NG2胶质细胞增殖和分化的研究进展

刘 远 叶 云 李明超 张 祚 周吉银△

1)陆军军医大学第二附属医院国家药物临床试验机构，重庆 400037 2)西南医科大学药学院，四川 泸州 646000 3)西南医科大学附属医院药剂科，四川 泸州 646000

NG2胶质细胞也称多突胶质细胞或少突胶质前体细胞，其不同于星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞，是第四类胶质细胞，广泛分布在中枢神经系统的灰质和白质中，受趋化蛋白、生长因子和信号分子等的影响。在体外，NG2胶质细胞显示出多能细胞的特征，因其能够在特定生长因子存在下产生少突胶质细胞、星形胶质细胞，甚至神经元。然而，最近利用几种转基因小鼠序列进行的遗传命运图谱研究排除了成年NG2胶质细胞在体内的这种多能分化潜能。目前，在未受损的成人中枢神经系统中，NG2胶质细胞通常只产生少突胶质细胞，而在胚胎发生和病理状态下的分化潜能更宽泛。

1 NG2胶质细胞的增殖和分化

NG2胶质细胞主要存在于胼胝体和脑的灰质区域，成年后仍能继续增殖。使用细胞增殖标记物BrdU实验表明，胼胝体NG2胶质细胞的细胞周期随年龄的增大而增加。出生后6 d(P6)细胞周期<2 d，P60约为9 d，P90约为37 d，P240约为70 d，P540>10 d[1]。成年时可持续产生少突胶质细胞，但少突胶质细胞生成速率伴随着NG2胶质细胞分裂速率下降。NG2胶质细胞有两种不同的群体，有丝分裂活跃种群和单独的静止种群。小脑白质和胼胝体中有两类电学特性的NG2胶质细胞，一类表达电压门控的钠和钾通道并激发动作电位以响应去极化刺激，而另一类不表达电压门控通道，并显示线性电压-电流关系[2]。NG2胶质细胞的两种电生理亚型的比例大致相等，就像分裂和非分裂种群一样。可能是在发育过程中，所有新生NG2胶质细胞都附着于无髓轴突，其中一些轴突激发动作电位，并将有丝分裂信号传递给相关的NG2胶质细胞，这些NG2胶质细胞因此分裂，自我更新并产生髓鞘化少突胶质细胞。其他NG2胶质细胞与轴突相关联，轴突未被激发或无超过足够的阈值，因此这些细胞不分裂。其可能以某种其他方式对神经回路作出贡献，如可能在郎飞结或在神经元-神经元突触处执行一些基本的稳态功能[3]。NG2胶质增殖率及其相应的新生少突胶质细胞生成速率随年龄增加而降低，在正常衰老过程中可能有重要意义。如在生命的第4个十年后白质体积开始下降，并且这种白质丢失与认知和运动能力的下降有关。这可能是因髓鞘化的少突胶质细胞的寿命有限，超过这个时间，新生的少突胶质细胞产生的速度不能跟上加速的少突胶质细胞丢失的速度。因此，找到方法保持NG2胶质细胞处于更有增殖能力的状态可能有助于保持白质完整性并减缓与年龄相关的智力下降[4]。目前认为，在未受损的成人中枢神经系统中，NG2胶质细胞通常只产生少突胶质细胞，而在体外特定条件或病理条件下可产生星形胶质细胞，甚至神经元。

2 NG2胶质细胞增殖和分化的调控机制

NG2胶质细胞在中枢神经系统中的主要作用是生成少突胶质细胞，因此有助于髓鞘的可塑性[5]。其在健康的中枢神经系统中分化为少突胶质细胞，这种行为在各种伴髓鞘丢失的中枢神经系统病变中更为明显。髓鞘损伤后，NG2胶质细胞迁移到损伤部位，增殖分化为少突胶质细胞，最终使受影响的轴突重新髓鞘化。虽然新形成的髓鞘层较原始的髓鞘层更薄、更短，这种再生髓鞘恢复了快速跳跃传导并逆转了功能缺陷[6]。因此，NG2胶质细胞通过调控各种信号分子、生长因子、激素，甚至神经递质的水平影响其增殖和分化成为良好的治疗靶点。

