Notch信号通路在中枢神经系统神经发生过程中作用的研究进展①

邹礼梁，王奎，满夏楠，陈健尔

·综述·

Notch信号通路在中枢神经系统神经发生过程中作用的研究进展①

邹礼梁，王奎，满夏楠，陈健尔

Notch信号通路是神经发育过程中必不可少的信号通路之一。它在胚胎生长发育期通过促进神经干细胞增殖或允许神经干细胞分化为神经元/胶质细胞，维持神经元和胶质细胞合适的数量和比例；在成年中枢神经系统损伤后，调控神经干/祖细胞向神经元/胶质细胞分化，参与和调控神经系统的修复过程。

Notch；信号通路；中枢神经系统；神经发生；神经干细胞；神经祖细胞；综述

[本文著录格式] 邹礼梁，王奎，满夏楠，等.Notch信号通路在中枢神经系统神经发生过程中作用的研究进展[J].中国康复理论与实践,2016,22(11):1281-1284.

CITEDAS:Zou LL,Wang K,Man XN,etal.Role of Notch signaling pathway in neurogenesis in centralnervous system(review)[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2016,22(11):1281-1284.

Notch基因由Morgan于1917年在果蝇体内首次发现，缘其部分功能缺失将导致果蝇翅膀边缘出现缺刻而得名。Notch信号通路广泛存在于脊椎动物和非脊椎动物中，是一种在进化过程中高度保守的细胞间信号通路[1]，通过相邻细胞间相互作用调控细胞增殖、细胞分化等多个过程，对组织、器官的分化和发育具有重要作用[1-3]。近年来研究发现，Notch信号通路与胚胎以及成体神经发生过程密切相关。

1 Notch信号通路

1.1 组成

Notch信号通路主要由Notch配体、Notch受体以及下游效应分子等组成。Notch配体在果蝇中为Delta和Serrate，在线虫中为Lag-2，因此Notch配体也被称为DSL(Delta/Serrate/Lag-2)蛋白，是一种含保守分子结构的Ⅰ型跨膜蛋白[4-5]。Notch受体在哺乳动物中主要有4种，分别为Notch1/2/3/4，大部分都为单次跨膜蛋白，由胞外区(notch extracellular domain,NECD)、跨膜区(transmembrane domain,TM)以及胞内区(notch intracellular domain,NICD)三个结构域组成。细胞内效应分子主要是DNA结合蛋白被称为CSL，即C-启动子结合蛋白-1(C-promoter binding protein-1,CBF-1)、无毛抑制因子(suppressor of hairless, Su(H))和Lag-1，分别是哺乳动物、果蝇和线虫细胞核内的转录因子。

1.2 激活

Notch信号通路活化有两条途径。CBF-1/RBP-Jκ依赖信号途径是经典Notch信号通路，此通路活化过程经过3次剪切：①Notch受体在内质网中合成后转运至高尔基体，并在弗林蛋白酶作用下加工剪切为胞外区和跨膜片段2个亚基，两者以二硫键连接形成糖基化并被Ca2+稳定的异质二聚体结构，由NECD和插在膜中的TM-NICD非共价结合形成；②加工后的受体转移到细胞膜上，与配体结合，在金属蛋白酶和肿瘤坏死因子-α转换酶复合体的作用下被剪切为2个片段；③位于胞外

区的N端片段依赖Mib的泛素化，被细胞内吞和降解；位于跨膜区的C端片段在γ-分泌酶、突变型早老素等相关因子的作用下发生第3次剪切，释放Notch蛋白的活化形式NICD进入细胞核，与CSL家族转录因子复合体结合，募集核转录激活蛋白家族mastermind-like(MAML)，形成NICD-CSL-MAML复合物，进而激活Notch的下游目标基因，如M yc、p21和Hes家族成

员[6]。

CSL非依赖信号途径为非经典信号通路。此通路中Notch受体的锚蛋白与胞内的锌指蛋白Deltex结合，但信号激活后不与细胞核内的CSL结合，而是与Grb2作用，介导Ras-JNK信号途径[7-8]。

2 Notch信号通路与神经发生

神经发生是从神经干细胞(neural stem cells,NSCs)增殖，经历对称和不对称性分裂成为定向祖细胞，逐渐向特定区域迁移，不断发生可塑性变化，并与其他神经元建立突触联系，从而产生神经功能的过程。Notch信号通路参与并调控神经发生。2.1NSCs聚集区

绝大部分神经发生出现在胚胎发育期，但成年哺乳动物的中枢神经系统(central nervous system,CNS)中海马齿状回颗粒下区(subgranular zone,SGZ)、侧脑室室下区(subventricular zone,SVZ)以及纹状体(striatum)是NSCs主要聚集区，仍然存在神经发生能力，其中纹状体是成人重要的神经发生区[9]。内源性NSCs主导的神经发生在CNS修复过程中尤为重要，NSCs的增殖和分化决定着神经发生的过程。成体神经发生与学习、记忆以及神经系统疾病，如脊髓损伤、脑损伤、癫痫和阿尔茨海默病等紧密相关，在CNS损伤的情况下，成体神经发生增强[10-11]。

