嘌呤能信号在少突胶质细胞发育和髓鞘修复中的作用及机制研究进展

何月华 谢华 肖林

脑认知与教育科学教育部重点实验室，华南师范大学脑科学与康复医学研究院，广东省心理健康与认知科学重点实验室、心理应用研究中心（广州 510631）

少突胶质细胞（oligodendrocyte，OL）是CNS中负责成髓鞘的细胞，少突胶质祖细胞（oligodendrocyte progenitor cell，OPC）只有经历复杂而且精确定时的增殖、迁移、分化和髓鞘形成，才能最终产生包裹轴突的绝缘鞘［1-2］。但少突胶质细胞和髓鞘对包括缺血缺氧在内的多种损伤因素高度易感，当发生脱髓鞘改变时，少突胶质祖细胞会被招募到病变部位进行增殖和分化［3］，这个过程需要多种细胞信号和分子的参与。由于少突胶质细胞形成的复杂性和脆弱性，极易导致发育中髓鞘形成不良或成体脱髓鞘改变，如常见的多发性硬化症（multiple sclerosis，MS），脑白质发育不良等髓鞘损伤性疾病［4］，从而出现系列神经或精神功能障碍。因此，揭示OPC迁移、增殖和分化的调控机制对于促进少突胶质细胞成熟和髓鞘损伤修复具有重要的意义。ATP不仅是细胞内的能量来源，还是细胞外通信的一种重要的神经共递质，在细胞增殖、分化、发育和再生及多种疾病中具有重要的作用。随着人们对嘌呤能病理生理学研究的深入，发现发育和再生过程中细胞增殖、分化和死亡的长期（营养性）的嘌呤能信号可能在介导神经胶质病理学如缺血、神经炎症、多发性硬化症、神经病理性疼痛及创伤中发挥重要作用［5-6］。已有的研究发现，ATP可以来源于多种不同类型的细胞，特别在炎症条件下和细胞死亡后，可能伴随着细胞外ATP的升高，而ATP的释放和水解似乎是一种与特定细胞功能活动密切相关的高度调控现象，如生理条件下与突触和神经元回路的微调有关，或在脑功能障碍和损伤情况下作为危险或代谢失衡信号。近年来对于ATP和腺苷所激活的嘌呤能信号在控制大脑功能中的作用也得到了一定程度的认识［7-8］。然而总体上嘌呤能信号在神经元、神经胶质细胞之间通信的作用仍需要不断探索。本文旨在综述近年来嘌呤能受体在OL发育及髓鞘形成与修复中作用和机制研究的新进展，主要通过以下几个方面进行阐述：（1）少突胶质细胞的概述；（2）嘌呤能受体的概述；（3）嘌呤能受体对少突胶质细胞发育髓鞘形成的作用；（4）嘌呤能受体在髓鞘修复中的作用。

1 少突胶质细胞概述

1.1 定义及功能少突胶质细胞广泛分布于整个成人CNS，包括白质和灰质［9］，是主要的神经胶质细胞类型之一，占胶质细胞总数的45% ～75%［10］。在胶质细胞群中存在一种独特的分化细胞，是具有高度的增殖和迁移能力的双极细胞，被称为少突胶质细胞祖细胞（OPC），占总胶质细胞的5% ～ 8%［2］。一般认为OPCs经过一系列复杂的中间分化发育阶段最终形成成熟的少突胶质细胞，随后包绕轴突并压实形成髓鞘结构，髓鞘将动作电位限制在短的无髓鞘轴突段（Ranvier节），为跳跃动作电位的传播提供了结构基础；除了电绝缘轴突，少突胶质细胞还提供了营养轴突支持的作用［11］。但病理状态下则可能会造成髓鞘的丢失，主要包括原发性的脱髓鞘（即少突胶质细胞受到攻击造成脱髓鞘）以及继发性脱髓鞘（沃勒氏变性，即原发性轴突丢失导致髓鞘退化），这种急性的髓鞘节间的丧失与传导阻滞通常伴随自身OPC的动员激活，向损伤处迁移募集，分化为成熟OL并包绕轴突，最终实现髓鞘再生［12］，其中涉及了复杂的细胞和分子信号。而OPC增殖迁移的路径以及介导这种迁移的分子机制将决定发育中和脱髓鞘病变后髓鞘形成的程度，在此过程中少突胶质细胞前体细胞增殖和分化的调控将由局部环境信号主导［7］。

