凋亡对神经元发育的作用

王誉雅 金晔麒

（四川大学华西基础医学与法医学院，四川 成都610041）

长期以来，神经生长因子（nerve growth factor, NGF）被认为是调节神经元发育的主要因素。 它在维持周围神经系统（PNS）神经元发育、表型和中枢神经系统(CNS)胆碱能神经元的功能完整中发挥重要作用[1],并提出了神经营养理论。 然而，近年发现神经元的发育不能完全由神经营养理论解释，它不仅由外部因素决定，还与内部因素相关。凋亡对CNS 神经元发育的影响正说明了这一点[2]。

1 神经营养理论

NGF 及其受体刺激多个信号通路， 调节神经元生存和维持轴突、树突网络结构和突触的可塑性[3]。 神经元发育过程中，神经元与神经元、靶器官形成突触联系后，大多数中间神经元被清除，引发了“神经营养理论”：神经元为存活进而争夺有限的靶源性存活因子[4]。 外周神经系统NG 为这一理论提供了强有力的支持：NGF 不仅是特定神经元群体生存必需的，它也定位于NGF 反应性的神经元所支配的组织，并且分布的密度与组织神经支配程度呈正相关[5]。

2 凋亡对神经元发育的影响

凋亡是由精确基因程序控制的细胞死亡过程。它伴随许多组织器官的发育，包括脊椎动物的神经系统。 在CNS,大量的NGF 产生于皮质、海马和脑下垂体。 Fahnestock 等发现成熟有活性的NGF 在神经元发育期和成人期有促凋亡和营养的作用[6]。Southwell 等发现CNS 大部分神经元的凋亡是由独立于外部信号的特定程序引起[2]，因此神经元的清除不能完全由神经营养理论解释。

2.1 凋亡与神经元发育

高等脊椎动物的大脑新皮层由兴奋性投射神经元和抑制性中间神经元组成。 在发育的早期，新皮层不同分区的兴奋性和抑制性神经元之间的比率为4:1。 由于这个特定比率对于发挥正常脑功能非常关键，两个群体的细胞数目需要以某种方式匹配。突触形成过程中，有相当大比例的兴奋性和抑制性神经元通过凋亡被清除[7]。 约40%的皮质中间神经元在突触形成过程中被清除[2]。 然而，无论是在体内、体外培养或异时移植后，细胞均在产生约2 周后走向凋亡。 由于细胞死亡的时间点和受影响细胞的比例均独立于环境因素，因此，凋亡似乎是由细胞内因决定的[2]。 为进一步研究皮质发育过程中周围细胞对中间神经元的存活的调节， 将不同数量的中间神经元前体细胞移植到皮质，皮层自发性抑制活动的增加却很有限，表明仅有少量的移植中间神经元发挥正常作用。 然而，移植细胞数量不同的移植群体的中间神经元存活率是相似的[2]，表明细胞环境未能影响神经元的存活。 此外，通过敲除凋亡调节因子Bax 彻底废除中间神经元的凋亡，仅引起正常功能的中间神经元数目的少量增加。

2.2 凋亡与神经细胞分裂的不对称性

“神经元的存活依赖于外在因素” 一直被认为是复杂神经系统的属性之一和神经系统可塑性的组成部分。 这使得Southwell 等[2]的发现更加出人预料，并引出一个问题：导致皮质中间神经元死亡的原因是什么？ 一种可能性是凋亡的细胞本身倾向于死亡。 发育过程中约有一半的皮质中间神经元被清除，可能是中间神经元的前体细胞分裂产生具有不同凋亡倾向的两类细胞造成的。线虫中已证实细胞分裂的不对称性与其中一个子细胞的凋亡相关。神经内分泌运动神经元（NSM）成神经细胞的不对称分裂有关基因的缺失可以防止NSM 神经元的凋亡。 另外，凋亡可能由皮质中间神经元随机决定。 在成年线虫的生殖系，约50%的卵母细胞通过随机选择机制在卵子发生前被清除。 卵子发生过程中，卵母细胞启动凋亡可能由一些内在的集中于调节凋亡核心基因的转录途径决定[8]。同样，抑制性神经元在产生后2 周内同步死亡，表明凋亡在此期间更容易被诱导。

2.3 神经元发育过程中凋亡的调节机制

神经元分裂后，神经元早期基因的表达可以显著改变这些神经元被清除的可能性。 其中之一就是编码NGF 原肌球蛋白受体激酶A（tropomyosin receptor kinase A, TrkA）受体的基因。 NGF 通过TrkA 受体,一种典型的酪氨酸激酶受体，激活信号通路MAPK、ERK、PI3K、C(PLC)-γ19-20，介导依赖于NGF 的新生神经元的存活[9]。 TrkA 作为神经元存活依赖受体的发现，为“PNS 神经元在缺乏NGF 时死亡”提供了合理的解释。 Schor 等发现NGF 通过激活亲和力低， 非选择性的p75NT 受体,激活君激酶信号级联通路，缺乏TrkA 共表达时，细胞可能发生凋亡[2]。 然而，与TrkA 密切相关的受体TrkB，却未介导一个类似的作用，为“大部分CNS 神经元的存活不依赖BDNF”提供了解释[9]。与此一致，TrkB 的存在与否并不影响皮质中间神经元的存活[2]。 中间神经元前体细胞是否存在预测其存活或死亡的分子标志的深入研究有助于认识决定这些细胞凋亡的因素。

新皮层兴奋性和抑制性神经元的比率是如何建立的尚未解决。大脑皮层抑制细胞的数量似乎不是通过局部自适应机制调节[2]，该比率可能通过调节兴奋性神经元的存活来决定。虽然许多兴奋性投射神经元在其靶组织神经支配发生过程中发生凋亡，但所涉及的外在信号仍不清楚。

3 小结

神经元的正常发育对于神经系统的正常发育、维持及发挥正常功能是必不可少的。近年来的研究使得神经营养理论提出并逐步得以证实，主要是建立在NGF 对外周神经系统影响的基础上。 然而，在于中枢神经系统中，近期的研究结果却不能完全由该理论解释。 凋亡调节因子Bax 对中间神经元的数目变化无明显影响。可能性较大的反而是神经元自身的不对称分裂，NGF 介导的君激酶的级联信号通路， 或兴奋性和抑制性神经元的比率。 就目前而言，凋亡是如何参与神经元发育的调节的确切分子机制仍有待进一步阐明。

［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.