2．1趋化蛋白趋化蛋白主要包括Netrin-1和Semaphorin。Netrin-1是一种信号分子，被认为是发育过程中的轴突导向分子。除轴突引导外，在发育早期Netrin-1作为NG2胶质细胞进入视神经的趋化剂，在发育后期，其起到抵制NG2胶质细胞停止迁移的作用[7]。在发育的脊髓中，Netrin-1只作用于NG2胶质细胞上的受体，促进NG2胶质细胞的扩散[8]。将Netrin-1阻断抗体注射到溶血磷脂酰胆碱(LPC)诱导的脱髓鞘的脊髓中，NG2胶质细胞募集到损伤部位的数量增加，而分化的少突胶质细胞的数量减少[9]。提示在MS早期Netrin-1表达可减弱NG2胶质细胞的募集，而晚期表达可促进其分化。因此，Netrin-1信号的精确调控可能是增强髓鞘再生过程的关键。

与Netrin-1相似，Semaphorin也称为轴突导向分子[10]。有关NG2胶质细胞，大多数聚焦在Semaphorin3、Semaphorin3A和Semaphorin3F。Semaphorin3A和Semaphorin3F均可影响NG2胶质细胞的迁移，但似乎具有完全相反的作用，Semaphorin3A可以排斥NG2胶质迁移，而Semaphorin3F具有化学吸引作用[7]。在LPC诱导的脱髓鞘中也有同样的发现[11]。在伴大量炎症的多发性硬化(MS)病变中，表达Semaphorin3F的细胞数量比Semaphorin3A多，而在炎症较少的病变中则相反[12]。与这些发现一致，在动物脱髓鞘模型中炎症增强髓鞘再生[13]。

2．2生长因子很多生长因子被证明能调控NG2胶质细胞的增殖，包括血小板衍生生长因子-A(PDGF-A)、胰岛素样生长因子(IGF-1)、成纤维细胞生长因子2(FGF-2)、表皮生长因子(EGF)、脑源性神经营养因子(BDNF)和睫状神经生长因子(CNTF)。最显著的生长因子是PDGF-A，其可增加健康成年小鼠脑中以及LPC和双环己酮草酰二腙诱导的脱髓鞘中NG2胶质细胞的数量，而不影响其分化为成熟少突胶质细胞的速率[14]。除了调控增殖，PDGF-A还可通过激活ERK1/2信号，促进培养的NG2胶质细胞的募集和迁移[15]。IGF-1是另一种诱导NG2胶质细胞增殖和分化的因子。对培养的大鼠NG2胶质细胞研究发现，IGF-1通过激活PI3K/Akt/mTOR抑制细胞周期素D1的降解促进NG2胶质细胞的增殖[16]。IGF-1也是治疗MS、缺血、精神分裂症或自闭症的潜在靶点[17]。

FGF-2通过激活MAPK/ERK1/2信号通路激活细胞周期素D1 mRNA的转录，与IGF-1协同促进培养的NG2胶质细胞的增殖[16]。脑室给予FGF-2可抑制NG2胶质细胞的分化并扰乱髓鞘形成[18]，而FGF-2在实验性脱髓鞘和MS病变髓鞘再生过程中上调。系统敲除FGF-2或Plp-Cre中的FGFR-1不影响NG2胶质细胞的增殖，但可增加双环己酮草酰二腙诱导的脱髓鞘中NG2胶质细胞的分化[19]。在NG2胶质细胞的不对称分裂中，EGF受体在子细胞之间也不对称地分离，有助于EGFR阳性的子细胞持续的自我更新，而EGFR阴性的子细胞分化[20]。另外，在EGFR过表达的Cnp-Cre鼠中或EGF经鼻内输送到慢性缺氧并伴弥漫性白质损伤的新生鼠中发现NG2胶质细胞的增殖和分化率增加[21]。这些结果表明，EGF的促分化作用可能只发生在中枢神经系统损伤情况下。

