少突膠質前體細胞遷移調控分子研究進展

蔡沅锜 石長貴(綜述) 肖 林(審校)

少突膠質前體細胞(oligodend rocy te precursor cell,OPC)是一類特殊表達NG 2硫酸軟骨素多聚糖蛋白的膠質細胞(NG2細胞)。OPC不僅存在于神經系統(tǒng)發(fā)育過程中,而且在成年人腦內也有相當?shù)臄?shù)量,它們的功能主要是分化成為成熟的少突膠質細胞,形成髓鞘。但也有研究表明其在體內還可能分化成為星形膠質細胞,甚至神經元等[1]。OPC最早起源于胚胎期腹側端腦區(qū)以及發(fā)育后期的室管膜下區(qū),在胚胎晚期和新生早期OPC在眾多信號分子的共同參與和調控下經一定距離的遷移后到達其軸突靶點區(qū)域,分化形成少突膠質細胞(oligodendrocyte,OL),最終形成中樞神經系統(tǒng)中有髓神經纖維的髓鞘,成為神經沖動跳躍式傳導的結構基礎。另一方面,在脫髓鞘疾病如多發(fā)性硬化等病理條件下OPC能快速增殖并遷移到髓鞘損傷區(qū),參與髓鞘的再生及功能恢復。因此,深入研究OPC遷移的機制不僅有助于我們了解神經系統(tǒng)的發(fā)育過程,更可為臨床上治療脫髓鞘疾病提供了新的思路。近年來,這方面的研究取得長足的進展,很多參與調控OPC遷移的重要蛋白分子被陸續(xù)發(fā)現(xiàn),其機制也被逐漸闡明,以下將這些相關蛋白和分子在介導OPC遷移過程中的作用進行分類介紹。

1 生長因子

調節(jié)OPC遷移的生長因子類分子主要有血小板衍生生長因子(p latelet-derived grow th factor,PDGF)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblastic grow th factor,bFGF)、肝細胞生長因子(H epatocyte Grow th Factor,HGF)和表皮生長因子(epidermal grow thfactor,EGF)。OPC細胞表達有豐富的PDGFRα(該受體也作為OPC細胞常用的特異標記蛋白),PDGF通過與該受體結合能明顯促進OPC增殖和遷移,Fruttiger等在PDGF-A基因敲除的老鼠模型上發(fā)現(xiàn),其大腦皮層、腦干、脊髓、視神經等處OPC和OL的數(shù)量明顯減少[2]。有研究發(fā)現(xiàn)PDGF不僅大大提高了OPC的遷移能力,還能作為一種化學吸引因子引導OPC遷移的方向[3],可見PDGF在OPC遷移過程中的重要性。OPC還可表達FGFR1、FGFR2、FGFR3,但僅有 FGFR1與OPC遷移有關,bFGF通過該受體對OPC的遷移也有著強大的促進作用,Bribian等用不同濃度的bFGF培養(yǎng)OPC,結果發(fā)現(xiàn)OPC遷移速度以劑量依賴方式增加,當bFGF的濃度為20ng/m l時OPC遷移速度達到最大[4]。前有學者發(fā)現(xiàn)由星形膠質細胞產生的白細胞介素IL-1a對OPC的遷移影響不大,但體外實驗證實在bFGF培養(yǎng)液中添加IL-1a,OPC遷移能力較單純的FGF-2明顯增強。HGF在OPC遷移過程中主要起到化學驅動作用,Yan等研究發(fā)現(xiàn)HGF能使OPC遷移范圍更廣,遷移速度較正常加快2.5倍,同時檢測到肌動蛋白和β1微管蛋白的表達明顯增加[5],因此推測HGF主要通過影響細胞骨架來促進OPC遷移,但具體機制還有待闡明。發(fā)生遷移的OPC表皮生長因子受體(EGF receptor,EGFR)表達明顯高于非遷移細胞,且實驗證明通過上調細胞表面EGFR的表達可明顯加快OPC的遷移[6],因此認為EGF也能促進OPC的遷移。

