Fgf22在神经系统中的研究进展及在耳蜗带状突触中的作用

魏薇 文骏雄 董耀东 马秀岚

中国医科大学附属盛京医院耳科(沈阳110004)

成纤维细胞生长因子22（Fibroblast growth factor 22，Fgf22）基因在2001年首次被克隆[1]，目前对其研究尚处于起步阶段，但已发现其与中枢神经系统突触密切相关，近来研究显示Fgf22在听觉系统耳蜗带状突触中也发挥重要的作用，本文将就近年来Fgf22基因在中枢神经系统中的作用研究的最近进展予以综述，并阐述Fgf22基因在听觉系统耳蜗带状突触中的意义，推测Fgf22基因有望成为未被发现的耳聋新基因，并在未来为听觉系统遗传疾病的早期筛查及诊断提供重要的科学指导。

1 Fgf22基因概述

Fgf22基因属于成纤维细胞生长因子家族（Fibroblast Growth Factor family,Fgfs)一员，与 Fgf3、Fgf7、Fgf10同属一个亚家族[2]，是一种蛋白编码基因。人类FGF22基因位于染色体的19q13.3区域，共有38186个碱基对，包含3个外显子，2个转录变异体，编码170个氨基酸，分子量为19663Da。小鼠Fgf22基因位于染色体10C1区域，共有2998碱基对，含有3个外显子，编码126个氨基酸，分子量为14220Da。人类FGF22蛋白与小鼠Fgf22蛋白具有高度蛋白质同源性，其中87%氨基酸已经被确定[1]。目前，已发现Fgf22在人体的胎盘中[1]，小鼠的大脑、皮肤及舌头中[3,4]，及牛的窦卵泡及黄体中[5,6]均存在表达。

大多数FGFs（除FGF11～FGF14)都能特异性结合多种成纤维细胞生长因子受体（Fibroblast Growth Factor Receptor，FGFR),从而启动FGFR的信号转导通路发挥其生物学功能[7]。其中，Fgf22可以特异性结合Fgfr1b和Fgfr2b受体发挥功能，并与后者亲和度更高[8,9]。Anne等[10]提出Fgf22及其受体Fgfr1b和Fgfr2b在中枢神经系统中持续表达，是神经突触形成的重要内源性调节因子[11]。

2 Fgf22在中枢神经系统中的研究进展

2.1 Fgf22与大脑发育

Fgfs信号通路在大脑等多种组织发育过程中都发挥着重要作用。在斑马鱼胚胎大脑发育早期，Fgf22主要表达于中脑后部和中脑后脑分界线（Midbrain-hindbrain boundary,MHB）原基的前部[12]，下调斑马鱼胚胎组织中的Fgf22表达后，可促进顶板和被盖标记基因表达、并抑制中脑细胞增殖及顶盖标记基因正常表达，但不促进细胞凋亡，而过表达Fgf22基因可促进中脑细胞增殖，提示Fgf22可能参与中脑细胞增殖、顶板形成以及顶盖分化的过程。

在Fgf22调控中脑发育过程中，可能有两个机制协同调控。一是Fgfr2b，作为Fgf22的特异性结合受体，当与受体结合之后可促进中脑细胞增殖，Ayumi等[12]研究发现下调Fgfr2b表达或者下调Fgf22表达后，均可显著抑制中脑细胞增殖。二是Fgf3和Fgf8在MHB原基的表达要早于Fgf22[13,14]，而在Fgf3/Fgf8双突变的斑马鱼胚胎中，Fgf22在中脑后部的表达完全缺失，并且中脑发育障碍[12]，提示中脑后部的Fgf22的表达可能受MHB来源的Fgf3和Fgf8的共同作用。

2.2 Fgf22与神经突触

突触是神经元细胞进行信息传递和发挥功能的关键部位，主要分为兴奋性突触传递和抑制性突触传递。目前，Fgf22已被逐渐证实在兴奋性突触的形成、维持及调控过程中发挥着重要作用[15-20]。

2.2.1Fgf22促进突触的形成

在中枢神经系统的海马体CA3椎体神经元和小脑颗粒细胞突触中，Fgf22主要表达于兴奋性突触后，Fgfr2受体主要表达于兴奋性突触前，尤其是Fgfr2b[16]。在兴奋性突触形成的过程中，Fgf22和Fgfr2都在兴奋性突触开始形成时高表达，且均在突触形成之后急剧减少，提示Fgf22可能主要由突触后产生，作用于兴奋性突触前以促进兴奋性突触的形成[16,17,21]。Hisashi等研究发现Fgf22在P8突触开始形成时高表达于小脑颗粒细胞，并在P23突触形成稳定时，Fgf22表达水平开始显著下降。Terauchi等[18]进一步研究发现敲除Fgf22基因小鼠出现CA3椎体神经元兴奋性突触形成障碍，其原因可能是载有神经递质的突触囊泡不能在兴奋性突触前端聚集，进而直接降低了兴奋性突触的效能[11]。此外，Anne等[10]研究证实Fgf22在成年小鼠脊髓损伤后兴奋性突触重建和成熟过程中发挥了重要的促进作用，这些更加证实了Fgf22在兴奋性突触的形成过程中的重要作用