BDNF通过酪氨酸受体激酶B(TrkB)受体起作用，该受体在脊髓NG2胶质细胞上表达[22]。系统性敲除BDNF导致被招募到受损白质的NG2胶质细胞的增殖数量减少，同时BDNF信号缺失不利于双环己酮草酰二腙诱导的脱髓鞘后小鼠胼胝体的髓鞘再生[23]。MS患者的BDNF水平较低，广泛使用的MS治疗药物醋酸格拉替雷和芬戈莫德则通过升高BDNF发挥作用[24]。然而，MS中BDNF是否直接作用于NG2胶质细胞，或更成熟的少突胶质细胞前体，或调节免疫反应仍需要进一步阐明。CNTF在脱髓鞘病变以及髓鞘再生过程中上调。在实验性变态反应性脑脊髓炎(EAE)模型中，CNTF缺乏的小鼠NG2胶质细胞的数量和增殖率均增加。CNTF家族配体的效应因子STAT3的敲除减弱了LPC诱导的脱髓鞘和挫伤性脊髓损伤后NG2胶质细胞的分化[25-26]。

2．3核受体配体、载脂蛋白转铁蛋白和G蛋白偶联受体17 许多研究表明，孕酮可促进中枢神经系统髓鞘形成，特别是通过刺激NG2胶质细胞的增殖和分化为髓鞘化的少突胶质细胞。孕酮可促进培养的和大鼠脊髓中的NG2胶质细胞增殖，且髓鞘碱性蛋白(Mbp)的表达增加，表明孕酮也可促进NG2胶质细胞的分化[27]。在LPC诱导的脱髓鞘和EAE中，孕酮促进NG2胶质细胞的增殖并增强髓鞘再生。维甲酸对少突胶质细胞的成熟有积极作用，但其作用于NG2胶质细胞还是更成熟的少突胶质细胞前体还有待阐明。脊髓脱髓鞘中维甲酸受体γ(RXR-γ)激活正向调控NG2胶质细胞的分化和髓鞘再生[28]。EAE或双环己酮草酰二腙诱导的脱髓鞘后，甲状腺激素(THs)可通过促进大鼠和小鼠NG2胶质细胞的分化调控少突胶质细胞的发育和髓鞘形成。BAXI等[29]发现，THs在NG2胶质细胞上的效应主要是由TH受体β介导的，其合成的激动剂GC-1能增强体外NG2胶质细胞的分化以及体内髓鞘形成。

转铁蛋白(Tfs)是哺乳动物肝脏和脑中合成的铁转运蛋白。在神经组织中，少突胶质序列细胞是合成转铁蛋白的主要细胞，而转铁蛋白在中枢神经系统发育过程中也作为少突胶质序列细胞的促分化因子和营养因子。去铁转铁蛋白通过ERK/MAPK和Akt/mTOR通路促进NG2胶质细胞的分化，是少突胶质细胞成熟重要的调节因子[30]。最近提出有关去铁转铁蛋白和甲状腺激素在少突胶质细胞分化中串扰的现象，甲状腺功能减退大鼠去铁转铁蛋白水平下降和髓鞘形成受损，而甲状腺功能亢进大鼠有正相反的表现[31]。

G蛋白偶联受体17(GPR17)在生理条件下主要表达于NG2胶质细胞和分化早期的少突胶质细胞。GPR17通过其配体UDP-葡萄糖激活诱导培养的NG2胶质细胞的分化[32]。UDP-葡萄糖处理来自缺血诱导的室周白质软化症的新生大鼠细胞显著增强NG2胶质细胞的分化[33]。在少突胶质序列细胞成熟的后期阶段，GPR17必须下调才能满足合适的髓鞘形成。表明GPR17在损伤早期被激活以促进NG2胶质细胞的分化，而在损伤后期持续激活却有碍合适的髓鞘再生[34]。

