Cx43 與神經(jīng)精神疾病的研究進展

曾立三，李雪斌，蘇蓬勃

(右江民族醫(yī)學院，廣西 百色533000)

縫隙連接(gap junction，GJ)通道是對抗細胞間電阻，實現(xiàn)興奮在細胞間傳播的主要途徑。縫隙連接蛋白(connexin，Cx)是構成細胞間GJ 通道基本結構和功能的一大類膜蛋白，6 個Cx 單體形成同源六聚體，其間具有親水通道，膜的每一側上的通道對應于半通道，兩側的膜相對以形成GJ 通道［1］。大部分情況下，這些通道呈開放狀態(tài)，允許水溶性分子和離子通過，一個細胞產(chǎn)生的動作電位傳播到另一個細胞可通過GJ 的局部電流來實現(xiàn)。GJ 是細胞間僅有的物質和信息的交換通道，其作為電突觸的結構基礎能使神經(jīng)元活動迅速發(fā)生改變［2］。GJ 在神經(jīng)元之間的信號傳遞作用非常重要，神經(jīng)元胞膜上的GJ 能使相鄰兩個細胞間的小信號分子(如環(huán)腺苷酸、鈣離子、三磷酸肌醇等)互相傳遞［3］。Cx 是由多基因家族編碼的包括多個成員的一類膜蛋白，至今在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)20 多種［4］，所有Cx 都具有4 個保守的α 螺旋跨膜區(qū)，根據(jù)相對分子質量不同而命名，Cx43 因相對分子質量為43 000 而得名。近年來，隨著人們對Cx43 研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)Cx43 表達變化與神經(jīng)精神疾病密切相關。現(xiàn)就Cx43 與神經(jīng)精神疾病的研究進展予以綜述。

1 Cx43 的病理生理學功能

Cx 作為GJ 的基本結構和功能蛋白的一大類膜蛋白，水溶性分子和離子被允許通過這些通道，GJ 的局部電流接通了細胞間的電位傳導，GJ 是電突觸的結構基礎并能飛快地改變神經(jīng)元活動，細胞間進行物質交換及信息傳導需靠GJ［1，4-5］。Cx43 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛分布，對維持神經(jīng)系統(tǒng)正常功能起到了重要的作用;GJ 的功能在一定程度上依賴于Cx43 的磷酸化狀態(tài)［6］。Kim 等［7］研究表明，神經(jīng)細胞凋亡可能受到Cx43 表達水平的影響。Kucheryavykh 等［8］通過對具有Cx43 內(nèi)源性表達的Novikoff 和A172 神經(jīng)母細胞瘤細胞的研究表明，細胞內(nèi)氫離子和鈣離子水平升高、細胞缺血或其他病理情況可引起Cx43 水平下降，進而導致GJ 通道信息傳遞障礙，且使用多胺可以逆轉這種現(xiàn)象的發(fā)生，同時，通過小干擾RNA 剔除Cx43 可以顯著阻斷GJ 通道的信息傳遞，表明Cx43介導的GJ 通道是信息傳遞調(diào)節(jié)的目標。神經(jīng)精神疾病的發(fā)生可能由于Cx43 磷酸化參與GJ 重構，經(jīng)過細胞GJ 通信而導致［9］。

2 Cx43 與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2.1 Cx43 與創(chuàng)傷性腦損傷 導致顱腦損傷的過程極其復雜，其中涉及缺血、缺氧、代謝性應激產(chǎn)物釋放及腦細胞水腫等的改變。GJ 作為細胞之間的重要結構，并且這些變化可能具有特別復雜的物質和信息傳遞機制。細胞GJ 通信允許許多細胞的代謝偶聯(lián)，GJ 在細胞凋亡和壞死信號由損傷及應激細胞向鄰近活細胞的擴散中起著重要作用［10］。Chen 等［11］研究表明，創(chuàng)傷性腦損傷的嚴重程度與Cx43 的水平以及Cx43 的磷酸化狀態(tài)有關。創(chuàng)傷性腦損傷的嚴重程度與Cx43 和蛋白激酶C/促分裂原活化的蛋白激酶磷酸化之間的關聯(lián)也可以支持涉及腦損傷的特定途徑，特別是在Cx43 基因剔除動物海馬切片中，創(chuàng)傷誘導的細胞死亡和突觸功能損傷均減少［12］。Sun 等［13］研究表明，創(chuàng)傷性腦損傷后GJ 和自噬之間具有一定的相關性，并確定星形膠質細胞GJ/Cx作為控制海馬神經(jīng)元自噬的調(diào)節(jié)因子。由于Cx 的表達或星形膠質細胞GJ 偶聯(lián)在各種形式腦損傷中均受到影響，可能在病變腦中尤為突出。因此，利用Cx43 參與顱腦損傷的機制，防止進一步的損傷具有重要的價值。

