p75神經營養因子受體在神經退行性疾病中的作用

秦曉穎,劉 剛,廖 紅

(中國藥科大學新藥篩選中心，江蘇省藥效研究與評價服務中心,江蘇 南京 210009)

神經退行性疾病是一組由神經元變性和缺失為基礎的慢性、進行性神經系統疾病的總稱。其病理基礎為神經元的變性或其髓鞘的喪失。臨床上主要包括阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、亨廷頓病(Huntington’s disease,HD)、肌萎縮性側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、多發性硬化(multiple sclerosis,MS)等疾病。

神經營養因子在神經元的發育、存活、軸突生長、突觸連接和損傷反應等各個方面均發揮著重要的作用,對維持正常的腦部功能和損傷后的功能恢復至關重要[1]。神經營養因子包括神經生長因子(nerve growth factor,NGF),腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF),神經營養因子3、4(neurotrophin-3, 4,NT-3, 4)等,它們需要與特定的受體結合才能發揮作用。與神經營養因子的高親和力受體——酪氨酸激酶受體(tyrosine kinase receptor,Trk)相比,其低親和力的受體p75神經營養因子受體(p75NTR)的作用一度被忽視,但是最新的研究表明,p75NTR在神經退行性疾病的發生發展中有重要作用[1-2]。p75NTR是包括NGF、BDNF、NT-3、NT-4在內的多種神經營養因子的低親和力受體。它在發育早期的神經元中廣泛表達,但在成年個體中表達量極低。近期的研究發現,在損傷和疾病過程中,p75NTR表達量急劇上升,并發揮了促進神經元凋亡以及促進軸突回縮和軸突變性的作用[2]。因此,神經系統損傷和疾病過程中p75NTR的作用和針對p75NTR的藥物開發引起了人們的廣泛關注。本文介紹了p75NTR在神經退行性疾病過程中的多種作用和其信號轉導機制,并探討了其抑制劑成為治療神經退行性疾病藥物的潛在價值。

1 p75NTR的結構特點

神經營養因子受體p75NTR是一條分子量為75 ku的單鏈跨膜蛋白,屬腫瘤壞死因子受體(TNFR)超家族成員；由1個信號肽、包含4個半胱氨酸的胞外域、疏水的跨膜區以及1個富含堿性氨基酸的胞內結構域組成[3-4]。p75NTR一般以二聚體形式存在,其二聚體由單體胞外結構域中高度保守的Cys257(大鼠)或Cys259(小鼠)形成二硫鍵相連。p75NTR的二聚化是其與神經營養因子和神經營養因子前體結合的必要條件。研究發現,Cys257(大鼠)或Cys259(小鼠)突變后,p75NTR不能形成二聚體,顯著抑制了神經生長因子前體(pro-nerve growth factor,proNGF)與p75NTR的結合，從而減少的海馬神經元的凋亡[3]。研究發現,p75NTR能夠被金屬蛋白酶剪切,生成一條28 ku的與細胞膜相連的C端結構域片段(carboxy-terminal fragment,CTF)。其CTF會進一步被γ-分泌酶剪切成可溶性的胞內結構域(Intracellular domain,ICD)片段。p75-ICD可以進入細胞核從而影響多種轉錄因子的轉錄,從而介導凋亡、生長、腫瘤細胞遷移等眾多的信號通路[4]。

在不同的細胞環境下,p75NTR與神經營養因子或其前體結合,調節多條信號通路。p75NTR促存活和促凋亡的作用與其在不同微環境中的配體和共受體有關。例如：p75NTR與Trk受體結合時提高了成熟的神經營養因子與Trk受體結合的親和力,促進了細胞生存、分化和生長,從而促進發育階段的神經發生和病理狀態下腫瘤細胞的生長[4]。與之相反,p75NTR與神經營養因子前體結合時,神經營養因子前體的前肽結構域抑制了p75NTR與Trk受體的結合,并通過與分揀蛋白sortilin結合,從而進一步提高前體與p75NTR的親和力。因為p75NTR與神經營養因子前體結合時通常誘導細胞凋亡,抑制突觸功能,所以其在神經系統疾病的發展中發揮重要的作用。

