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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)系統(tǒng)中有髓神經(jīng)纖維的髓鞘,成為神經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)向四周遷移,而在視網(wǎng)膜及視神經(jīng)乳頭處表達的Netrins-1則對從遠處向視網(wǎng)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(wǎng)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(jīng)元遷移和神經(jīng)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(wǎng)膜處的Sema-3F能通過化學吸引作用,促進OPC向視網(wǎng)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]?？梢奡ema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(jīng)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(wǎng)膜的作用,但進一步研究顯示tenascin-C基因突變的鼠視網(wǎng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)遞質類物質

γ-氨基丁酸(GABA)作為一種抑制性神經(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(jīng),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(jīng)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。

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