多效生長因子介導神經元修復作用的研究進展

席文華，劉文勛，，海克蓉，葉青山

(1.寧夏醫科大學，銀川 750004； 2.寧夏回族自治區人民醫院麻醉科，銀川 750002)

神經元是神經系統的基本結構和功能單位，其形態和功能完整是保證神經元正常生理活動的重要條件，當神經元損傷或死亡時，其調節、支配的器官和軀體會出現相應功能障礙，繼而引發各類疾病。神經元損傷給患者家庭和社會均造成沉重經濟負擔，因此神經元保護具有重要的臨床及現實意義。研究發現，神經元損傷后，機體可通過某些途徑激活神經膠質細胞內的效應蛋白并產生多種物質(細胞因子、神經營養因子等)，這些物質可刺激未受損神經元細胞出芽或形成新的突觸聯系[1]，從而修復神經功能。多效生長因子(pleiotrophin，PTN)是一種重要的促神經功能修復細胞因子，作為一種小分子陽離子蛋白，PTN具有很強的促有絲分裂和血管生成活性，且與一系列重要的生物學事件有關，包括神經再生、骨發育、炎癥、腫瘤轉移以及組織修復等[2]。因此，明確神經元修復過程中PTN相關作用機制，可以為腦損傷后功能恢復提供理論依據，為神經系統疾病的治療提供科學指導。現就PTN介導神經元修復作用的研究進展予以綜述。

1 PTN概述

PTN是一種強大的促有絲分裂因子，也稱為肝素結合生長相關分子，最初是由Rauvala[3]利用肝素凝膠從圍生期大鼠腦中分離出來。PTN基因位于7q33～7q34，長度約為100 kb，包含5個翻譯的外顯子和1個不翻譯的外顯子，PTN基因編碼168個氨基酸，其中前32個氨基酸均是與分泌有關的信號識別序列[4]。PTN主要表達于胚胎以及出生后早期的中樞和外周神經系統中，在子宮、睪丸中也有少量表達[5]。PTN分子結構的核心區有兩個β折疊結構域，這兩個β折疊結構域之間由一個可變的結構區相連，而每個β折疊結構域均由3個反向平行的β片層組成，PTN分子位于核心區兩側的N端和C端均含有豐富、成簇的賴氨酸并呈袖口樣[6]。PTN分子對下丘腦神經元的作用由β折疊結構域介導，但單個β折疊片段與受體結合的能力較弱，不能產生顯著的神經生長生物學效應，必須兩個β折疊片段共同作用才能發揮效應[7]。因此，PTN可通過調節細胞增殖、遷移和內皮細胞的血管生成等，促進神經系統發育[6]。

作為一種肝素結合的可溶性蛋白，PTN主要存在于發育的大腦中[3]，其與中期因子組成了肝素結合細胞因子家族，中期因子/PTN家族在神經發育、血管生成和組織再生中起重要作用[8]。目前關于中期因子/PTN的研究較多，但關于PTN在神經元修復中的作用研究較少，而神經元修復對保證正常神經功能至關重要。神經元由胞體、軸突和樹突組成，通常情況下胞體的損傷是不可逆的，而軸突和樹突的損傷可以修復。Paveliev等[2]研究表明，PTN可促進軸突和樹突的生長。此外，當神經元細胞缺血損傷后，其自身的PTN表達減少，而周圍的血管內皮細胞、巨噬細胞和星狀細胞被激活，導致PTN表達水平升高，從而促進神經元細胞的損傷后修復；當損傷后神經元細胞不能恢復正常功能、不能正常表達PTN時，該神經元細胞將發生變性、死亡[9]。因此，PTN的修復作用對神經元變性疾病至關重要。

