IGF-I对小脑颗粒神经元保护机制的研究

杨 娟综述， 杨 薇审校

胰岛素样生长因子-I(Insulin-like growth factor-I，IGF-I)作为IGF家族中的一员，有重要的神经营养和神经保护作用，对神经元的存活至关重要。本文就IGF-I对小脑颗粒神经元(Cerebellar granule neurons，CGNs)保护机制的研究近况做一综述。

IGF-I是一种由70个氨基酸组成的单链多肽类神经营养因子，分子量为7.7KD。机体许多组织，如肺、肾、胸腺、脾脏、心脏、肌肉、胃都可以合成并分泌IGF-I，但主要由肝脏合成，此外IGF-I合成遍布全脑和脊髓［1］。研究表明，IGF-I信号传导是调节机体蛋白质合成、糖代谢、细胞增殖和分化的关键性细胞途径之一，同时在中枢神经系统(CNS)的发育和功能中起重要作用，包括神经元存活的调节、神经发生、学习、记忆、认知功能、寿命等［2］。IGF-I通过旁分泌和自分泌方式与其同源性酪氨酸激酶受体IGF-I受体结合发挥生物学效应，并受IGF-I结合蛋白调节。

颗粒神经元是脑中最大的同源性细胞群，占小脑神经元的90%以上。啮齿类动物的小脑皮质在生后发育，出生后前3w通过外颗粒层增殖产生大量的小脑颗粒祖细胞，继而停止细胞周期，穿浦肯野细胞层，迁移到内颗粒层，在此最终分化为颗粒神经元［3］。

在哺乳动物神经系统发育过程中，约有50%的神经元会发生凋亡。在小脑皮质中，浦肯野细胞产生并释放IGF-I，是体内CGNs维持生存的首要神经营养因子，当浦肯野细胞减少时，IGF-I合成减少，导致 CGNs的变性［4］。亦有研究表明，当给予IGF-I受体抗体时，浦肯野细胞对CGNs的促生长作用被抑制，提示浦肯野细胞分泌的IGF-I参与邻近CGNs的凋亡的抑制［5］。有研究发现，IGF-I、IGF-I受体、IGF-I结合蛋白的表达水平与生后小脑生长高峰相关［6］。对IGF-I转基因鼠的研究很好地证明了其在小脑发育和功能中的重要性。IGF-I敲除鼠大多死于宫内，即使存活，脑部也明显缩小，并伴有较少的髓磷脂和神经过程［7］。而在CNS过度表达IGF-I的转基因鼠中，脑部呈现过度生长状态，尤其以小脑为著，小脑达正常体积的2倍，颗粒神经元和浦肯野细胞分别增加82%和20%［8］。有研究发现CGNs数目的增加主要归因于IGF-I的促存活作用，其次是由于对颗粒神经元祖细胞的增殖作用［9］。体外CGNs原代培养，在去除血清和低钾条件下会诱导CGNs凋亡，是常用的凋亡模型。

研究发现，IGF-I不仅参与凋亡信号的转导、凋亡基因的激活和细胞凋亡的执行，而且还通过影响其他生物活性分子起作用。IGF-I抗凋亡可能涉及的信号传导通路主要包括丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)和磷脂酰肌醇3-激酶/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(Phosphatidylinositol3-kinase，PI3-K/AKT)信号通路，而 IGF-I对神经元的保护作用主要通过PI3-K/AKT途径。IGF-I通过结合IGFI受体，使之发生自身磷酸化，随之激活PI3-K/AKT信号级联反应，反过来介导IGF-I的神经保护作用。AKT，又称为蛋白激酶B(Protein Kinase B，PKB)是丝氨酸/苏氨酸激酶受体，是PI3-K的下游调节分子，对神经元的存活起关键作用，激活的AKT磷酸化BAD，使之灭活(BAD作为BCL-2家族的促凋亡成员，激活内在凋亡途径)［10］。IGF-I的神经保护作用涉及的信号传导途径依据细胞类型不同而有所区别，例如IGF-I对CGNs的保护作用不受MAPK激酶抑制剂PD98059的影响，而PD98059与LY294002都能抑制IGF-I对PC12细胞的抗凋亡作用［11］。赵灵芝等人［12］研究证实苯妥英钠通过降低AKT活性，参与CGNs的凋亡;IGF-I可显著抑制由苯妥英钠诱导的 CGNs凋亡，给予 PI3-K特异性抑制剂LY294002，可消除IGF-I对CGNs的保护作用。

