中枢神经损伤后GAP-43蛋白对神经再生及轴突导向作用及其机制的研究进展

刘 健，杨小玉，杨茂光，矫健航，董 健，夏威威（.三峡大学第一临床医学院，湖北 宜昌443003；

2.吉林大学中日联谊医院脊柱外科，吉林 长春 130033）

中枢神经损伤通常导致损伤部位支配的感觉及运动功能丧失。由于中枢神经系统损伤后其损伤的轴突自发性再生能力十分有限，因此中枢神经损伤后功能恢复一直是神经科学研究的难点之一。大量研究[1]表明：大脑或脊髓损伤后人为给予药物干预或对失神经支配的肢体进行相关功能锻炼，均可以使患者或实验动物本已丧失的功能获得明显恢复。这些方法的直接证据是促进损伤部位轴突再生使神经传导束重新连接，或是通过提高残存的神经轴突的可塑性重组神经环路。对于中枢神经损伤修复机制的探讨和研究日益增多，然而中枢神经功能恢复是一个复杂的过程，涉及许多基因和蛋白的调控，近年来生长相关蛋白43（growth associated protein 43，GAP-43）已成为学者研究的焦点，关于GAP-43蛋白参与中枢神经损伤修复的研究大量展开，同时对于调节和协同GAP-43蛋白发挥作用的其他信号分子的研究也日益深入。

GAP-43蛋白是一种膜相关磷蛋白，主要表达于发育或再生轴突的生长锥末端，主要参与轴突生长、突触重构以及儿茶酚胺和神经肽类物质的分泌[2]。GAP-43蛋白的表达贯穿于整个发育中的神经系统的轴突生长全过程，随着神经系统的成熟，GAP-43的表达逐渐下降并呈区域性受限。但是，在成熟的神经系统中的很多部位可以出现伴随轴突生长的GAP-43的上调表达[3]。在一些非哺乳类脊椎动物的视神经受损后，随着轴突再生可以出现GAP-43的增强合成，而哺乳类动物视神经损伤后却未能出现其上调表达，其原因在于受损轴突未能再生[4]。在成熟的哺乳动物的周围神经损伤后可以发现GAP-43的表达上调[5]，同时这种表达上调还可以在诱发大脑神经元形成侧支轴突发芽的过程中发现[6]。关于GAP-43蛋白在中枢神经系统损伤修复过程中的具体作用机制众说纷纭，但大都集中于轴突再生和轴突导向2个方面。

1 促进轴突再生

轴突再生是指特定条件下轴突的出芽、生长、延伸、与靶细胞重建轴突联系实现神经再支配而恢复功能的过程。与周围神经不同，成年哺乳动物中枢神经系统损伤后轴突常不能有效再生，影响中枢神经轴突有效再生的原因比较复杂，主要涉及神经元内在生长能力差、胶质瘢痕的形成、缺乏生长促进分子及神经再生抑制性因子的释放等因素[7]。