2 PTN在神經元修復中的作用

2.1PTN對海馬神經元的保護作用 海馬是參與學習記憶的關鍵腦區，也是介導應激反應的主要腦區[10]。長期慢性應激可誘發海馬神經元受損，從而導致中樞神經系統紊亂[11]。PTN是一種分泌型生長因子，在中樞神經系統中作為神經調節肽發揮作用[4]。其與神經退行性疾病、神經功能紊亂以及學習和記憶有關。既往研究表明，PTN參與調節體外培養海馬神經元樹突和突觸的發生[12]。Tanga等[13]利用小干擾RNA沉默PTN在原代培養海馬神經元中的表達發現，PTN缺失可影響蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)信號轉導通路。此外，無論是在體內還是在體外，PTN缺失導致的胱天蛋白酶6過表達引起的神經元損害均可通過同時誘導雌激素受體1和MGST3等神經保護基因的表達而部分代償[14]。胱天蛋白酶6具有抑制突觸連接的作用，其在軸突變性中表達水平升高，因此胱天蛋白酶6可能介導了海馬PTN缺失導致的神經元退化和記憶障礙[15]；而MGST3則與海馬的大小有關[14]。雌激素受體1在嚙齒動物海馬部分區域神經元中的表達水平顯著升高，且與神經元的存活、可塑性以及發育有關[16]。以上研究均表明，PTN在海馬神經元保護中發揮重要的調節作用。

2.2PTN對多巴胺能神經元變性的保護作用 帕金森病是一種神經退行性疾病，其特征為黑質多巴胺能神經元逐漸喪失，導致紋狀體多巴胺水平逐漸降低；帕金森病主要影響運動功能，可導致運動遲緩、震顫、僵直和姿勢失衡，這些癥狀在大量多巴胺能神經元死亡后出現[17]。神經營養因子基因治療為帕金森病患者提供了更多選擇，因為PTN可通過提高產生多巴胺的神經元的存活率減緩疾病的進展，同時還可通過升高紋狀體內的多巴胺水平緩解運動癥狀[18-19]。

PTN參與黑質紋狀體多巴胺系統的發育，無論在體外或體內其對中腦多巴胺能神經元均具有神經保護作用，可促進多巴胺能神經元的存活和分化[20]。既往研究表明，在6-羥多巴胺誘導變性的多巴胺能神經元中，PTN過表達不僅可保護黑質神經元，還可恢復其功能[21]。此外，動物實驗也證明，PTN過表達對帕金森病模型小鼠具有神經保護作用[22]。但PTN保護多巴胺能神經元的具體機制目前尚不明確，未來還需進一步研究探索。

2.3PTN對苯丙胺神經毒性的神經保護作用 苯丙胺是一種中樞興奮藥，也是一種抗抑郁癥藥，具有較高的成癮性，可導致中樞神經系統嚴重的神經毒性效應[23]；此外，苯丙胺還是多巴胺轉運體的底物，其可通過對該轉運體的作用提高大腦神經突觸間的多巴胺水平[24]。既往研究表明，與野生型小鼠相比，PTN基因缺失小鼠的苯丙胺誘導的多巴胺能神經元損傷更嚴重[25]，表明PTN對多巴胺能神經元具有保護作用；Bertram等[26]的觀點與此一致，他們認為PTN可促進體外培養的多巴胺能神經元存活及可介導環腺苷酸對多巴胺能神經元的神經營養作用[26]。基于PTN對多巴胺能神經元的保護作用，推測PTN對苯丙胺藥物成癮的神經毒性也可能具有保護作用。Gramage等[27]研究表明，PTN對苯丙胺神經毒性有潛在神經保護作用，且其保護作用由胞外信號調節激酶1/2信號通路介導。苯丙胺的濫用給人類健康及社會均造成沉重負擔，而PTN有可能作為新的治療靶點，以保護苯丙胺對神經元的損傷。

2.4周細胞源性PTN對神經的保護作用 周細胞分布于體內多種微血管系統的內皮細胞與基膜之間，其不僅是微血管的構成成分，還在微血管的發生、發展、成熟以及再塑形過程中起重要作用[28]。在中樞神經系統中，周細胞位于形成血腦屏障的腦毛細血管內皮細胞、星形膠質細胞與神經元之間，周細胞在腦毛細血管水平的神經血管單位內的信號傳遞中起關鍵作用，并調節多種神經血管功能，在許多神經系統疾病中均可發現周細胞丟失[29]。

