神经调节素-1在神经损伤修复中的作用机制及研究现状

姚丽红，徐婉秋，许晓航，薛 冰，席花蕾，王秀梅

广义上的“神经”是一个系统性的概念，由最基础的神经元和神经胶质构成，即神经系统。从组织解剖上看，其可以分为中枢神经系统(central nervous system, CNS)和周围神经系统(peripheral nervous system, PNS)。当神经截断性损伤后，轴突近端通常可以存活，而远端受损则会迅速闭合并在损伤后3 d内发生强制性沃勒变性(Wallerian degeneration)，使目标组织在神经支配发生前出现不可逆性的萎缩[1]。而正在兴起的组织工程疗法将从根本上解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失治疗等问题，它主要包含三大要素：细胞、支架和生长信息，其中细胞是一切生物组织最基本的结构单位，干细胞是人体内一种有潜力能够分化为其他类型细胞的特别细胞，也是生物工程广泛研究和利用的一种手段。支架是用于支撑细胞成长为一个完整组织的框架材料。生长信息是用于引导和协调组织内细胞活动的各种方法，目前已知的能够影响细胞活动的生长信息包括各种蛋白质因子和电信号。NRG-1作为一种神经调节蛋白，应用到组织工程上可以调节细胞表型及分化，并通过相关信号通路发挥促进神经损伤的作用。

1 NRG-1的结构和分型

NRG-1是一组含有表皮样生长因子(epidermal growth factor, EGF)结构域的蛋白，主要包含一个细胞外表皮生长因子样结构域和一个细胞内结构域[2]。它是生长因子神经调节素家族的成员，现在已知六种不同类型的NRG-1(NRG-1 Ⅰ～Ⅵ型)和超过30种的亚型，但它们各自的具体功能仍不完全明确。Ⅰ型NRG-1包括神经分化因子(neu differentiation factor, NDF)、神经调节蛋白(heregulins, HRGs)、乙酰胆碱受体诱导活性因子(acetylcholine recepotor inducing activity, ARIA)；Ⅱ型NRG-1包括胶质细胞生长因子(glial growth factor, GGFs)；Ⅲ型NRG-1包括感觉和运动神经元衍生因子(sensory and motor neuron-derived factor, SMDF)；Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型在人类及鼠类体内均有表达，但是它们发挥的生物学机制尚不清楚。其中Ⅰ型和Ⅲ型主要分布于神经组织(如施万细胞、脊神经细胞)中，Ⅲ型NRG-1是施万细胞增殖、分化、轴突髓鞘再生必不可少的，二者都与周围神经生长有着密切的关系。

2 NRG-1在神经损伤中的促进作用

中枢机制与周围机制在PNI后疼痛病因中的相对重要性一直是人们争论的焦点，研究表明，PNS和CNS均为此作出了贡献[3]。神经损伤很常见，其修复是一个极其复杂且缓慢的过程，主要包括：沃勒变性过程、轴突再生过程、施万细胞(Schwann cells, SCs)转化和分化过程以及细胞外基质(extracellular matrix, ECM)重塑过程。已知NRG-1能通过复杂的蛋白酪氨酸激酶受体(receptor protein tyrosine kinase, RPTKs)、酪氨酸激酶受体2(receptor protein tyrosine kinase 2, ErbB2)、酪氨酸激酶受体3(receptor protein tyrosine kinase 3, ErbB3)、酪氨酸激酶受体4(receptor protein tyrosine kinase 4, ErbB4)和多种细胞内途径传递信号，并在神经发育中起重要作用，包括神经迁移、神经分化、髓鞘的形成以及突触和神经肌肉连接的形成[4]。

2.1 NRG-1在PNS中的促进作用

PNI的修复是一个高度异质性的过程，涉及SCs表型的改变、巨噬细胞的激活和血管网络的重建[5]。NRG-1作为PNS发育所必需的神经胶质信号，越来越多的证据表明其也是有效修复神经损伤所必需的。神经损伤后，PNS的轴突在沃勒变性过程中发生再生，但再生过程是不完整的，系统通常不能完全恢复。而为轴突再生创造合适环境的关键步骤是SCs的转化、分化和ECM的重塑，在PNS中，NRG-1信号传导是SCs分化、髓鞘形成和神经肌肉连接的基础[4]。通过在翻译后水平上控制NRG-1活性，调节分泌酶之间的协同作用，最终能够平衡生理髓鞘化和再髓鞘化所必需的激活和抑制信号[6]。

