VEGF与神经元生长相关性的研究进展

孙文婕,杨光路

(内蒙古医科大学附属医院,内蒙古呼和浩特010000)

VEGF与神经元生长相关性的研究进展

孙文婕,杨光路

(内蒙古医科大学附属医院,内蒙古呼和浩特010000)

血管内皮生长因子；神经元；血管内皮生长因子/发展趋势

血管内皮生长因子（VEGF）是一种强效的内皮细胞有丝分裂原关键调节因子。近年来发现VEGF对神经元的营养和保护发挥越来越重要的作用。VEGF促进颈背侧根神经节和皮质神经元的生长和存活。相反，VEGF的减少引起海马神经元细胞的凋亡，并且促使成年大鼠的运动神经元的变性。对于VEGF在神经变性方面的研究，比如脑外伤、肌萎缩侧索硬化和中风等方面的研究发挥重要的作用。现将近几年的研究现状综述如下。

1 VEGF的结构、来源与功能

VEGF是一个45KDa糖基化的碱性蛋白,其家族成员共有五个：包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D和胎盘生长因子(PIGF)。VEGF能够通过多种途径影响神经发生，是一种多功能的生长因子[1-3]。VEGF基因由8个外显子和7个内含子组成，定位于染色体6p21.3,由于外显子剪切的不同而形成不同的亚型。其中VEGF-121、VEGF-165和VEGF-189在人类表达。VEGF-121在血管生长中起主导作用，VEGF-121与VEGF-165为可溶性分泌蛋白，是主要效应分子，均以旁分泌形式介导特异性内皮细胞有丝分裂和增加血管通透性。VEGF受体（VEGFR)主要有5种类型，其中3种属于酪氨酸蛋白激酶受体（RTK）型，按其结构和功能的不同主要分为VEGFR-1(Flt-1)、VEGFR-2(KDR/Flk-1)和VEGFR-3 (Flt-4)。VEGFR-1是VEGF-A、VEGF-B、和PIGF的特异性受体，主要在血管内皮细胞内表达。VEGFR-2可以和VEGF-A、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E特异性结合，与VEGFR-1相同之处主要在血管内皮细胞的表达上。VEGFR-3主要分布于淋巴管内皮细胞，通过与VEGF-C和VEGF-D的特异性结合发挥作用。VEGF家族成员也结合于非酪氨酸受体，诸如neuropilin(NRP)家族，NRP家族包括NRP-1和NRP-2，它们同样也是信号素的受体。NRP受体家族和VEGF受体家族发挥同样的作用。VEGF-A结合VEGFR-1、VEGFR-2、NRP-1和NRP-2。VEGF-B结合于VEGFR-1和NRP-1，所有的PIGF同种型结合于VEGFR-1(PIGF-2同种型也结合于NRP2和NRP1)。血小板的前体细胞，即骨髓中的巨核细胞可以合成VEGF，并且在肿瘤分泌的细胞因子如IL-6的作用下合成增加；CD3+、CD4+、CD8+T细胞及人淋巴细胞株也能表达VEGFmRNA；腹腔液中的巨噬细胞也能合成和分泌VEGF,从而改变腹腔液的微环境，促进内皮细胞的增殖以及血管形成；侵入肿瘤的淋巴细胞和巨噬细胞以及多种血细胞（嗜中性细胞、血小板）都可表达VEGF；TGF-β1能够刺激成纤维细胞增殖，同时还能诱导成纤维细胞分泌内源性和外源性的VEGF；在正常的垂体腺中泌乳细胞是分泌VEGF的主要细胞[16]，所有的VEGF家族通过与不同的神经元细胞表面的不同的VEGF受体作用而发挥不同的功能。其中VEGF-A的主要作用是促进神经生成、神经元的存活和分化、神经元的迁移、轴突的生长和迁移、神经胶质的存活和转移以及树突状细胞的转移。通过选择性的RNA剪接作用，VEGF-A产生两种同源体，分别是VEGF-A165a和VEGF-A165b，其中VEGF-A165a对海马神经元、背侧根神经节、视网膜神经元起到神经保护的作用[4，5]。VEGF-B的主要功能是促进神经生成和神经元的存活。VEGF-C的主要功能是促进神经生成和少突细胞的前体增殖。VEGF-D的主要功能是参与树突的分枝。PIGF-2主要参与神经突的分枝。为了能够建立一个成人的神经元网络，正在成熟过程中的神经元细胞需要分化、迁移、形成神经突并且需要把轴突延伸至特殊的靶点并建立精确的突触联系。显然，VEGF配体和受体在这一过程之中相互影响。VEGF家族成员作为神经元存活的因子同样也可以调节神经生成。并且VEGF还可通过影响K+和Na+通道调节突触的形成、抑制谷氨酸能的转化保护神经元[6]。以依赖剂量和时间的方式被rhBMP-2诱导而表达分泌，此外，蛋白质印记分析揭示了VEGF的表达与丝裂原激活蛋白激酶p38的磷酸化密切相关[15]。