2.2 胚胎发育期神经发生

在胚胎发育过程中，Notch信号通路参与和调控CNS发育，是神经发育过程中必不可少的信号通路之一[12]。

Notch及相关蛋白在胚胎脑室管膜区和脊髓中都存在明显表达。Lathia等对小鼠神经管进行原位杂交检测，结果显示Notch1和Delta1均存在高表达[13]。孕12 d小鼠室管膜区Notch1 和Notch3高表达[14]。含有报告基因LacZ的转基因小鼠孕10 d时，Delta1在前脑室管膜区高表达[15]。人胚胎室管膜区表达Notch1、Notch3、Delta1、Jagged1[16]。Delta1、Delta4、Jagged1a在胚胎脊髓中有很强表达，Jagged2在胚胎运动神经元中高表达[17]。Notch信号通路中的配体、受体及效应分子在胚胎室管膜和脊髓存在高表达，表明Notch信号通路参与胚胎CNS的发育过程。

Notch信号通路中碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix, bHLH)转录因子在神经发育过程中意义重大，可分促神经分化与抑神经分化两型，前者包括神经元素-1(neurogenin-1, Ngn1)、神经元素-2(neurogenin-1,Ngn2)，后者包括Hes1、Hes3和Hes5等。在神经元分化过程中，抑制型bHLH基因的表达抑制NSCs向神经元方向分化，允许或促进NSCs分化为胶质细胞，从而保持神经元和神经胶质细胞在CNS合适的数目和比例。Hes1和Hes5是Notch信号通路中重要的下游效应分子，在Hes1和Hes5基因双突变小鼠中，发现几乎所有NSCs均过早地分化成神经元，并最终导致严重的神经管形态紊乱和脑结构发育缺陷[18]。抑制NICD1后，神经嵴细胞这种胚胎时期过渡性多能细胞的迁移活动增加，并可分化为神经元；而激活NICD1后，神经嵴细胞向神经元分化受到抑制，神经嵴细胞维持预迁移和祖细胞状态[19]。Haupt等将重组NICD作用于小鼠或人NSCs，可实现Notch通路激活，使细胞维持增殖状态[20]。而γ分泌酶抑制剂DAPT作用后，NSCs出现分化迹象。由此可知，Notch信号通路可保持神经元和神经胶质细胞在CNS合适的数目和比例，保障神经系统发育过程正常进行，是神经发育过程中必不可少的信号通路之一。

2.3 CNS损伤后的神经发生

2.3.1 调控成体NSCs增殖分化

NSCs的增殖和分化与NSCs所处的环境和状态紧密相关。Notch信号可维持NSCs自我更新、稳定祖细胞群和防止干细胞分化为成熟细胞[21]。在斑马鱼脊髓中，连续注射γ-分泌酶抑制剂DAPT 5 d，减少Notch受体转化成活化形式，但未见脊髓运动神经元和中央管处细胞出现明显变化[22-23]。这可能提示在正常成体脊髓中，Notch信号对脊髓运动神经元和中央管细胞没有明显调控作用。但中枢神经系统损伤后，机体内环境发生明显变化，引起Notch1基因表达上调，目标基因hes1、hes4.1以及hes4.5表达上调，Notch信号被激活，促进NSCs的增殖[24-26]。

Breunig等在GFAP-CreERT Notch1基因敲除小鼠和NICD转基因小鼠的交互实验中，发现Notch信号通路可使NSCs退出细胞周期，从短暂扩增细胞(transitamplifying cells,TACs)分化为神经祖细胞(neural progenitor cells,NPCs)[27]。另外有研究者通过GLAST-CreERT和Nestin-CreERT诱导出RBP-jκ基因敲除小鼠，发现Notch信号通路抑制后NSCs出现不对称分裂，分裂为NSCs和TACs[28-29]。Notch信号对维持NSCs对称分裂具有重要意义，阻断或抑制Notch信号通路，细胞周期将受到调控，引起NSCs发生不对称分裂，促进细胞进入分化过程。CNS损伤后，Notch信号调控NSCs发生不对称分裂，向神经细胞或神经胶质细胞分化，并与周围细胞形成联系，一定程度上修复受损功能。

2.3.2 调控成体NPCs向神经元分化

Notch信号通路在成体神经发生中扮演重要角色，除了调控NSCs的增殖和分化过程外，还与成体祖细胞群的维持以及这些祖细胞的分化和成熟密切相关[30-31]。成体神经发生期间，Notch信号处于抑制状态，特定表达胶质纤维酸性蛋白、谷氨酸天冬氨酸转运体以及Nestin的NSCs通过不对称有丝分裂分裂成NSCs和TACs，其中TACs增殖迅速，退出细胞周期并产生NPCs；NPCs从SGZ和SVZ迁移至颗粒细胞层、嗅球或CNS损伤区域，进一步发育成神经元或神经胶质细胞[31]。抑制Notch信号通路后，祖细胞向运动神经元方向分化；但抑制Notch信号通路是对神经元分化的一个允许作用，而不是诱导作用[21]。

