轴突生长的分子机制

轴突生长的分子机制

神经连接是神经系统发育的基础。在神经系统的发育过程中,轴突的生长受影响生长锥生长方向的分子调节和控制。生长导向分子与生长抑制分子都由轴突延伸四周和靶组织的细胞产生,释放到细胞外或附着于细胞膜,与相应的特定受体分子作用,引导轴突靶向延伸。这些因子主要包括:导素(Netrins)、信号素(Semaphorins)、Eph相关受体酪胺酸激酶配体(LigandsofEph-relatedreceptortyrosinekinases)和Slit等。1网络家族1.1工物界对促进轴突生长的作用Netrins家族是一组由在发育期脊髓中线胶质细胞分泌的轴突导向分子。在1988年,Tessier-Lavigne等首次发现,鼠胚脊髓低板细胞能诱导脊髓联合神经元(感觉中间神经元)轴突出芽并向腹侧延伸。Netrin-1最初由Serafini在1994年发现。已发现的Netrins家族包括线虫的UNC-6,果蝇的Netrin-A,Netrin-B,Netrin-1被证明广泛的存在于鸡、小鼠、爪蟾、斑马鱼和人类,Netrin-2主要存在于鸡,Netrin-3存在于小鼠和人体内。Netrins分子既可以是与细胞膜相连的非扩散分子,也可以是可扩散的分泌蛋白。Netrins最先被发现时被认为是长距离作用的分子,也有证据表明Netrins可以是短距离作用物质,通过细胞间的相互作用,诱导轴突生长。关于进一步的实验确认,存在争议:有实验认为Netrins只能在短距离内发挥作用,也有实验表明Netrins可以在几个毫米的距离上依然发挥其诱导作用。Kennedy认为,Netrins对神经轴突的作用可分为促进生长锥生长与诱导生长锥迁移。在神经系统的发育中Netrins可以起到不同作用:吸引与排斥,取决于生长锥上表达的受体种类与信号转导机制的不同。1.2神经轴突受诱导物质刺激的机制不同轴突的生长锥由于遵循不同路线对相同诱导物质的反应不同,但同一轴突的生长锥在不同位点上对同一诱导物质的反应也可存在差异。在研究爪蟾胚胎视路上Netrin-1的表达时,Shewan等发现随着胚胎成熟,视神经的通路与Netrin-1的表达逐渐分离,这指出生长锥对Netrins的反应性可以变化,因此轴突从富含Netrins的区域逃离到达缺乏Netrin-1表达的区域。神经轴突受诱导物质刺激的经历可以改变其对特定分子的反映,Shewan等发现给以高浓度Netrin-1可使年轻的生长锥老化。关于轴突的自身调节机制,目前已有部分被阐明,主要是环核苷酸的调节,蛋白质的合成以及钙离子的信号转导。1.2.1对生长锥的影响降低cAMP的水平或抑制蛋白激酶A(PKA)的活性可以使生长锥对Netrins的反应从被吸引到被排斥;增加cAMP的水平或提高PKA的活性又可以使被排斥变为被吸引。对不同年龄阶段胚胎的生长锥内cAMP水平分析,Shewan等发现其水平随年龄上升而明显的下降。也有证据表明生长锥上受体DCC(deletedincolorectalcarcinoma)和膜相关腺苷酸2b受体(A2bR)的表达都随时间而下降,且后者下降程度与cAMP的下降更为匹配,因此DCC和A2bR可能都参与介导了对Netrin-1反应性的转变,或是单独或是协助。关于单独或协助的说法仍存在争议。1.2.2轴突分子的诱导神经导向因子通过促进生长锥局部的蛋白质合成,影响细胞内蛋白质水平,从而控制生长锥的方向。Campbell等对体外分离培养的爪蟾视网膜轴突给予Netrin-1,诱导了生长锥局部的蛋白质合成,如果阻断翻译则轴突转向消失但生长则未受影响。Ming等认为蛋白质的合成对于向着Netrin-1移动生长的生长锥是复敏性过程是必要的,认为轴突的排斥Netrin-1生长现象是因为复敏过程的缺少,此时轴突延第一个脱敏循环后表现出的方向延伸生长,也就表现为排斥。1.2.3生长锥对常用生长锥的敏感人为的Ca离子浓度在缺乏Netrin-1下也可以诱导轴突转向。Ming等观察到生长锥对Netrin-1敏感时,细胞内钙离子浓度可因Netrin-1的存在而升高。但有人认为钙离子浓度持续升高不是导致生长锥脱敏的直接原因。2semaiii基因导向蛋白家族是一大类分泌型或跨膜型糖蛋白,其N端都含有532个氨基酸残基组成的保守序列-sema区。