基于神经连接蛋白Neuroligins的研究及应用前景

欧阳俊琳(综述)，朱小虎(审校)

(湖北医药学院附属太和医院骨科康复三病区，湖北 十堰 442000)

大脑通过突触传递信号处理信息，突触将神经元连接成巨大的通讯细胞网络。在这些网络中，突触不仅传输信号，而且转换和细化信号。神经连接蛋白Neuroligins(NLs)是突触后膜细胞黏附分子，其连接突触前和突触后神经元，介导突触间信号的传递，并通过特定的突触功能塑造神经网络的特性。笔者就NLs的构成、类型、功能及应用前景等进行综述，旨在更好地认识NLs参与某些疾病的机制，并对其后续的临床治疗提供新思路。

1 NLs的构成

NLs属于I类跨膜蛋白，位于突触后膜。NLs的结构可大致分为3个区域，分别为胞外区域、跨膜区域、胞内区域。其中胞外区域，即NLs的N端，包括一个信号肽、乙酰胆碱酯酶样区域(cholinesterase-like domain,CLD)及碳水化合物结合区域；跨膜区为O-糖基化(O-Glyc)的跨膜区域；NLs的C端为胞内区域，是I类突触后致密区(postsynaptic density zone,PDZ)识别组件，NLs主要通过胞内区域与突触后的靶蛋白，如桥尾蛋白(gephrin,GP)、突触后密度蛋白(Postsynaptic density protein,PSD)等结合，从而促进突触分化，加强突触间隙的稳定性及传递突触间信号的功能。其胞外区域可与突触前膜的Neurexins(NRXNs)形成特异性的跨突触连接。

2 NLs的类型

人类有5种NLs的基因型(NL1、NL2、NL3、NL4X、NL4Y)，啮齿动物有4种(NL1、NL2、NL3、NL4)。NLs具有独特的表达模式，NL1主要表达于兴奋性突触上，NL2主要表达于抑制性突触上，NL3在兴奋性和抑制性突触上都表达，而NL4的表达似乎局限于视网膜神经胶质细胞的甘氨酸能突触和中枢神经系统的其他几个区域[1-2]。

3 NLs的功能

Wu等[3]研究表明，条件性删除NLs，突触的可塑性发生改变。突触的可塑性是指伤害性刺激和环境变化等条件下，突触的形态结构和功能发生相应的改变。突触形态机构的可塑性主要变现为突触数量和结构的改变。而突触功能的可塑性主要分为短期突触可塑性和长期突触可塑性，目前研究最多的是长期突触可塑性，它有两种表现形式，即长时程增强(long-term potentiation,LTP)和长时程(long-term depression,LTD)，现将NL1-NL4的功能阐述如下。

3.1NL1的功能

3.1.1NL1对突触的调控作用 Kim等[4]研究表明，NL1主要定位于兴奋性突触上，参与兴奋性突触后膜的形成。Prada等[5]研究显示，NL1可通过波调节复合体介导的突触后肌动蛋白重组，调控突触结构和功能，对树突棘的形成和突触的稳定性起着关键的作用。NL1的胞内区域可直接招募波调节复合体到突触后膜，激活LIMK/cofilin介导的信号通路，使F-肌动蛋白(F-actin)富集成网络，使兴奋性突触后膜的表面积增大，促进兴奋性氨基酸受体α-氨基-3-羟基-5甲基-4-异唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid,AMPA)向后膜插入，接受更多的兴奋性神经递质，改变突触结构的可塑性，增强了突触的传递效能。NL1与突触前膜β-NRXNs的结合是LTP形成的关键。LTP是突触后神经元对反复刺激突触反应的持久强化，当小鼠的NL1基因被敲除后，NMDA/AMPA受体比值失衡，其海马突触中依赖NMDA受体的LTP减弱，突触功能的可塑性被改变[6]。

3.1.2NL1与疼痛的关系 组织损伤诱导NL1表达上调，激活NMDA等相关受体，使突触后Ca2+水平升高，突触后膜受体磷酸化以及密度增加，引起突触后膜去极化，使突触后神经元兴奋，最终导致疼痛的发生。NL1表达下调可抑制NL1与PSD-95相互作用和AMPA受体亚型GluAl突触靶向，减少了谷氨酸能突触传递，减弱了突触的传递效能，调控了兴奋性突触的可塑性，改善了术后疼痛[7]。

3.1.3NL1与自闭症和阿尔兹海默症的关系 临床研究表明，NL1基因变异与自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)、阿尔茨海默病中的记忆丧失、抑郁和创伤后应激障碍等神经精神障碍有关[8]，NL1的缺失或过表达也会造成空间记忆的受损，这提示NL1在认知过程中起一定作用。

