(zhì)合成，NRG1能夠調(diào)節(jié)大腦的長(zhǎng)期可塑性。首先，NRG1已被證明可以刺激關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達(dá)，包括谷氨酸、GABA和ACh[21，23]。因此，其可能潛在地調(diào)節(jié)興奮性和抑制性神經(jīng)傳遞。更重要的是，小腦顆粒細(xì)胞中由NRG1介導(dǎo)的GABA誘導(dǎo)電流增加、CA1海馬神經(jīng)元的微型IPSC振幅降低，海馬GABA能神經(jīng)元的ACh誘導(dǎo)電流峰值增加[24]，都需要蛋白合成。此外，NRG1能刺激Ca2+激活的K+通道在副交感神經(jīng)細(xì)胞中的表達(dá)[23]?？紤]到ErbB4的獨(dú)特突觸定位，很容易推測(cè)NRG1可能調(diào)控突觸的局部蛋白合成，以此來影響突出的長(zhǎng)期可塑性。最后，NRG1的表達(dá)和加工受神經(jīng)元活性調(diào)控。因此，NRG1誘導(dǎo)的神經(jīng)傳遞增加以及隨后更多NRG1的產(chǎn)生可能有助于突觸的長(zhǎng)期可塑性。

1．3 NRG1/ErbB4臨床研究 NRG1/ErbB4信號(hào)通路很可能通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，參與了原發(fā)性癲癇發(fā)病機(jī)制。有研究利用海綿狀血管瘤(CA)患者的癥狀性癲癇樣本，排除CA的影響，發(fā)現(xiàn)癥狀性癲癇患者顳葉皮層NRG1和ErbB4蛋白水平顯著升高[25]，揭示了與原發(fā)性癲癇不同的NRG1/ErbB4信號(hào)通路在癥狀性癲癇中的關(guān)鍵作用，表明NRG1/ErbB4信號(hào)可能在癥狀性癲癇中發(fā)揮重要作用。然而有研究表明，ErbB4在顳中癲癇患者的癲癇組織中表達(dá)明顯降低[26]。這種ErbB4在顳葉癲癇和癥狀性癲癇中的表達(dá)差異，提示ErbB4在這兩種癲癇中可能發(fā)揮不同的作用[27]。顳葉癲癇患者ErbB4蛋白顯著降低，提示ErbB4可能是顳中癲癇發(fā)作的原因之一。而在癥狀性癲癇患者中，顳葉ErbB4信號(hào)明顯升高，表明NRG1/ErbB4信號(hào)可能作為一種穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)劑保護(hù)大腦，免受癲癇樣活動(dòng)的加重。

1．4 亞基因型NRG1和ErbB4大鼠研究 NRG1和ErbB4突變小鼠的研究為，這些基因突變作為癲癇危險(xiǎn)因素的潛在作用提供了支持。為了研究NRG1信號(hào)在癲癇發(fā)生中的作用，研究人員用大鼠建立了一個(gè)激發(fā)模型，反復(fù)使用最初的非驚厥電刺激，導(dǎo)致行為性癲癇的逐漸強(qiáng)化和電圖性癲癇持續(xù)時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)[28-29]，模型一旦建立，對(duì)電刺激的增強(qiáng)敏感性持續(xù)終生。最后發(fā)現(xiàn)與癲癇發(fā)作相關(guān)的NRG1/ErbB4信號(hào)確實(shí)增加了，而且這種信號(hào)具有顯著的抗癲癇作用。通過細(xì)胞特異性突變，發(fā)現(xiàn)GABA能中間神經(jīng)元介導(dǎo)了NRG1/ErbB4信號(hào)的抗癲癇作用。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了GABA能神經(jīng)元中的NRG1/ErbB4信號(hào)在限制癲癇發(fā)生過程中不穩(wěn)定發(fā)作活動(dòng)方面的重要性。