尽管存在于成年哺乳动物大脑中的轴突生长会因局部的不利环境受到限制，但轴突再生的成功与否还取决于损伤神经元本身固有的那些促神经轴突生长延长的分子的表达能力[8]。在完整的成年动物神经元中轴突生长相关基因序列受到抑制，而这种抑制更有可能来自非神经元本身的外来因素所造成[9]。然而，在进行轴突切断术的一些成年动物的神经元却可以上调表达与神经轴突生长相关的基因，而且这种表达和再生轴突长入失神经支配区的能力密切相关[10]。成年动物神经元固有的轴突再生能力主要是指调节一系列特异性分子的表达，而这些分子均可定义为生长相关蛋白（growth associated proteins，GAPs）。在这些蛋白中最为典型的就是GAP-43蛋白，虽然这种蛋白在轴突生长过程中的准确作用尚存在诸多争论，但GAP-43的表达的确与成年动物神经元轴突再生及可塑性密切相关[11]。在中枢神经系统中，小脑的浦肯野细胞十分特殊，原因在于其对轴突损伤后强大的抵抗能力，即便是在适宜轴突生长的环境下，仍表现十分弱的再生能力。Buffo等[11]通过实验发现：GAP-43高度表达时可以修改浦肯野细胞对于轴突损伤的反应，主要表现为降低其对损伤的抵抗，同时诱导轴突生长。Zhang等[12]实验发现：GAP-43蛋白和细胞黏附分子L1在浦肯野细胞中协同表达时可以将那些不具备再生能力的中枢神经元转变为具备再生能力，而且这2种分子协同表达对体内中枢神经元固有的再生能力起到关键的调节作用。Houle等[13]发现：在颈椎水平进行轴突切断术，红核脊髓神经元内可短暂的出现GAP-43和Tal微管蛋白（Ta1-tubulin）的表达量增高，同时这种现象还对应了1%～2%比例的轴突生长。阳性α－氨基-3-羟基-5-甲基-4-丙酸 （alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid，AMPA）受体调节剂可以减少由于兴奋毒性脑损伤所导致的神经元丧失[14]，而脑源性神经营养因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）神经元的连接和其存活有十分重要的作用[15]，Gupta等[16]通过实验证明：阳性AMPA受体调节剂和BDNF在促神经生长和轴突侧枝发芽方面的作用均需要GAP-43蛋白的参与，GAP-43蛋白在AMPA受体调节剂和BDNF发挥神经元保护和可塑性方面作用过程中是一种共同的中介物，并推测GAP-43蛋白可以作为在神经退变性疾病中调节神经元细胞凋亡以及促进其可塑性的新的治疗靶点。轴突分支、出芽及再生是一个有序发生的过程，这期间包括细胞内外各种信号蛋白的表达，这些信号蛋白可以重构细胞骨架进而调节轴突和生长锥的可塑性。在转录水平，这些信号蛋白受一系列转录因子的调控，这些转录因子包括 c-jun、C/EBP、CREB、STAT3及p53等[17－18]。Tedeschi等[19]发现：p53参与了周围神经损伤后轴突分支和再生过程，而且某种程度上是通过调控细胞骨架相关蛋Coronin-1b和G蛋白家族成员之一的Rab13蛋白的表达来完成的。更重要的是，在观察轴突分支的体外细胞培养实验和观察脊髓损伤后轴突发芽的体内实验中，均发现GAP-43蛋白与Coronin 1b和Rab13协作表 达[20－21]，Tedeschi等[19]提 出：CBP/p300-p53-GAP-43转录模块在退变性神经疾病中为轴突生长和再生提供了一个新的分子靶点。最近的研究揭示：轴突生长中存在大量细胞黏附分子（CAMs）的信号瀑布反应，然而这种由CAMs诱导的调节神经轴突侧枝发芽和突触可塑性的信号瀑布反应的具体机制尚不清楚。Meiri等[22]发现：激活神经细胞黏附分子（NCAM）调节的纤维母细胞生长因子（FGF）受体可以促进小脑颗粒细胞内的轴突生长，但这一过程依靠GAP-43蛋白在丝氨酸-41的磷酸活化才能完成，这种生长锥内GAP-43的磷酸化需在花生四烯酸内的FGF受体依赖性增强的前提下才能完成。Korshunova等[23]在GAP-43基因敲除小鼠的小脑颗粒细胞中发现NCAM不能刺激轴突分支生长；同样，在C3C4突变的GAP-43不能像原株GAP-43那样依附于质膜，所以对NCAM的刺激也没有反应，因此GAP-43与质膜的结合可能对NCAM诱导的神经轴突的产生意义重大。

2 轴突导向作用

分布于轴突以外，在神经发育过程中引导轴突沿正确途径生长到达靶区的分子，称为轴突导向分子。以往的研究也大多集中在这些分子在神经系统发育中的作用。近年来，这些分子在成年哺乳动物神经系统损伤后的表达及作用的研究增多[24]。