2.2 Cx43 與腦水腫 既往研究表明，Cx43 的上調(diào)可以加重腦水腫，由于腦損傷后大量釋放谷氨酸并通過GJ 半通道釋放到細胞外空間，誘發(fā)受體神經(jīng)元興奮性毒性，導致顱腦損傷后腦水腫加重［14］。血腦屏障的完整性需要Cx43 的參與，Cx43 表達減少導致星形膠質細胞水腫，血腦屏障功能下降，加重腦水腫［15-17］。Chu 等［18］研究表明，芍藥苷和黃芪甲苷都能減輕腦缺血后引起的腦水腫，與Cx43 下調(diào)密切相關。Wu 等［19］研究表明，大鼠在創(chuàng)傷后發(fā)生反應性腦水腫、星形膠質細胞增多以及Cx43 表達增加，而抑制Cx43 在大腦中的表達水平可降低創(chuàng)傷后的腦水腫。由此推測，腦損傷后Cx43 過表達可能導致細胞內(nèi)和細胞間穩(wěn)態(tài)失衡，導致反應性星形膠質細胞增多和腦水腫。章科娜等［20］也證實了腦水腫時星形膠質細胞上的Cx43 表達上調(diào)，可通過抑制Cx43的表達來減輕腦水腫。因此，可利用這類機制減少損傷并修復受損細胞。

2.3 Cx43 與癲癇 加強神經(jīng)元間GJ 溝通是神經(jīng)元同步驅動癲癇發(fā)作活動的重要因素［21］。既往有研究表明，星形膠質細胞之間(而非神經(jīng)元之間)的GJ 通訊增加以及Cx43 的表達變化可能在癲癇發(fā)作中起重要作用［22］。Hussein 等［23］研究證實，內(nèi)酰胺類抗生素對戊四氮誘導的癲癇發(fā)作具有神經(jīng)保護作用，表現(xiàn)為癲癇發(fā)作階段和發(fā)作時間的縮短、發(fā)作潛伏期的延長、氧化應激的減弱以及海馬CA3 區(qū)Cx43表達的下調(diào)。Motaghi 等［24］發(fā)現(xiàn)，獲得局灶性癲癇發(fā)作后，海馬Cx43 蛋白表達增加，且由Cx43 組成的海馬GJ 在顳葉癲癇的毛果蕓香堿模型中獲得局灶性癲癇發(fā)作期間上調(diào)。也有研究表明，Cx43 半通道關閉可抑制癲癇發(fā)作活動，而Cx43 半通道開放則促進癲癇發(fā)作活動［25］。Ran 等［26］研究發(fā)現(xiàn)，GJ 阻斷劑可抑制Cx43 的表達，進而減輕癲癇發(fā)作程度。然而，對于Cx30 基因和Cx43 基因雙剔除小鼠的研究表明，星形細胞網(wǎng)絡在基礎突觸活動期間的谷氨酸清除、鉀緩沖和細胞外空間體積調(diào)節(jié)中具有主要作用。在Cx43 和Cx30 剔除小鼠中，由于星形膠質細胞谷氨酸和鉀清除率降低，癲癇樣放電的閾值降低，并且海馬突觸傳遞和神經(jīng)元興奮性增加［24］。上述研究提示，Cx43 與癲癇的發(fā)病和進展有著緊密的關聯(lián)。隨著Cx43 在癲癇發(fā)病中作用機制研究的深入，將有可能為癲癇的臨床治療提供新的思路。