2．4细胞内信号通路Wnt信号通路受上游信号分子，如β-catenin或结肠腺瘤样息肉(APC)基因的调控被激活，可调控NG2胶质细胞的分化，但不影响其增殖[35]。最近HAMMOND等[36]研究表明，Tcf7l2在发育过程以及双环己酮草酰二腙诱导的脱髓鞘中以Wnt信号独立方式促进NG2胶质细胞的分化。Wnt信号对髓鞘形成有抑制和促进双重作用。Wnt信号参与少突胶质细胞成熟的各个阶段，然而其如何影响NG2胶质细胞的命运以及整个髓鞘再生过程还有待于阐明[37]。

Akt/mTOR信号通路参与了OL发育的许多方面，包括OPC增殖、迁移、分化和髓鞘形成[38]。在培养的大鼠和人NG2胶质细胞中，同时使用AKT/mTOR信号通路上游抑制剂磷酸酶与张力蛋白同源基因(PTEN)与IGF-1可诱导NG2胶质细胞的成熟[39]。在Cnp-Cre鼠中敲除少突胶质序列细胞中的mTOR或RAPTOR和RICTOR会明显损害脊髓髓鞘发育形成期间NG2胶质细胞的分化[40]。敲除Cnp-Cre和Olig1-Cre鼠中的mTORC1的激活剂Rheb1后也观察到相似的结果[41]。

ERK/MAPK信号通路也参与对NG2胶质细胞的调控[42]。对培养的NG2胶质细胞的研究发现，白细胞介素-17A诱导ERK1/2的活化与NG2胶质细胞的分化有紧密的相关性[43]。NAJM等[44]使用药物咪康唑激活NG2胶质细胞中的ERK1/2，促进LPC诱导的小鼠脊髓脱髓鞘后广泛的髓鞘再生。

Notch信号通路是动物进化过程中最古老、最保守的信号级联反应之一。早期证据表明Notch信号通路抑制少突胶质细胞的成熟。反应性星形胶质细胞源性内皮素-1激活Notch信号通路抑制LPC诱导的脱髓鞘后NG2胶质细胞的分化[45]。

2．5神经元活动除各种信号分子、生长因子和激素外，电活动也可调节发育时期髓鞘形成。神经元活动还可促进成年脑内NG2胶质细胞的募集和分化，这可能有助于神经可塑性[46]。这种适应性髓鞘形成对于新的运动技能学习至关重要，且可以通过删除髓鞘调节因子(Myrf)而完全阻断，Myrf是少突胶质序列细胞髓鞘形成所必需的转录因子[47]。FIELDS等[48]也对活动依赖性适应性髓鞘形成进行了综述。NG2胶质细胞与无髓鞘轴突形成直接的突触联系，并存在几乎所有主要的神经递质受体[49]。这样的分子结构使神经元能够通过分泌的神经递质直接调控NG2胶质细胞，主要包括谷氨酸(AMPA/kainate和NMDA)、γ-氨基丁酸(GABA)。

使用大鼠溴化乙锭脱髓鞘模型研究谷氨酸对髓鞘再生的影响中，发现在脱髓鞘早期，NG2胶质细胞表达AMPA受体对NG2胶质细胞招募到脱髓鞘轴突至关重要，而在后期NG2胶质细胞表达NMDA受体对NG2胶质细胞的分化和髓鞘再生的调控也是必须的[50]。除谷氨酸外，GABA对NG2胶质细胞也有影响。缺氧对NG2胶质细胞的影响可通过氨己烯酸和噻加宾治疗得到改善，这两种药物均可增加GABA的活性，表明GABA能信号可促进NG2胶质细胞的分化[51]。由于GABA受体的激活会降低NG2胶质细胞上AMPA电流振幅，故谷氨酸能和GABA能信号可能共同参与了NG2胶质细胞的成熟过程[52]。

