神经元放射状迁移分子的研究进展
2016-02-10蒋华玉综述王永刚审校
蒋华玉 综述, 王永刚 审校
(1. 同济大学附属杨浦医院神经内科,上海 200090； 2. 上海交通大学医学院附属仁济医院神经内科,上海 200127)
·综 述·
神经元放射状迁移分子的研究进展
蒋华玉1综述, 王永刚2审校
(1. 同济大学附属杨浦医院神经内科,上海 200090； 2. 上海交通大学医学院附属仁济医院神经内科,上海 200127)
神经元放射状迁移是神经元迁移的主要方式,其对大脑皮质板层结构的形成非常重要。随着对皮层神经元放射状迁移研究的深入,越来越多的神经元放射状迁移相关分子得以发现,使神经元放射状迁移这一复杂而精确过程的调控机制也越来越明朗。神经元放射状迁移分子主要分为两类,一类是下调相关分子表达后抑制了放射状迁移,另一类则下调相关分子表达后增强了放射状迁移。本文对近年来新发现的神经元放射状迁移相关分子进行综述。
神经元放射状迁移； 抑制； 增强
在大脑发育过程中,功能神经元间相互联系的建立离不开神经元正确的迁移和最终的定位。神经元迁移的方式主要包括两种,即锥体细胞的放射状迁移和中间神经元的切线移位,其中放射状迁移是主要的迁移方式,是形成神经系统典型层状结构的基础,也是神经系统形成复杂功能的前提。在大脑皮层发育早期,皮质较薄、迁移的距离较短时,此时锥体神经元是借助胞体位移的方式进行放射状迁移；而在发育晚期,皮质较厚、迁移较长的距离时,锥体神经元则是借助呈放射状的胶质细胞导向作用从原始部位迁移至相应大脑皮层。然而其迁移过程的具体机制仍然不清。目前,国内外研究显示,众多分子参与神经元放射状迁移过程。
1 神经元放射状迁移
神经元祖细胞在脑室带(ventricular zone, VZ)生成并完成终末分裂后即开始向外迁移至最适皮质层。VZ产生的新神经元沿着呈放射状排列的胶质纤维逐渐向大脑皮层迁移。人类的大脑皮层层状结构分为6层,按神经元形成先后以从内到外(inside-out)的顺序形成,即前期生成的神经元位于皮层的深层,后期产生的新神经元跨越已形成的层状结构位于浅层。VZ中不对称的神经祖细胞迁移形成前板层(preplate, PP),最早期PP中的神经元形成皮质板层(cortical plate, CP)(第Ⅵ层神经元),而将PP分为了底板(subplate, SP)和边缘带(marginal zone, MZ),紧接着VZ生成的神经元迁移经中间带(intermediate zone, IZ)至CP并跨域第Ⅵ层形成第Ⅴ层皮质层,依次类推,逐渐形成Ⅱ～Ⅳ层[1],这种内-外的模式是人类进化过程中所获得的,是人类所特有的[2]。神经元放射状迁移为大脑行使其复杂功能提供了保障,其异常将导致多种疾病,如癫、精神分裂症、无脑回畸形、智力低下等[3-5]。研究神经元放射状迁移机制已成为近年来研究的热门话题,如研究发现肾上腺皮质激素(doublecortin)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK-upstream protein kinase, MUK)、丝氨酸/苏氨酸激酶(jun N-terminal kinases, JNK)、脑信号蛋白3A(semaphorin-3A, Sema3A)[6-7]等均与神经元放射状迁移有关。目前越来越多的相关分子得以挖掘,本文对新近发现的抑制、促进神经元放射状迁移的相关分子进行综述。
2 抑制神经元放射状迁移的相关分子
2.1 唐氏综合征细胞黏附分子(Down syndrome cell adhesion molecule, DSCAM)