2 神經退行性疾病中p75NTR的表達情況

研究發現,在炎癥相關的神經系統疾病中周圍和中樞神經系統的神經元和膠質細胞的p75NTR表達上調。ALS和MS疾病中,脊髓運動神經元的p75NTR表達上調,誘導運動神經元的凋亡并造成神經功能的障礙[5-6]。在MS患者和自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)實驗小鼠脊髓的少突膠質細胞中p75NTR表達的增加,進而介導脫磷鞘和神經變性[7-8]。在腦中,顱腦外傷、癲癇、AD、PD及HD均會造成p75NTR的表達升高[2]。研究發現顱腦損傷后的損傷處的神經元細胞會上調p75NTR的表達[9]。戊四氮誘導的大鼠癲癇模型的大腦皮質和海馬神經元表達p75NTR[10]。最后,AD、PD和HD病人和模型小鼠的皮質、海馬和基底前腦膽堿能神經元中的p75NTR顯著上調[11-14]。

p75NTR在這些神經系統疾病中通常促進疾病的發生發展。由于p75NTR介導了眾多的下游通路,不同的疾病中p75NTR的作用可能并不相同；在同一疾病中p75NTR也往往介導多條通路,通過介導神經細胞凋亡,促進軸突變性,影響突觸可塑性等多種途徑造成認知和記憶功能障礙,進而造成神經退行性疾病的發生和惡化。

3 p75NTR促進神經退行性疾病的發生發展

早年的研究證明，p75NTR具有促進運動神經元凋亡和介導少突膠質細胞脫髓鞘的作用,從而引發了人們對p75NTR在神經退行性疾病中作用的關注。近期的研究發現，抑制p75NTR的表達和功能,在多種神經退行性疾病中有保護作用,例如：抑制p75NTR能夠有效減緩ALS疾病模型和AD疾病模型的病程。下文將具體闡述p75NTR在損傷和疾病中的具體作用。

3.1 損傷和疾病中p75NTR介導細胞凋亡目前，發現ALS、脊髓損傷、顱腦外傷、AD等損傷和疾病狀態下p75NTR介導神經元凋亡。具體而言,研究發現ALS模型小鼠(SOD1G93A)的脊髓運動神經元中,NGF的糖基化終產物通過與p75NTR的結合,促進運動神經元的凋亡,從而加劇機體的神經損傷[6]。脊髓損傷后,損傷引發pro-NGF的大量表達,而pro-NGF通過激活p75NTR介導了少突膠質細胞凋亡。p75NTR敲除后,p75NTR敲除鼠在損傷后產生的少突膠質細胞的凋亡減少[15]。在多種腦損傷模型中,p75NTR能夠介導大腦皮質和海馬的神經元凋亡。在控制性皮質撞擊(controlled cortical impact,CCI)腦外傷模型中,proNGF通過p75NTR介導皮質和海馬的神經元和少突膠質細胞的凋亡[9,16]。在側向液壓沖擊傷的腦外傷模型中,proNGF通過p75NTR介導海馬和丘腦的神經元凋亡[16]。AD病人腦脊液中腦源性神經營養因子前體(pro-brain-derived neurotrophic factor,proBDNF)、sortilin和p75NTR表達的升高[17]。通過APP/PS1 AD模型小鼠,研究發現proBDNF在活性氧(reactive oxygen species,ROS) 在作用下被糖基化修飾,不會降解為成熟的BDNF,大量的proBDNF通過sortilin激活p75NTR ICD的內化入核,從而介導海馬神經元的凋亡[17]。總之,在神經營養因子前體尤其是proNGF和proBDNF的作用下,p75NTR與sortilin結合,在損傷后的神經元和少突膠質細胞中主要介導凋亡通路,造成神經元和少突膠質細胞數目減少,并引起神經功能障礙。而在戊四氮誘導的大鼠癲癇模型中,proBDNF通過液泡蛋白分選受體(sortilin related VPS10 domain containing receptor 2,sorCS2)而非sortlin激活p75NTR通路并不會明顯的導致細胞數目的減少,提示proBDNF可能并不是通過凋亡誘發癲癇的。研究發現proBDNF作用于大腦皮質神經元的p75NTR后通過誘導神經元的異常放電增加癲癇的發生風險[10]。

3. 2 p75NTR在軸突變性中的作用神經營養因子受體p75NTR除了在神經元凋亡中發揮重要的作用,還在軸突生長、軸突的分布和可塑性方面發揮作用。胚胎干細胞分化得到的神經元中p75NTR的異常表達導致了軸突回縮[18]。p75NTR通過激活Rho通路,介導生長錐的回縮和軸突變性。在神經元和少突膠質細胞表面,髓鞘蛋白Nogo,髓鞘關聯糖蛋白(myelin associated glycoprotein,MAG)和髓鞘少突膠質細胞糖蛋白(myelin oligodendrocyte glycoprotein,MOG)等配體與p75NTR/Nogo R/Lingo復合物結合,促進Rho鳥苷酸解離抑制因子(Rho guanine nucleotide dissociation inhibitors, RhoGDI)與p75NTR的相互作用,從而激活Rho-A通路和Rho-A的效應器ROCK,進而使肌球蛋白輕鏈(myosin light chain,MLC)磷酸化,活化MLC,刺激肌球蛋白與肌動蛋白的結合,促使肌動蛋白微絲F-actin的積聚和應力纖維形成,最終由應力纖維的收縮引起軸突生長錐的回縮[18]。盡管髓鞘蛋白與神經營養因子作用于p75NTR導致軸突變性的具體機制尚不完全清楚,公認的是,多種神經退行性疾病中包裹髓鞘的神經纖維出現了脫髓鞘現象。抑制p75NTR可以改善神經元軸突的回縮和變性,最終改善神經功能障礙。