Fgf22促进兴奋性突触形成的机制可能为Fgf22协同运动蛋白kif3a、kif17以及衔接蛋白sap102共同作用促进兴奋性突触的形成[18]。此外，Hu等[20]证实突触后的硫酸类肝素蛋白聚糖（syndecan-2，SDC2）可促进Fgf22与突触前Fgfr特异性结合促进突触前成熟，同时SDC2又通过与CASK-MLIN7-MINT1受体复合体相互作用增强伪足靶点NMDAR作用，同时由Fgf22诱导的突触前成熟通过反馈作用激活突触后NMDAR，进而促进树突丝状伪足-棘的转化，提出SDC2可协同Fgf22通过跨突触信号通路实现双向调控突触形成作用。

2.2.2Fgf22维持突触稳定

Fgf22不仅可以促进神经兴奋性突触的形成，还可以维持其稳定性。近来，Akiko等[19]通过在体外培养小鼠海马齿状突颗粒细胞中下调胰岛素样生长因子2（Insulin-like growth factor 2,Ifg2）的表达，分别观察体外培养从第1-6天的原始突触前分化阶段、第7-12天随后的突触前稳定阶段的突触囊泡聚集情况，结果发现在体外培养第6天，即突触前分化阶段并未发现Igf2下调组与对照组的区别，而在体外培养的第12天时，即突触前稳定阶段，发现突触囊泡的数量及大小较对照组显著下降，且Igf2下调组不再出现Fgf22依赖性的突触囊泡集聚现象，提出Fgf22可能在哺乳动物海马体中通过调节Igf2以维持兴奋性突触的稳定性[19]。

其机制可能是在兴奋性突触分化早期，Fgf22首先促进局部突触囊泡的聚集，随后诱导突触前Igf2细胞因子的表达，并作用于兴奋性突触前而维持突触前终端的稳定性。

2.2.3Fgf22调控突触功能

很多细胞因子已经被证实可调控神经突触的功能，尤其是Fgfs及Fgfr细胞因子[15,16,22]。目前，Fgf22已被证实主要通过促进突触囊泡的聚集和神经轴突分支的形成来实现突触前的调控功能，且重组Fgf22可诱导分化出有活性的突触末端膨大[16]。Pasaoglu等[23]通过实验也证实Fgf22可以调控成年小鼠CA3神经元的突触前的大小。

Clara等[24]通过研究发现将野生型小鼠注射低剂量戊四唑诱导全身痉挛作为癫痫模型，同时出现海马齿状突神经形成增强、肝门异位齿状颗粒细胞形成、肝门细胞死亡增加和苔藓纤维形成四种病理生理变化，而Fgf22基因敲除小鼠注射相同剂量的戊四唑后虽然有中等程度的癫痫但是并未发作，更无以上四种病理生理变化。因此，提示Fgf22可能在调控齿状突神经形成等方面发挥重要的调控作用，并有望成为治疗癫痫的潜在靶点。此外，Yu等[25]分别从人体、大鼠模型、细胞水平上证实在慢性不可预见轻度应激（The chronic unpredictable mild stress,CUMS）抑郁模型中上调Fgf22表达后，白细胞介素-1β（Interleukin-1β,IL-1β）表达下降、细胞凋亡增加，进而提出Fgf22可能通过抑制IL-1β的表达进而抑制抑郁表型。Williams等[26]也发现小鼠Fgf22基因敲除后抑制海马回兴奋性突触的形成，小鼠出现抑郁表型。

2.3 Fgf22促进神经元形成与修复

Fgf22基因不仅可以促进突触的形成、维持和调节，在神经元形成的过程中也发挥着重要的作用，研究发现Fgf22基因敲除小鼠中齿状回成熟神经元的形成减少，此外Fgf22还可作为齿状回调节神经突触的重要信号，促进海马成熟，提示Fgf22对于齿状回新生神经元的形成以及功能的维持至关重要[11,12,24]。Akiko等[27]也通过择性抑制小鼠海马CA3椎体神经元中的Fgf22基因的表达，发现Fgf22可调控齿状神经的发育。

3 Fgf22在听觉系统耳蜗带状突触中的意义

目前，Fgf22基因与耳聋的相关研究尚处于起步阶段，但基于Fgf22在中枢神经突触的形成、稳定和调控过程中的重要作用，及其特异性受体在耳蜗发育过程中的特殊表达，并与Fgf22结构和功能相相似的同亚家族因子与听觉系统耳蜗发育及耳聋的联系密切，推测Fgf22有望成为未被发现的耳聋新基因。