DSCAM是在唐氏综合征患者中新发现的神经元黏附分子,是一种新的免疫球蛋白超家族。在人类其基因位于21q22.2～22.3[8],脊椎动物有两型横向同源物: DSCAM和DSCAML1(DSCAM-like-1),二者编码的蛋白在中枢神经系统广泛表达,如海马、小脑、脊髓、视网膜神经突等[9-10]。该基因保守域结构由10个免疫球蛋白域,6个重复Ⅲ型纤连蛋白,1个跨膜域和胞质尾的c末端组成[11]。DSCAM在发育神经系统中对树突形成、自我回避、轴突导向、轴突目标识别和突触形成扮演着十分重要的角色[12]。过表达海马神经元中的DSCAM会抑制树突的分枝,且含有DSCAM mRNA和蛋白的树突数增加了,DSCAM树突的翻译受N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate, NMDA)的诱导,因此DSCAM导致唐氏综合征中树突形态及突触塑造的改变可能是通过NMDA介导发生[13]。NMDA受体是一种兴奋性氨基酸受体[14],在人体中发挥着重要作用,目前已知NMDA能够调节神经元放射状迁移。DSCAM与神经元放射状迁移有关是近年来研究的热点。Zhang等[9]通过在体胚胎子宫内电转染基因(in utero electroporation),将DSCAM的干扰RNA(RNA interference,RNAi)(此种RNA能抑制特定基因的表达[15])转入侧脑室对DSCAM进行敲减,发现表达shDSCAM的神经元不能正确迁移至皮质Ⅱ/Ⅲ层,停留在更深的皮质层及IZ中。无论在哪个阶段(出生后第0、7天)皮质Ⅱ/Ⅲ层的DSCAM神经元都较对照组明显减少,减弱其表达,抑制了皮层神经元迁移至目的地。Shen等[3]研究了35个耐药性癫(intractable epilepsy, IE)患者,发现DSCAM在IE中的表达较对照组明显增多。而神经元迁移异常与IE也相关,这些间接说明DSCAM与神经元迁移之间存在相关性。
2.2 糖原合成激酶-3(glycogen synthase kinase, GSK-3)
GSK-3是一种普遍存在的丝/苏氨酸蛋白激酶,因在葡萄糖代谢中起关键调节酶的作用而被发现。其作用底物众多,在体内作用非常广泛,参与多种信号通路,如磷脂酰肌醇三激酶/磷酸酶(phospho-inositide 3-kinase(PI3K)/phosphatase)、PTEN/AKt/mTORC1(tensin homolog/AKt/mammalian target of rapamycin complex 1)、Wnt/β-连环素蛋白通道(Wnt/β-catenin signaling)[16],调节新陈代谢、细胞分化、免疫及细胞的生存和死亡,主要由两种亚型组成,即GSK-3α和GSK-3β[17],二者虽由不同的基因编码,但二者的结构域98%是相同的,并且大多数情况下,具有相似的功能[18],已发现GSK-3与多种疾病相关,如心力衰竭、双相障碍、糖尿病、阿尔茨海默病等[19]。在发育神经系统中,GSK-3通过调节β-catenin和NFAT转录因子调控轴突的生长,进而参与神经元的极化,并能促神经元的分化。GSK-3的缺失增强了祖细胞的增殖。目前,GSK-3在神经元放射状迁移中有何作用及机制目前尚不明确。研究[20]发现抑制GSK3的表达可以明显抑制神经元的放射状迁移。这种受GSK-3调节的放射状迁移是独立于Wnt/β-连环素蛋白通道,与微管调节蛋白的磷酸化相关。
2.3 解整合素金属蛋白酶17(adisintegrin and metalloprotease 17, ADAM17)
ADAM17也称肿瘤坏死因子α转换酶,是一种Ⅰ型跨膜金属蛋白酶,参与数种跨膜蛋白的细胞外领域的脱落,如细胞因子、趋化因子、生长因子及其受体等[21]。ADAM17作用的底物广泛,参与了众多疾病的发生发展,如非小细胞肺癌[22]、卵巢癌[23]、炎症性肠病[24]、急性肺炎[25]、阿尔茨海默病和唐氏综合征[26]。ADAM17能反式激活表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)[27],强制性表达ADAM17,增强EGFR的磷酸化[28]。ADAM17-EGFR信号轴对维持产后表皮屏障的平衡发挥重要的作用[29]。研究[30]发现,EGFR参与神经元的放射状迁移。Li等[31]应用在体胚胎子宫内电转染基因术在C57BL/6小鼠怀孕后14.5d时敲减和过表达ADAM17,结果发现在怀孕后16.5d时敲减ADAM17的神经元其放射状迁移未受影响,正常迁移至IZ区；在怀孕后18.5d时大部分转染的神经元停止迁移至CP区而停留在IZ区,并发现这种迁移的破坏可部分通过过表达抵抗ADAM17的shRNA而得到拯救,而单独过表达ADAM17时放射状迁移并不受影响。
