微重力環境下 Notch信號對神經干細胞分化的影響

王曉陽,安 宜

(北京理工大學 生命科學與技術學院,北京 100081)

微重力環境下 Notch信號對神經干細胞分化的影響

王曉陽,安 宜

(北京理工大學 生命科學與技術學院,北京 100081)

基于微重力條件下神經干細胞的分化情況,結合Notch信號通路對神經干細胞分化的影響,論述模擬微重力對神經干細胞分化產生影響的可能分子機制。

Notch信號通路;神經干細胞;模擬微重力;分化

Notch最先是在果蠅體內發現的一種基因,因其功能部分缺失可導致果蠅翅緣出現缺口而得名。研究發現,Notch不光存在于果蠅體內,從無脊椎動物到脊椎動物的多個物種中都有Notch的表達,其家族成員的結構具有高度保守性,在細胞分化、發育中起關鍵作用。當 Notch受體與其配體結合時,Notch信號被激活,促進干細胞增殖,當Notch信號被抑制時,干細胞進入分化程序,發育為功能細胞[1]。另一方面隨著空間技術的發展,太空微重力環境對哺乳動物細胞生物學等相關指標的影響逐漸成為人們研究的熱點。有文獻報道,模擬微重力可引起神經干細胞增殖、分化、周期等一系列生理生化指標發生改變,提示模擬微重力條件可對神經干細胞分化和發育產生較大影響。結合 Notch信號通路和模擬微重力對神經干細胞分化產生的影響,提示在模擬微重力下Notch信號通路的變化可能是引起神經干細胞分化發生改變的原因。

1 Notch信號傳導通路

Notch受體是相對分子量約為 300kD的 I型膜蛋白,由胞外亞基和跨膜亞基組成,兩亞基間通過 Ca2+依賴的非共價鍵結合形成異源二聚體。胞外亞基在Notch受體與其配體結合中起關鍵作用。跨膜亞基包括跨膜區、錨蛋白重復序列、RAM序列、核定位序列、多聚谷氨酰胺序列以及 PEST序列。RAM結構域是 Notch信號效應分子 CBF1/RBPJk的主要結合部位。ANK重復序列結構域是Deltex、Mastermind等的結合部位,這些蛋白對Notch信號通路具有修飾作用。

Notch配體也是 I型跨膜蛋白。在果蠅中Notch配體有兩個同源物Delta和 Serrate,線蟲的Notch配體為Lag2,因此又把Notch配體稱為DSL蛋白。在脊椎動物中也發現了多個 Notch配體,與 Delta同源性高的稱為Delta樣分子,與 Serate同源性高的稱為 Jagged。Notch配體由胞外段和胞內段兩部分組成。胞外 DSL結構域在進化中是高度保守的,是配體與受體結合從而激活 Notch信號所必需的。Notch配體的胞內域較短,僅有 70個左右氨基酸殘基,功能尚未明確。

研究發現Notch信號通路在多細胞生物的生長中發揮關鍵作用。1993年 Struhl和 Lieber等分別提出了Notch信號釋放的“三步蛋白水解模式學說”[2]。該模式認為Notch以單鏈前體模式在內質網中合成,經分泌運輸途徑轉運到高爾基體,在高爾基體中被 Furin樣轉化酶切割成相對分子質量約為 180kD的含胞外區的大片段和相對分子質量約為 120kD的含跨膜區和胞內區的小片段。兩者通過 Ca2+依賴的非共價鍵結合,成為異二聚體,然后被轉運到細胞膜。當Notch受體與配體結合后,Notch受體相繼發生兩次蛋白水解。第一次由ADAM金屬蛋白酶家族中的ADAM 10/Kuz或 ADAM 17/TACE切割為兩個片段。N端裂解產物(胞外區)被配體表達的細胞內吞,C端裂解產物隨后由早老素 1/2,Pen-2,Aph1和 Nicastrin組成的γ-促分泌酶復合體酶切釋放Notch受體的活化形式N I CD。經典的 Notch信號通路又被稱為 CBF-1/RBP-Jκ依賴途徑。CBF-1/RBP-Jκ是一個轉錄抑制因子,能特異性地與DNA序列“CGTGGG AA”相結合,并招募 S MRT,SKIP等蛋白形成共抑制復合物,抑制下游基因轉錄[3]。當 Notch信號激活后,N I CD通過上述酶切反應被釋放而進入細胞核,并通過 RAM結構域及ANK重復序列與CBF-1/RBP-Jκ結合使共抑制復合物解離,并募集 SKIP,MAML1組成共激活復合體,激活下游基因的轉錄[4]。張琪等對神經干細胞增殖分化過程中Notch通路信號分子的表達進行了研究,發現Notch信號途徑中節點分子 PS1和 RBP2Jk mRNA表達量在神經干細胞分化第 2天明顯降低,而在分化其它階段無顯著差異。Western blotting結果顯示,PS1蛋白表達量在神經干細胞分化第 2天降低,其它階段無明顯差異。提示Notch信號對維持體外培養的神經干細胞增殖和分化起重要作用[5]。