虽然我们对少突胶质细胞功能及损伤修复的过程已有一定的了解，但发育及髓鞘再生过程中相关信号分子所发生的反应仍在很大程度上是未知的，特别是近年来嘌呤能受体参与CNS的调控对于疾病的治疗具有巨大的潜能，因此系统认识并利用不同信号分子通路促使发挥积极有效作用并抑制损害作用有利于发掘更多潜在治疗靶点。

1.2 目前研究的相关标记物少突胶质细胞是由OPC经过一系列中间分化发育阶段而最终生成。这一分化过程中的所有阶段细胞统称为少突胶质谱系细胞，过去的研究确定了一系列特定阶段的少突胶质细胞标记物，为研究健康和疾病中少突胶质细胞发育和轴突髓鞘形成的分子和遗传控制提供了重要支持。SOX10［13］和OLIG2［14］是重要的少突胶质谱系细胞标志物，按照少突胶质谱系细胞的分化依次表达NG2［15］（在血管周细胞中也表达）和PDGFRα［16］，失去NG2和PDGFRα的表达后，开始表达未成熟的少突胶质细胞抗原O4［17］和同源域转录因子NKX2.2［18］，Enpp6［19］和Bmp4［20］等选择性地标记新形成的少突胶质细胞并在更成熟的髓鞘化少突胶质细胞中表达下调，在此过程中CNP/MBP、PLP/MAG、MOG/CC1依次被激活可用于表征成熟的少突胶质细胞［21］，而TMEM10［22］和ASPA［23］则能标记更成熟的少突胶质细胞。当然，除了上述标记物外，还有其他标记物也经常用于以特定阶段的方式识别少突胶质谱系细胞。靶向少突胶质谱系细胞标志物是揭示少突胶质细胞动态变化的重要物质，但其仍有待进一步的研究和探索，未来才能更好地深入探讨对少突胶质细胞发育髓鞘形成和髓鞘损伤的具体细胞机制。

2 嘌呤能受体的概述

2.1 ATP的产生及作用三磷酸腺苷（Adenosine 5′-triphosphate，ATP），是单细胞和多细胞物种代谢和信号传递的普遍中介［24］，存在于所有动物器官系统中。1972年BURNSTOCK［25］最初提出ATP可以作为一种细胞外信号分子，ATP可以通过轻微的机械刺激从大多数细胞类型中释放出来，同时也可以在死亡或垂死的细胞中释放［26］。

关于核苷酸外排的途径：（1）一方面，在兴奋性/分泌性组织，如神经末梢，ATP和ADP与其他神经递质和细胞外介质等储存在突触泡中，通过调节胞吐作用以Ca2+依赖的方式调节含核苷酸泡的释放；（2）另一方面，在各种非兴奋性组织中，如星形胶质细胞和其他胶质细胞，成纤维细胞等在各种机械和其他刺激下会短暂释放ATP，如剪应力、低张肿胀、缺氧、拉伸、静水压力及对缓激肽、血清素和其他Ca2+动员药物激动剂的反应等［27］，核苷酸释放的其他机制可包括ATP结合盒转运蛋白、连接蛋白、新型缝隙连接蛋白（pannexin）半通道和质膜电压依赖性阴离子通道等［28］；（3）此外，细胞还会以一定的基础速率释放低纳摩尔浓度的ATP［27］。

在功能方面，ATP通过细胞内和细胞外机制产生影响：（1）细胞内ATP主要用于驱动需要能量的过程，例如主动运输、细胞运动及生物合成等；（2）细胞外ATP作为一种强大的信号分子［29］，能够被外核苷酸酶降解为AMP、UTP、UDP、ADP、腺苷等各种嘌呤能受体的生理配体。有关嘌呤能信号转导的作用逐渐被人们认知，BURNSTOCK等人已经研究报道在神经传递、神经调节和分泌中存在短期的嘌呤能信号［30］；在细胞增殖、分化、发育和再生中存在长期的（营养性）嘌呤能信号。ATP释放的多种机制和嘌呤能受体在整个神经系统中的广泛分布也表明ATP可能更普遍地介导神经元-胶质信号，并与多种功能有关［31-33］。