2.4 Cx43 與缺血性腦血管疾病 促紅細胞生成素可上調(diào)Cx43 表達，基于促紅細胞生成素與Cx43 密切相關的證據(jù)以及兩者對神經(jīng)血管單元的重要作用，Zhou 等［27］證實，促紅細胞生成素對腦缺血后神經(jīng)血管單位損傷有保護作用，這與磷酸化Cx43 的增加密切相關，從而改善GJ 通信對神經(jīng)毒性物質的還原作用。Cx43 的磷酸化在連接蛋白中表達最豐富、最普遍。Cx43 的磷酸化可將連接蛋白組裝調(diào)節(jié)為GJ、GJ 翻轉和通道門控，因此引出其生物效應十分重要［28］。既往研究表明，缺血/缺氧后Cx43 磷酸化水平降低，導致星形膠質細胞死亡［29］。這表明Cx43磷酸化可以產(chǎn)生神經(jīng)保護作用。Kozoriz 等［30］研究表明，星形膠質細胞Cx43 有助于調(diào)節(jié)細胞死亡，并支持Cx43 C 端區(qū)域在腦缺血保護中的重要作用。Cx43 是形成GJ 和半通道的主要Cx，在腦中特別是在星形膠質細胞中表達［31］。缺血后大量半通道打開，導致離子紊亂，重要代謝物質流失，細胞腫脹甚至死亡。Kozoriz 等［30］曾證實，選擇性剔除星形膠質細胞中的Cx43 后腦梗死大鼠腦體積增大，表明星形膠質細胞Cx43 限制了由卒中引起的腦損傷。Hou等［32］的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體Cx43 和磷酸化的線粒體Cx43 可能是由腦缺血再灌注損傷引起的細胞死亡、蛋白質降解和通道功能障礙引起;同時，甘珀酸相對增加了線粒體Cx43 的表達，保持了通道結構的穩(wěn)定性以確保功能，并且在使用線粒體ATP 敏感性鉀通道激動劑的干預中，線粒體Cx43 水平相對較高，與甘珀酸的結果相似。然而，Cx43 的磷酸化可能導致Cx43 通道閉合，因此在腦缺血再灌注損傷中，Cx43的磷酸化水平下調(diào)，并且Cx43 通道開放，允許有害分子在細胞間傳播［33］。因此，Cx43 抑制劑在腦缺血后具有保護作用。總之，線粒體Cx43 經(jīng)過啟動蛋白激酶C 而被線粒體ATP 敏感性鉀通道的激動劑上調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)揭示了線粒體Cx43 在神經(jīng)保護作用中的機制，提供了對腦梗死保護的潛在機制的深入了解，并預測Cx43 是臨床研究中治療腦梗死的可能靶點。此外，其他途徑也可能涉及這一過程，未來的研究應該解決這種可能性。Orellana 等［34］研究發(fā)現(xiàn)，Cx43 半通道的表達被阻滯后神經(jīng)元的單獨存活力減弱。也有研究發(fā)現(xiàn)，再灌注后增加氫的攝入后上調(diào)了Cx43 的表達程度，對神經(jīng)元的損傷程度降低，說明Cx43 對神經(jīng)元的保護起到一定的作用［35］。然而，Cx43 如何作用于腦缺血仍有待深入研究。Cx43基因剔除可加重缺血損傷［33］。又有研究表明，Cx43在腦缺血再灌注早期，加劇腦卒中后腦組織損傷［36］;Cx43 抑制劑在腦缺血后表現(xiàn)出保護作用并且能縮小梗死面積［37-38］。目前的研究為腦缺血的治療提供了雙重目標，為藥物開發(fā)提供了新的思路。

3 Cx43 與精神疾病

3.1 Cx43 與抑郁癥 Cx43 可能與抑郁癥有關。孫建棟［39］首先提出了GJ 功能障礙在前額葉皮質抑郁癥病理生理學中的作用。這項研究幫助解釋抑郁癥的病理發(fā)生，進一步補充完善了抑郁癥的膠質細胞假說，并有利于抗抑郁藥物的開發(fā)，可能是抗抑郁藥物的潛在靶點。Miguel-Hidalgo 等［40］對源于尸體解剖的腦樣本前額葉進行研究，提出抑郁癥和酗酒者前額葉功能障礙伴隨著Cx43 水平的降低，并且發(fā)現(xiàn)酗酒者的Cx43 免疫反應陽性斑點的密度減低，認為精神行為異常的病理生理學變化中可能存在GJ 或以半通道為基礎的細胞通信的改變。也有研究表明，抑郁障礙危險因子星形膠質細胞Cx43 在前邊緣皮質減少［41］。曹敏玲等［42］研究表明，酸棗仁湯可以增加抑郁大鼠的蔗糖消耗和自主活動，減輕大鼠的神經(jīng)元損傷，降低大腦皮質區(qū)Cx43 的表達。Cx43 的表達降低可能是造成抑郁癥患者藍斑中谷氨酸信號、生長因子和神經(jīng)膠質基因表達改變的原因［43］。Shen 等［44］在染料木素通過靶向Cx43 抑制微RNA-221/222 的表達來改善抑郁癥的研究中發(fā)現(xiàn)，染料木素處理后微RNA-221/222 的表達水平顯著降低，而Cx43 的表達上調(diào)。這些結果表明，染料木素可能通過抑制微RNA-221/222 或增加Cx43 的表達水平來改善重度抑郁癥。以上可驗證抑郁癥患者的大腦表現(xiàn)出Cx43 表達的下調(diào)，而抗抑郁藥物治療則表現(xiàn)出Cx43 表達的上調(diào)［45-47］。相反，據(jù)報道，Cx43 缺乏可導致抗抑郁/抗焦慮樣行為的某些特征性標志的表達和認知性能的改善［48］。值得注意的是，這兩個相互矛盾的報告使用組成型Cx43 剔除小鼠來研究海馬Cx43 在已知抑郁癥中受影響的行為中的作用。有可能不同的大腦區(qū)域受到不同的影響，或者組成型Cx43 剔除小鼠的使用對結果的影響未知。