2 VEGF在神经元生长中的作用

近年来大量研究揭示，VEGF可以直接作用于神经元与神经胶质细胞，促进神经元的增殖、存活以及突触的生长，刺激施万细胞延伸、增殖、并可分化出星形胶质细胞和小胶质细胞，从而促进损伤的组织再生和修复，是一种独立的神经保护因子。VEGF对神经的保护作用主要体现在以下三个方面：（1）促进血管再生：VEGF是血管内皮细胞特异性的促有丝分裂原，能选择性的作用于内皮细胞膜上的酪氨酸受体，进而介导管壁通透性发生改变，从而诱导内皮细胞增生、迁移、浸润、重构等反应，进一步促进新生血管的形成，为神经发生、发育提供良好的环境基础。近年来有研究表明PIGF可能也是影响血管再生的重要因素[20]。而在血管形成初期，神经管底板、脑室区的神经祖细胞特异性的表达VEGF,缺血后VEGF表达的时空分布与血管形成成正相关，这也说明了VEGF诱导的血管新生与神经生成和神经保护关系密切。（2）直接的神经保护作用：VEGF直接的神经保护作用已经被大量的体内外研究所证实，其作用机制主要体现在以下几个方面：①VEGF控制后脑的胎儿骨髓间充质（FBM）神经元的迁移：VEGF164通过与FBM体细胞表达的NRP-1作用，控制FBM体细胞从一个位点迁移到另一个位点，这些神经元轴突的生长不是由VEGF164调控的而是由信号素3A和3F调控的，信号素3A和3F通过和NRP1及丛状蛋白A4 (PlxnA4)受体或NRP2及丛状蛋白A3(PlxnA3)受体结合发挥作用。②VEGF也调控成熟过程中的小脑颗粒细胞的迁移：VEGF在浦肯野细胞表达并且控制颗粒细胞由外颗粒细胞层向内颗粒细胞层的迁移，颗粒细胞表达VEGFR-2、VEGFR-2与NMDARs(NR1/ NR2B)形成复合体，VEGF通过与VEGFR-2结合的信号传导促进VEGFR-2/NR1/NR2B受体复合物的形成，并且加强由NMDAR调控的电传导和Ca2+的流入来控制颗粒细胞的迁移。③VEGF调节轴突的生长和生长方向。VEGFR-2调节沟回下脚神经元轴突的生长。沟回下脚神经元通过后连合穹窿途径从脑下角延伸它们的轴突，信号素3E在海马的CA1和CA3区域表达，沟回下脚神经元表达VEGFR-2，在这些神经元中，VEGFR-2和NRP1、PlexinD1形成多蛋白复合体，这一多蛋白复合体在依赖信号素3E/不依赖VEGF的形式时被激活并表现出活性作用，VEGFR-2的激活导致了PI3K/Akt的激活和轴突的生长。在脊索中轴VEGF调节后连合轴突的生长方向，在脊索生长过程中VEGF在底层平面表达，在腹侧中轴上生长的后连合神经元和它们的轴突表达VEGFR-2。在后连合轴突底层平面起源的VEGF与VEGFR-2结合的信号通路激活生长锥中的SFKs并且诱导生长锥的转化，因此而控制轴突的生长方向。VEGF控制视网膜神经节细胞（RGC）的轴突生长和在视交叉中的生长方向。VEGF在视交叉中表达，适量的RGC轴突表达NRP1、VEGF与NRP1结合并且指引轴突穿过中轴投射到对侧面上，NRP1-RGC轴突不能和VEGF结合并且不能被吸引至中轴，而是投射到同侧面上。（3）VEGF在神经变性方面的作用：在正常情况下，HIF-1与CBP/p300形成复合物，与VEGF增强剂HRE结合而使VEGF表达，在VEGF缺失的大鼠中HRE产生突变从而使VEGF的表达减少进而导致运动神经元细胞的死亡和脊髓侧索硬化的发生。在突变的SOD1G93A大鼠中，SOD1G93A使VEGF mRNA不稳定表达，进而导致VEGF蛋白表达的减少。-2578A单体型导致了VEGF表达水平的减少、增加了人类脊髓侧索硬化发生的风险。VEGF与Aβ形成聚合体并且从这种聚合体中缓慢释放，导致了可利用的VEGF的水平下降和神经元以及血管功能的下降。PolyQ-ATXN1抑制VEGF的转录，导致小脑中VEGF的表达水平下降，从而导致脊髓小脑共济失调1型（SCA1)的发生。

