少突胶质前体细胞迁移调控分子研究进展

蔡沅锜 石长贵(综述) 肖 林(审校)

少突胶质前体细胞(oligodend rocy te precursor cell,OPC)是一类特殊表达NG 2硫酸软骨素多聚糖蛋白的胶质细胞(NG2细胞)。OPC不仅存在于神经系统发育过程中,而且在成年人脑内也有相当的数量,它们的功能主要是分化成为成熟的少突胶质细胞,形成髓鞘。但也有研究表明其在体内还可能分化成为星形胶质细胞,甚至神经元等[1]。OPC最早起源于胚胎期腹侧端脑区以及发育后期的室管膜下区,在胚胎晚期和新生早期OPC在众多信号分子的共同参与和调控下经一定距离的迁移后到达其轴突靶点区域,分化形成少突胶质细胞(oligodendrocyte,OL),最终形成中枢神经系统中有髓神经纤维的髓鞘,成为神经冲动跳跃式传导的结构基础。另一方面,在脱髓鞘疾病如多发性硬化等病理条件下OPC能快速增殖并迁移到髓鞘损伤区,参与髓鞘的再生及功能恢复。因此,深入研究OPC迁移的机制不仅有助于我们了解神经系统的发育过程,更可为临床上治疗脱髓鞘疾病提供了新的思路。近年来,这方面的研究取得长足的进展,很多参与调控OPC迁移的重要蛋白分子被陆续发现,其机制也被逐渐阐明,以下将这些相关蛋白和分子在介导OPC迁移过程中的作用进行分类介绍。

1 生长因子

调节OPC迁移的生长因子类分子主要有血小板衍生生长因子(p latelet-derived grow th factor,PDGF)、碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblastic grow th factor,bFGF)、肝细胞生长因子(H epatocyte Grow th Factor,HGF)和表皮生长因子(epidermal grow thfactor,EGF)。OPC细胞表达有丰富的PDGFRα(该受体也作为OPC细胞常用的特异标记蛋白),PDGF通过与该受体结合能明显促进OPC增殖和迁移,Fruttiger等在PDGF-A基因敲除的老鼠模型上发现,其大脑皮层、脑干、脊髓、视神经等处OPC和OL的数量明显减少[2]。有研究发现PDGF不仅大大提高了OPC的迁移能力,还能作为一种化学吸引因子引导OPC迁移的方向[3],可见PDGF在OPC迁移过程中的重要性。OPC还可表达FGFR1、FGFR2、FGFR3,但仅有 FGFR1与OPC迁移有关,bFGF通过该受体对OPC的迁移也有着强大的促进作用,Bribian等用不同浓度的bFGF培养OPC,结果发现OPC迁移速度以剂量依赖方式增加,当bFGF的浓度为20ng/m l时OPC迁移速度达到最大[4]。前有学者发现由星形胶质细胞产生的白细胞介素IL-1a对OPC的迁移影响不大,但体外实验证实在bFGF培养液中添加IL-1a,OPC迁移能力较单纯的FGF-2明显增强。HGF在OPC迁移过程中主要起到化学驱动作用,Yan等研究发现HGF能使OPC迁移范围更广,迁移速度较正常加快2.5倍,同时检测到肌动蛋白和β1微管蛋白的表达明显增加[5],因此推测HGF主要通过影响细胞骨架来促进OPC迁移,但具体机制还有待阐明。发生迁移的OPC表皮生长因子受体(EGF receptor,EGFR)表达明显高于非迁移细胞,且实验证明通过上调细胞表面EGFR的表达可明显加快OPC的迁移[6],因此认为EGF也能促进OPC的迁移。