1．4．1 癲癇發(fā)作活動(dòng)增加了NRG1及其功能的表達(dá)：在完全激發(fā)大鼠的癲癇發(fā)作后，通過檢測(cè)NRG1 mRNA發(fā)現(xiàn)，在一次電刺激誘發(fā)癲癇發(fā)作后，海馬中的NRG1 mRNA表達(dá)增加，刺激后3 h達(dá)到峰值。值得注意的是，NRG1的三種主要亞型(Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型)的mRNA水平均有明顯升高[28，30]，只是程度不同。進(jìn)一步的ELISA實(shí)驗(yàn)表明，刺激完全激發(fā)的大鼠癲癇發(fā)作活動(dòng)導(dǎo)致海馬中NRG1蛋白在3 h后增加。為了確定NRG1上調(diào)是否是一種癲癇的普遍現(xiàn)象，研究人員建立了另一個(gè)廣泛使用的癲癇模型，匹魯卡品喚起強(qiáng)烈的癲癇持續(xù)狀態(tài)。在此模型中觀察到，匹魯卡品誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作也導(dǎo)致NRG1 mRNA和NRG1蛋白表達(dá)增加[30]。通過測(cè)量?jī)煞N模型大鼠大腦中磷酸化的ErbB4 (p-ErbB4)水平發(fā)現(xiàn)，癲癇發(fā)作活動(dòng)在不改變ErbB4水平的情況下增加了NRG1及其功能的表達(dá)。

1．4．2 NRG1抑制癲癇發(fā)作：在大鼠激發(fā)模型中，使用兩種改變NRG1活性的策略：外源性NRG1的使用和內(nèi)源性NRG1的中和。為了研究NRG1在癲癇發(fā)生中的作用，腦室內(nèi)NRG1灌注增強(qiáng)了假手術(shù)和激發(fā)模型大鼠海馬區(qū)ErbB4的激活。與媒介或變性處理的NRG1相比，每一次電刺激前NRG1的灌注均顯著延遲了激發(fā)模型誘發(fā)癲癇的發(fā)生，表現(xiàn)為行為發(fā)作級(jí)別的進(jìn)展減慢、放電(Electro-Static discharge，ESD)延長(zhǎng)時(shí)間的減少以及喚起刻板性行為發(fā)作所需的電刺激次數(shù)的增加。這些結(jié)果表明外源性NRG1可以抑制激發(fā)模型中的癲癇發(fā)生[28]。為了進(jìn)一步確定內(nèi)源性NRG1是否調(diào)控癲癇發(fā)生，通過使用一種可溶形式ErbB4(ecto-ErbB4)來探討隔離NRG1的后果。這種多肽包含的ErbB4與 NRG1結(jié)合并隔離，從而阻止它激活內(nèi)源性受體[31]。與媒介或變性ecto-ErbB4治療相比，注入ecto-ErbB4極大地促進(jìn)了發(fā)作強(qiáng)度的發(fā)展，這表明了內(nèi)源性NRG1在癲癇發(fā)展中有抑制作用[28，31]。以上結(jié)果表明，癲癇發(fā)作與誘發(fā)癲癇的NRG1具有密切相關(guān)性。

1．4．3 ErbB4激活在癲癇發(fā)生中的作用：大鼠激發(fā)模型中，通過在激發(fā)過程中使用了PD158780，這是一種有效的ErbB酪氨酸激酶活性抑制劑[32]。與媒介處理相比，PD158780大大加快了行為發(fā)作級(jí)別的進(jìn)展，增加了ESD的延長(zhǎng)，減少了激發(fā)過程中喚起刻板行為發(fā)作所需的刺激次數(shù)。結(jié)合ecto-ErbB4的結(jié)果，表明ErbB受體的酪氨酸激酶活性對(duì)于NRG1介導(dǎo)癲癇發(fā)生的具有抑制作用。通過以上動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，我們能得到結(jié)論，NRG1通過激活ErbB4酪氨酸激酶磷酸化來抑制癲癇發(fā)生[18，32]。在進(jìn)一步的研究中還發(fā)現(xiàn)，NRG1/ErbB4信號(hào)不僅可以抑制激發(fā)過程中的癲癇發(fā)生，還可以減輕癲癇腦內(nèi)興奮狀態(tài)的形成。此外，NRG1/ErbB4信號(hào)的激活也抑制了癲癇誘導(dǎo)的神經(jīng)回路的長(zhǎng)期改變。

