Neuritin对神经及血管的功能研究进展

董恩柱 杨 丽 任峻峰 张 晨 闫贺宁

石河子大学医学院(新疆 石河子 832002)

1993年,Nedivifi以谷氨酸类似物红藻氨酸盐作为诱导物,刺激大鼠海马齿状回,并在其中筛选到一系列与长期可塑性有关的基因[1]。1996 年,从以上众多基因中 Nedivi 通过光诱导刺激大鼠新皮质实验,得到一个基因并将其命名为CPG15[2]。1997年,Naeve等的对从人类脑皮质cDNA文库中筛选得到的CPG15 进行研究,发现它的表达产物能促进神经突起的快速生长,因而又将其命名为Neuritin。

Neuritin基因在不同物种间有较高的保守性,例如人与鼠的同源性可达98%。人类Neuritin 基因主要存在于脑组织,其次为肝脏和肺,心脏和骨骼肌等其它组织中也有该基因表达[3-4]。人类的 Neuritin基因位于染色体 6P25.3,全长2072bp,表达产物含有142个氨基酸。Neuritin 蛋白有可溶性和膜蛋白两种形式,其膜蛋白形式以GPI 锚定位点锚定在细胞膜上。作为神经营养因子家族的一个新成员,Neuritin不仅在神经系统发挥重要作用,也在血管生成方面扮演重要角色。

1 Neuritin对神经的作用

Neuritin在神经系统的发育中发挥了重要的作用,促进神经元突起生长及神经元迁移、抑制神经元凋亡、促进神经元再生、促进并巩固突触回路的形成等,很可能是外周和中枢神经系统疾病的潜在治疗靶点。

1.1Neuritin抑制神经元凋亡 Putz等[5]报道,在哺乳动物前脑的发育期间,过表达Neuritin能够阻止特定神经元始祖细胞亚群的凋亡,使得前脑大于正常对照组。研究表明,过表达Neuritin基因一方面通过抑制损伤神经元Caspase-3的激活来减少细胞凋亡[6],另一方面,通过下调Caspase-8的表达介导抑制内质网应激反应来抑制神经元的凋亡[7]。此外,Rui G用外源性Neuritin抑制脊髓损伤早期Caspase-3的激活和聚ADP核糖聚合酶(PARP)的降解,从而抑制受损神经元的凋亡[8]。因此,当损伤脑组织中Neuritin表达明显增高时,通过抑制神经元凋亡对蛛网膜下腔出血后早期脑损伤起保护作用。

氧化应激也是神经元凋亡的重要原因之一。氧自由基引起膜磷脂水解,蛋白质、脂质和核酸的过氧化反应,蛋白质失活和变性,核酸骨架断裂,最终导致神经元凋亡。糖尿病大鼠在外周神经结构和功能出现异常之前,体内Neuritin含量下降,伴随出现严重的氧化应激[9]。据报道,MiR-204可以通过抑制Neuritin1蛋白的表达来提高雪旺细胞对氧化应激的敏感性,诱导了氧化应激和裂解Caspase-3的表达,导致细胞凋亡增加[10]。

1.2Neuritin促进轴突再生 过表达Neuritin会诱导神经纤维生成、轴突树状化和轴突延长。Neuritin在外周神经系统轴突再生过程中表达增加,而在糖尿病小鼠模型的外周神经系统中Neuritin表达减少,这种减少的表达可能导致轴突再生不足[11]。Sharma等通过离体实验进一步表明,Neuritin 1促进轴突损伤后的视网膜神经节细胞存活和轴突再生[12]。Neuritin一方面可以诱导NF200和GAP-43表达上调,为轴突再生创造良好的微环境[8]；另一方面,Neuritin在损伤神经的微环境中会减缓逆行变性,加速神经纤维的功能恢复[13]。