2 趋化因子

Netrins-1是一个著名的轴突导向因子,近年来发现它对OPC的迁移也具有重要的作用。Netrins-1主要分布于脊髓和视神经中,Netrins-1通过化学排斥作用对OPC的迁移运动既能提供反向的推动力又能终止OPC前进,犹如交通路口的红灯。在胚胎期脊髓发育过程中由靠近OPC起源处的底板细胞产生的Netrins-1能促使OPC从基发源向外迁出,并进一步促进OPC由脊髓腹侧向背侧迁移。间脑腹中侧细胞表达的Netrins-1也能排斥OPC,促使OPC由视交叉迁出,并沿着视神经向四周迁移,而在视网膜及视神经乳头处表达的Netrins-1则对从远处向视网膜方向迁移过来的OPC发出终止迁移的信号,从而防止 OPC迁移入视网膜[7]。实验表明在早期脊髓发育中Netrins-1主要通过受体DCC和Unc5H 1介导了OPC由腹侧向背侧迁移的化学排斥作用,Jarjour等实验也发现DCC表达缺乏时,OPC由脊髓腹侧向背侧的迁移过程明显受损。

Semaphorins是一类分泌的、跨膜蛋白大家族,由于结构式中氨基端有“sema”区域而得名。Sema-3作为一种信号蛋白,其最早的研究集中在对神经元迁移和神经轴突导向方面。最近发现,它们也是一类调节OPC迁移的活跃参与者。与Netrins-1分子的单一排斥作用不同,Sema-3的不同亚型对OPC的迁移有的具有排斥作用,有的则表现为吸引作用。其中Sema-3A在大脑发育早期对OPC迁移主要起到化学排斥作用,其机制主要由表达在OPC上的 Neunophins与Plexin-A复合成的受体与Sema-3A结合所介导,Cohen发现正在发生迁移的OPC有丰富的Neunophins-1表达,但随着OPC的分化其表达量明显减少[8],Okada等则发现,当干扰OPC表面的Plexin-A 4表达时,Sema-3A的排斥迁移效应明显被阻断,因此认为Plexin-A4能作为一种信号分子调节Sema-3A的作用[9]。与Sema-3A不同,Sema-3F对OPC具有双重作用,既可促进OPC迁移,还能诱导OPC的有丝分裂。研究发现表达于视网膜处的Sema-3F能通过化学吸引作用,促进OPC向视网膜方向迁移,其促迁移效应主要由OPC表达的Neunophins-2所介导。实验同时发现OPC的迁移作用并不受Sema-3C和Sema-3E这两个亚型的影响[10]。可见Sema蛋白作用的复杂性,因此有待进一步深入研究。

CXCL1是一种炎症趋化因子,主要由白质星型胶质细胞分泌,对OPC的迁移具有抑制作用。研究发现CXCL1本身并不能影响OPC的运动和形态,但能减弱 PDGF的促OPC迁移效应,降低层粘连蛋白促OPC迁移的速度,而且还能影响OPC与底物之间的相互作用,增强它们的粘附,从而发挥其抑制OPC迁移的功能[11]。其效应主要由OPC表达的受体CXCR2所介导,Padovani等发现CXCR2基因敲除的小鼠脊髓白质处髓鞘发育不良,提示白质处表达CXCL 1能够抑制OPC继续迁移,使其停留在特定区域,进一步分化成为少突胶质细胞,形成髓鞘[12]。另外,有研究发现多发性硬化患者脱髓鞘病灶周围区域CXCL1表达明显上调,推测其可能抑制OPC向病灶区的募集,成为髓鞘再生的障碍之一[13]。Kerstetter造脊髓脱髓鞘损伤模型,并给予CXCR2中和抗体或拮抗剂阻断CXCL1/CXCR2的信号,结果发现其不仅有助于OPC的募集,更促进了OPC分化成为少突胶质细胞,使病灶处髓鞘恢复显著加快[14]。因此,CXCL 1/CXCR2可能介导了脱髓鞘的发生,并为临床治疗脱髓鞘疾病提供了一个新的靶点。