3.1.4其他 小鼠脑皮质星形胶质细胞表达的NL1可通过与某些神经递质相互作用调控星形胶质细胞的形态[9]。Liu等[10]研究显示，NL1基因敲除小鼠不能保持清醒状态，其非快速动眼睡眠时间增长。这些研究表明，NL1与疼痛、自闭症以及睡眠都有密切的关系。

3.2NL2的功能

3.2.1NL2对突触的调控作用 NL2主要定位在抑制性突触上，对抑制性突触的形成和功能发挥着重要的作用。体外非神经元细胞中NL2的表达诱导出与突触连接相似的结构，而在体内突触前的轴突蛋白与突触后NL2的结合增强了抑制性突触的传递[11]。条件性敲除NL2导致前额叶内侧皮质的抑制性突触数量减少，突触传递效率降低，抑制性突触的可塑性发生改变[12]。

3.2.2NL2对γ-氨基丁酸受体(gamma-aminobutyric acid receptor,GABAR)的调控作用 NL2与GP共定位，NL2通过酪氨酸残基与GP结合，GP是一种脚手架蛋白，位于抑制性突触，在募集甘氨酸和GABAR中具有重要作用。GP含有3个不同的结构域，分别为G、C、E结构域，其中C结构能够与GABAR结合，调控GABAR在突触后膜的整合。在神经元的发育过程中，NL2对GABA能突触的形成至关重要；随着神经元的成熟，GABA能突触的发育需要NL2的参与；NL2与Slitrk3的相互作用对海马的功能也起着重要的作用，选择性破坏这种连接，会减弱GABA能突触之间的传递，改变了突触的可塑性，影响了海马的功能[13]。

3.2.3NL2对抑制性突触后电流(inhibitory postsynaptic current，IPSP)的作用 NL2通过GP和GABAARs使神经元具有成熟的电生理反应特性。NL2的过表达可以增加前额皮质锥形细胞的IPSP，NL2的缺失使小鼠内侧前额叶皮质mlPSCs的幅度和频率均降低，海马齿状回颗粒细胞中mlPSCs的幅度降低，但NL2表达上调和下调都没有影响到兴奋性突触后电流(excitatory postsynaptic current，EPSP)的水平变化[14]。

3.2.4NL2与认知的关系 在小鼠大脑海马中注入NL2过表达病毒，使NL2在海马神经元中过表达，导致GABA能突触后膜的桥尾蛋白及其突触前膜的囊泡GABA转运体蛋白表达上调，增强了GABA能突触的跨突触连接，最终导致小鼠认知功能受损。NL2的基因改变与严重的认知障碍有关，这意味着它对认知功能也尤为重要[15]。人类全基因组分析已确定NL2中的拷贝数变异和错义单核苷酸多态性与发育障碍有关，包括ASD和精神分裂症。这些NL2基因的部分突变可在在转基因小鼠模型中做到，NL2基因敲除小鼠在多种指标(如尾巴长度、睁眼年龄和身体长度)中表现出严重的发育延迟，并且其幼崽的发声次数增加。另一方面，高表达NL2的小鼠寿命缩短、其后代的存活率降低、肢体蜷缩次数及重复行为增加，类似于Rett综合征和ASD的相关症状。NL2基因的敲除和过表达也增加了小鼠的焦虑行为，改变了其社会行为，这提示NL2也参与了焦虑的调节[16]。总之，在小鼠海马中，病毒介导的NL2过表达增强了抑制性突触的连接，增强了抑制性突触的传递效能；NL2条件敲除的小鼠，抑制性突触传递显著减弱，导致焦虑、恐惧、记忆和社交行为方面的并行损害。

3.2.5其他 小鼠受到的伤害性刺激增强了NL2与PSD95的连接，调控了AMPA受体亚型GluR1的突触靶向性，参与了术后疼痛的发生[17]。也有研究表明，NL2参与胰腺细胞胞外分泌的同时，还可通过调节内皮细胞的细胞因子CDC42的释放，从而调控血管生成素2(angiopoietin 2,Ang2)的释放，最终影响血管的生成[18]。这说明NL2不仅影响大脑的发育及认知，还有可能参与疼痛及某些内分泌系统疾病的发生。

3.3NL3的功能

3.3.1NL3对突触的调控作用 NL3在兴奋性和抑制性突触上都有表达，对突触的成熟和传递都起着重要的作用。NL3的错义突变会使纹状体背侧的谷氨酸能突触的长时程抑制(long-term depression,LTD)受损，影响其突触功能的可塑性[19]。

3.3.2NL3对IPSP与EPSP的作用 NL3错义突变小鼠可致海马和躯体感觉皮层的兴奋性和抑制性突触传递失衡，杏仁核基底侧的EPSP幅度增加，IPSP的幅度降低[1]。进一步研究表明，神经元中NL3的缺失，会使兴奋性突触上的AMPARs减少，兴奋性突触传递减弱，最终导致mEPSC频率的降低[19]。