2 Notch信號通路對神經干細胞分化的影響

Notch信號通路是一種抑制性信號傳導通路,有研究表明它通過調控“旁側抑制機制”對神經干細胞分化進行調節。當Notch受體與配體結合時Notch信號被激活,可抑制神經干細胞分化,使其向增殖方向發展;當Notch信號活性被抑制時,則促進神經干細胞的分化。另有文獻報道,在神經母細胞的發育過程中,Notch信號在不同發育時間點上分別抑制神經元和少突膠質細胞的分化,同時促進放射狀膠質細胞和星形膠質細胞的分化。Ge等利用Notch配體Delta的 Fc段處理孕 13天的大鼠腦皮質細胞,發現 4天后處理組大鼠腦皮質星形膠質細胞為非處理組的 2倍。為了進一步驗證是否為Notch信號通路的作用,他們利用γ-促分泌酶抑制劑DAPT阻斷Notch受體的裂解及其相應的下游信號傳導,發現DAPT處理 4天后腦皮質星形膠質細胞較前明顯減少[6]。這些均說明Notch信號通路不僅具有抑制作用,也可以促進細胞生長分化,并且對于不同的神經細胞有不同的作用。

3 模擬微重力對神經干細胞分化產生影響的可能分子機制

結合Notch信號在神經干細胞分化過程中的作用和模擬微重力對神經干細胞分化產生的影響,提示在模擬微重力條件下Notch信號通路的變化可能是引起神經干細胞分化發生改變的原因。研究Notch信號通路相關分子和與分化相關的靶基因對應蛋白在模擬微重力條件下的變化,可能有助于我們揭示模擬微重力條件下神經干細胞分化的分子機制,為我們更深入地認識神經干細胞的分化條件、定向誘導神經干細胞分化成功,以用于臨床一些神經系統疾病的治療如阿爾茨海默癥提供理論基礎。

4 結 語

研究發現Notch信號通路在神經干細胞的分化過程中起重要作用,它在不同的分化節點上,分別抑制神經干細胞向神經元和少突膠質細胞的分化,促進其向星形膠質細胞的分化。另一方面,經研究發現短時程的模擬微重力條件可促進神經元向星形膠質細胞的分化。結合Notch信號通路和模擬微重力條件兩方面對神經干細胞分化和發育造成的影響,提示在模擬微重力條件下 Notch信號通路的變化可能是引起神經干細胞分化發生改變的原因,但還有待于后續的研究。這就提供了一個很好的思路,讓我們能更加透徹地分析空間條件對神經干細胞分化的影響以及Notch信號通路在該過程中所起到的作用。

[1] Fiúza UM,AriasAM.Cell and molecular biology ofNotch[J].Endocrinol,2007,194(3)：459-474.

[2] Mancini SJ,ManteiN,DumortierA,et al.Jagged1-dependentNotch signaling is dispensable for hematopoietic stem cell self-renewal and differentiation[J].Blood,2005,105(6)：2340-2342.

[3] Weinmaster G.Notch signal transduction：a real rip and more[J].CurrOpin GenetDev,2000,10(4)：363-369.

[4] Danald C.D.,Cooper C.R.,Harris-Hooker S.,et al.Cytoskeletal organization and cellmotility correlateswith metastatic potential and state of differentiation in prosta te cancer[J].CellMolecularBiology,2001,47(6)：1033-1038.

[5] Xu A,HainesN,DlugoszM,et al.In vitro reconstitution of the modulation ofDrosophila Notch-ligand binding by Fringe[J].BiolChem,2007, 282(48)：35153-35162.

[6] Miele L.Notch signaling[J].Clin Cancer Res,2006,12(4)：1074-1079.

責任編輯：鐘 聲

The effects of Notch signal pathway on the differentiation of neural stem cells under m icrogravity

WANG Xiao-yang,AN Yi
(School ofLife Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Based on the differentiation situation of neural stem cells undermicrogravity,combiningwith the influences ofNotch signal pathway on the differentiation of neural stem cells,this paper discusses possible molecularmechanism of s imulated microgravity on the differentiation of neural stem cells.

Notch signal pathway;neural stem cell;simulated microgravity;differentiation

Q189

A

1009-3907(2010)06-0036-02

2010-05-11

“863”計劃重大項目[2008AA××××××秘密]

王曉陽(1984-),女,吉林長春人,碩士研究生,主要從事神經干細胞分化的研究。安宜(1973-),女,北京人,副教授,碩士生導師,主要從事空間生物學相關研究。