神经束蛋白的结构、表达和生物学功能

胡 斌,王成举,屈福祥,张雨平

(陆军军医大学第二附属医院儿科,中国重庆400037)

神经束蛋白(neurofascin,NF)是Ranthjen等[1]1987年发现于鸡体内的一种参与神经束形成的细胞表面蛋白。其后,Bennett等[2]通过实验筛选出一种与锚蛋白G(ankyrin G)相互作用的高相对分子质量的跨膜蛋白质,被称为锚蛋白结合糖蛋白(ankyrin-binding glycoprotein,ABGP),经鉴定ABGP就是神经束蛋白。目前关于NF的报道多来自于鸡、啮齿类动物和斑马鱼[3]。神经生物学家经过30余年的研究,已经对神经束蛋白的结构和功能有了较深的了解,逐渐认识到神经束蛋白在神经科学界具有较为重要的价值。本文综述了神经束蛋白的基本结构、不同亚型的表达及生物学功能,期待能有更多的研究人员关注NF,进一步探索NF在神经系统疾病中的机制和潜在应用前景。

1 神经束蛋白的结构

神经束蛋白包括6个Ig结构域、5个FNIII样结构域、1个跨膜结构域和1个长度为113个氨基酸残基的胞质结构域[4]。这种结构与免疫球蛋白超家族(immunoglobulin superfamily,IgSF)的成员极其相似,如神经细胞黏附分子L1、NgCAM相关黏附分子(NgCAM-related cell adhesion molecules,NrCAM)和类L1同源物(close homologue of L1)。神经束蛋白的编码基因由33个外显子组成,大小为72 kb。翻译后的修饰对于NF亚型的时空定位和生物学功能都具有非常重要的调控作用。在Ig结构域和FNIII样结构域之间的选择性剪接以及富含脯氨酸、丙氨酸、苏氨酸结构域(proline-,alanine-,threonine-rich domain,PAT)的随机插入又为NF提供了表达结构与功能多样性的可能[5]。

目前有 NF155、166、180和 186等 4种不同的神经束蛋白多肽类型的研究报道[6],它们之间的差异主要体现在FNIII样结构域的数量和选择剪接的序列[7]。不同神经束蛋白亚型的结构如图1所示。其中,NF155和NF166亚型无PAT结构域插入,结构上的不同仅在于NF166的FNIII样结构域3的缺失表达;NF180和NF186亚型的差别在于PAT结构域在FNIII样结构域上插入的位置不同。有意思的是,各亚型的准确相对分子质量在不同文献中存在差异,其原因可能是这些研究使用了不同的神经束表达系统和缓冲液体系[8]。此外,Delmont等[9]于2017年在慢性炎性脱髓鞘神经病(chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy,CIDP)患者的血清中发现了NF140亚型的存在,但其具体结构还有待进一步的研究。

2 神经束蛋白的表达和生物学功能

不同NF亚型的表达受到时间和空间的调控,它们既可在胚胎或成体中表达,也可在神经元或胶质细胞中表达。这些不同的表达与发育进程密切相关,如NF180和NF166属于未成熟的神经元蛋白,而神经元亚型NF186和胶质亚型NF155则主要表达于成熟的神经系统[10]。

2.1 NF155的表达和生物学功能

图1 不同神经束蛋白亚型示意图Ig结构域(Ig1～6,灰色椭圆形);FNIII样结构域(FN1～5,白色矩形);PAT结构域(黑色圆形)。Fig.1 Schematic illustration of different NF isoformsIg-like domains(Ig1～6,grey ellipses);FNIII-related repeat domains(FN1～5,white rectangles);PAT domains(black circles).

NF155主要存在于胶质细胞中,由FNIII样结构域1～4组成,通过小外显子的排他表达区别于其他神经元亚型。NF155的表达始于髓鞘的形成,并在髓鞘形成期间持续高表达。随着少突胶质细胞的逐渐发育成熟,NF155从胞体向细胞突起末端迁移,最终分布于成熟中枢神经系统的髓鞘结侧区脂筏中[11]。NF155在轴突起始段的形成早期发挥着重要的作用,Pomicter等[12]通过NF155基因敲除小鼠研究发现,NF155的表达缺失造成轴突起始段形成障碍,从而使小鼠表现出明显的共济失调和神经传导速率下降,寿命仅3周。此外,NF155在髓鞘结构的形成和损伤后的修复过程中也起到重要作用[13],其通过与轴突膜上表达的caspr/contactin复合物相互作用确保髓鞘结构的稳定。Sherman等[14]的研究显示,在caspr-/-和contactin-/-小鼠中,NF155仍能在结侧区聚集,而在NF155-/-小鼠中,尽管caspr和contactin总量未减少,但却不能聚集于结侧区,提示NF155在复合物形成的过程中起到驱动的作用。Mathey等[15]的研究亦发现NF155对髓鞘损伤后的修复功能可以作为治疗自身抗体介导的轴突损伤新靶点。