3.3.3NL3与自闭症的关系 NL3是众多与自闭症相关的基因之一，NL3错义突变小鼠会使中间神经元的兴奋性降低，GABA能突触的功能紊乱，其社交活动受损。当人的NL3基因发生了错义突变后，突触数量会减少，导致人的ASD的发生，记忆和社会交流活动受损[20]。

3.3.4其他 小鼠的NL3错义突变可使其交配行为发生改变，且雌性小鼠尤为明显。另有研究显示，与野生型大鼠相比，NL3基因敲除大鼠的非快速动眼睡眠时长减少，而快速动眼时长增加，并且某些脑电图的频率上也表现出相应改变[10]。这表明，NL3不仅与自闭症相关，还与交配行为及睡眠相关。

3.4NL4的功能

3.4.1NL4对突触的调控作用 NL4在小鼠的整个大脑中都有表达，且主要分布在甘氨酸能突触上，细胞免疫组化显示，NL4在前脑内有微弱而弥散的分布，大多数在其他脑区，NL4与抑制性突触的标记物可共定位。NL4基因敲除的小鼠引起视网膜上甘氨酸能突触传递与海马CA3区GABA能突触传递的轻微减少，皮质中的GABA能和谷氨酸能突触中的突触前囊泡池的大小和释放概率也降低了，但兴奋性突触间的传递功能没有受损。与NL4基因缺失不同，在培养的海马神经元中，NL4的过表达减少了谷氨酸能而不是GABA能的突触传递[21-22]。这些研究表明，NL4对抑制性突触的传递发挥着重要的作用。

3.4.2NL4与自闭症的关系 较多研究表明，NL4与自闭症相关，NL4基因缺失的小鼠，GABA能突触传递受损，抑制性突触可塑性发生变化，导致小鼠表现出自闭症相关症状，如社交功能受损、重复行为增加等[23]。

4 基于NLs的应用前景

抑制NL1与PSD95的相互作用和与GluA1亚基的突触靶向，脊髓中NL1的表达会下调，术后疼痛减轻；大鼠经过电针镇痛后，NL1的表达上调[7]，这说明NL1可能参与了疼痛的发生。这在治疗疼痛的方法中值得进一步研究。Fang等[24]研究表明，敲低癫痫大鼠的NL1的表达，抑制了神经元的过度兴奋，降低了癫痫发作的严重程度，并且增加了癫痫发作的潜伏期，这说明NL1可能也参与了癫痫的发生，这也可能是治疗癫痫的潜在新目标。

NL2衍生肽覆盖的聚酰胺基(polyamidoamine,PAMAM)树状聚合物可增强胰腺β细胞的增殖和功能。这可能为设计具有独特作用方式的创新型抗糖尿病药物提供新的方案。NL2还可调节血管生成素2从内皮细胞释放和血管生成[18]，这可能成为肿瘤血管生成到血管疾病的各个领域中的新治疗靶标。Heshmati等[25]研究显示，NL2在抑郁症和应激易感性中的细胞类型特异性作用，这又为抑郁症等相关疾病的针对性治疗提供新思路。

神经胶质瘤是儿童和成人脑瘤死亡的主要原因，介导这种脑瘤神经调节的重要机制分子是NL3，其可通过激活PI3K/AKT通路，促进神经母细胞瘤细胞的增殖和生长，因此，降低NL3的表达或许可以抑制神经母细胞瘤细胞的生长。并且，NL3基因敲除的大鼠表现出ASD相关表型，NL4基因敲除的小鼠也表现出自闭症相关症状。这说明NL3和NL4可能都参与了自闭症的形成机制，这对治疗自闭症指明了新的方向。

5 结语与展望

综上所述，神经连接蛋白NLs可通过调节突触的可塑性参与疼痛及神经精神等疾病的发生。NL1通过调节兴奋性突触的可塑性参与疼痛与癫痫的发生；NL2的敲除或过表达都会改变抑制性突触的可塑性，从而影响大脑的发育及认知功能；NL3既可调节兴奋性突触的可塑性，也可调节抑制性突触的可塑性，NL3发生错义突变后会导致自闭症的发生；NL4主要调节抑制性突触的可塑性，NL4基因的缺失会导致GABA能突触的传递受损，最终导致自闭症的发生。神经连接蛋白NLs还与糖尿病、肿瘤等疾病的发生密切相关。

若对疼痛以及神经精神等疾病的治疗可以从传统的药物、针灸、神经阻滞、射频消融等疗法转向与突触可塑性相关的神经连接蛋白NLs的靶向治疗上，或许可以为临床治疗提供新思路，但是，这仍然是一个漫长的过程。神经连接蛋白NLs参与疼痛及神经精神等疾病的机制较为复杂，需要更加深入地研究，早日将基础研究有效转化成临床结果。