3 促进神经元放射状迁移的相关分子
3.1 迁移抑制蛋白(migration inhibitory protein, MINP)
MINP是一种新鉴定的神经元迁移抑制蛋白,能够负性调节神经元的放射状迁移。MINP mRNA在中枢神经系统和周围神经系统都有表达,在大脑皮层中含量丰富。该基因位于染色体16p13.11,在16p13.11区域中有缺失的人与癫、智能障碍、精神分裂症、自闭症、注意力缺陷多动症等有关,因而此区域内的基因功能改变与精神类疾病密切相关,核分布基因E同系物1(nuclear distribution gene E homologue 1, NDE1)亦位于16p13.11区域,敲减NDE1鼠发育成了更小的大脑皮质,说明NDE1是16p13.11区域内相关神经精神疾病的候选基因。然而研究发现NDE1同型突变的患者表现出迁移严重受损,其杂合突变的患者没有患精神类疾病,因而推测在16p13.11区域还存在着其他的候选基因。因而,MINP被认为是神经发育疾病的候选基因。通过在体胚胎子宫内电转染基因的方法,敲减及过表达MINP,发现敲减MINP增加神经元的放射状迁移,而MINP过表达则减少了神经元的放射状迁移,说明MINP调节神经元的放射状迁移具有自主性,并且发现这种潜在的调节机制可能与微管蛋白有关[32]。
3.2 一氧化氮合酶1接头蛋白(nitric oxide synth-ase 1 adaptor protein, NOS1AP)
NOS1AP基因位于1q23.3,编码的胞质蛋白(NOS1AP)能够结合信号分子神经型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase, nNOS)[33],因此称作nNOS的接头蛋白。NOS1AP是NMDA受体驱动的nNOS(NMDAR-driven nNOS)功能的抑制剂,因而在由NMDA受体介导的兴奋毒性中具有神经保护作用[34],目前,很多研究在精神疾病和心脏病患者中发现了NOS1AP的单核苷酸多态性作用,如创伤后应激障碍、抑郁症、急性心肌梗死、长QT综合征[35-36]。NOS1AP是精神分裂症的易感基因[37],而神经元放射状迁移的异常将导致精神分裂症。Damien等[4]发现，NOS1AP的过表达破坏了神经元放射状迁移,神经元更多的停留在了中间板层,而敲减NOS1AP反而增加了CP中的神经元,并且发现具有减少树突数量作用的NOS1AP的第181位到307位的氨基酸对神经元放射状迁移无影响。
4 结 语
在大脑皮层发育中,神经元经放射状迁移至适宜的CP层形成经典的板层结构,这是大脑行使复杂精细功能的前提。神经元放射状迁移受多种分子的调节,然而神经元如何这么准确无误的沿着一个主导方向经过长距离迁移至目的地仍绝大部分是未知的,是未来研究的方向。对神经元迁移的分子机制研究将为诊治神经相关疾病带来希望。
[1] Sekine K, Honda T, Kawauchi T, et al. The outermost region of the developing cortical plate is crucial for both the switch of the radial migration mode and the Dab1-dependent “inside-out” lamination in the neocortex[J]. J Neurosci, 2011,31(25): 9426-9439.
[2] Molnar Z, Metin, C, Stoykova A, et al. Comparative aspects of cerebral cortical development[J]. Eur J Neurosci, 2006,23(4): 921-934.
[3] Shen L, Xiao Z, Pan Y, et al. Altered expression of Dscam in temporal lobe tissue from human and experimental animals[J]. Synapse, 2011,65(10): 975-982.