2 NRG1/ErbB4基因的癲癇易感性

癲癇具有遺傳性，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種易患癲癇的基因[28]，在對(duì)NRG1基因多態(tài)性的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)其與癲癇發(fā)生具有一定的相關(guān)性，推測(cè)NRG1/ErbB4可能作為癲癇的易感基因影響著癲癇的發(fā)生。目前，研究已經(jīng)證實(shí)NRG1是精神分裂癥的主要易感基因之一[32-33]，而癲癇與精神分裂癥之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，研究表明[34-37]，患有癲癇疾病者有1.5倍的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展為精神分裂癥，精神分裂癥患者同樣也會(huì)出現(xiàn)癲癇樣癥狀，由此可以推測(cè)兩者之間可能存在相同的生物學(xué)表型和易感基因。 通過NRG1/ErbB4基因的突變與癲癇發(fā)生的相關(guān)性研究。已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，NRG1(SNP rs35753505)與癲癇易感性有關(guān)性，其中NRG1 SNP(rs35753505)基因多態(tài)性影響著部分性癲癇的易感性[38]。早期有研究發(fā)現(xiàn)，早發(fā)性肌陣攣性腦病患者也存在ErbB4基因的突變[39]。LI等[40]也曾報(bào)道過在顳葉癲癇患者中ErbB4 mRNA表達(dá)發(fā)生下調(diào)。這些結(jié)果表明，NRG1/ErbB4有很大可能是許多人群中的一種癲癇易感性基因。

3 討論

癲癇通常被認(rèn)為是一種神經(jīng)功能障礙疾病[41]。NRG1/ErbB4信號(hào)明顯參與了大腦發(fā)育的重要過程[10，42]，NRG1通過激活ErbB4受體，增強(qiáng)前額皮質(zhì)釋放GABA，抑制興奮性神經(jīng)元活動(dòng)。NRG1或ErbB4功能的喪失或NRG1信號(hào)的干擾將影響大腦中神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育以及突觸的形成，從而導(dǎo)致神經(jīng)傳遞和皮質(zhì)功能的改變，發(fā)生癲癇樣癥狀和認(rèn)知障礙。雖然已經(jīng)證實(shí)NRG1/ErbB4與癲癇發(fā)生有很大的相關(guān)性，但NRG1和ErbB4中的基因變異如何影響癲癇易感性仍不清楚。一種可能的假設(shè)是，基因變異具有調(diào)節(jié)作用，通過改變NRG1和ErbB4的表達(dá)，或剪接NRG1和ErbB4基因，或通過改變NRG1或ErbB4 mRNA的穩(wěn)定性，從而影響癲癇的易感性[28]。已有研究為這一假設(shè)提供了一些證據(jù)，如在動(dòng)物癲癇激發(fā)模型中，人們發(fā)現(xiàn)NRG1 mRNA表達(dá)增加，ErbB4表達(dá)異常[30，41]。雖然在人類致癇組織中也發(fā)現(xiàn)NRG1和ErbB4蛋白水平顯著升高，但NRG1和ErbB4的蛋白水平是否與癲癇易感性相關(guān)，也一直存在爭(zhēng)議，需要更多的臨床試驗(yàn)去證明。總的來說，NRG1/ErbB4信號(hào)通路影響著癲癇的發(fā)生發(fā)展，其與癲癇的易感性我們也會(huì)在臨床上進(jìn)一步去證實(shí)，希望為癲癇的治療在遺傳學(xué)上提供一些新的方向。