1.3Neuritin促进神经元突起的生长 Cappelletti[14]等发现在神经生长因子诱导PC12细胞分化过程中,Neuritin调节神经元突起的生长。Pan Zhang[15]等研究表明Neuritin是NEURL1的上游和负调节因子,抑制NEURL1介导的Notch信号,以促进突起生长。而NEURL1是一种重要的调节因子,通过促进Notch配体的Jagged1内吞作用来激活Notch信号。Neuritin显著抑制NEURL1促进的内吞作用,进而抑制Notch受体Notch胞内结构域(NICD)的激活,降低下游基因hairy和split-1增强子(HES1)的表达。从而Neuritin恢复了Notch激活引起的突起的回缩,促进神经元突起的生长,参与了神经发育和再生过程。

1.4Neuritin改善认知功能 阿尔茨海默病(AD) 是老年痴呆的常见类型,也是一类复杂的神经退行性疾病,但是病因并未明确。Chang[16]等发现AD患者大脑皮层和海马Neuritin的表达减少,Neuritin能恢复Tg2576神经元原代海马神经元树突棘密度的降低和单个棘的成熟,并减轻Tg2576 AD小鼠的认知功能缺损。Li Fei[17]等发现认知损伤的5个月龄APP/PS1小鼠海马区的miR-574水平显著升高,而使用miR-574抑制剂能显著提高Neuritin和突触蛋白的表达水平,说明miR-574通过调节Neuritin参与小鼠的认知损伤。Zhao[18]发现Neuritin通过增加海马脊神经密度,阻止极低频电磁场暴露诱导的行为和认知障碍的效应,逆转电磁场对小鼠新物体联想识别记忆的影响。

2 Neuritin对血管生成的作用

神经系统通过不断更新的电信号负责传递信息,而循环系统通过流动的血液负责传递营养物质和代谢废物,二者在功能上非常相似。人体内神经和动脉不仅在宏观上呈毗邻位置关系,而且在微观上都有相似的特殊细胞结构。生长的神经轴突顶端的“轴突生长锥[21]”,延伸扇状片状突起和长的指状丝状突起来感知局部微环境,从而控制轴突的生长[21-22]；而萌发血管顶端的“内皮尖端细胞”,表现出类似的片状脂膜和丝足结构,在外观和功能上与轴突生长锥相似[19,23,24]。分子水平上,两个系统都使用基于肌动蛋白细胞骨架来感知引导信号,根据周围微环境的变化拉伸或者收缩,让处于生长状态的神经和血管做定向运动[25]。

神经与血管相似的形态结构和功能以及共同的发育原则,使得看似独立的两个系统相互联系、相互影响,二者之间的相互作用协调着它们的生长。神经可以通过一些共同的信号分子对血管产生影响,目前已经发现指导轴突生长分子Netrins,Semaphorins等可以引导血管的生长[19-20]。近期越来越多的证据表明,神经营养因子家族的新成员Neuritin,可能在血管导向和网络形成中发挥类似神经元轴突向导的作用。

2.1Neuritin影响血管生成 目前已经发现了神经与血管之间共同的分子线索,即四个指导轴突生长分子家族Netrins,Semaphorins,Ephrins和Slits。这些分子线索既指导内皮尖端细胞又指导轴突生长锥,它们的受体不仅可以引导生长的轴突,而且可以引导萌发的血管[19,20,21]。除此之外,Le Jan发现在低氧环境下内皮细胞被诱导表达Neuritin[26],推测其可能在血管导向和网络形成中发挥类似神经元轴突向导的作用。

2.1.1 Neuritin增加组织中微血管密度 Raggo等研究表明,在卡波西肉瘤相关疱疹病毒感染后,真皮微血管内皮细胞从鹅卵石样单层样细胞增殖、转化和聚集成病灶过程中,Neuritin的表达增加[27],间接提示了Neuritin可以促进血管网络形成。Lei Zhang等发现在星形胶质细胞瘤中,Neuritin的表达量随肿瘤恶性程度的增高而升高,而且肿瘤微血管密度也随Neuritin表达量的升高而增高[28]。Dingding Han通过给予人脐静脉内皮细胞重组的Neuritin,显著增加了肝癌组织中微血管的密度[29]。因此,Neuritin可以增加微血管的密度,促进血管网络形成。

