神经节苷脂与脑发育

李玲玲，尤祥宇

（1.江汉大学文理学院医学院，湖北武汉430056；2.湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉430068）

神经节苷脂与脑发育

李玲玲1，尤祥宇2※

（1.江汉大学文理学院医学院，湖北武汉430056；2.湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉430068）

神经节苷脂是一类末端被唾液酸修饰的糖鞘脂，大量存在于脊椎动物中枢神经系统，尤其在胎儿及新生儿的脑中，因此被认为与神经系统的发育有重要关系。研究发现神经节苷脂与神经元的生长、突触的形成、记忆和学习都有密切关系，神经节苷脂合成途径中的微小突变都将导致一系列神经功能障碍。本文对神经节苷脂与神经发育、学习及记忆关系的研究进展予以综述。

唾液酸；神经节苷脂；神经发育；学习；记忆

1 概述

唾液酸（Sialic acid,Sia）是一类带负电荷，含9个碳原子骨架，被称为神经氨酸（Neuraminic acid,Neu）的酸性氨基单糖的N-或O-衍生物的总称，主要包括N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）、N-羟乙酰神经氨酸（Neu5Gc）和脱氨神经氨酸（KDN）三种核心结构（如图1）[1]。唾液酸广泛分布于真核细胞表面糖蛋白或糖脂寡糖链的最末端，是细胞膜上糖蛋白、糖脂的重要成分，在机体生理、病理过程中发挥重要的作用[2]。

图1 脊椎动物三种唾液酸的结构

新生儿的脑部发育速度远超过身体的其他组织或器官，2岁时，其脑组织的重量即可达到成年人脑组织重量的80%[2]。新生儿出生时，所有的脑神经元已形成，然而神经元之间突触连接的建立和完善是在出生后完成的。婴儿出生时大约有50万亿个突触连接，这个数目相当于成年人的1/10，到3岁时突触连接的数目可增加到约1 000万亿，此数目是成人的2倍。

脑组织比身体其他组织含有更多的唾液酸。人类大脑皮层唾液酸含量是大猩猩、猪等其他哺乳动物大脑皮层唾液酸含量的2～4倍。脑组织唾液酸大多以结合状态存在，大约有65%以低聚糖（神经节苷脂）的形式存在，32%与糖蛋白结合，仅3%处于游离状态[3]。在脑中有两类唾液酸糖苷最受关注，分别是神经节苷脂（Gangliosides）和聚唾液酸（Polysialic acid）。本文将综述神经节苷脂与神经发育关系的研究进展。

2 神经节苷脂的分布特点

神经节苷脂是指复杂的末端含有一个或多个唾液酸的复杂糖（神经）鞘脂，拥有一个共同的母核结构——神经酰胺（Ceramide,Cer），如图2所示。在各种糖基转移酶催化下，不同糖基或唾液酸被逐一转移修饰到神经酰胺上，从而形成各种神经节苷脂（如图2）。神经节苷脂存在于所有脊椎动物细胞的表面，可占到人脑总脂的6%～10%、总结合态糖的25%。在脑部，唾液酸以神经节苷脂而非以与糖蛋白结合为主要存在形式，这种情况在所有组织中是唯一的[3]。虽然迄今已鉴定出200多种不同结构的神经节苷脂组分[4]，但在所有的成年哺乳动物的脑部，神经节苷脂主要由4种结构高度相关的组分构成，即GM1、GD1a、GD1b、GT1b（如图2）。以人类为例，这4种组分构成了成人脑部神经节苷脂总量的80%～90%[5]，说明这些组分在脑部具有选择性表达优势。

在神经发育过程的早期阶段，神经节苷脂的表达形式发生了巨大的变化。以大鼠为例，大鼠胚胎发育早期，其脑部神经节苷脂以简单结构GM3和GD3（如图2）组分占绝对多数，在胚胎期的第14天（E14），大鼠脑部神经节苷脂几乎全由GM3和GD3组分构成[6]；E14以后，其他结构组分的神经节苷脂表达增加，到E20时其他组分已占据脑部神经节苷脂的多数；出生时，GD1a和GT1b已变为多数；在出生到脑部发育成熟过程中，GM1和GD1b表达增加，直至GM1、GD1a、GD1b、GT1b构成脑部神经节苷脂的绝大多数。从E14到出生，大鼠脑部神经节苷脂的含量增加了5倍；从出生后到脑部成熟，其含量又增加了约3倍[7]。与大鼠类似，从胎儿出生前3个月到2岁，人大脑皮质中神经节苷脂含量显著增加，从妊娠10周到5岁增加了约3倍。