3.1 Fgf22特异性受体Fgfrs在耳蜗发育中的重要作用

小鼠耳蜗发育过程最初是在胚胎期E11-12天时由听基板内陷闭合成听泡，延伸成蜗管原基[28]，毛细胞和相关支持细胞前体在E12-16从顶回到底回开始增殖和分化[29]。在感觉细胞完成最后的有丝分裂之后，中底回的毛细胞及支持细胞开始分化，随后同时向顶回和底回延伸分化，这个过程的成熟期在E17至E18完成[29-31]。在这个过程中，Toshin等[32]发现在感觉细胞发育过程中Fgfr1和Fgfr3是两个重要的受体，Fgfr2可能在外沟、螺旋凸和血管纹发育过程中起作用，Fgfr4在耳蜗发育过程中仅限于在耳蜗间质细胞中表达，且Fgfr4-/-小鼠耳蜗发育正常。Fgf22的特异性受体是Fgfr1b和Fgfr2b，属于Fgfr1和Fgfr2分支，因此，Fgf22可能也与耳蜗发育密切相关。

3.2 Fgf22同亚家族因子与耳聋相关性研究

在Fgfs中，Fgf3、8、10均与耳蜗发育密切相关[33]。Fgf3在耳神经母细胞发育初期表达，是耳蜗毛细胞感觉神经发育的前体，最先从前-腹侧耳囊开始移行，以形成前庭-耳蜗神经节[34]。除此之外，Fgf3还参与内耳上皮细胞的形成[35]。Fgf8主要参与内耳发育早期中胚层和内胚层的形成，在内耳发育分化过程中，过表达其他组织来源的Fgf8将导致耳部组织的缺失[36]，此外Fgf8诱导耳蜗柱细胞分化并调节哺乳动物耳蜗内的细胞形态[37]。Fgf10在鸡的前庭-耳蜗神经节细胞前体细胞中促进部分基因的表达[38]，这些基因的靶向突变将导致前庭神经及听神经缺失或严重损害[39]。研究显示同时敲除结构和功能相似的Fgf22同亚家族细胞因子Fgf3、Fgf10后，小鼠出现耳囊发育障碍[40]，因此，Fgf22有望在耳蜗发育过程中也发挥同样类似的作用。

3.3 Fgf22与耳蜗带状突触

Fgf22在中枢神经突触的形成、维持和调控中均发挥着重要的作用，作为与神经突触相似的内耳突触，即内耳毛细胞与听神经之间的耳蜗带状突触，Fgf22是否也在耳蜗带状突触中起到关键作用呢？

耳蜗带状突触是当前耳神经科学领域研究的热点[41]。区别于中枢神经突触，耳蜗带状突触是听觉传导系统中将声音向中枢传递过程中第一个突触结构，因其空间分布呈带状故称为带状突触（Ribbons Synapse,图1）。听觉形成依赖于带状突触内神经递质快速、精确地释放，这决定了声音信号传递到中枢系统的质和量。耳蜗内毛细胞负责将声波的机械振动转换为电信号，最终投射到中枢神经元。因此，任何导致带状突触结构和功能改变的因素都会对声音编码过程产生重要影响[42-45]。

图1 耳蜗带状突触结构的模式图[46,47]Fig.1 The Pattern of Ribbon Synapse[46,47]

近来，Li等[48]发现Fgf22仅在内毛细胞中存在表达，并且在庆大霉素耳毒性小鼠模型中，带状突触数量减少，Fgf22的表达量下降，肌细胞增强因子2C（myocyte enhancer factor 2C，MEF2C）表达量增加。上调Fgf22基因表达后可抑制MEF2C的表达，增加带状突触数量。因此，推测Fgf22可能通过维持耳蜗带状突触数量而保护庆大霉素耳毒性导致的听力损失。

3.4 Fgf22调控听觉系统耳蜗带状突触的可能通路

因为耳蜗带状突触属于突触的一种特殊类型，其机制可能类比中枢神经突触中Fgfs调节钙离子通道激活钙依赖性磷酸激酶，进而拮抗神经传导通路中的BMP通路发挥其功能（图2），MEF2C位于BMP通路下游[49]，是一种由钙通道调节并高表达于脑组织的细胞因子，可以调节突触数量[50-52]。Li等[48]通过实验发现在庆大霉素耳毒性模型中，上调Fgf22可以显著抑制MEF2D细胞因子的增多。因此提出Fgf22有可能是通过BMP信号通路调节MEF2家族细胞因子的表达进而影响带状突触的数量及功能。

图2 FGF/Ca+/CaN调控BMP信号通路机制图[45]Fig.2 Modulation of BMP signaling by FGF/Ca2+/CaN signaling[45]

4 小结

Fgf22基因具有多种生物学功能，其对于大脑发育有着不可替代的作用，并且在皮肤发育、中枢神经突触的形成、稳定和调控、耳蜗带状突触耳毒性损伤等过程中都具有重要的调节作用。此外，在癫痫、皮肤肿瘤、抑郁症、耳毒性药物致聋等方面具有重要的基础研究价值和临床应用前景。然而到目前为止，国内外对于Fgf22基因的系统研究尚处于起步阶段，其在神经系统的精确表达和功能分析及具体信号通路还有待深究。尤其是进一步深入探索Fgf22基因在听觉发育过程中的表达特征及其作用机制，将有望在耳聋基因学研究领域中有重大突破。