2.1.2 Neuritin增强血管内皮细胞迁移能力 Dingding Han[29]通过细胞划痕实验发现,Neuritin能够诱导血管内皮细胞的迁移,并且在体外以剂量依赖性的方式显著增强人脐静脉内皮细胞迁移。张建庆等通过细胞划痕实验和Transwell迁移实验,也观察到过表达Neuritin的血管内皮细胞迁移能力显著增强[30]。而在微观角度,Raggo等发现Neuritin的过表达改变了NIH-3T3细胞的形态并支持它们的锚定非依赖性生长[22]；张建庆[30]扫描电镜还可观察到 Neuritin 过表达血管内皮细胞表面出现伪足,细胞间粘连排列变得紧密,这些细胞微观结构的改变促进了内皮细胞的迁移。据报道,过表达Neuritin后细胞内Notch1、VEGFR表达量增加,说明Neuritin可以激活细胞内多种信号分子来促进血管内皮细胞的迁移[30]。

2.1.3 Neuritin增强血管内皮细胞增殖能力 Neuritin表达受到干扰后,HPMEC(人肺微血管内皮细胞株)和NSCLC-VECs(原代人非小细胞肺癌血管内皮细胞)的G0/G1期阻滞增加,S期分布减少,细胞周期进程明显抑制,凋亡细胞比例明显升高[30]。随着细胞内Neuritin表达量的升高,Notch1、VEGFR mRNA与蛋白水平表达明显增加,Notch可以通过促进VEGFR3与VEGF-C反应抑制内皮细胞凋亡[30]。所以,血管内皮细胞过表达 Neuritin后,促进细胞周期发生,增强内皮细胞增殖能力。

这些证据均提示,Neuritin的表达直接促进了血管生成,推测Neuritin很可能在血管生成过程中发挥了重要作用。

2.2Neuritin对肿瘤作用 Neuritin在多种癌组织均存在高表达。Raggo[27]等将过表达Neuritin的NIH 3T3(胚胎成纤维细胞系)细胞注入裸鼠体内,促进了肿瘤的形成,提示Neuritin很可能是肿瘤发生发展的一个正向调控基因。在乳腺正常组织到乳腺导管内癌、最后到乳腺浸润性导管癌的变化过程中,Neuritin蛋白及其mRNA呈现显著增高的趋势[31]。随着癌前病变向癌细胞的转化,Neuritin的高表达对乳腺癌的发生发展起着非常重要的作用。

3 问题与展望

Neuritin在神经系统中发挥了重要的作用其机制日益明确,同时有越来越多的证据表明Neuritin在血管网络形成过程中也发挥了作用,但其机制仍有待于进一步研究。Neuritin不仅影响神经和血管的形成,而且对干细胞的迁移、衰老、增殖和活性也有影响[32]。JINGLING ZHU[33]发现经过Neuritin处理产生的神经元样细胞,既表达神经元标记物,还部分表现出神经电生理特性。Neuritin处理可能是诱导骨髓间充质干细胞朝向神经元分化的有效方法,为疾病建模和基于细胞的治疗的发展提供一种新途径。

目前国内外学者对于Neuritin蛋白的研究方法已经很成熟,可通过构建Neuritin毕赤酵母分泌表达系统得到高纯度的具有天然活性的Neuritin蛋白,也可通过大肠杆菌构建pE T-32a-neuritin原核表达载体并纯化得到Neuritin蛋白。这为Neuritin功能的研究提供了极大的便利,相信在不久的将来便可揭示它在神经和血管方面扮演的角色及其作用机制,成为神经及血管系统相关疾病的新的治疗靶点。