3.2 Cx43 與其他精神疾病 Walrave 等［49］研究發(fā)現(xiàn)，在延遲的自發(fā)性交替迷宮任務中，Cx43 阻滯確實顯著損害了空間短期記憶。表明，Cx43 半通道在空間短時記憶中發(fā)揮作用。然而，以上的研究還處于初步階段，需要進一步研究才能充分闡明Cx43 半通道的調(diào)控途徑。另有研究表明，星形膠質細胞Cx43 半通道在恐懼記憶鞏固中起著至關重要的作用［50］。因此，可以將星形膠質細胞中的Cx43 半通道作為治療精神疾病，尤其是創(chuàng)傷后應激障礙等記憶相關疾病的新藥理靶點。自殺是一個重要的公共健康問題，是社會心理和生物因素相互作用的結果。自殺意念和自殺行為的基礎是特定的神經(jīng)生物學過程，但對其中涉及的具體因素仍然知之甚少。然而，Ernst 等［51］發(fā)現(xiàn)，在自殺死亡者的背外側前額葉皮質中Cx43 的表達減少，提示星形膠質細胞連接蛋白的改變可能與自殺過程有關，并為星形膠質細胞參與精神病理提供了進一步的證據(jù)。Qi 等［52］的研究結果表明，Cx43 基因剔除小鼠的延遲神經(jīng)元遷移改變了成年小鼠的動物行為，動物行為測試顯示，在成人階段，神經(jīng)元Cx43 剔除小鼠表現(xiàn)出焦慮行為增加但沒有認知障礙。因此，可以推測，星形膠質細胞和神經(jīng)元之間的相互作用可能通過在遷移神經(jīng)元和靶向放射狀神經(jīng)膠質細胞之間形成Cx43 同源GJ，而在早期神經(jīng)元遷移過程中發(fā)揮重要作用。而上述假設還需要形態(tài)學變化的進一步證據(jù)證明。Bi 等［53］通過實驗證明，七氟醚通過激活發(fā)育中大鼠海馬c-Jun 氨基端激酶/細胞內(nèi)活化蛋白1 信號通路可誘導Cx43 上調(diào)和凋亡，并可引起青春期認知功能下降，而抑制該通路可減輕七氟醚誘導的Cx43 表達和細胞凋亡，改善七氟醚暴露于發(fā)育中大鼠大腦后的學習和記憶功能。因此，可以推測Cx43 在七氟醚誘導的神經(jīng)毒性中發(fā)揮重要作用，可為今后如何通過調(diào)控以上的信號通路改變Cx43 的表達來提高認知功能提供新的思路。綜上所述，Cx43 還與記憶障礙、焦慮及自殺等精神癥狀有關，因此，如何更好地調(diào)控Cx43 表達變化與上述精神癥狀發(fā)病的機制具有十分重要的意義。

4 小 結

隨著GJ 研究的深入，人們對Cx43 與人類疾病的關系有了進一步認識。通過對Cx43 與神經(jīng)精神疾病的研究，發(fā)現(xiàn)了Cx43 表達水平與創(chuàng)傷性腦損傷有一定的相關性，Cx43 表達水平降低可減輕腦水腫，抑制癲癇的發(fā)作，且Cx43 表達水平下調(diào)與Cx43磷酸化上調(diào)對神經(jīng)元的保護起到一定的作用。Cx43表達水平降低既可加重缺血損傷，又在腦缺血后表現(xiàn)出保護作用。此外，Cx43 的表達降低還存在于抑郁癥、記憶障礙、自殺死亡者、焦慮障礙中，說明Cx43 表達水平與神經(jīng)精神疾病有著直接或間接的關系，可通過對Cx43 表達水平的調(diào)控，達到對神經(jīng)精神疾病預防和治療的目的，但其具體機制尚待進一步研究。希望在Cx43 表達水平的精準調(diào)控方面取得突破，為神經(jīng)精神疾病的預防和治療的新靶點提供理論依據(jù)和實驗依據(jù)。