无效突变的生长相关蛋白GAP-43作为一种蛋白激酶C（PKC）的酶作用物在发育阶段的轴突生长过程中起到关键作用[25]。Aigner等[26]报道：高表达鸡 GAP-43蛋白的转基因鼠可以诱导异常的苔状纤维（MFs）超越正常的轴突末端区域即透明层（SL）而长入始层（SO）。然而这一现象并未在原株型C57BL6鼠中发现[27－28]，这可能是由于大部分椎体细胞苔状纤维的生长路径被其生长目标区域SL特异性终止而未能长入SO。GAP-43作为PKC的作用底物之一，可以调节生长锥内的F－肌动蛋白活性[29]。PKC磷酸化的GAP-43主要位于具有活性的板层和丝状伪足，并且在体外实验中通过重构聚合－解聚循环来稳定肌动蛋白纤维；相反，未磷酸化的GAP-43富含于萎缩或崩解的板层并且抑制F-肌动蛋白的聚合。生长锥中GAP-43可以通过免疫球蛋白（Ig）家族细胞黏附分子（IgSF-CAMs）刺激而被PKC磷酸化，进而参与神经接合处的轴突导向过程[22]。Shen等[30]通过实验发现：在GAP-43基因敲除鼠不能在大脑的前联合、海马以及胼胝体处形成有效神经连接，而且尽管中线处的融合是正常的，但在连接处的轴突的选择性自发收缩却受到抑制，轴突生长混乱，而且生长锥中的F－肌动蛋白水平明显下降。在轴突分支生长和再生的过程中，生长锥肩负引导轴突延长并长入正确的目标位置的责任。生长锥周围环境中的细胞表面的导向信号与丝状伪足的受体接合触发生长锥局部区域的第二信使系统，进而使细胞骨架的结构和功能发生改变[31]。一些研究[32]报告指出：丝状伪足担当一种类似自发性传感器作用向生长锥传递信息，从而对信号检测起到关键作用。神经生长的开始阶段常伴随一些GAPs的高度表达。调整GAP-43的表达水平能够对细胞和生长锥形态学方面起到很大的作用。非神经元细胞表达GAP-43会引起细胞自发性丝状伪足的形成[33]。神经元细胞中过度表达GAP-43不仅能诱发丝状伪足的形成[34]，而且可以提高轴突分支生长的能力。Maier等[25]认为：GAP-43是一种调节神经元轴突导向的重要蛋白，通过实验发现缺少GAP-43表达的大鼠不能在啮齿类动物第一躯体感觉皮质的layerⅣ区建立正常的胡须式桶装结构，丘脑皮质以不规则的路径投射至layerⅣ区，并错误地定位于皮质，表明GAP-43的表达对于建立正常的皮质桶状形态是十分关键的。有研究[35]显示：鼠胚胎期缺乏GAP-43将影响视神经束的形成[36]，其原因在于缺乏GAP-43可能导致早期的RGC轴突不能通过视交叉进入视神经束。细胞质中的Ca2＋参与许多导向信号的转导过程，其中包括对于生长锥运动的调节信号[37]，而这种作用主要基于对细胞骨架结构的调节[38－39]以及对膜前导囊泡的运输作用。Caprini等[40]实验发现：低渗透活性的GAP-43可以诱导Ca2＋从IP3-sensitive的细胞内释放。同时作者认为：GAP-43渗透敏感性可以将轴突的延伸与磷酸肌醇的代谢联系起来，从而引起Ca2＋浓度的转变以调节肌动蛋白的运动性，并以此建立一种对于生长锥生长及延伸的机械理论框架。

3 小 结

对于中枢神经系统损伤后轴突再生和神经环路重构的研究日益增多，但对其具体的完整机制却中说纷纭，GAP-43作为调节生长锥出芽生长和轴突导向的重要蛋白，已成为未来研究神经再生和轴突可塑性机制的关键蛋白之一，但轴突的再生以及正确的长入目标区域的过程需要一系列信号分子的参与，GAP-43还需要通过这些信号分子的协同调节才能有效地发挥作用。

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