Kisler等[30]利用白喉毒素去除小鼠腦毛細血管中的周細胞，結果發現小鼠出現急性血腦屏障破壞、血流量嚴重喪失以及快速的神經元死亡。PTN是一種軸突生長促進蛋白，可以保護小鼠皮質和海馬神經元免受神經元生長介質消失后所致的細胞死亡、糖氧剝奪以及谷氨酸毒性誘導的細胞死亡；與其他分泌PTN的細胞相比，周細胞中的PTN表達更豐富，去除周細胞則可導致PTN水平顯著降低，同時皮質和海馬中的神經元減少20%～25%，原因可能為周細胞的快速丟失導致PTN的神經營養支持作用減弱甚至消失；雙重熒光原位雜交實驗證實，腦周細胞PTN信使RNA高表達；免疫印跡實驗顯示，腦周細胞中的PTN蛋白水平顯著升高，去除周細胞則導致周細胞來源的PTN丟失65%，同時腦毛細血管PTN蛋白丟失>60%；此外，與生理性腦脊液PTN相比，周細胞源性PTN的神經元保護作用更顯著[31]。通常情況下，PTN可與多種受體結合，并通過不同的信號通路介導神經膠質祖細胞的分化、軸突生長、突觸可塑性及血管生成等。神經元損傷后，PTN在星形膠質細胞中合成并分泌至細胞外基質中，然后與神經細胞表面的多配體蛋白聚糖3(syndecan 3，SDC3)結合，介導神經突觸生長和神經保護作用[32]。而周細胞源性的PTN是否通過此機制發揮神經元保護作用目前尚不清楚。此外，連續腦室內注射重組PTN可恢復周細胞去除小鼠的PTN丟失，阻止神經元死亡和行為缺陷[31]。以上研究表明，周細胞源性PTN對神經元具有保護作用，為PTN在分子水平上介導神經元保護提供了新思路。

2.5PTN依賴途徑的促神經元軸突生長作用 有研究對原代培養小鼠皮質神經元行糖氧剝奪處理，于糖氧剝奪復氧后再用可卡因-苯丙胺調節轉錄肽(cocaine- and amphetamine-regulated transcript，CART)處理則可抑制培養小鼠皮質神經元凋亡，促進軸突生長[33]。CART是一種分泌型神經肽，參與攝食、能量代謝、藥物成癮及戒斷、內分泌調節、應激反應、神經營養等重要的生理功能[34-35]。在動物腦缺血再灌注或神經元糖氧剝奪中，CRAT均以胞外信號調節激酶磷酸化的方式發揮神經保護作用[36]。CART對糖氧剝奪損傷神經元的修復作用依賴于PTN，并通過蛋白激酶A/胞外信號調節激酶途徑實現；轉染PTN小干擾RNA可抑制PTN蛋白表達，且無論有無CART，轉染PTN小干擾RNA的神經元均會出現軸突數量減少[37]，表明PTN對軸突生長非常重要，敲除PTN可直接影響軸突的發育。因此，CART可能通過PTN依賴的途徑促進軸突生長，從而修復糖氧剝奪后的神經元損傷。軸突的生長對于腦卒中導致的損傷神經元的恢復至關重要[38]。在腦卒中的病理生理過程中，受損的神經元細胞在形態學上發生了一系列改變(主要包括胞體腫脹、胞核偏向一側、尼氏體分散、損傷遠端的軸突)，從而導致軸突數量減少、形態縮小以及微絲微管縮短[39]。因此，恢復腦卒中后的軸突生長顯得尤為重要。此外，小干擾RNA介導的PTN基因敲除可完全抑制CART刺激的生長相關蛋白-43(growth associated protein-43，GAP-43)的表達增加[40]，表明CART可通過上調GAP-43的表達修復受損的皮質神經元，因此GAP-43可以促進軸突的生長。以上研究表明，促進神經元軸突和樹突的恢復對腦卒中及其他神經退行性疾病至關重要。因此，未來深入研究PTN和CART，可能為腦卒中及其他神經退行性疾病的治療提供新靶點。