3 细胞外基质蛋白

许多细胞外基质蛋白成分已被证实能影响OPC迁移,如层粘连蛋白(laminin)、纤连蛋白fibronectin)、玻连蛋白vitronectin)、分层蛋白(merosin)、整合素(integrin)及健生蛋白(tenascin-C)等,不同的细胞外基质蛋白对OPC迁移的作用不一。

在滤过膜迁移实验中附有纤连蛋白与层粘连蛋白-2的膜可促进OPC迁移,相反附有可溶性的纤连蛋白与层粘连蛋白-1的滤过膜而对OPC迁移却无刺激作用,说明纤连蛋白与层粘连蛋白需与底物相结合才能促进OPC的迁移。研究发现tenascin-C基因突变后OPC的迁移速率明显增加,同时视神经乳头处也检测到tenascin-C的表达,推测tenascin-C具有防止OPC迁移入视网膜的作用,但进一步研究显示tenascin-C基因突变的鼠视网膜中也并没有OPC的存在,仅仅发现少数OPC过早迁移至视神经乳头,因此在此过程中tenascin-C可能与其它蛋白共同发挥作用,而且其作用是可被其它分子代偿的,如前所述的Netrins-1[15]。整合素是细胞外基质蛋白受体家族成员之一,OPC能够表达αvβ1整合素,并通过与纤连蛋白和玻连蛋白结合促进OPC迁移,αvβ1整合素表达缺陷或功能抑制均可降低OPC的活动能力,从而抑制OPC的迁移。

4 粘附分子

OPC自身能表达多种粘附分子及其受体,并参与其自身的迁移过程。OPC迁移时特殊表达的蛋白聚糖NG2即是一种黏附分子,当OPC发生分化后NG2表达明显下调,在胚胎期或生后早期利用抗体阻断NG2的表达,结果发现OPC的迁移减少。

OPC可表达聚唾液酸化-神经细胞粘附分子(Polysialylated-neural cell adhesion molecule,PSA-NCAM),且随其分化而下调。在迁移过程中PSA-NCAM主要发挥抗粘附作用,使得细胞与细胞之间发生滑动,从而促进OPC的迁移过程顺利进行。而当缺乏PSA时,尽管细胞仍能迁移,但并不能形成迁移细胞链。PSA-NCAM还参与了PGDF的促OPC迁移效应,而有趣的是它似乎只影响到PDGF的化学吸收作用(抑制PSA-NCAM可明显阻断PDGF的化学吸收作用),而与PDGF的化学驱动作用无关[3]。

酪氨酸激酶受体中的Eph家族及其跨膜配体Ephrins是神经元前体细胞迁移过程中重要的黏附分子,Eph与Ephrins的相互作用同样能调节OPC的迁移。Prestoz等研究发现发现胚胎期OPC细胞膜表面镶嵌的Ephrin B2和Ephrin B3可与EphB受体相互作用使间脑区OPC的迁移及粘附性质减弱[16]。

5 神经递质类物质

γ-氨基丁酸(GABA)作为一种抑制性神经递质,在大脑发育过程中对OPC的迁移主要起到化学趋向性作用,它不仅能加强OPC的运动,还能引导OPC迁移的方向,其效应主要是通过结合OPC表面特异性表达的GABAA受体所介导。Tong在研究内源性GABA对大鼠SVZ区OPC迁出情况的实验中发现,GABA能显著促进OPC由SVZ区腹侧向背侧(ventral to dorsal)及 RMS(rostralm igratory stream)方向的趋化性迁移,其机制也主要是通过GABAA受体及电压依赖的钠通道和钠钙交换体共同介导产生[17]。足以可见GABAA受体具有促OPC迁移的作用。但研究发现GABAB受体在OPC早期发育阶段就已经开始表达,且随着OPC分化成熟的细胞种类不同,其所表达的受体亚型和数量也在不断发生变化。为了探寻其作用,Luy t等通过transwe ll细胞迁移实验发现GABAB受体激动剂巴氯芬(baclofen)不仅能促进OPC迁移的速度,同时还能促进OPC的增殖,因此作者认为GABAB受体的表达可能对白质受损后髓鞘的再生具有一定的作用[18]。