2.2 嘌呤能受体的定义及分类嘌呤能神经传递提示连接后嘌呤能受体的存在，嘌呤能受体在1976年首次被定义［34］，其包括腺苷受体P1受体和ATP与ADP的受体P2 受体两大类［35］。腺苷P1受体家族包含四种G蛋白偶联受体亚型，分别为A1，A2A、A2B和A3［36］，腺苷是ATP的分解产物，由外切核苷酸酶降解后产生。ATP与ADP的受体P2受体包括两大家族：配体门控离子通道受体P2X家族（包含7种P2X受体亚型，分别为P2X1-7）和G蛋白偶联受体P2Y家族（包含8种P2Y受体亚型，分别为P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6、P2Y11、P2Y12、P2Y13和P2Y14）［37］。

2.3 嘌呤能受体在神经胶质细胞中的表达嘌呤能受体在整个神经系统中广泛分布，存在于神经元和胶质细胞，包括周围神经系统（peripheral nervous system，PNS）中的施旺细胞、CNS中的少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞等，受体亚型的表达因大脑区域和发育而异，具体分布可见图1［38-46］，但嘌呤能受体的表达存在一些差异，体内和体外表达数据也具有一些矛盾的结果，这种广泛存在的嘌呤能受体为细胞间信号系统提供了可能性，根据胶质细胞的功能状态、选择性受体亚型的表达以及同一细胞上存在多个受体，可能会诱导明显不同的作用，例如小脑病变导致小脑前核中P2X1和P2X2受体的上调［47］。

图1 嘌呤能受体在神经胶质细胞中的表达Fig.1 Expression of purinergic receptors in glial cells

3 嘌呤能受体对少突胶质细胞发育的作用

少突胶质祖细胞需要经过一系列复杂的中间分化发育阶段才能最终形成成熟的少突胶质细胞，从而发挥其成髓鞘及营养神经的功能。那么，嘌呤能受体的激活在少突胶质细胞发育中扮演何种角色？是如何激活和调控细胞的信号和分子机制的，值得深入探索。

3.1 嘌呤能受体对OPC存活的作用当前，关于嘌呤能受体对OPC存活的作用研究较少，且以体外实验研究较多。已知纯化新生大鼠脑内可见OPC培养物表达多种P2X（P2X1，2，3，4，7）和P2Y（P2Y1，2，4）等受体，AGRESTI等［40，48］对细胞进行钙记录发现P2激动剂的等级效价顺序：ADPbetaS =ADP = Benzoyl ATP ＞ ATP ＞ ATPgammaS ＞ UTP，a，b-meATP无效，表明细胞中存在功能性的嘌呤能受体，不同激动剂的激活效果不一可能提示内部复杂的信号转导；同时，AGRESTI及BUTT等［40，49］研究发现核苷酸诱导的强大的Ca2+瞬放主要是由于P2X7离子性和ADP敏感的P2Y1代谢受体的激活，通过培养大鼠OPC进行细胞内Ca2+测量和全细胞记录发现，给予高剂量的Benzoyl ATP刺激P2X7受体开放会产生毒性作用，但生理性P2X受体激活在OPC死亡中不起主要作用。这在一定程度上为嘌呤能受体过度激活影响OPC存活提供了证据。

3.2 嘌呤能受体对OPC迁移的作用在OPC迁移过程中，研究发现ATP以剂量依赖的方式促进培养的OPC迁移。在代谢P2激动剂中，ADP对OPC迁移有显著影响，但离子型激动剂Benzoyl ATP对OPC迁移没有效果；也有研究［50］发现P2Y1受体在大脑中广泛表达，ADP和P2Y1特异性激动剂ADPbetaS能诱导OPC迁移；另外，由于ATP会被水解为腺苷，选择性激动剂激活A1腺苷受体也可诱导OPC迁移［41，51］。这表明OPC在迁移过程中除了接受趋化刺激如PDGF和bFGF等生长因子分泌和相关趋化因子作用以外，ATP诱导的OPC迁移也具有重要意义。