2.6PTN對新生神經元的調節作用 在哺乳動物大腦發育過程中，神經元和膠質細胞均是由神經干細胞產生，出生后，多數區域的神經發生會逐漸停止，只有側腦室下區和海馬顆粒下區仍持續產生神經元和膠質細胞，這是大腦動態平衡所必需。作為一種分泌型神經營養因子，PTN高表達于發育中的神經系統，尤其在側腦室下區和海馬顆粒下區的神經干細胞群體中高度富集[41]。Tang等[42]發現，在側腦室下區和海馬顆粒下區，神經干細胞持續向新生神經元供應PTN，而敲除PTN基因后，成年海馬區新生神經元樹突發育和樹突形成均出現缺陷。由此可見，神經干細胞來源的PTN是海馬神經元樹突發育所必需。

同時，PTN還是一種神經發育調節生長因子，在腦發育中發揮不同作用，包括細胞增殖、神經元遷移和軸突生長[4]。已有研究表明，成年海馬神經干細胞通過分泌PTN激活成年海馬新生神經元的間變性淋巴瘤激酶(anaplastic lymphoma kinase，ALK)-Akt信號通路，從而調節新生神經元的發育，且隨著年齡的增長，海馬組織中PTN的表達和PTN介導的ALK-Akt信號活性均降低，而補充PTN或激活Akt信號通路則可恢復年齡誘導的新生海馬神經元發育缺陷[42]。另有研究發現，PTN缺乏可損害成年海馬新生顆粒細胞的成熟和整合[41]，進一步證明了PTN在神經元發育中起重要作用。綜上可知，PTN在成年海馬區新生神經元發育中起重要作用，同時還可促進樹突生長，這為其在神經元病變中的應用提供了理論基礎。

3 PTN介導的神經元修復信號轉導通路

PTN是一種可溶性、分泌性神經營養因子，需要與不同的受體結合才能發揮生理作用，即可溶形式的PTN不能發揮其促進神經元軸突生長和神經元保護的功能。此外，PTN在成人體內表達較少，但在許多損傷或創傷后的再生組織中均有表達[43]。PTN的不同功能由細胞膜上的受體和PTN介導的細胞內信號通路決定(圖1)[4]。

3.1PTN-SDC3信號通路 SDC3是PTN的細胞表面受體，可以介導PTN促進軸突生長的作用[44]，且主要通過SDC3的硫酸乙酰肝素側鏈發揮作用[45]。在發育中，SDC3作為PTN的受體或與其他分子共同構成受體，參與介導PTN在中樞神經元中的促軸突生長和軸突導向作用[46]。PTN-SDC3通路可能通過激活c-Src-Cortactin-tubulin途徑發揮調節軸突生長的作用(圖2)[44]。表明PTN-SDC3信號通路在神經元軸突生長過程中發揮重要作用，這為治療神經元損傷相關疾病提供了新思路。

PTN：多效生長因子；RPTPζ：受體蛋白酪氨酸磷酸酶ζ；ALK：間變性淋巴瘤激酶；Neuroglycan-C：神經多糖-C；LRP：低密度脂蛋白受體相關蛋白；Integrin：整合素；N-syndecan/syndecan 3：多配體蛋白聚糖3；ERK：胞外信號調節激酶；Akt：蛋白激酶B；STAT5：信號轉導及轉錄激活因子5；PI3K：磷脂酰肌醇-3-激酶；mTOR：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白；MEKK：促分裂原活化的蛋白激酶激酶激酶；JNK：c-Jun氨基端激酶；Src：肉瘤基因；Rho：Ras同源物；PKCα：蛋白激酶Cα；Rac1：Ras相關的C3肉毒素底物1

PTN：多效生長因子；SDC3/Syndecan 3:多配體蛋白聚糖3;HB-GAM:肝素結合生長相關分子；c-Src:非受體酪氨酸激酶；Cortactin:皮質肌動蛋白結合蛋白；Tubulin:微管蛋白；Neurite Outgrowth:軸突生長

