凋亡對神經元發育的作用

王譽雅 金曄麒

（四川大學華西基礎醫學與法醫學院，四川 成都610041）

長期以來，神經生長因子（nerve growth factor, NGF）被認為是調節神經元發育的主要因素。 它在維持周圍神經系統（PNS）神經元發育、表型和中樞神經系統(CNS)膽堿能神經元的功能完整中發揮重要作用[1],并提出了神經營養理論。 然而，近年發現神經元的發育不能完全由神經營養理論解釋，它不僅由外部因素決定，還與內部因素相關。凋亡對CNS 神經元發育的影響正說明了這一點[2]。

1 神經營養理論

NGF 及其受體刺激多個信號通路， 調節神經元生存和維持軸突、樹突網絡結構和突觸的可塑性[3]。 神經元發育過程中，神經元與神經元、靶器官形成突觸聯系后，大多數中間神經元被清除，引發了“神經營養理論”：神經元為存活進而爭奪有限的靶源性存活因子[4]。 外周神經系統NG 為這一理論提供了強有力的支持：NGF 不僅是特定神經元群體生存必需的，它也定位于NGF 反應性的神經元所支配的組織，并且分布的密度與組織神經支配程度呈正相關[5]。

2 凋亡對神經元發育的影響

凋亡是由精確基因程序控制的細胞死亡過程。它伴隨許多組織器官的發育，包括脊椎動物的神經系統。 在CNS,大量的NGF 產生于皮質、海馬和腦下垂體。 Fahnestock 等發現成熟有活性的NGF 在神經元發育期和成人期有促凋亡和營養的作用[6]。Southwell 等發現CNS 大部分神經元的凋亡是由獨立于外部信號的特定程序引起[2]，因此神經元的清除不能完全由神經營養理論解釋。

2.1 凋亡與神經元發育

高等脊椎動物的大腦新皮層由興奮性投射神經元和抑制性中間神經元組成。 在發育的早期，新皮層不同分區的興奮性和抑制性神經元之間的比率為4:1。 由于這個特定比率對于發揮正常腦功能非常關鍵，兩個群體的細胞數目需要以某種方式匹配。突觸形成過程中，有相當大比例的興奮性和抑制性神經元通過凋亡被清除[7]。 約40%的皮質中間神經元在突觸形成過程中被清除[2]。 然而，無論是在體內、體外培養或異時移植后，細胞均在產生約2 周后走向凋亡。 由于細胞死亡的時間點和受影響細胞的比例均獨立于環境因素，因此，凋亡似乎是由細胞內因決定的[2]。 為進一步研究皮質發育過程中周圍細胞對中間神經元的存活的調節， 將不同數量的中間神經元前體細胞移植到皮質，皮層自發性抑制活動的增加卻很有限，表明僅有少量的移植中間神經元發揮正常作用。 然而，移植細胞數量不同的移植群體的中間神經元存活率是相似的[2]，表明細胞環境未能影響神經元的存活。 此外，通過敲除凋亡調節因子Bax 徹底廢除中間神經元的凋亡，僅引起正常功能的中間神經元數目的少量增加。

2.2 凋亡與神經細胞分裂的不對稱性

“神經元的存活依賴于外在因素” 一直被認為是復雜神經系統的屬性之一和神經系統可塑性的組成部分。 這使得Southwell 等[2]的發現更加出人預料，并引出一個問題：導致皮質中間神經元死亡的原因是什么？ 一種可能性是凋亡的細胞本身傾向于死亡。 發育過程中約有一半的皮質中間神經元被清除，可能是中間神經元的前體細胞分裂產生具有不同凋亡傾向的兩類細胞造成的。線蟲中已證實細胞分裂的不對稱性與其中一個子細胞的凋亡相關。神經內分泌運動神經元（NSM）成神經細胞的不對稱分裂有關基因的缺失可以防止NSM 神經元的凋亡。 另外，凋亡可能由皮質中間神經元隨機決定。 在成年線蟲的生殖系，約50%的卵母細胞通過隨機選擇機制在卵子發生前被清除。 卵子發生過程中，卵母細胞啟動凋亡可能由一些內在的集中于調節凋亡核心基因的轉錄途徑決定[8]。同樣，抑制性神經元在產生后2 周內同步死亡，表明凋亡在此期間更容易被誘導。