2 趨化因子

Netrins-1是一個著名的軸突導向因子,近年來發(fā)現(xiàn)它對OPC的遷移也具有重要的作用。Netrins-1主要分布于脊髓和視神經中,Netrins-1通過化學排斥作用對OPC的遷移運動既能提供反向的推動力又能終止OPC前進,猶如交通路口的紅燈。在胚胎期脊髓發(fā)育過程中由靠近OPC起源處的底板細胞產生的Netrins-1能促使OPC從基發(fā)源向外遷出,并進一步促進OPC由脊髓腹側向背側遷移。間腦腹中側細胞表達的Netrins-1也能排斥OPC,促使OPC由視交叉遷出,并沿著視神經向四周遷移,而在視網膜及視神經乳頭處表達的Netrins-1則對從遠處向視網膜方向遷移過來的OPC發(fā)出終止遷移的信號,從而防止 OPC遷移入視網膜[7]。實驗表明在早期脊髓發(fā)育中Netrins-1主要通過受體DCC和Unc5H 1介導了OPC由腹側向背側遷移的化學排斥作用,Jarjour等實驗也發(fā)現(xiàn)DCC表達缺乏時,OPC由脊髓腹側向背側的遷移過程明顯受損。

Semaphorins是一類分泌的、跨膜蛋白大家族,由于結構式中氨基端有“sema”區(qū)域而得名。Sema-3作為一種信號蛋白,其最早的研究集中在對神經元遷移和神經軸突導向方面。最近發(fā)現(xiàn),它們也是一類調節(jié)OPC遷移的活躍參與者。與Netrins-1分子的單一排斥作用不同,Sema-3的不同亞型對OPC的遷移有的具有排斥作用,有的則表現(xiàn)為吸引作用。其中Sema-3A在大腦發(fā)育早期對OPC遷移主要起到化學排斥作用,其機制主要由表達在OPC上的 Neunophins與Plexin-A復合成的受體與Sema-3A結合所介導,Cohen發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生遷移的OPC有豐富的Neunophins-1表達,但隨著OPC的分化其表達量明顯減少[8],Okada等則發(fā)現(xiàn),當干擾OPC表面的Plexin-A 4表達時,Sema-3A的排斥遷移效應明顯被阻斷,因此認為Plexin-A4能作為一種信號分子調節(jié)Sema-3A的作用[9]。與Sema-3A不同,Sema-3F對OPC具有雙重作用,既可促進OPC遷移,還能誘導OPC的有絲分裂。研究發(fā)現(xiàn)表達于視網膜處的Sema-3F能通過化學吸引作用,促進OPC向視網膜方向遷移,其促遷移效應主要由OPC表達的Neunophins-2所介導。實驗同時發(fā)現(xiàn)OPC的遷移作用并不受Sema-3C和Sema-3E這兩個亞型的影響[10]。可見Sema蛋白作用的復雜性,因此有待進一步深入研究。

CXCL1是一種炎癥趨化因子,主要由白質星型膠質細胞分泌,對OPC的遷移具有抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)CXCL1本身并不能影響OPC的運動和形態(tài),但能減弱 PDGF的促OPC遷移效應,降低層粘連蛋白促OPC遷移的速度,而且還能影響OPC與底物之間的相互作用,增強它們的粘附,從而發(fā)揮其抑制OPC遷移的功能[11]。其效應主要由OPC表達的受體CXCR2所介導,Padovani等發(fā)現(xiàn)CXCR2基因敲除的小鼠脊髓白質處髓鞘發(fā)育不良,提示白質處表達CXCL 1能夠抑制OPC繼續(xù)遷移,使其停留在特定區(qū)域,進一步分化成為少突膠質細胞,形成髓鞘[12]。另外,有研究發(fā)現(xiàn)多發(fā)性硬化患者脫髓鞘病灶周圍區(qū)域CXCL1表達明顯上調,推測其可能抑制OPC向病灶區(qū)的募集,成為髓鞘再生的障礙之一[13]。Kerstetter造脊髓脫髓鞘損傷模型,并給予CXCR2中和抗體或拮抗劑阻斷CXCL1/CXCR2的信號,結果發(fā)現(xiàn)其不僅有助于OPC的募集,更促進了OPC分化成為少突膠質細胞,使病灶處髓鞘恢復顯著加快[14]。因此,CXCL 1/CXCR2可能介導了脫髓鞘的發(fā)生,并為臨床治療脫髓鞘疾病提供了一個新的靶點。

3 細胞外基質蛋白

許多細胞外基質蛋白成分已被證實能影響OPC遷移,如層粘連蛋白(laminin)、纖連蛋白fibronectin)、玻連蛋白vitronectin)、分層蛋白(merosin)、整合素(integrin)及健生蛋白(tenascin-C)等,不同的細胞外基質蛋白對OPC遷移的作用不一。