值得注意的是，虽然非人类哺乳动物的绝大多数组织中唾液酸主要类型为Neu5Gc，但是其脑部以Neu5Ac占绝对多数。为什么非人类的哺乳动物脑部中只有Neu5Ac而非Nue5Gc，这仍然是个谜[9]。

图2 神经节苷脂的生物合成途径

3 神经节苷脂的功能

长期以来，一般认为除了在少数高级别种属，无脊椎动物中并不含有唾液酸。近来这种观点有所改变，通过果蝇全基因组测序发现了一个唾液酸转移酶（Sialyltransferase)基因——dsiaT。DsiaT蛋白只在一些分化的中枢神经系统神经元细胞中表达，阻断dsiaT基因的表达将导致明显的运动障碍、协调能力缺失和温度敏感型瘫痪。这些表型可能与肌神经点发育及生理的明显缺陷和电压门控钠离子通道的功能改变有关。这些数据表明，也许唾液酸最古老的功能就在于此，并提示人们用进化的观点关注神经系统中的唾液酸修饰[10]。阻断唾液酸的生物合成将导致小鼠胚胎致死，而在人体唾液酸代谢途径的微小突变都将导致一系列疾病的产生[11]。最新研究表明，人类Nans（N-acetylneuraminic acid synthase，N-乙酰神经氨酸合成酶）基因缺陷导致患者唾液酸合成能力受损，血浆、尿液、脑脊液中唾液酸水平下降，并伴随严重智力障碍、语言功能缺乏、骨骼发育不良[12]。

3.1 神经节苷脂与神经发生

由于神经节苷脂富集于轴突终端和突触末梢，并且在脑发育过程中神经节苷脂的组分发生了较大的变化，许多研究工作致力于分析神经节苷脂表达变化与神经发育神经系统的关系。选择性敲除特定的神经节苷脂合成酶基因可造成广泛的结构和功能缺陷，包括改变神经发育、神经元变性、感觉和运动功能丧失、髓鞘脱失、轴突退化、行为异常、学习能力和记忆丧失等[8]。

3.1.1 B4galnt1缺陷

如图2所示，GM1、GD1a、GD1b、GT1b的生物合成以GM3或GD3为起始，B4galnt1基因编码一个特异的N-乙酰半乳糖胺转移酶，催化将一个N-乙酰半乳糖（GalNAc）糖基转移至GM3和GD3，使之分别升级成为GM2和GD2，后二者在不同酶催化下，经过多个步骤的加工修饰，最终升级为GM1、GD1a、GD1b、GT1b等复杂结构的神经节苷脂。

B4galnt1缺失突变的小鼠脑部神经节苷脂以GM3和GD3为主要成分，终生无法升级为其他复杂结构组分。因此，B4galnt1缺陷的小鼠可视为复杂结构型神经节苷脂缺陷小鼠。脑部精细结构分析表明，B4galnt1缺陷小鼠拥有正常的神经细胞形态，包括树突长度、复杂性、树突棘密度，但仍表现出独特的神经系统缺陷症状[13]。B4galnt1缺陷小鼠表现出轴突退化和髓鞘形成障碍。分子机理研究证实，复杂结构型神经节苷脂是轴突—髓鞘相互作用的受体分子，为最佳髓鞘形成、轴突—髓鞘相互作用及外围和中心轴突的稳定性所必需[14]；髓鞘形成障碍导致长距离神经传导速度降低，表现出渐进性运动行为缺陷（包括后肢反射、协调和步法的缺陷）、活跃过度、容易癫痫发作等症状。

3.1.2 St8sia1缺陷

St8sia1（GD3合成酶）缺陷导致新生小鼠缺乏GD3及其下游的b系列神经节苷脂，较早研究基于比较总脑的组织学结构，称这些缺陷小鼠没有表现出神经发生的明确变化，但最新发现St8sia1缺陷小鼠表现出神经干细胞群累进性损失造成的大脑海马神经生成受损，并显示出类似抑郁的行为[15]。

3.1.3 B4galnt1/St8sia1双缺陷

B4galnt1/St8sia1双缺陷小鼠导致其脑部只含有神经节苷脂GM3。与B4galnt1缺陷小鼠一样，B4galnt1/St8sia1双缺陷小鼠表现出神经变性、渐进性运动行为和感应缺陷等症状；仅含GM3的双缺陷小鼠也容易癫痫发作，对致死性听源性癫痫更敏感[16]。