王凯等对体外培养的大鼠原代神经元进行划伤处理后，发现Notch参与神经元损伤的病理过程，实验结果提示Notch信号通路在脑损伤过程中可能起重要的调控作用[33]。秦建兵等在海马放射状胶质细胞体外增殖培养阶段，分别使用Notch信号通路激动剂Jagged1及抑制剂DAPT，在放射状胶质细胞分化阶段则撤去Jagged1及DAPT，发现Jagged1不仅促进细胞增殖，还能促进其分裂，产生更多NPCs；当改用含10%胎牛血清的DMEM/F12培养液进行分化培养后，这些NPCs脱离细胞循环周期，并分化为微管相关蛋白-2阳性的神经细胞[34]。此外，Notch信号通路还参与神经突触的增生和可塑性变化[35]，诱导NPCs等非星形胶质细胞祖细胞向星形胶质细胞分化[36]，但其机制还有待研究。

3 小结

Notch信号通路在机体不同状态下或维持NSCs的未分化状态和自我更新能力，或允许NSCs向神经元/胶质细胞方向分化，在胚胎和成体神经发生过程中发挥重要作用。胚胎发育期，Notch信号通过保持神经元和胶质细胞合适的数量和比例，保障机体CNS正常发育。成年期，尤其在CNS损伤后的修复过程中，Notch信号调控神经干/祖细胞向神经元/胶质细胞分化，促进神经突触增生和功能修复。Notch信号通路也可能与其他信号通路，如Wnt、Shh等产生协同作用，共同参与神经系统的生理和病理调控机制[37]。

目前虽已证实Notch信号通路在神经发生过程中必不可少，但其在不同部位的具体作用机制，尤其是成体CNS损伤后的作用机制还未明确。Notch信号通路与其他信号通路之间的关系，以及它们与精神、神经疾病发生与发展的相关性都有待深入研究。

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“让残疾人更健康”2016阳光论坛召开

2016 阳光论坛于10月28日在上海成功举办，主题为“让残疾人更健康”。论坛由复旦大学中国残疾问题研究中心与上海市残疾人康复事业发展研究中心共同主办，来自全国各地150余名政策制定者、医院管理者、研究人员参加论坛。

复旦大学中国残疾问题研究中心主任吕军教授分享了健康中国视角下残疾人群健康治理的理论、框架和路径，指出增进残疾人群健康，需要营造共同的价值体系、社会体系、政策体系、文化体系、科技体系，要多部门协作，构建完整、严谨的框架体系，达成多领域协作的共识。

美国圣地亚哥州立大学Caren L.Sax教授展示了美国辅助技术在残疾人群日常生活中的应用。中国医院协会疾病与健康管理专业委员会美方首席专家刘晓峰博士分享了健康管理工作中的主要程序。复旦大学国际关系与公共事务学院唐亚林教授从政治学的视角，分享关于精准助残激励政策的思考。无锡市康复医院党英杰院长以脊柱侧凸筛查项目为例，介绍了无锡市康复医院在青少年脊柱侧凸预防工作上取得良好效果的经验。复旦大学公共卫生学院陈刚教授分享了上海市残疾人体检数据库的分析结果及启示。

与会代表们一致认为，残疾人康复事业的发展要顺应社会转型，融入健康理念，寻求更大的突破。当前应摸清残疾人需求，加强顶层制度设计，推动残疾问题研究，使学术研究成为推动残疾人事业发展的重要支撑。

复旦大学中国残疾问题研究中心于2015年成立，“阳光论坛”是中心的系列品牌活动，于2015年首次发起，每年举办一次。

Roleof Notch Signaling Pathway in Neurogenesis in CentralNervous System(review)

ZOU Li-liang,WANG Kui,MANXia-nan,CHEN Jian-er
Zhejiang ChineseMedicalUniversity,Hangzhou,Zhejiang 310053,China

The Notch signaling pathway playsa pivotal role in the process of neurogenesis in centralnervous system.Itnotonlymaintains the appropriate number and proportion of neurons and glial cells in the grow th and developmentof embryo,butalso regulates the injured neural stem/progenitor cells to differentiate into neurons/glial cells of the adult nervous system,promoting the repair of the nervous system.

Notch;signaling pathway;centralnervous system;neurogenesis;neuralstem cell;neuralprogenitor cell;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.11.008

R742

A

1006-9771(2016)11-1281-04

2016-05-27

2016-07-26)

1.浙江省中医药科技计划项目(No.2012ZA123)；2.浙江省公益性技术应用研究计划项目(No.2012C33066)。

浙江中医药大学，浙江杭州市310053。作者简介：邹礼梁(1988-)，男，汉族，江西赣州市人，硕士研究生，主要研究方向：脊髓损伤康复治疗。通讯作者：陈健尔(1954-)，男，汉族，浙江杭州市人，硕士，教授，硕士研究生导师，主要研究方向：神经康复。E-mail: cje28@foxmail.com。