在濾過膜遷移實驗中附有纖連蛋白與層粘連蛋白-2的膜可促進OPC遷移,相反附有可溶性的纖連蛋白與層粘連蛋白-1的濾過膜而對OPC遷移卻無刺激作用,說明纖連蛋白與層粘連蛋白需與底物相結合才能促進OPC的遷移。研究發(fā)現(xiàn)tenascin-C基因突變后OPC的遷移速率明顯增加,同時視神經乳頭處也檢測到tenascin-C的表達,推測tenascin-C具有防止OPC遷移入視網膜的作用,但進一步研究顯示tenascin-C基因突變的鼠視網膜中也并沒有OPC的存在,僅僅發(fā)現(xiàn)少數(shù)OPC過早遷移至視神經乳頭,因此在此過程中tenascin-C可能與其它蛋白共同發(fā)揮作用,而且其作用是可被其它分子代償?shù)?如前所述的Netrins-1[15]。整合素是細胞外基質蛋白受體家族成員之一,OPC能夠表達αvβ1整合素,并通過與纖連蛋白和玻連蛋白結合促進OPC遷移,αvβ1整合素表達缺陷或功能抑制均可降低OPC的活動能力,從而抑制OPC的遷移。

4 粘附分子

OPC自身能表達多種粘附分子及其受體,并參與其自身的遷移過程。OPC遷移時特殊表達的蛋白聚糖NG2即是一種黏附分子,當OPC發(fā)生分化后NG2表達明顯下調,在胚胎期或生后早期利用抗體阻斷NG2的表達,結果發(fā)現(xiàn)OPC的遷移減少。

OPC可表達聚唾液酸化-神經細胞粘附分子(Polysialylated-neural cell adhesion molecule,PSA-NCAM),且隨其分化而下調。在遷移過程中PSA-NCAM主要發(fā)揮抗粘附作用,使得細胞與細胞之間發(fā)生滑動,從而促進OPC的遷移過程順利進行。而當缺乏PSA時,盡管細胞仍能遷移,但并不能形成遷移細胞鏈。PSA-NCAM還參與了PGDF的促OPC遷移效應,而有趣的是它似乎只影響到PDGF的化學吸收作用(抑制PSA-NCAM可明顯阻斷PDGF的化學吸收作用),而與PDGF的化學驅動作用無關[3]。

酪氨酸激酶受體中的Eph家族及其跨膜配體Ephrins是神經元前體細胞遷移過程中重要的黏附分子,Eph與Ephrins的相互作用同樣能調節(jié)OPC的遷移。Prestoz等研究發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)胚胎期OPC細胞膜表面鑲嵌的Ephrin B2和Ephrin B3可與EphB受體相互作用使間腦區(qū)OPC的遷移及粘附性質減弱[16]。

5 神經遞質類物質

γ-氨基丁酸(GABA)作為一種抑制性神經遞質,在大腦發(fā)育過程中對OPC的遷移主要起到化學趨向性作用,它不僅能加強OPC的運動,還能引導OPC遷移的方向,其效應主要是通過結合OPC表面特異性表達的GABAA受體所介導。Tong在研究內源性GABA對大鼠SVZ區(qū)OPC遷出情況的實驗中發(fā)現(xiàn),GABA能顯著促進OPC由SVZ區(qū)腹側向背側(ventral to dorsal)及 RMS(rostralm igratory stream)方向的趨化性遷移,其機制也主要是通過GABAA受體及電壓依賴的鈉通道和鈉鈣交換體共同介導產生[17]。足以可見GABAA受體具有促OPC遷移的作用。但研究發(fā)現(xiàn)GABAB受體在OPC早期發(fā)育階段就已經開始表達,且隨著OPC分化成熟的細胞種類不同,其所表達的受體亞型和數(shù)量也在不斷發(fā)生變化。為了探尋其作用,Luy t等通過transwe ll細胞遷移實驗發(fā)現(xiàn)GABAB受體激動劑巴氯芬(baclofen)不僅能促進OPC遷移的速度,同時還能促進OPC的增殖,因此作者認為GABAB受體的表達可能對白質受損后髓鞘的再生具有一定的作用[18]。

AM PA能促進OPC遷移的速度,其效應主要是通過激活OPC 表達的 AMPA 受體,促進 PLP 、αVβ3 型整合素(αVβ3 integrin)及AMPA受體組成的復合體形成增加所致。此復合體能減弱OPC與細胞外基質的結合,從而加強OPC的遷移。為進一步了解其具體機制,Gudz以髓鞘蛋白脂蛋白(m yelin p roteo lipid p rotein,PLP)基因突變的小鼠為實驗模型,發(fā)現(xiàn)OPC僅保持正常遷移速度,而AM PA增強作用卻沒有表現(xiàn)出來,因此認為PLP/αVintegrin在AMPA促進OPC遷移的過程中具有重要作用[19]。