3.1.4 St3gal5缺陷

St3gal5（GM3合成酶）基因缺陷导致大脑缺乏GM3及下游a系列b系列神经节苷脂，然而St3gal5缺陷小鼠并没有表现出复杂结构型神经节苷脂缺陷（B4galnt1缺陷）小鼠的轴突—髓鞘缺陷表型；作为代偿，St3gal5缺陷小鼠高表达一些在一般情况下罕见的0系列神经节苷脂，GM1b和GD1α[17]（如图2）。对人类而言，St3gal5缺陷会导致一种可怕的遗传性癫痫疾病，表现为婴儿期癫痫发作，且神经衰弱和失明[18]。（作为中枢神经系统的一部分，视网膜上的神经节苷脂对于处在发育阶段的光感受器结构非常重要；研究表明GD3对于视功能非常重要，通过膜构造和信号分子的活动作用于光感应细胞）。

3.1.5 B4galnt1/St3gal5双缺陷

B4galnt1/St3gal5双缺陷小鼠缺少所有Ganglio系列的神经节苷脂（Ganglio-series gangliosides，含唾液酸的神经节苷脂），而LacCer（不含唾液酸，如图2）的表达补偿性增强。B4galnt1/St3gal5双缺陷小鼠出生时拥有完整的神经系统，然而依旧表现出寿命短、脑小、脊髓与小脑的白质空泡化、髓鞘型轴突明显退化、兰氏节畸形以及严重的后肢无力等。这些表型表明了比B4galnt1单缺陷更加严重的轴突—髓鞘相互作用缺陷以及其他神经系统缺陷[19]。

3.1.6 Ugcg缺陷

如图2，Ugcg基因编码一个葡萄糖基转移酶，负责催化将一个葡萄糖（Glc）糖基转移至神经酰胺（Cer），合成葡糖神经酰胺（GlcCer）。Ugcg基因被全局性阻断将，导致胚胎发育在原肠期中断并死亡。而神经细胞Ugcg特异性缺失的小鼠刚出生不久表现正常，但几天内即表现出严重的运动失调，并且在1个月内死亡。受影响小鼠表现出下肢反应不足和缺乏协调，其周围神经表现出轴突退化和髓鞘异常，中枢神经元则轴突修剪过度，而剩下的轴突的长度保持不变（当微小胚胎还处于子宫内时，一开始拥有的神经元材料就超过了出生后的实际需要；神经系统再发育过程中，机体会大幅度地修剪掉多余的——从神经细胞上切下轴突及整个神经元）[20]。

3.1.7 St3gal2/St3gal3双缺陷

St3gal2、St3gal3分别编码一个唾液酸转移酶，催化Sia α2-3 Gal-糖苷键的生成，可将GM1和GD1b升级为GD1a和GT1b。St3gal2、St3gal3双敲除的缺陷小鼠中唾液酸修饰糖蛋白总量下降，GD1a或GT1b的含量几乎为零，而GM1和GD1b比例有所提高；并且这些双敲除小鼠寿命短，在很早时就表现为反射异常[8]。

如上所述，神经节苷脂的合成对于一个稳定的中枢神经系统发育非常重要，小鼠缺乏复杂神经节苷脂，或神经元缺乏神经节苷脂，都显示出不同程度的轴突-髓鞘失调，最终导致一系列神经系统方面的问题。

最新研究表明，髓鞘在运动技能学习、形成过程中也起着决定作用。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）显示，经过弹钢琴等学习训练后，人大脑中白质结构会明显增厚，而髓鞘正是大脑白质的主要成分。在动物实验中，阻断小鼠的大脑中生成新髓鞘，这些小鼠就丧失了类似的学习能力[21]。

3.2 神经节苷脂与学习和记忆

神经节苷脂富集在神经元，特别是富集在结合钙离子泵的突触膜结构周围；神经节苷脂、钙和功能膜蛋白（离子通道、离子泵、受体、激酶）之间的相互作用具有调节神经元的作用，不仅是短期的突触传导信息，而且有长期的神经元适应，因此被认为在涉及记忆的信息传输和储存中发挥重要的调节，从而形成学习行为和高阶认知加工的基础[22]。