AM PA能促进OPC迁移的速度,其效应主要是通过激活OPC 表达的 AMPA 受体,促进 PLP 、αVβ3 型整合素(αVβ3 integrin)及AMPA受体组成的复合体形成增加所致。此复合体能减弱OPC与细胞外基质的结合,从而加强OPC的迁移。为进一步了解其具体机制,Gudz以髓鞘蛋白脂蛋白(m yelin p roteo lipid p rotein,PLP)基因突变的小鼠为实验模型,发现OPC仅保持正常迁移速度,而AM PA增强作用却没有表现出来,因此认为PLP/αVintegrin在AMPA促进OPC迁移的过程中具有重要作用[19]。

ATP、ADP是生物体内重要的化学递质。Agresti等通过蛋白印迹分析方法发现OPC可表达P2X受体与P2Y受体,ATP及ADP可通过P2受体诱导OPC的迁移[20]。

6 其它蛋白或分子

除以上可初步分类的多种分子对OPC的调节发挥着关键作用外,尚有其它未能在此归类的一些因子,也在此过程中起到重要作用。

Go lli蛋白属于髓磷脂碱性蛋白质类,实验以Golli基因敲除及GolliJ37过表达的鼠相对比,结果发现golli蛋白的存在能促进OPC的迁移,增强其活动能力,且此作用是通过激活电压门控钙离子通道活动介导的,当电压门控钙离子通道抑制剂存在时,此种促进迁移的作用消失[21]。

anosm in-1可表达于视神经,对OPC的迁移主要起到抑制作用,其机制可能是与FGFR1相互作用,影响了bFGF/FGFR1信号通路,从而干扰了bFGF促迁移作用[4]。但Bribian等研究发现OPC迁移时总是优先结合细胞外基质中的anosmin-1,当内源性的anosmin-1表达受阻时,OPC与其它细胞外基质蛋白的结合将会明显减弱,且anosm in-1的这种效应不依赖于FGF-2/FGFR1信号通路[22]。研究提示内源性的anosmin-1表达对于OPC与细胞外基质蛋白的粘附极其重要。

1-磷酸-鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate,S1P)受体是一种G蛋白偶联受体,主要表达于OL及OPC上,神经递质S1P可通过S1P受体,介导 OPC的迁移及血管生成。Novgorodov等研究发现S1P与OPC表达的S1P5受体特异性结合后,OPC的迁移速度明显减弱,通过SiRNA方法阻断S1P5受体,S1P的抑制作用消失,因此认为S1P可抑制OPC的迁移[23]。

内皮素(Endothe lin-1,ET-1)是星形胶质细胞来源的信号分子,能与OPC表达的功能性ET(A)及ET(B)受体结合,激活ERK和CREB蛋白磷酸化,从而趋化及加强OPC的迁移,多光子时间推移图像显示ET受体抑制剂或抗ET-1的抗体可使OPC从SVZ区迁移受到抑制[24]。

7 总结与展望

综上所述,促OPC迁移的信号多而复杂,虽各信号分子促迁移机制多不相同,但又存在相互关联。在细胞迁移过程中它们发挥着协同或拮抗作用,共同参与了OPC迁移过程的精细调节,编码着“OPC运动的进行曲”。尽管促 OPC迁移机制已被广泛研究,但确切的细胞内机制及信号转导通路仍不十分清楚,从而导致其临床应用受限。将来此研究的方向可能主要关注在(1)继续寻找更多调节OPC迁移的信号分子及蛋白;(2)从分子和基因水平更深入研究信号分子的具体作用机制;(3)寻找出作用相关的信号分子,研究其调节迁移过程中剂量的最佳比例;(4)开展临床实验,通过外源性给予信号分子,以治疗脱髓鞘等疾病。

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