3 NG2胶质细胞的分化潜能

在体外或病理条件下NG2胶质细胞有着更多的分化潜能，除分化为少突胶质细胞外，还可以产生星形胶质细胞，甚至神经元。在胚胎形成期间，前脑腹侧中超过1/3的原浆型星形胶质细胞来自NG2胶质细胞[53]。在皮层冷冻损伤、局灶性脑缺血(FCI)和挫伤性脊髓损伤的转基因小鼠中也检测到NG2胶质细胞来源的星形胶质细胞。另一方面，在肌萎缩侧索硬化的Pdgfra-Cre小鼠模型中无观察到来源自NG2胶质细胞的星形胶质细胞[54]。这些研究表明NG2胶质细胞的星形胶质细胞分化潜能在很大程度上取决于损伤类型和(或)基因小鼠模型。脊髓注射BMP4导致NG2胶质细胞分化为星形胶质细胞增多，表明BMP信号通路可能是驱使NG2胶质细胞分化为星形胶质细胞的可能机制。另有研究显示局灶性脑缺血后NG2胶质细胞产生星形胶质细胞是通过Shh信号蛋白调控的[55]。抑制Shh信号蛋白使NG2胶质细胞来源的星形胶质细胞明显减少，而激活Shh信号蛋白则刺激NG2胶质细胞分化为星形胶质细胞但不影响其增殖。Shh和BMP在中枢神经系统损伤时均会上调，在胶质瘢痕的形成中发挥了重要作用[56]。

BELACHEW等[57]在出生后早期及成年(P30)小鼠海马(主要在齿状回)中发现NG2阳性细胞来源的神经元。RIVERS等[58]在小鼠梨状皮质中检测到少量神经元。另外，下丘脑NG2胶质细胞也能够分化为功能性的神经元。近年来，利用病毒诱导的多种转录因子表达可将NG2胶质细胞重新编程为功能神经元。在阿尔茨海默病小鼠刺伤模型中，病毒诱导NeuroD1的表达，使皮层NG2胶质细胞分化为功能性谷氨酸能和GABA能神经元[59]。病毒诱导Sox2和(或)Ascl1表达的刺伤模型中观察到NG2胶质细胞来源的成熟神经元。在小鼠纹状体中，NG2胶质细胞中转录因子Ascl1、Lmx1a和Nurr1的过表达，会导致其转化为成熟的谷氨酸能以及GABA能神经元[60]。类似地，病毒诱导Sox2和/或Ascl1表达的刺伤模型中，观察到NG2胶质细胞来源的成熟神经元[61]。在小鼠纹状体中，NG2胶质细胞中转录因子Ascl1、Lmx1a和Nurr1的过表达，会导致它们转化为成熟的谷氨酸能以及GABA能神经元[62]。此外，创伤性脑损伤后，病毒介导转录因子Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc的表达将NG2胶质细胞重编程为Nanog阳性的胚胎干细胞样细胞，随后产生功能性神经元[63]。

4 小结

自从NG2胶质细胞作为独立的细胞类型，已经进行了大量的关于调控NG2胶质细胞分子机制的研究。目前对影响NG2胶质细胞增殖和分化的各种信号分子、生长因子等了解渐多，使得NG2胶质细胞的增殖和分化过程可以被调控。近年来，在改善伴少突胶质细胞损伤的中枢神经系统病变方面已经取得很大进展。NG2胶质细胞参与包括创伤性脑损伤、挫伤性脊髓损伤、缺血、白质损伤和胶质瘤形成等中枢神经系统病变，因此，阐明其增殖分化机制并开发其分化潜能对中枢神经系统病变的治疗及恢复有着重要的作用。