神经节苷脂有助于功能突触和神经回路的形成和稳定，后二者是记忆的结构基础。在一些动物研究中，外源神经节苷脂（大多数情况是GM1）已被证明能够在年龄或损伤引起的记忆缺失中起着保护作用；甚至，外源GM1可改善阿尔茨海默病大鼠模型的空间学习和记忆缺陷；相反的，大鼠脑室注射神经节苷脂抗血清以减少脑功能性神经节苷脂，将导致逆行性遗忘和学习缺陷[3]。突触强度可随时间推移根据刺激程度而改变，学习期间激活的这种突触可塑性以及神经网络结构重构被认为是学习和记忆的根本机制[23]。这些认知功能主要与哺乳动物大脑的海马区相关。值得注意的是，在妊娠16～22周增加的神经节苷脂中有30%位于海马区[24]。数据显示，神经节苷脂GM1和GD1b可通过长时间的强直后增强（post-tetanic potentiation,PTP）作用改善海马CA3区的突触可塑性，而海马CA3区与空间学习和记忆密切相关，是形成联想记忆最重要的脑区。进者，GQ1b的功能涉及长时程增强作用（long term potentiation，LTP），后者是一种重要类型的突触可塑性，是在高频刺激应答期间发生的持久活动依赖性突触修改。GQ1b被证实在豚鼠海马CA1切片神经元参与活动依赖性LTP；而GQ1b水平降低的转基因小鼠表现出学习障碍和突触可塑性的改变，海马CA1神经元LTP诱导减弱[24]。在小鼠中抑制包括GQ1b在内的b系列神经节苷脂的生物合成，导致海马CA1神经元LTP诱导的缺损，其通常伴随简单的记忆任务学习的失败。腹腔注射神经节苷脂能逆转大鼠脑部铅诱导的LTP活动缺损。

4 结语

从被发现至今，神经节苷脂与大脑神经系统的联系便一直受到重点关注。神经节苷脂在大脑神经元高度富集，受时空调控并差异表达的神经节苷脂似乎不仅密切参与脑神经结构的塑造及稳定，也确保了神经传递、记忆和学习过程中的最佳神经回路形成。在神经系统成熟前，神经节苷脂可能参与了神经元和突触的形成；在神经系统成熟后，神经节苷脂可能作为一系列生物活性物质（包括激素和递质）的受体发挥作用[8]。然而，由于神经系统的特殊性与复杂性，上述研究仍只是神经节苷脂功能研究的冰山一角；神经节苷脂作为脑发育尤其是婴儿早期神经发育及认知形成的极其重要的物质基础，其作用仍须更深入的研究。

[1]Chen X,Varki A.Advances in the Biology and Chemistry of Sialci Acids[J].ACS Chemical Biology 2010,5(2):163-167.

[2]Mahajan VS,Pillai,S.Sialic Acids and Autoimmune Disease[J].Immunological Reviews,2016,269(1):145-161.

[3]Wang B.Molecular Mechanism Underlying Sialic Acid as an Essential Nutrient for Brain Development and Cognition[J].Advances in Nutrition,2012,3(3):465-472.

[4]Kopitz J.Lipid Glycosylation:a Primer for Histochemists and Cell Biologists[J].Histochemistry and Cell Biology,2017,147(2):175-198.

[5]Groux-Degroote S,Guerardel,Y,Delannoy,P.Gangliosides:Structures,Biosynthesis,Analysis,and Roles in Cancer[J].Chembiochem 2017,18:1146-1154.

[6]Nakatani Y,Yanagisawa,M,Suzuki,Y,et al.Characterization of GD3 Ganglioside as a Novel Biomarker of Mouse Neural Stem Cells[J].Glycobiology 2010,20(1):78-86.

[7]Yu RK,Tsai,YT,Ariga T.Functional Roles of Gangliosides in Neurodevelopment:an Overview of Recent Advances[J].Neurochemical Research,2012,37(6):1230-1244.

[8]Schnaar RL,Gerardy-Schahn R,Hildebrandt H.Sialic Acids in the Brain:Gangliosides and Polysialic Acid in Nervous System Development,Stability,Disease,and Regeneration[J].Physiological Reviews,2014,94(2):461-518.

[9]Davies LRL,Varki A.Why Is N -Glycolylneuraminic Acid Rare in the Vertebrate Brain?[M].SialoGlyco Chemistry and Biology I.Springer Berlin Heidelberg,2013.

[10]Repnikova E,Koles K,Nakamura M,et al.Sialyltransferase Regulates Nervous System Function in Drosophila[J].J Neurosci 2010,30(18):6466-6476.

[11]Hinderlich S,Weidemann W,Yardeni T,et al UDP-GlcNAc 2-Epimerase/ManNAc Kinase (GNE):A Master Regulator of Sialic Acid Synthesis[J].Top Curr Chem,2013,366:97-137.