3.3 嘌呤能受体对OPC增殖及分化的作用关于嘌呤能受体影响细胞增殖及分化，已有的研究发现，嘌呤能受体激活能在不同类型的细胞中提供有丝分裂信号，如ATP信号可以刺激星形胶质细胞增殖和分化并有助于反应性星形胶质细胞增生［52］；在纯化的OPC培养物中，通过给予ATP和腺苷及P2Y1受体拮抗剂观察Brdu+和O1+细胞，发现ATP及腺苷都会抑制OPC的有丝分裂反应并促进其分化［53］；同样的，通过小脑组织切片的培养，发现使用P2Y1受体激动剂ADPbetaS与纯化OPC培养物中得到的结果一致［41］；STEVENS等［53］通过神经元钙成像对小鼠背根神经节（DRG）研究发现OPC的嘌呤受体在动作电位激发时被激活，腺苷能刺激OPC的分化和髓鞘形成，然而ATP则会抑制施旺细胞（Schwann cell，SCs）的分化和髓鞘形成［54］；另外，ISHIBASHI等［55］将DRG与免疫纯化的O1+期少突胶质细胞共培养时发现ATP以旁分泌方式作用于星形胶质细胞以释放白血病抑制因子（LIF）并在发育的后期刺激髓鞘形成；SHEN等［56］发现可以通过A1激活来抑制OPC的增殖，但却会促进OPC向有髓鞘OL分化，同时A2A也可促进分化但抑制髓鞘形成，A2B和A3都可以促进少突胶质细胞生命周期中的髓鞘形成。这些数据都表明了不同嘌呤能受体在细胞发育和髓鞘形成中发挥着独特的作用，需要进一步研究阐明。

总之，目前核苷酸和核苷对少突胶质细胞影响的研究较少，但从已有的研究结果来看，细胞外ATP和ADP激活不同亚型的受体对OPC存活、迁移和发育都会产生影响，嘌呤能信号在调节CNS中的OLs发挥重要的作用。

4 嘌呤能受体在髓鞘损伤中的作用

少突胶质细胞死亡和脱髓鞘是神经退行性疾病等疾病的重要标志，随着对嘌呤能信号的深入研究，如介导神经胶质病理，缺血、神经炎症、多发性硬化等作用逐渐被揭晓［6］，但嘌呤能信号在多大程度上直接影响OLs及其作用原理仍不清楚。

4.1 P1受体在髓鞘损伤中的作用有研究［57］发现，出生后早期大脑中A1受体的持续激活会减少髓鞘碱性蛋白的表达，从而引发白质损伤和脑室扩大；同时，TSUTSUI等［58］发现A1腺苷受体的基因缺失也会导致严重的脱髓鞘，并可引发实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）的进行性复发形式；已有研究发现，腺苷A2A在EAE病变的Iba1阳性细胞上表达上调，A2A缺陷小鼠会出现加速和恶化的疾病表现，并伴随着IFN-γ、IL-17和GM-CSF的CD4+T辅助细胞的频率增加以及早期炎症病变的数量增加，使用A2A特异性激动剂进行预防性EAE治疗可抑制髓鞘特异性T细胞体外增殖并改善疾病，但在疾病后期则会加剧EAE不可缓解的进展并导致更严重的组织破坏［59］；在体外，A2A的激活抑制巨噬细胞和原代小胶质细胞对髓磷脂的吞噬作用以及CD4+T细胞、巨噬细胞和原代小胶质细胞的迁移，因此A2A激活在慢性自身免疫性神经变性中可能发挥着复杂的作用［60］；GONZÁLEZ等［61］在纯少突细胞培养物中选择性激活A3受体导致浓度依赖性凋亡和坏死死亡，表明腺苷可能通过激活A3受体引发少突胶质细胞死亡。