3 VEGF家族与Sema家族相关性

近年来研究表明，脑下脚的神经元表达的血管内皮生长因子受体2（VEGFR2)与Sema家族成员Sema3E共同作用调节轴突的伸长。进一步研究表明, VEGFR2与PlexinD1/Neuropilin-1(Nrp1)受体组成复合体共同作用于Sema3E,并且在Sema3E的刺激下使酪氨酸磷酸化，在下脚钩回神经元，Sema3E引起依赖VEGFR2的磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K)/Akt旁路的激活，这一旁路途径促进了轴突的生长。(1)在Sema3E生长活动的转导中与丛状蛋白有关的VEGFR2的作用：相关研究证实，在作用于Sema3E的三聚体的PlexinD1/Nrp1/VEGFR2受体复合物中，VEGFR2是作为其中的一个跨膜的组分发挥作用。首先，在生物体内,VEGFR2和PlexinD1与其共受体Nrp1共同表达于钩回下脚的轴突，所有的这三种蛋白质表达于不同的系统并且相互作用。其次，与Sema3E结合导致了在钩回生长锥中的VEGFR2酪氨酸激酶的磷酸化，并且在不同种类的细胞中以依赖PlexinD1和Nrp1的方式进行。最后，VEGFR2与PlexinD1、Nrp1的协同作用于Sema3E来调节不同种类神经元的轴突生长，包括脑下脚、皮质和丘脑的神经元。(2)在Sema3E诱导的促进轴突生长的过程中Nrp1的作用：Sema3E促进轴突生长需要VEGFR2的作用。VEGFR2表达于钩回下脚神经元，对Sema3E促轴突生长有促进作用，然而在皮质神经元，VEGFR2的生长被Sema3E所抑制。实际上，钩回下脚神经元和皮质神经元的不同之处在于前者表达Nrp1，Nrp1是Sema3E信号系统发挥生物学作用的关键物质，Nrp1的表达很可能调控神经元VEGFR2的活性，在内皮细胞中Nrp1作为共受体增强VEGF诱导的VEGFR2信号系统的活性。基于以上的观点，在Nrp1表达的情况下Sema3E诱导的VEGFR2磷酸化比Nrp1缺失的情况下更有效。因此，在钩回下脚神经元，在促进轴突生长的阈值范围内，Nrp1很可能有助于提高VEGFR2的活性。然而，在钩回下脚神经元去除Nrp1不仅阻止了Sema3E的生长而且转化为抑制其生长的作用，这说明了Nrp1调控信号的复杂性。众所周知，通过内生性的R-Ras GTPase激活蛋白（GAP)的激活而使PlexinD1抑制轴突的生长。值得研究的是Nrp1是否通过激活其下游的PlexinD1抑制R-Ras GAP的活性，通过研究发现，Nrp1调节PlexinA1复合体的形成，这种复合体由FARP2和Rnd1 GTPase组成，这两种物质是维持R-Ras GAP活性的重要调节因子。(3) PlexinD1、Nrp1和VEGFR2这三种跨膜分子协同作用调节Sema3E的促进轴突生长的作用，Nrp1把抑制生长的受体PlexinD1转化为促进生长的共受体VEGFR2从而调控Sema3E的信号反应系统[7]。