[12]Van Karnebeek DMC,Bonafé L,Wen XY,et al.NANS-Mediated Synthesis of Sialic Acid is Required for Brain and Skeletal Development[J].Nature Genetics 2016,48(7):777-784.

[13]Dobrovic B,Curic.,Petanjek Z,et al.Dendritic Morphology and SpineDensity is not Altered in Motor Cortex and Dentate Granular Cells in MiceLacking the Ganglioside Biosynthetic Gene B4galnt1:a Quantitative Golgi Cox Study[J].Coll Antropol 2011,35(Suppl 1):25-30.

[14]Pan B,Fromholt SE,Hess EJ,et al.Myelin-associated Glycoprotein and Complementary Axonal Ligands,Gangliosides,Mediate Axon Stability in the CNS and PNS:NEUROPATHOLOGY and BEHAVIORAL DEFICITS in SINGLE- and Double-null Mice[J].Exp Neurol 2005,195(1):208-217.

[15]Wang J,Cheng A,Wakade C,et al.Ganglioside GD3 is Required for Neurogenesis and Long-term Maintenance of Neural Stem Cells in the Postnatal Mouse Brain[J].J.Neurosci 2014,34(41):13790-13800.

[16]Yoshikawa M,Go S,Suzuki S,et al.Ganglioside GM3 is Essential for the Structural Integrity and Function of Cochlear Hair Cells[J].Hum Mol Genet 2015,24(10):2796-2807.

[17]Yoshikawa M,Go S,Takasaki K,et al.Mice Lacking Ganglioside GM3 Synthase Exhibit Complete Hearing Loss Due to Selective Degeneration of the Organ of Corti[J].Proc Natl Acad Sci USA 2009,106(23):9483-9488.

[18]Boccuto L,Aoki K,Flanagan-Steet H,et al.A mutation in a ganglioside biosynthetic enzyme,ST3GAL5,results in salt &pepper syndrome,a neurocutaneous disorder with altered glycolipid and glycoprotein glycosylation[J].Hum Mol Genet 2013,23(2):418-433.

[19]Ohmi Y,Ohkawa Y,Tajima O,et al.Ganglioside deficiency causes inflammation and neurodegeneration via the activation of complement system in the spinal cord[J].J Neuroinflammation 2014,11(1):61.

[20]Jennemann R,Sandhoff R,Wang S,et al.Cell-specific Deletion of Glucosylceramide Synthase in Brain Leads to Severe Neural Defects after Birth[J].Proc Natl Acad Sci USA 2005,102(35):12459-12464.

[21]McKenzie IA,Ohayon D,Li H,et al.Motor Skill Learning Requires Active Central Myelination[J].Science,2014,346(6207):318-322.

[22]Cooke SF,Bliss TVP.Plasticity in the Human Central Nervous System[J].Brain 2006,129:1659-1673.

[23]Nonaka M,Fujii H,Kim R,et al.Untangling the two-way signalling route from synapses to the nucleus,and from the nucleus back to the synapses[J].Philos.Trans.R.Soc.Lond.B Biol.Sci.2014,369(1633):150.

[24]Palmano K,Rowan A,Guillermo R,et al.The Role of Gangliosides in Neurodevelopment[J].Nutrients 2015,7(5):3891-3913.

Gangliosides and Brain Development

Li Ling-Ling1,You Xiang-Yu2*
（1.Medical Department,College of Art &Sciences of Jianghan University,Hubei Wuhan 430056;2.School of Biological Engineering and Food,Hubei University of Technology,Hubei Wuhan 430068）

Gangliosides is a series of glycosphingolipids terminally modified by sialic acids,it is found to be abundant in the central nervous system of all vertebrates,especially enriched in the brains of fetus and neonate,indicated that gangliosides were highly associated with the development of nervous system.Plenty of research works have revealed that gangliosides is highly related to neural development,synaptic formation,processes of learning and memory.Minor change of gangliosides synthesis pathway would resulted in a series of nervous dysfunction.This paper summarizes some advances in our understanding of the relationship between ganglioside and neurodevelopment,learning and memory.

Sialic acids;Gangliosides;Neurodevelopment;Learning;Memory

R338

A

2096-0387（2017）05-0090-05

湖北工业大学博士科研启动基金项目（337-308）。

李玲玲（1982—），女，陕西凤翔人，硕士，讲师，研究方向：生物技术专业教学。

尤祥宇（1983—），男，福建南安人，博士，讲师，研究方向：制药工程专业教学和科研。