4.2 P2受体在髓鞘损伤中的作用VÁZQUEZVILLOLDO等［62-63］发现在EAE模型或MS中，P2X4受体在小胶质细胞中上调，阻断小胶质细胞中的P2X4受体会阻止体外少突胶质细胞分化和溶血磷脂诱导的脱髓鞘后的髓鞘再形成；当前，P2X7受体的功能性研究相对较多，P2X7受体与其他P2X受体相比，它会伴随着兴奋性毒性、缺血、外伤和变性而发生的持续和高水平的细胞外ATP而导致P2X7受体的长期激活，但P2X7受体不会因长时间激活而脱敏。JAMES等［65］研究发现特定的P2X7受体激动剂可以触发Ca2+瞬变［64］以及促炎细胞因子的释放，如可能调节白细胞介素-1β（神经退行性变、慢性炎症和慢性疼痛的关键中介）的加工和释放来影响神经元细胞死亡，同时P2X7受体的激活上调会触发少突胶质细胞的兴奋性毒性，持续激活则会引起脱髓鞘、少突胶质细胞死亡和轴突损伤，P2X7拮抗剂的应用可减少脱髓鞘和改善多发性硬化症［44，66-67］；但FENG等［68］体外研究则发现P2X7受体可能介导病理条件下ATP诱导的OPC迁移。

AMADIO等［69］对MS患者的大脑皮层尸检样本分析确定了几种嘌呤能P2X和P2Y受体的同时存在，包括P2X1，2，3，4，7和P2Y1，2，6，11，14亚型，并且深入研究发现继发进展型多发性硬化症（SPMS）患者白质和灰质中轴突-髓鞘界面处P2Y12蛋白的范围与脱髓鞘和损伤形成反比，表明嘌呤能P2Y12受体的缺失可能损害组织的完整性；在脱髓鞘模型中，MOYON等［70］发现激活的OPC中P2Y2受体表达增加，并可能导致功能变化；P2Y样受体GPR17被新鉴定出来，表达于NG2+的OPCs亚群表达而不表达于成熟的少突胶质细胞中，是OL成熟的重要调节因子；CHEN等［71-72］发现GPR17通过ID蛋白介导的负调控实现未成熟少突胶质细胞和成髓鞘少突胶质细胞之间的转变，而GPR17的强制过表达则会抑制细胞的最终成熟；BODA等［73］在体内研究发现GPR17受体修饰NG2表达细胞，在损伤的早期不参与反应，但在损伤后急性期被诱导上调，参与急性创伤和慢性损伤；BONFANTI等［74］发现使用GPR17拮抗剂可以挽救OPCs的分化缺陷；CERUTI等［75］在体外的研究同样发现，GPR17仅在特定的分化（如O4+期）由少突胶质细胞前体表达，并有助于OPCs的分化，在高细胞外ATP浓度时作为危险信号，GPR17的过度、慢性或非生理性激活都可能会阻止OPCs修复病变，因此，GPR17可能成为脱髓鞘疾病（如MS）新治疗方法的潜在靶点。

以上可见，嘌呤能受体在髓鞘损伤修复中具有提示病理性改变，并起着调节CNS中的细胞信号传导及细胞通讯的关键作用。

5 总结

近年来嘌呤能信号在诸多脱髓鞘性疾病以及髓鞘发育障碍性疾病中的作用逐渐成为研究的热点，随着对嘌呤能信号关注度的提升，不同亚型的嘌呤能受体在CNS中不同部位的表达及其在生理病理状态下发挥的具体作用和机制也逐渐被揭示，但可能由于检测手段或受体特异性的限制，嘌呤能信号在CNS中的具体分布及表达仍需不断探索；从已有的研究来看，嘌呤能信号在OPC增殖、迁移和分化为成熟少突胶质细胞并形成髓鞘中发挥作用，还可能通过协调神经元或者借助星形胶质细胞、小胶质细胞等发挥特异性功能间接影响髓鞘形成和修复，因此，深入探索嘌呤能信号在少突胶质细胞发育和髓鞘损伤修复中所扮演的角色，发现更多关于嘌呤能信号受体的调控靶点和具体的信号通路可能会为神经退行性病，如多发性硬化症等疾病的诊断和治疗提供新的思路。