[4] Carrel D, Hernandez K, Kwon M,et al. Nitric oxide synthase 1 adaptor protein, a protein implicated in schizophrenia, controls radial migration of cortical neurons[J]. Biol Psychiatry, 2015,77(11): 969-978.
[5] Kullmann JA, Wickertsheim I, Minnerup L, et al. Profilin1 activity in cerebellar granule neurons is required for radial migration in vivo[J]. Cell Adh Migr, 2015,9(3): 247-253.
[6] Bai J, Ramos RL, Ackman B, et al. RNAi reveals doublecortin is required for radial migration in rat neocortex[J]. Nat Neurosci, 2003,6(12): 1277-1283.
[7] Chen G, Sima J, Jin M, et al. Semaphorin-3A guides radial migration of cortical neurons during development[J]. Nat Neurosci, 2008,11(1): 36-44.
[8] Ng TH, Chiang YA, Yeh YC, et al. Review of Dscam-mediated immunity in shrimp and other arthropods[J]. Dev Comp Immunol, 2014,46(2): 129-138.
[9] Zhang L, Huang Y, Chen JY, et al. DSCAM and DSCAML1 regulate the radial migration and callosal projection in developing cerebral cortex[J]. Brain Res, 2015,1594: 61-70.
[10] de Andrade GB, Kunzelman L, Merrill MM, et al. Developmentally dynamic colocalization patterns of DSCAM with adhesion and synaptic proteins in the mouse retina[J]. Mol Vis, 2014,20: 1422-1433.
[11] Armitage SA, Peuss R,Kurtz J. Dscam and pancrustacean immune memory-a review of the evide-nce[J]. Dev Comp Immunol, 2015,48(2): 315-323.
[12] Zhu K, Xu Y, Liu J, et al. Down syndrome cell adhesion molecule and its functions in neural develop-ment[J]. Neurosci Bull, 2011,27(1): 45-52.
[13] Alves-Sampaio A, Troca-Marin JA, Montesinos ML. NMDA-mediated regulation of DSCAM dendritic local translation is lost in a mouse model of Down’s syndr-ome[J]. J Neurosci, 2010,30(40): 13537-13548.
[14] 徐丹令,李广君,李颖,等.兴奋性氨基酸及其受体阻滞剂在脑缺血性大鼠海马损伤中的作用[J].同济大学学报: 医学版,2001,22(1): 25-27.
[15] 高晓龙,王培军,邵志红,等.RNA干扰技术对HeLa细胞hTERT基因的抑制作用[J].同济大学学报: 医学版,2015,36(3): 15-20.
[16] McCubrey JA, Steelman LS, Bertrand FE, et al. Multifaceted roles of GSK-3 and Wnt/beta-catenin in hematopoiesis and leukemogenesis: opportunities for therapeutic intervention[J]. Leukemia, 2014,28(1): 15-33.
[17] Maurer U, Preiss F, Brauns-Schubert P, et al. GSK-3-at the crossroads of cell death and survival[J]. J Cell Sci, 2014,127(Pt 7): 1369-1378.
[18] Grassilli E, Ianzano L, Bonomo, S, et al. GSK3A is redundant with GSK3B in modulating drug resistance and chemotherapy-induced necroptosis[J]. PLoS One, 2014,9(7): e100947.
[19] Lal H, Ahmad F, Woodgett J, et al. The GSK-3 family as therapeutic target for myocardial diseases[J]. Circ Res, 2015,116(1): 138-149.
[20] Morgan-Smith M, Wu Y, Zhu X, et al. GSK-3 signaling in developing cortical neurons is essential for radial migration and dendritic orientation[J]. Elife, 2014,3: e02663.
[21] Menghini R, Fiorentino L, Casagrande V, et al.The role of ADAM17 in metabolic inflammation[J]. Atherosclerosis, 2013,228(1): 12-17.
[22] Lv X, Li Y, Qian M. et al. ADAM17 silencing suppresses the migration and invasion of non-small cell lung cancer[J]. Mol Med Rep, 2014,9(5): 1935-1940.