Linseman等人研究发现，IGF-I通过PI3-K/AKT此途径抑制Bim(Bax依赖的细胞色素C产生的中介者)的产生，抑制Caspase-9(凋亡内在途经的起始者)与Caspase-3(凋亡的执行者)的活性，进而抑制细胞色素C的释放［13］。IGF-I在生后发育的早期阶段增加小脑抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xl的表达，减少晚期阶段促凋亡蛋白Bax和Bad的表达，进一步抑制caspase3蛋白催化活性［9］。目前线粒体细胞色素C的释放，有两大机制受到广泛关注，一是通透性转换孔(Permeability transition pore，PTP)的开放，PTP是由电压依赖性阴离子通道、腺嘌呤核苷酸载体、亲环蛋白D及一系列蛋白质组成的异蛋白质络合物，其位于内外线粒体膜的结合位点，一些促凋亡因素能打开PTP，导致线粒体膜电位的破坏、ATP合成的减少、溶质和水进入线粒体基质，最后引起线粒体肿胀和线粒体外膜的破坏，蛋白质渗出。去除营养因子的CGNs中，IGF-I并不能阻止线粒体肿胀和去极化，此时PTP是开放的，提示PTP的开放是不足以引起细胞色素C的释放的［13］。二是线粒体外膜上含Bax或者Bak蛋白质形成的通道。Bax与Bak从属于Bcl-2家族，有促凋亡作用。研究显示Bim增进Bax与Bak的促凋亡作用，同时抑制Bcl-2的抗凋亡作用［14］。在去钾和血清的CGNs中，蛋白表达定量分析显示Bims的表达显著上调，而IGF-I减弱其表达，说明Bim的抑制是IGF-I抑制细胞色素C释放的机制之一［13］。

Yamagishi等人研究发现，IGF-I能够降低p38和c-Jun的活性，抑制CGNs的凋亡，但是给予LY294002并不能完全抑制IGF-I的促存活作用，提示IGF-I可能通过PI3-K以外的分子途径激活AKT，发挥促存活作用［15］。Yamade等亦证明在培养的皮质神经元中，LY294002只是部分抑制IGF-I的促存活作用［16］。Berra等研究发现，PI3-K/AKT的抑制导致p38的激活和凋亡的发生［17］。近来有研究报道，ASK1是p38-c-jun途径的上游调节分子［18］。IGF-I能够抑制ASK1，提示是通过PI3-K-ASK1途径抑制p38的作用［15］。有研究显示，糖原合酶激酶(Glycogen synthase kinase-3beta，GSK3β)促进CGNs发生凋亡，结构活跃的GSK3β使促凋亡Bcl-2家族成员BAX磷酸化并异位到CGNs的线粒体内导致凋亡［19］，应用药物抑制GSK3β的活性后，能阻止低钾诱导的凋亡，同时研究发现GSK3β是高钾、IGF-I、cAMP、锂发挥促存活作用的共同下游调节分子，通过AKT诱导GSK3β磷酸化，抑制其活性，减少低钾诱导的CGNs的凋亡［20］。同时有研究显示，组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylases，HDACs)是GSK3β致神经毒性的下游调节分子，在给予IGF-I后，通过激活AKT抑制 HDAC3介导的神经毒性［21］。有研究证实 FoxG1是IGF-I介导神经元存活的下游中介物，IGF-I通过抑制低钾诱导CGNs凋亡过程中FoxG1表达的下降，减少CGNs的凋亡［22］。之前已有研究提示，FoxG1在Thr271位点被AKT直接磷酸化［23］。

Bonthius等研究证实，IGF-I通过 NO-cGMP-PKG途径发挥对CGNs的神经营养作用，但是对暴露于酒精的CGNs无保护作用［24］。目前酒精对脑的损坏众所周知，发育中的小脑对酒精尤其敏感，但酒精导致神经元数量减少的的具体作用机制不甚清楚，酒精可能直接杀死颗粒神经元或通过抑制谷氨酸盐的营养作用而减少细胞的数量。近来有研究显示酒精会抑制IGF-I信号传导通路。Zhang等研究证实，酒精通过抑制IGF-I受体激酶的自身磷酸化和与PI3-K的结合，拮抗IGF-I在低钾条件下的抗凋亡作用，即使增大IGF-I含量也不能保护CGNs免于酒精毒性作用，提示酒精通过非竞争性作用机制抑制IGF-I的保护作用［25］。IGF-I对CGNs的保护作用的研究近来已成为研究热点，IGF-I对细胞凋亡的抑制调控机制尚未完全阐释清楚，可能还存在许多未知的信号途径和调控基因在发挥作用，但随着对IGF-I与细胞凋亡研究的不断深入，IGF-I信号传导途径的干预有可能作为保护CGNs的新靶点。

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