ATP、ADP是生物體內重要的化學遞質。Agresti等通過蛋白印跡分析方法發(fā)現(xiàn)OPC可表達P2X受體與P2Y受體,ATP及ADP可通過P2受體誘導OPC的遷移[20]。

6 其它蛋白或分子

除以上可初步分類的多種分子對OPC的調節(jié)發(fā)揮著關鍵作用外,尚有其它未能在此歸類的一些因子,也在此過程中起到重要作用。

Go lli蛋白屬于髓磷脂堿性蛋白質類,實驗以Golli基因敲除及GolliJ37過表達的鼠相對比,結果發(fā)現(xiàn)golli蛋白的存在能促進OPC的遷移,增強其活動能力,且此作用是通過激活電壓門控鈣離子通道活動介導的,當電壓門控鈣離子通道抑制劑存在時,此種促進遷移的作用消失[21]。

anosm in-1可表達于視神經,對OPC的遷移主要起到抑制作用,其機制可能是與FGFR1相互作用,影響了bFGF/FGFR1信號通路,從而干擾了bFGF促遷移作用[4]。但Bribian等研究發(fā)現(xiàn)OPC遷移時總是優(yōu)先結合細胞外基質中的anosmin-1,當內源性的anosmin-1表達受阻時,OPC與其它細胞外基質蛋白的結合將會明顯減弱,且anosm in-1的這種效應不依賴于FGF-2/FGFR1信號通路[22]。研究提示內源性的anosmin-1表達對于OPC與細胞外基質蛋白的粘附極其重要。

1-磷酸-鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate,S1P)受體是一種G蛋白偶聯(lián)受體,主要表達于OL及OPC上,神經遞質S1P可通過S1P受體,介導 OPC的遷移及血管生成。Novgorodov等研究發(fā)現(xiàn)S1P與OPC表達的S1P5受體特異性結合后,OPC的遷移速度明顯減弱,通過SiRNA方法阻斷S1P5受體,S1P的抑制作用消失,因此認為S1P可抑制OPC的遷移[23]。

內皮素(Endothe lin-1,ET-1)是星形膠質細胞來源的信號分子,能與OPC表達的功能性ET(A)及ET(B)受體結合,激活ERK和CREB蛋白磷酸化,從而趨化及加強OPC的遷移,多光子時間推移圖像顯示ET受體抑制劑或抗ET-1的抗體可使OPC從SVZ區(qū)遷移受到抑制[24]。

7 總結與展望

綜上所述,促OPC遷移的信號多而復雜,雖各信號分子促遷移機制多不相同,但又存在相互關聯(lián)。在細胞遷移過程中它們發(fā)揮著協(xié)同或拮抗作用,共同參與了OPC遷移過程的精細調節(jié),編碼著“OPC運動的進行曲”。盡管促 OPC遷移機制已被廣泛研究,但確切的細胞內機制及信號轉導通路仍不十分清楚,從而導致其臨床應用受限。將來此研究的方向可能主要關注在(1)繼續(xù)尋找更多調節(jié)OPC遷移的信號分子及蛋白;(2)從分子和基因水平更深入研究信號分子的具體作用機制;(3)尋找出作用相關的信號分子,研究其調節(jié)遷移過程中劑量的最佳比例;(4)開展臨床實驗,通過外源性給予信號分子,以治療脫髓鞘等疾病。

1 Belachew S,Chihhajallu R,Aguirre AA,et a1.Postnata1 NG2 Proreoglycan expressing Progenitor Cells A re Intrinsically M uhipoten t and Generate Functional Neu rons.J Cell Biol,2003,161(1)：169-186.

2 Fruttiger M,Karlsson L,Hall AC,et al.Defective oligodend rocy te developm ent and severe hypomyelination in PDGF-A knockout m ice.Development,1999,126(5)：457-467.

3 Zhang H,Vu tskits L,Calaora V,et al.A role for the polysialic acid-neural cell adhesion molecule in PDGF-induced chemotaxis of oligodendrocy te precursor cells.JCell Sci,2004,117(Pt 1)：93-103.

4 Bribian A,Barallob re M J,Soussi-Yanicostas N,et al.Anosm in-1 m odulates the FGF-2-dependent m igration of oligodendrocyte precu rsors in the developing optic nerve.M ol Cell Neurosci,2006,33(1)：2-14.