[23] Richards FM, Tape CJ, Jodrell DI, et al. Anti-tumour effects of a specific anti-ADAM17 antibody in an ovarian cancer modelinvivo[J]. PLoS One, 2012,7(7): e40597.
[24] Brandl K, Tomisato W, Beutler B. Inflammatory bowel disease and ADAM17 deletion[J]. N Engl J Med, 2012,366(2): 190.
[25] Arndt PG, Strahan B, Wang Y, et al. Leukocyte ADAM17 regulates acute pulmonary inflammation[J]. PLoS One, 2011,6(5): e19938.
[26] Wang M, Li Y, Lu Y, et al. The relationship between ADAM17 promoter polymorphisms and sporadic Alzhe-imer’s disease in a Northern Chinese Han popul-ation[J]. J Clin Neurosci, 2010,17(10): 1276-1279.
[27] Hassemer EL, Endres B, Toonen JA, et al. ADAM17 transactivates EGFR signaling during embryonic eyelid closure[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2013,54(1): 132-140.
[28] Wang XJ, Feng CW, Li M. ADAM17 mediates hypoxia-induced drug resistance in hepatocellular carcinoma cells through activation of EGFR/PI3K/Akt pathway[J]. Mol Cell Biochem, 2013,380(1-2): 57-66.
[29] Franzke CW, Cobzaru C, Triantafyllopoulou A, et al. Epidermal ADAM17 maintains the skin barrier by regulating EGFR ligand-dependent terminal keratinocyte differentiation[J]. J Exp Med, 2012,209(6): 1105-1119.
[30] Caric D, Raphael H, Viti J, et al. EGFRs mediate chemotactic migration in the developing telencephalon[J]. Development, 2001,128(21): 4203-4216.
[31] Li Q, Zhang Z, Li Z, et al. ADAM17 is critical for multipolar exit and radial migration of neuronal intermediate progenitor cells in mice cerebral cortex[J]. PLoS One, 2013,8(6): e65703.
[32] Zhang S, Kanemitsu Y, Fujitani M, et al. The newly identified migration inhibitory protein regulates the radial migration in the developing neocortex[J]. Sci Rep, 2014,4: 5984.
[33] Li LL, Ginet V, Liu X, et al. The nNOS-p38MAPK pathway is mediated by NOS1AP during neuronal death[J]. J Neurosci, 2013,33(19): 8185-8201.
[34] Courtney MJ, Li LL, Lai YY. Mechanisms of NOS1AP action on NMDA receptor-nNOS signaling[J]. Front Cell Neurosci, 2014,8: 252.
[35] Lawford BR, Morris CP, Swagell CD, et al. NOS1AP is associated with increased severity of PTSD and depression in untreated combat veterans[J]. J Affect Disord, 2013,147(1-3): 87-93.
[36] Liu X, Pei J, Hou C, et al. A common NOS1AP genetic polymorphism, rs12567209 G>A, is assoc-iated with sudden cardiac death in patients with chronic heart failure in the Chinese Han population[J]. J Card Fail, 2014,20(4): 244-251.
[37] Husted JA, Ahmed R, Chow EW. et al. Childhood trauma and genetic factors in familial schizophrenia associated with the NOS1AP gene[J]. Schizophr Res, 2010,121(1-3): 187-192.
Research progress on related molecules on radial migration of neurons
JIANGHua-yu1,WANGYong-gang2
(1. Dept. of Neurology, Yangpu Hospital, Tongji University, Shanghai 200090, China;2. Dept. of Neurology, Renji Hospital, Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai 200127, China)
Radial migration is the major way of the migration of neurons, which is important for the formation of brain cortical layers. Recently researches focus on the related molecules of cell radial migration, which are consist of two types: one type inhibits the radial migration when knocked down and another enhances the radial migration when knocked down.
cell radial migration; inhibit; enhance
10.16118/j.1008-0392.2016.01.027
2014-03-06
国家自然科学基金项目(010212036)
蒋华玉(1984—),女,住院医师,硕士.E-mail: jhuayu1986@163.com
王永刚.E-mail: w100yg@163.com
R 744
A
1008-0392(2016)01-0124-05