4 VEGF刺激海马神经生长的作用

国内外研究发现，VEGF可以被视为影响神经生长的直接刺激物，VEGF通过许多受体发挥它的生物功能。VEGFR-2(Flk-1),通过与VEGF结合发挥调节大多数神经元的特殊作用，包括神经生长的作用[8，9]。尽管最近的研究证明VEGFR-1(Flt-1)和VEGFR-3(Flt-4)同时调节室下区和齿状回的神经生成。然而，在成人大脑中有VEGF刺激的神经生长作用机制并不明确，大量研究显示，在各种各样的神经性刺激之后，VEGF的表达增加，尤其是在海马区的表达增加。例如：抗抑郁治疗使海马VEGF的表达上调，这些神经性的作用和这些药物的作用需要VEGF信号的表达。当把成年大鼠暴露于营养丰富的环境中或让它适当锻炼，VEGF在细胞分化和神经生长的发生过程中也被视为一种需要，然而由于年龄因素或者是紧张等压力因素，使海马细胞增殖减少的情况也与海马区VEGF和Flk-1的水平降低有着密切的关系。单一的电惊厥（ECT)可以诱导海马细胞增殖，而SU5416(VEGF抑制剂）可以拮抗海马细胞的增殖。注射VEGF治疗和急性ECT治疗抑郁症患者，可能先刺激海马区的静态干细胞样前体，然后通过非对称性的分裂而使神经祖细胞瞬态放大[10，11]。神经母细胞由不成熟的逐步分化为成熟的齿状颗粒细胞、生成为轴突和树突，增加海马神经的发生，参与海马网络的功能整合。研究证实，包括神经营养因子和相关信号旁路的分子信号与抗抑郁有关系，并且这些分子信号在成人海马的神经生长中起着关键的调节作用。

海马中血管内皮生长因子的表达水平影响老年痴呆症（AD）患者的认知水平。通过蛋白质印记（Western blot）技术分析了在AD不同阶段的患者海马中VEGF的表达水平，发现VEGF(VEGF189)在正常的海马神经元中几乎检测不到，但是在AD早期阶段VEGF189有着较高水平的表达。随着AD阶段性的发展，VEGF189的表达逐渐减少，免疫染色证实VEGF在CA1/CA3区域、海马中央齿状回区域、AD患者的内嗅皮层的第三和第五层显著增加。共聚焦图像显示VEGF在海马的神经元和神经胶质中以及AD患者的内嗅皮层中显著表达，研究发现VEGF的表达水平与AD患者逐渐丧失的认知功能有关[12-14]。

营养丰富的环境与海马的可塑性有联系，这其中包括提高认知行为和增加神经生成。在成年大鼠中VEGF的海马基因转移导致了与提高的认知能力有关的两倍以上的神经生成，然而过量的胎盘生长因子的表达（这些生长因子通过Flt1信号通路而不是KDRs信号通路发挥作用），在神经生长方面有负面的作用，尽管在增加内皮细胞增殖方面有着相似的作用仍然阻断了学习记忆的功能。在成年哺乳动物中神经生长最活跃的区域包括海马的室下区和亚粒状区域（SGZ)，在SGZ中的神经生成与营养丰富的环境有着很大的关系,并且与依赖海马的学习记忆功能也有关系。海马的VEGF的过量表达导致了神经生成的增加和认知能力的提高并且与营养丰富的环境有联系，营养丰富的环境和海马的活性也和增加的内皮细胞有关，并且神经生成在新生血管的周围成簇存在。