2.2 NF166、NF180的表达和生物学功能

NF166和NF180是最早发现的神经束蛋白亚型,主要表达于胚胎小脑、脊髓和视网膜纤维丰富的区域。Ranthjen等[1]研究发现NF166和NF180在免疫学上与其他已知的神经细胞表面蛋白不同,二者可通过单克隆抗体F6干扰实验,导致视网膜轴突的生长受限和交感神经束状结构受损;此外,该研究团队还证明NF166和NF180参与了轴突之间的相互作用。随着研究的进一步深入,人们证实NF166和NF180都只在未成熟的神经元中表达,而它们的主要生物学功能就是选择性地调节神经轴突生长。Volkmer等[16]的研究表明,在中枢神经系统中NF180的PAT结构域可以加强与NrCAM的相互作用,共同影响着轴突的生长;而在外周神经系统中,NF166-contactin-2的交互作用控制着背根神经节轴突的延伸[17],提示虽然中枢神经系统和外周神经系统存在差异,但NF不同亚型NF166和NF180却起到相似的功能。除此之外,NF166和NF180还与中枢神经系统的组织动力学密切相关。Lustig等[18]的研究证明NF166和NF180在轴突起始段和朗飞结处高度富集,并通过联合Na+通道,共同作用于轴突电位和信号传导启动过程;Burkarth等[19]通过海马体神经元原代培养,进一步证明NF180在神经元形成初期聚集于突触轴突表面,并在神经元成熟的过程中逐渐向轴突末端迁移。

2.3 NF186的表达和生物学功能

NF186是成熟神经元中表达的主要神经束蛋白亚型,在结构上附加了FNIII样结构域5,主要表达于轴突起始段和朗飞结(nodes of Ranvier)区域[20]。在海马体的成熟神经元中,NF186通过干扰并减少轴突起始段的突触数量使神经元保持稳定,这种对神经元轴突的生长抑制作用有可能是由于NF186的FNIII样结构域5的表达降低了其与 contactin-2 的亲和力[21～22]。NF186 保持神经元结构稳定性的生物学功能还表现在它与细胞骨架成分锚蛋白G的相互作用[23]。此外,Feinberg等[24]的研究表明NF186作用于钠离子通道无髓鞘节段的β1和β3亚基聚集处,直接影响髓鞘朗飞结结侧区的信号传导,在神经纤维的神经胶质和神经元跳跃传导过程中发挥着独特的作用。NF186表达不足将直接影响髓鞘结侧区的绝缘性,在多发性硬化(multiple sclerosis,MS)患者中表现为髓鞘各区相应轴膜的离子通道分布紊乱,结区的Na+通道结构破坏且不能聚集,原本位于近结侧区的Kv1.2通道跨过结侧区到达结区,使得有髓纤维的快速神经传导失败[25]。

2.4 NF胞质结构域的生物学功能

NF的胞质结构域有可能被酪氨酸磷酸化修饰,而去磷酸化状态下的胞质结构域更倾向于与锚蛋白G相互作用。酪氨酸磷酸化会导致NF的横向流动性增加,从而为它的迁移运动提供可能[26]。Barry等[27]通过原代海马体神经元培养,证明NF和锚蛋白G在轴突起始段的聚集是独立的,但轴突起始段的延伸却高度依赖着NF和锚蛋白G的锚定结合,因此NF的胞质结构域有可能调控着轴突发育过程中NF的定位[28]。此外,Kirschbaum等[29]的研究提示,存在于NF胞质结构域第56位和第100位的丝氨酸残基具有N-糖基化和O-糖基化潜在位点,有可能通过磷酸化修饰增强NF与细胞外信号通路分子之间的相互作用。

3 神经束蛋白的医学应用研究及前景

目前,已在人类的一些自身免疫性脱髓鞘疾病中发现了神经束蛋白特异性抗体,如在MS和急慢性炎性脱髓鞘神经病(acute/chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy,AIDP/CIDP)患者的血液或脑脊液中发现了NF155和NF186的特异性抗体[30～31]。Hochmeister 等[32]研究证实神经束蛋白自身抗体将加重多发性硬化动物模型的轴突病变和疾病的严重程度,同时该研究也发现多发性硬化孕鼠的神经束蛋白抗体可以通过胎盘转移至胎鼠,但其后代并未表现出任何异常,推测在MS孕妇血液中即使检测到抗神经束蛋白抗体,也不太可能会对她们的孩子产生髓鞘相关神经系统疾病的负面影响。此外,Zhang等[33]通过构建缺氧缺血性脑白质损伤(hypoxic ischemic brain damage,HIBD)新生大鼠模型,发现大鼠脑组织出现脂筏量减少、髓鞘结构错乱、松散、分层等形态学改变,并伴有轴突萎缩及其导致的一系列神经功能异常,而这些症状的出现与NF155表达下降密切相关,提示NF155在脑白质疾病发病机制中可能起着重要的作用,NF155有可能成为未来脑白质损伤性疾病干预治疗的新途径和靶点。

虽然目前NF在中枢神经系统发育、损伤及修复中的作用和地位正得到越来越多的关注,但有许多内容尚需要更深入的了解和认识,同时我们也期待能以NF作为崭新的切入点阐明相关神经系统疾病的病理生理机制并开发新的治疗思路和方案。