2.3 神經元發育過程中凋亡的調節機制

神經元分裂后，神經元早期基因的表達可以顯著改變這些神經元被清除的可能性。 其中之一就是編碼NGF 原肌球蛋白受體激酶A（tropomyosin receptor kinase A, TrkA）受體的基因。 NGF 通過TrkA 受體,一種典型的酪氨酸激酶受體，激活信號通路MAPK、ERK、PI3K、C(PLC)-γ19-20，介導依賴于NGF 的新生神經元的存活[9]。 TrkA 作為神經元存活依賴受體的發現，為“PNS 神經元在缺乏NGF 時死亡”提供了合理的解釋。 Schor 等發現NGF 通過激活親和力低， 非選擇性的p75NT 受體,激活君激酶信號級聯通路，缺乏TrkA 共表達時，細胞可能發生凋亡[2]。 然而，與TrkA 密切相關的受體TrkB，卻未介導一個類似的作用，為“大部分CNS 神經元的存活不依賴BDNF”提供了解釋[9]。與此一致，TrkB 的存在與否并不影響皮質中間神經元的存活[2]。 中間神經元前體細胞是否存在預測其存活或死亡的分子標志的深入研究有助于認識決定這些細胞凋亡的因素。

新皮層興奮性和抑制性神經元的比率是如何建立的尚未解決。大腦皮層抑制細胞的數量似乎不是通過局部自適應機制調節[2]，該比率可能通過調節興奮性神經元的存活來決定。雖然許多興奮性投射神經元在其靶組織神經支配發生過程中發生凋亡，但所涉及的外在信號仍不清楚。

3 小結

神經元的正常發育對于神經系統的正常發育、維持及發揮正常功能是必不可少的。近年來的研究使得神經營養理論提出并逐步得以證實，主要是建立在NGF 對外周神經系統影響的基礎上。 然而，在于中樞神經系統中，近期的研究結果卻不能完全由該理論解釋。 凋亡調節因子Bax 對中間神經元的數目變化無明顯影響。可能性較大的反而是神經元自身的不對稱分裂，NGF 介導的君激酶的級聯信號通路， 或興奮性和抑制性神經元的比率。 就目前而言，凋亡是如何參與神經元發育的調節的確切分子機制仍有待進一步闡明。

［1］Aloe L, Bracci-Laudiero L, Bonini S, Manni L:The expanding role of nerve growth factor: from neurotrophic activity to immunologic diseases[J].Allergy,1997,52:883-894.

［2］Southwell DG, Paredes MF, Galvao RP, et al. Intrinsically determined cell death of developing cortical interneurons[J]. Nature, 2012,491(7422):109-113.

［3］Frank ML,Stephen MM:Small-molecule modulation of neurotrophin receptors: a strategy for the treatment of neurological disease[J].Nature Reviews Drug Discovery,2013,12:507-525.

［4］Buss RR, Sun W, Oppenheim RW. Adaptive roles of programmed cell death during nervous system development[J]. Annu Rev Neurosci, 2006,29:1-35.

［5］Aloe L, Rocco ML, Bianchi P, et al. Nerve growth factor: from the early discoveries to the potential clinical use[J]. J Transl Med., 2012,10:239.

［6］Fahnestock M, Yu G, Coughlin MD:ProNGF: a neurotrophic or an apoptotic molecule?[J]Prog Brain Res., 2004,146:101-110.

［7］Eibl JK, Strasser BC, Ross GM. Structural, biological, and pharmacological strategies for the inhibition of nerve growth factor [J]. Neurochem Int, 2012,61(8):1266-1275.

［8］McAllister AK:Neurotrophins and neuronal differentiation in the central nervous system[J].Cell Mol Life Sci., 2001,58:1054-1060.

［9］Nikoletopoulou V, Lickert H, Frade JM, et al. Neurotrophin receptors TrkA and TrkC cause neuronal death whereas TrkB does not[J]. Nature, 2010, 467(7311):59-63.