根据所含的结构域不同,semaphorin命名委员会将之分为8类。到目前为止,Semaphorin家族在脊椎动物中至少有19个成员,在无脊椎动物中至少有3个成员,在病毒中至少有2个成员。最先发现的该家族成员是Semaphorin-1和collapsin-1。SemaI是跨膜分子,在蚱蜢胚胎发育中引导周边神经轴突生长。鼠和人SemaIII是研究较多的分泌型信号素,在脊髓腹侧除底伴外的细胞和大脑中均有高水平表达。目前已知其家族成员有6个,分别为Sema3A~3F。体外培养实验中,Sema3能排斥对NGF敏感的小感觉神经元的轴突,使它不能向腹侧投射,而终止于背角的I层和II层,但Sema3对NT-3敏感的大感觉神经元的轴突无排斥作用,它的轴突投射到脊髓腹侧与运动神经元形成突触。1999年Neuropilin-1(NP-1)、Neuropilin-2(NP-2)被鉴定为semaphorin的受体。最初发现Semaphorins的功能与轴突相关,它们可以影响轴突的收缩、分枝、突触形成、导向。不同的Semaphorin在轴突发育的不同层次上发挥作用,常常为负调节作用,而且高度特异。但该家族分子并非仅在神经系统发育方面起作用,SemaIII就可以在几种组织的发育中起重要作用,同时还可作为心脏的生长调节因子。3eph受体分子受体酪氨酸激酶(RTKs)在细胞分化、增殖、迁徙与存活的信号转导过程中起重要作用。最大的RTKs超家族分支为Eph受体家族,在脊椎动物中起码有13个成员。1994年Bartly等曾以Eph受体的Eck胞外序列为探针,分离纯化出第一个Eph配体B61。重组B61蛋白和受体Eck有高度亲和力,两者结合后诱导该受体磷酸化。随后发现的多种Eph配体,按结构分为锚定型和跨膜型,目前已知惟有Sek-1受体可以与上述两类配体作用。从视网膜到中脑顶盖之间神经纤维的排列方式是Eph受体调节轴突生长的例子之一。颞侧视网膜轴突纤维有较高的EphA3表达,投射到其配体Ephrin-A2和Ephrin-A5较低水平的顶盖前部,离体实验中证实这两中配体与其受体互为排斥分子。当改变鸡视区顶盖Ephrin-A2的分布时,将会诱发颞侧神经轴突产生异常投射轨迹,并能避开配体高表达的异位区域。4slit蛋白4.1slit基因的同源性Slit分子是发现的第一种对神经生长和神经元迁移都有导向作用的因子。Slits是发育期脊髓中线胶质细胞和中隔组织分泌的一组相对分子量为170-190KD的分泌型蛋白质,包括N端短的信号肽、富含亮氨酸的重复序列、6~9个EGF样序列、一个ALPS区域和一个C端富含半胱氨酸的区域。哺乳动物的slit基因包括人类的hslits和大鼠的rslit,它们有60%以上的同源性。果蝇和线虫中各有一种Slit基因,而人和鼠中各有3种Slit同源基因。4.2slit理论对背根神经节细胞增长的作用Slit分子对轴突生长有着排斥性导向作用。中线细胞分泌的起排斥作用的导向因子Slits和表达在这些寻路轴突表面的受体相互作用,决定这些轴突是否穿过中线,阻止已经穿过中线的轴突回穿,并决定这些轴突的纵向投射模型。Slit分子也可促进背根神经节轴突的延伸和分枝。还可以抑制化学趋向因子诱导的白细胞运动。比如Slit可促使DRG的轴突分枝,也可推斥来自脊髓的运动神经元,在其他环境总还能使嗅球投射的轴突方向改变。5神经纤维生长指令神经纤维最前端生长锥的细胞膜上有一类称为“瞬间受体电位通道”(TRPC)的阳离子通道起着传递神经纤维生长指令的作用。神经纤维外的导向因子“脑原性神经营养因子”(BDNF)通过打开“瞬间受体电位通道”(TRPC),导致生长锥内的钙离子浓度增加。这样一个过程引导了神经纤维朝“脑原性神经营养因子”(BDNF)浓度高的一侧生长,从而影响到神经纤维的生长方向。6神经引导分子轴突生长方向受多种分子的调控,这些分子在神经发育中特定时间和特定地点的表达,通过信号转导系统的信息传递,共同引导轴突选择正确的路径并成功建立连接。随着分子生物学的应用和分离技术的不断发展,可以展望:更多的神经轴突引导分子将被发现,不同引导分子的作用机理将被更清晰的阐明。从而我们对特异性投射和回路形成有着更多的了解,对于神经损伤与神经再生、神经系统疾病等问题将有较大的临床意义。目前存在的待解决问题是:①如何发现更多的神经引导分子,特别是特殊阶段的或者特定地点才表达