5 Yan H,Rivkees SA.Hepatocyte grow th factor stim ulates the proliferation and m igration of oligodendrocyte precurso r cells.J Neurosci Res,2002,69(5)：597-606.

6 Aguir re A,Rizvi TA,Ratner N,et al.Overexpression of the epidermal g row th factor recep tor confers m igratory p roperties to nonm igrato ry postnatal neural p rogenitors.J Neu rosci,2005,25(48)：11092-11106.

7 Jarjour AA,Manitt C,Moore SW,et al.Netrin-1 is a chemorepellent for oligodendrocytep recu rsor cells in the emb ryonic spinal cord.JNeu rosci,2003,23(9)：3735-3744.

8 Cohen RI,Rottkam p DM,M aric D,et al.A role for sem aphorins and neu ropilins in oligodendrocyte guidance.J Neu rochem,2003,85(5)：1262-1278.

9 Okada A,Tom inaga M,H oriuchi M,et al.Plexin-A 4 isexpressed in oligodendrocyte precu rsor cells and actsasamediator of semaphorin signals.Biochem Biophy s Res Comm un,2007,352(1)：158-163.

10 Spassky N,De Castro F,Le Bras B,et al.Directionalguidance of oligodendroglialm ig ration by c lass3 semaphorinsand netrin-1.J Neu rosci,2002,22(14)：5992-6004.

11 Tsai HH,Frost E,To V,Robinson S,et al.The chemokine recepto r CXCR2 controls positioning of oligodendrocyte precursors in developing spinal cord by arresting their m ig ration.Cell,2002,110(3)：373-383.

12 Padovani-C laudio DA,Liu L,Ransohoff RM,et al.A lterations in theoligodendrocyte lineage,myelin,and w hitematter in adu lt m ice lacking the chemokine receptor CXCR2.G lia,2006,54(5)：471-483.

13 Omari KM,John GR,Sealfon SC,et al.CXC chem okine receptors on hum an oligodend rocy tes：im plications for mu ltiple sclerosis.Brain,2005,128：1003-1015.

14 Kerstetter AE,Padovani-Claudio DA,Bai L,et al.Inhibition of CXCR2 signaling promotes recovery inm odels ofmu ltiple sclerosis.Experim en tal Neu rology,2009,220：44-56.

15 Garcion E,Faissner A,Ffrench-Constant C.Knockout micereveal a con tribution of the extracellular matrix molecule tenascin-C to neural precu rsor p roliferation and migration.Developm ent,2001,128(13)：2485-2496.

16 Prestoz L,Chatzopou lou E,Lemkine G,et al.Control of axonophilicmig ration of oligodendrocyte precurso r cells by Eph–ephrin in teraction.Neuron Glia Biology,2004,1(1)：73-83.

17 Tong XP,Li XY,Zhou B,etal.Ca2+signaling evoked by activation of Na+channels and Na+/Ca2+exchangers is required for GABA-induced NG2 cellm ig ration.J Cell Biol,2009,186(1)：113-128.

18 Luy t K,Slade TP,Dorw ard JJ,et al.Developing oligodendrocy tes exp ress functional GABA(B)recepto rs that stimu late cell p roliferation and m igration.J Neurochem,2007,100(3)：822-840.

19 Gudz TI,K om uro H,M acklin WB,et al.G lutamate stimulates oligodendrocytep rogenitorm ig rationmediated viaanαvinteg rin/myelin proteolipid p rotein complex.J Neu rosci,2006,26(9)：2458-2566.

20 Agresti C,Meomartini ME,Amadio S,et al.Metabotropic P2 recepto r activation regulates oligodend rocy te progenitor m igration and development.G lia,2005,50(2)：132-144.

21 Paez PM,Fulton DJ,Spreuer V,et al.Gollimyelin basic p roteins regulate oligodend roglial progenitor cellm ig ration through voltage-gated Ca2+influx.JNeu rosci,2009,29(20)：6663-6676.

22 Bribian A,Esteban PF,Clemen te D,et al.A novel role for anosm in-1 in the adhesion andm ig ration of oligodend rocyte precursors.Dev Neu robiol,2008,68(13)：1503-1516.

23 Novgorodov AS,E l-A lwani M,Bielaw ski J,et al.Activation of sphingosine-1-phosphate receptor S1P5 inhibits oligodendrocyte progenitorm ig ration.FASEB J,2007,21(7)：1503-1514.

24 Gadea A,Aguirre A,H aydar TF,et al.Endothelin-1 regulates oligodendrocyte development.JNeu rosci,2009,29(32)：10047-10062.