3.2PTN-受體蛋白酪氨酸磷酸酶ζ(receptor protein tyrosine phosphatase ζ，RPTPζ)信號通路 作為PTN的主要受體，RPTPζ在中樞神經系統中以硫酸軟骨素蛋白多糖的形式存在，在控制軸突生長和神經元遷移方面具有重要作用[12]。Mencio等[47]研究表明，RPTPζ可調節小腦發育過程中浦肯野細胞樹突的形態發生。此外，PTN和RPTPζ還在人腦白質中高表達，PTN-RPTPζ信號通路在發育中的髓鞘生成以及損傷后的髓鞘再生過程中均可促進少突膠質前體細胞分化，其部分機制是通過增強肌動蛋白絲相關蛋白1相似蛋白2的酪氨酸磷酸化進而激活磷脂酰肌醇-3-激酶/Akt通路實現[13]。RPTPζ與PTN的相互作用導致RPTPζ固有的酪氨酸磷酸酶失活，并通過改變RPTPζ構象，使底物無法進入其特定結構域的活性位點發揮作用[48]。此外，PTN-RPTPζ信號通路還表達于海馬神經元，參與學習記憶的調節[49]。PTN-RPTPζ通路在免疫細胞和炎癥性疾病中表達則提示該通路可能在炎癥中起重要作用[48]。綜上可知，PTN-RPTPζ信號通路通過調節軸突和樹突的發育以及神經元的遷移，誘導膠質細胞分化，同時還參與了免疫調節。

3.3PTN-ALK信號通路 在某種情況下，PTN也能通過ALK受體發揮作用。ALK是一種表達于成年哺乳動物海馬的受體酪氨酸激酶，高表達于發育的神經系統[4]；且PTN誘導的胚胎神經元軸突生長少部分也歸因于ALK和糖原合成酶激酶-3β/β聯蛋白/GAP-43通路的激活[50]。此外，PTN-ALK信號通路還可介導神經元損傷后的修復。有研究表明，PTN-ALK軸與成年大鼠神經元修復密切相關[51]。Wang[52]研究發現，PTN通過ALK信號通路介導運動神經元的神經營養作用。還有研究表明，PTN通過ALK激活Akt信號通路，促進新生神經元的形態成熟和突觸整合[42]。以上研究均表明，PTN-ALK信號通路在神經系統中發揮重要作用。此外，ALK還參與基礎海馬前體細胞的增殖，其缺乏可導致小鼠行為測試改變[53]。在PTN-ALK信號通路中，PTN既可直接激活ALK，也可通過抑制PTPRζ的磷酸酶活性調節ALK的磷酸化水平，進而觸發PTN-ALK信號通路[48]。

3.4其他信號通路 神經多糖C是一種腦特異性硫酸軟骨素蛋白多糖，可促進皮質神經元軸突生長。神經多糖C參與發育中的中樞神經系統的神經發生和(或)突觸發生[54]。此外，少突膠質細胞前體的突起延長也是由神經多糖C介導[55]。Aletsee等[56]研究發現，應用αvβ3整合素有效抑制劑后，細胞外基質中培養的耳蝸螺旋神經節神經元的平均軸突長度顯著縮短，表明PTN可通過αvβ3整合素通路影響螺旋神經節神經元的軸突生長[26]。此外，低密度脂蛋白受體相關蛋白1也可與PTN結合發揮多種功能，是感覺神經元的重要神經營養因子[57]。近年，另一種硫酸乙酰肝素蛋白多糖——磷脂酰肌醇蛋白聚糖2被鑒定為PTN誘導軸突生長的介質[58]，但其具體作用機制目前尚不明確。

4 小 結

作為一種神經調節肽，PTN作用廣泛。但PTN的不同作用取決于其激活的信號通路。截至目前，參與PTN信號通路的許多分子仍然未知，因此有必要進行更深入的研究(包括蛋白質組學和基因組學方法的使用、體內和體外的研究)，以闡明PTN所涉及的完整的分子機制、明確PTN在不同疾病中的特異性受體和細胞內信號通路，從而為相關新藥的研發奠定基礎。由于PTN在神經元修復和發育過程中發揮重要作用，其可能成為神經系統性疾病治療的靶點。未來，在神經元修復的不同階段調控PTN的表達，或許可達到治療目的，并為臨床治療神經系統難治性疾病提供理論依據。