组织层面，有研究表明，在面神经核行切除术后1d的反应性星形胶质细胞中观察到NRG-1 mRNA的上调，可能是NRG-1Ⅰ型α。而NRG-1 Ⅲ型和剪接变异体β1和β5则显著下调[4]。另有将面神经干全切除后，将断端进行端端吻合，并在受伤部位局部注入浸有NRG-1的水凝胶，通过检测发现模拟肌功能恢复明显加快，面神经直径增大、轴突密度增高，同侧面神经核中逆行标记的神经元数量增多，这是因为通过将浸有NRG-1的水凝胶局部注入小鼠体内，使NRG-1在体内持续释放，从而促进面神经的再生[7]，因此可以得出结论，NRG-1与PNI修复密切相关，它可以促进PNI的恢复。

细胞层面，NRG-1是坐骨神经条件介质中的活性成分。它是一种生长和分化因子，已被证明对神经细胞的形成和存活有影响。有研究表明，NRG-1(β1亚型)长期处理的PC12细胞在低血清(2.5%胎牛血清和1.25%马血清)和血清剥夺条件下增殖增加，但没有可见的形态变化[8]。同时体外培养骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells, BMSC)，通过向培养基中添加NRG-1及2-巯基乙醇 (2-mercaptoethanol, 2-ME)、全反式维甲酸(retinonic acid, RA)、毛喉素(frskolin, FSK)、重组小鼠碱性成纤维生长因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)和血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor, PDGF)进行诱导后发现NRG-1能够促进骨髓间充质干细胞向神经样细胞分化[9]，这些结果表明NRG-1能够诱导细胞功能发生改变，但其本身不足以对细胞形态产生影响[8]。

一些人周围神经鞘肿瘤(malignant peripheral nerve sheath tumor, MPNST)中也存在高水平的NRG样活性表达，这表明NRG-1亚型可能参与了这些肿瘤的发展。通过检测NRG-1及其受体ErbB在JS1细胞系中的表达，JS1细胞是化学诱导的大鼠恶性MPNST中快速增殖的细胞系，结果支持了NRG-1亚型和ErbB激酶在JS1细胞中促进有丝分裂的假设。然而在JS1细胞中没有表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)的表达，这表明NRG-1/ErbB信号通路是导致MPNST的另一种途径[10]。

2.2 NRG-1在CNS中的促进作用

在CNS中，NRG-1在神经元迁移、分化和少突胶质细胞存活中发挥重要作用。NRG-1基因编码至少15种不同的亚型，可根据其分子结构进行分类[11]。NRG-1在脊髓损伤和局性脱髓鞘病变调节免疫反应中发挥积极作用[12-13]，脊髓损伤导致脊髓中神经源性NRG-1的急性和永久性损耗，通过急性鞘内NRG-1增加来调节NRG-1失调水平，可促进脊髓损伤大鼠内源性细胞替代、促进蛋白质保存和功能恢复[14]。

组织层面，成人脊髓运动和背根神经节(dorsal root ganglia, DRG)感觉神经元表达多种NRG-1亚型，作为轴突相关因子促进神经肌肉连接的形成和SCs的增殖和分化。NRG-1异构体也在肌肉细胞和SCs中表达，这表明运动神经元和感觉神经元本身受其周围目标产生的NRG-1异构体的作用，投射到坐骨神经的感觉和运动神经元表达多个ErbB受体，并可能对NRG-1有反应[15]。

细胞层面，有研究表明NRG-1在保护正常视神经功能方面是非常有效的，并且对于视神经损伤后的组织修复也是必不可少的。因此，NRG-1的表达对急性视神经损伤的修复具有剂量依赖性的保护作用[16]。NRG-1在调节神经损伤后常驻星形胶质细胞和小胶质细胞的活性中具有神经保护作用[17]。新的证据表明NRG-1促进了脊髓损伤后的免疫再生反应，在脊髓损伤急性和慢性阶段，NRG-1刺激T细胞和B细胞的调节表型，并增加脊髓和血液中的M2型巨噬细胞的数量。重要的是，NRG-1通过降低抗体沉积和促炎细胞因子和趋化因子的表达，同时上调促再生介质，在损伤脊髓中促进了一个更加平衡的微环境，确立了全身NRG-1治疗作为创伤性脊髓损伤和其他中枢神经系统炎症的候选免疫疗法的前景[14]。