3.3 p75NTR影響認知和記憶功能神經營養因子受體p75NTR在神經元凋亡和突觸可塑性變化中的作用可以直接影響認知和記憶的功能,從而在AD和其它認知衰退的疾病中起重要的致病作用。許多研究發現在AD模型鼠和HD模型鼠中,抑制p75NTR信號通路的激活顯著的改善了認知和記憶的功能[11-14]。AD相關的體外的研究顯示p75NTR在高濃度的淀粉樣-β(Aβ)誘導的細胞凋亡中起直接作用,Aβ能夠通過與p75NTR胞外域直接結合介導神經元的凋亡,抑制p75NTR可以有效抑制Aβ誘導的細胞凋亡[19-20]。在APP/PS1 AD模型小鼠中,腦中沉積的有神經毒性的Aβ與p75NTR結合后,導致神經元的凋亡和神經炎性營養不良,并造成認知和記憶功能的障礙,而p75NTR敲除鼠該癥狀明顯得到緩解[19-20]。另外,HD模型小鼠中p75NTR介導的軸突變性促進R6/2 HD模型小鼠軸突數目和軸突定向分布的減少,從而造成認知功能的障礙[14]。

p75NTR還可能通過影響突觸功能和突觸可塑性影響學習記憶的生成。海馬神經元中BDNF與p75NTR的結合將引起海馬CA1區神經元的長時程增強(long-term potentiation,LTP),促進學習記憶的形成；proBDNF與p75NTR的結合將引起海馬CA1區神經元的長時程抑制(long-term depression,LTD),影響學習記憶的形成[21]。在體外培養的海馬腦片中加入proBDNF，發現proBDNF通過降低海馬神經元的樹突棘密度和分支的復雜性,抑制突觸可塑性[22]。另外,敲低p75NTR可以抑制HIV1病毒的殼膜蛋白結構gp120蛋白造成的海馬樹突棘密度和分支的復雜性的降低[23]。總之,這些研究表明,神經損傷和疾病過程中上調的p75NTR和神經營養因子前體通過降低樹突棘密度和分支的復雜性,抑制了突觸可塑性。因為突觸可塑性對認知和記憶功能有重要的作用,所以p75NTR很有可能通過抑制突觸可塑性造成認知和記憶功能障礙。

4 靶向神經營養因子受體p75NTR的潛在治療藥物

利用神經營養因子的潛在保護作用,一直是開發治療神經疾病藥物的重點。而在最近的研究中,神經營養因子受體p75NTR作為治療神經退行性疾病的潛在藥物開發靶點已逐漸得到認可[2,4]。p75NTR在神經元和其它細胞中在損傷和氧化壓力情況下應激上調,使得針對該靶點的藥物對受損細胞的作用更有選擇性而對正常細胞副作用較小。考慮到p75NTR的廣泛作用,能直接作用于特定的結構域,有選擇性地調節p75NTR個別信號通路的抑制劑可能成為非常好的治療神經退行性疾病的潛在藥物。目前,p75NTR通路的抑制劑主要有LM11A-31、LM11A-24、c29、TAT-Pep5和EVT901。這些p75NTR通路的抑制劑對于神經退行性疾病的作用除了LM11A-31之外均處于臨床前研究的階段,其安全性和藥效均有待于進一步的評價和研究。

LM11A-31第一個用于調節p75NTR信號的非肽小分子配體是LM11A-31,它是Massa等通過硅片篩選確定的。LM11A-31模仿了NGF loop1的結構,可以選擇性地抑制NGF和proNGF與p75NTR的結合,從而抑制proNGF通過p75NTR介導的下游通路。LM11A-31能夠在皮摩爾濃度抑制培養的神經元死亡[24],并在AD、HD、創傷性顱腦外傷等疾病的模型中能促進神經元的存活并改善認知和記憶功能的恢復。研究顯示,在Thy-1 hAPPLond/Swe(APPL/S)和Tg2576兩種AD模型小鼠中,LM11A-31能夠抑制Aβ誘導的小鼠海馬和大腦皮質的神經元死亡,并逆轉Aβ誘導的tau蛋白的過度磷酸化和Akt促存活通路的失活[24-26]。LM11A-31能夠抑制Aβ誘導的有害信號,包括細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶5(cyclin-dependent kinase 5,CDK5)、糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK3β)和JNK等信號的激活,從而逆轉Aβ介導的海馬神經元凋亡和神經炎性營養不良[24-25]。LM11A-31還能保護膽堿能神經元軸突的完整性,減少神經纏結并改善APPL/SAD模型鼠的認知功能[26]。而在創傷性顱腦外傷中,LM11A-31能夠改善小鼠腦損傷區域神經元的存活和增殖,促進海馬的神經發生,從而改善小鼠顱腦外傷后空間記憶的喪失[27]。因為LM11A-31具有可以口服,可以穿過血腦屏障的良好的藥理學特性[24],其被預測具有潛在的藥物價值。目前，LM11A-31對AD的治療作用臨床Ⅱ期試驗已結束,結果尚未公布。其對除AD外其它神經退行性疾病的作用和作用機制的研究可能可以拓展其應用價值。