5 VEGF与海马神经细胞内外信号转导作用

VEGF诱导的内皮细胞类似于神经元的新号级联反应。进入细胞后引起配体和受体二聚化，于受体共同诱导细胞外结构亚基的磷酸化，促进海马神经元的生存和繁殖。

生长因子的神经营养和神经保护作用过程涉及到了PI3K/AKT和MEK/ERK旁路。这一作用过程包括VEGF通过结合酪氨酸激酶受体而激活下游的PI3K/AKT和MEK/ERK级联反应。然而，由VEGF激活的细胞内的信号级联反应仅仅在人工培养的神经元和人工制备的内皮细胞上研究过，在成人大脑中信号级联反应的作用还很少被了解。

在成人海马区通过PI3K/AKT和MEK/ERK信号激活的VEGF需要Flk-1信号系统的磷酸化作用过程。在齿状回和SGZ区域，VEGF/Flk-1信号系统激活CREB(环腺苷酸反应元件结合蛋白）信号系统。VEGF诱导的海马细胞的增殖需要MAPK/ERK和PI3K/Akt信号系统，在VEGF或者氟西汀作用之后，pERK和pAkt在增殖的细胞中的表达增加。

6 VEGF与抗癫痫作用

有研究表明VEGF在对抗癫痫所致的神经退化方面的作用是通过使其在癫痫发作后的神经元和神经胶质细胞内的表达上调来实现的[17]，VEGF发挥这些作用主要是由其受体VEGFR-2(Flk-1）介导而实现的，VEGF可以通过Flk-1受体，抑制有AP4（4-氨基砒啶）所致的发作期和发作期间的癫痫样活动[18]；该实验用转基因小鼠，使神经元过度表达Flk-1，结果表明过度表达Flk-1大鼠的癫痫发作阈值增加及局部癫痫发作持续时间减少，因此，提示了VEGF通过Flk-1的抗癫痫作用，然而作为评估血管和神经胶质细胞生成作用的葡萄糖转运蛋白（Glut1）和神经胶质酸性蛋白（GFAP）在免疫组化检测中，并没有显著变化，通过增加Flk-1受体来增加VEGF信号的表达，从而发挥抗癫痫的作用，同时这种抗癫痫的作用并没有改变血管生成的作用。在神经发生过程中总是与血管发生相偶联，增生活跃的血管内皮细胞在时间、空间上都与神经发生相互关联，而且周围神经血管发生的过程中动脉血管沿神经纤维分布生长，同时血管内皮细胞也可以释放神经元性信号刺激神经前体细胞的自我更新[19]。因此认为VEGF的血管生成与神经再生作用密切相关。

7 VEGF与海马神经元作用的展望

在成年大鼠中通过分析VEGF的下游靶信号在调节细胞增殖中的重要作用，为生物体内生性的神经祖细胞的临床有效治疗提供了可能，并且成为脑外伤的潜在的治疗方法。同时，也可为神经精神疾病的治疗，例如抑郁症的治疗提供了有效的治疗措施。海马颗粒细胞苔藓纤维出芽(MFS)作为颞叶癫痫海马可塑性改变，为难治性癫痫海马苔藓纤维出芽方面的研究提供了新的思路，并为其后续的治疗提供了新的方案。

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：A

：1008-4118（2017）01-0073-05

10.3969/j.issn.1008-4118.2017.01.025

2016-11-08

孙文婕（1991—），女，汉，山东菏泽人。研究方向：分子生物学。

杨光路。E-mail：nmygl15@126.com。

1：内蒙古自治区自然科学基金项目。项目编号：2015MS08103。2：内蒙古医科大学科技百万工程项目。项目编号：YKD2012KJBW005。