3 NRG-1修复神经损伤的机制

关于NRG-1/ErbB2对PNS影响的研究是近年来才出现的[18]。先前有研究表明NRG-1的生长和分化及其ErbB受体通过尚不清楚的机制促进胚胎海马神经元分化，它能增加E18海马神经元的初级神经突生长、神经突面积、总神经突长度和神经分支，且与ErbB2结合后，激动下游的Ras蛋白/丝裂原活化蛋白激酶(ras protein-mitogen-activated protein kinase, Ras-MAPK)和磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-phosphate kinase-protein kinase B, PI3K-AKT)信号通路，从而促进SCs分化、增殖和迁移、髓鞘形成及神经修复。另有研究表明，NRG-1在视神经损伤大鼠视网膜组织中明显高表达。NRG-1过表达能成功抑制RhoA(ras homolog family member A, RhoA)活性和肌动蛋白素(cofilin)的磷酸化，并促进了肌动蛋白(F-actin)的表达，通过NRG-1/RhoA/Cofilin/F-actin通路起到促进视神经损伤修复的功能[19]。除此之外，我们还发现NRG-1通过降低小胶质细胞中肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α, TNF-α)的表达，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)或干扰素γ(interferon-γ, IFNγ)+TNF-α同时处理导致NRG-1的下调，而LPS处理轻微增加星形胶质细胞中NRG-1的表达，至少部分增强了促炎小胶质细胞和神经干细胞/祖细胞(neural progenitor cells, NPCs)的相互作用。miR-223-5p抑制剂抑制炎症反应，增强NRG-1水平，减少胶质细胞反应和神经元凋亡[12,20-21]。从机制上讲，NRG-1对活化胶质细胞的作用是通过ErbB2/3异源二聚体复合物中的ErbB2酪氨酸磷酸化介导的。此外，NRG-1通过下调Toll样受体(toll-like receptors, TLP)下游髓样分化因子(myeloid differentiation factor 88, MyD88)，以及增加Erk1/2和信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)的磷酸化来发挥其作用[13]。这些发现确定了在CNS损伤和神经炎症条件下再生过程中优化这一重要的交叉干扰的新的潜在靶点。

NRG-1是参与能量稳态和中枢神经系统发育的关键神经营养因子，NRG-1信号受损与神经功能障碍有关。神经功能障碍是非活性钴胺素(cobalamin, Cbl)缺乏的主要临床表现。有研究表明，NRG-1通过促进Cbl物种向活性Cbl物种的转化和增加神经元对Cbl的摄取来刺激两种生物活性Cbl物种腺苷钴胺素(adenosine cobalamin, Ado-Cbl)和甲基钴胺素(methylcobalamin, Me-Cbl)的合成。活性Cbls的形成依赖于谷胱甘肽(glutathione, GSH)，而NRG-1启动的增加依赖于兴奋性谷氨酸转运蛋白3 (excitatory amino acid transporters 3, EAAT3)刺激半胱氨酸摄取，导致GSH增加。NRG-1对细胞Cbl摄取的促进作用与巨蛋白(megalin)表达的增加有关，众所周知megalin促进了Cbl在回肠和肾脏中的运输，Me-Cbl是蛋氨酸合成酶(MS)必需的辅助因子[22]，这说明NRG-1的神经保护作用，包括刺激抗氧化合成和促进活性Cbl的形成。

4 总结与展望

NRG-1不仅能够促进横断伤的面神经、坐骨神经、脊髓神经和视神经的损伤修复，诱导细胞功能发生改变，并且通过复杂的PTK、ErbB2、ErbB3、ErbB4和多种细胞内途径传递信号，对神经迁移、神经分化、髓鞘形成以及突触和神经肌肉连接的形成、神经细胞的形成和存活产生影响，还能作为一种旁分泌系统，调节成纤维细胞以及巨噬细胞的功能，抑制血管平滑肌细胞扩散，在乳腺癌的治疗上也有很大帮助。

NRG-1作为神经调节素家族中的一员，不仅在CNI修复中发挥作用，同时在PNI的修复过程中也起到至关重要的作用。它是促进神经损伤修复的较好选择，但其结构复杂，分型较多，具体亚型对神经损伤修复的作用及影响尚不明确，仍需要更多的体内、体外实验进一步验证，同时有实验证明NRG-1可能与MPNST的发生相关，这有望成为未来治疗神经性疾病及损伤的新靶点，为神经损伤修复的治疗提供参考意义，为推动神经学科的发展奠定坚实的基础。