LM11A-24LM11A-24是另一個調節p75NTR信號的非肽小分子配體。LM11A-24的結構和作用原理與LM11A-31相似,但其對疾病的改善效果不如LM11A-31。在APPL/S小鼠AD模型中,LM11A-24能夠抑制tau的過度磷酸化,減輕腦內的炎癥,但不能抑制tau的異常折疊,最不利的是其對AD模型小鼠的空間認知記憶功能沒有明顯的改善作用[26]。

c29模擬p75NTR胞內近膜區結構的細胞滲透性肽c29,可以抑制p75NTR介導的死亡通路并通過與TrkA和TrkB結合促進NGF和BDNF介導的促存活通路[5]。c29可以抑制模擬ALS的SOD1G93A模型小鼠的運動神經元的凋亡,并促進BDNF和TrkB介導的促神經存活,從而增加ALS模型小鼠運動神經元的存活并延緩疾病的進程[5]。

TAT-Pep5TAT-Pep5,p75NTR死亡結構域的藥物抑制劑是一種細胞滲透性肽,可以特異性抑制p75NTR與RhoGDI的結合從而抑制p75NTR對RhoA通路的激活。同時,有研究發現p75NTR能夠有效的減少CCI顱腦外傷后的大腦皮質神經元的死亡從而減小腦梗死體積,改善顱腦外傷后的神經功能障礙[9]。

EVT901EVT901,一種哌嗪衍生物,是p75NTR的選擇性拮抗劑,通過與p75NTR的胞外富半胱氨酸結構域直接作用來抑制p75NTR寡聚化,從而抑制p75NTR與proNGF的結合,并能抑制p75NTR與其它神經營養因子前體以及單體比如與朊蛋白肽以及與Aβ的結合[16]。在CCI和側向液壓沖擊傷兩種顱腦外傷小鼠模型中EVT901均可以有效的抑制proNGF介導的神經元凋亡。EVT901在CCI模型中可以減少皮質和海馬的神經元凋亡從而減小梗死體積,并能抑制腦內的炎癥，從而改善顱腦外傷后的認知和運動功能障礙[16]。在側向液壓沖擊傷模型中EVT901可以減少海馬和丘腦的神經元凋亡,從而減輕顱腦外傷后的認知障礙并減少繼發癲癇的風險[16]。

神經退行性疾病目前尚沒有較好的治療藥物,對神經退行性疾病的不斷認識與深入研究,不僅有助于理解該病的病理機制,更有望為神經退行性疾病臨床診斷提供新指標、為神經退行性疾病的治療提供新靶點和新方向。p75NTR在神經損傷和疾病狀態下表達上調,并可能清除受損的神經元、軸突和突觸連接。在神經退行性病變如AD,PD,HD中,p75NTR通過造成神經元凋亡和軸突變性影響認知和記憶功能,從而參與疾病的進程。神經退行性疾病中p75NTR激活的下游通路眾多。p75NTR在NGF和BDNF的作用下一般通過促進NGF,BDNF和trk受體的結合發揮促存活作用；p75NTR在proNGF和ProBDNF的作用下與sortlin結合時介導凋亡通路；與RhoGDI結合時介導軸突變性,p75NTR與Aβ結合時介導Aβ毒性相關的多種信號通路。但是，促進p75NTR表達上調的機制尚不清楚,細胞如何決定p75NTR結合的配體和共受體從而選擇其激活的下游信號通路也尚不清楚。在不同疾病模型中選擇不同的p75NTR通路抑制劑,靶向抑制p75NTR的促凋亡、促軸突變性通路、Aβ毒性相關通路,對未來神經退行性疾病的藥物的開發具有重要意義。因此,全面、系統地闡述p75NTR在神經退行性疾病中的作用,將為神經退行性疾病病理機制研究和藥物新靶點的發現提供重要的理論和實驗依據。