Cx43 与神经精神疾病的研究进展

曾立三，李雪斌，苏蓬勃

(右江民族医学院，广西 百色533000)

缝隙连接(gap junction，GJ)通道是对抗细胞间电阻，实现兴奋在细胞间传播的主要途径。缝隙连接蛋白(connexin，Cx)是构成细胞间GJ 通道基本结构和功能的一大类膜蛋白，6 个Cx 单体形成同源六聚体，其间具有亲水通道，膜的每一侧上的通道对应于半通道，两侧的膜相对以形成GJ 通道［1］。大部分情况下，这些通道呈开放状态，允许水溶性分子和离子通过，一个细胞产生的动作电位传播到另一个细胞可通过GJ 的局部电流来实现。GJ 是细胞间仅有的物质和信息的交换通道，其作为电突触的结构基础能使神经元活动迅速发生改变［2］。GJ 在神经元之间的信号传递作用非常重要，神经元胞膜上的GJ 能使相邻两个细胞间的小信号分子(如环腺苷酸、钙离子、三磷酸肌醇等)互相传递［3］。Cx 是由多基因家族编码的包括多个成员的一类膜蛋白，至今在哺乳动物中已发现20 多种［4］，所有Cx 都具有4 个保守的α 螺旋跨膜区，根据相对分子质量不同而命名，Cx43 因相对分子质量为43 000 而得名。近年来，随着人们对Cx43 研究的不断深入，发现Cx43 表达变化与神经精神疾病密切相关。现就Cx43 与神经精神疾病的研究进展予以综述。

1 Cx43 的病理生理学功能

Cx 作为GJ 的基本结构和功能蛋白的一大类膜蛋白，水溶性分子和离子被允许通过这些通道，GJ 的局部电流接通了细胞间的电位传导，GJ 是电突触的结构基础并能飞快地改变神经元活动，细胞间进行物质交换及信息传导需靠GJ［1，4-5］。Cx43 在中枢神经系统广泛分布，对维持神经系统正常功能起到了重要的作用;GJ 的功能在一定程度上依赖于Cx43 的磷酸化状态［6］。Kim 等［7］研究表明，神经细胞凋亡可能受到Cx43 表达水平的影响。Kucheryavykh 等［8］通过对具有Cx43 内源性表达的Novikoff 和A172 神经母细胞瘤细胞的研究表明，细胞内氢离子和钙离子水平升高、细胞缺血或其他病理情况可引起Cx43 水平下降，进而导致GJ 通道信息传递障碍，且使用多胺可以逆转这种现象的发生，同时，通过小干扰RNA 剔除Cx43 可以显著阻断GJ 通道的信息传递，表明Cx43介导的GJ 通道是信息传递调节的目标。神经精神疾病的发生可能由于Cx43 磷酸化参与GJ 重构，经过细胞GJ 通信而导致［9］。

2 Cx43 与神经系统疾病

2.1 Cx43 与创伤性脑损伤 导致颅脑损伤的过程极其复杂，其中涉及缺血、缺氧、代谢性应激产物释放及脑细胞水肿等的改变。GJ 作为细胞之间的重要结构，并且这些变化可能具有特别复杂的物质和信息传递机制。细胞GJ 通信允许许多细胞的代谢偶联，GJ 在细胞凋亡和坏死信号由损伤及应激细胞向邻近活细胞的扩散中起着重要作用［10］。Chen 等［11］研究表明，创伤性脑损伤的严重程度与Cx43 的水平以及Cx43 的磷酸化状态有关。创伤性脑损伤的严重程度与Cx43 和蛋白激酶C/促分裂原活化的蛋白激酶磷酸化之间的关联也可以支持涉及脑损伤的特定途径，特别是在Cx43 基因剔除动物海马切片中，创伤诱导的细胞死亡和突触功能损伤均减少［12］。Sun 等［13］研究表明，创伤性脑损伤后GJ 和自噬之间具有一定的相关性，并确定星形胶质细胞GJ/Cx作为控制海马神经元自噬的调节因子。由于Cx 的表达或星形胶质细胞GJ 偶联在各种形式脑损伤中均受到影响，可能在病变脑中尤为突出。因此，利用Cx43 参与颅脑损伤的机制，防止进一步的损伤具有重要的价值。

2.2 Cx43 与脑水肿 既往研究表明，Cx43 的上调可以加重脑水肿，由于脑损伤后大量释放谷氨酸并通过GJ 半通道释放到细胞外空间，诱发受体神经元兴奋性毒性，导致颅脑损伤后脑水肿加重［14］。血脑屏障的完整性需要Cx43 的参与，Cx43 表达减少导致星形胶质细胞水肿，血脑屏障功能下降，加重脑水肿［15-17］。Chu 等［18］研究表明，芍药苷和黄芪甲苷都能减轻脑缺血后引起的脑水肿，与Cx43 下调密切相关。Wu 等［19］研究表明，大鼠在创伤后发生反应性脑水肿、星形胶质细胞增多以及Cx43 表达增加，而抑制Cx43 在大脑中的表达水平可降低创伤后的脑水肿。由此推测，脑损伤后Cx43 过表达可能导致细胞内和细胞间稳态失衡，导致反应性星形胶质细胞增多和脑水肿。章科娜等［20］也证实了脑水肿时星形胶质细胞上的Cx43 表达上调，可通过抑制Cx43的表达来减轻脑水肿。因此，可利用这类机制减少损伤并修复受损细胞。

2.3 Cx43 与癫痫 加强神经元间GJ 沟通是神经元同步驱动癫痫发作活动的重要因素［21］。既往有研究表明，星形胶质细胞之间(而非神经元之间)的GJ 通讯增加以及Cx43 的表达变化可能在癫痫发作中起重要作用［22］。Hussein 等［23］研究证实，内酰胺类抗生素对戊四氮诱导的癫痫发作具有神经保护作用，表现为癫痫发作阶段和发作时间的缩短、发作潜伏期的延长、氧化应激的减弱以及海马CA3 区Cx43表达的下调。Motaghi 等［24］发现，获得局灶性癫痫发作后，海马Cx43 蛋白表达增加，且由Cx43 组成的海马GJ 在颞叶癫痫的毛果芸香碱模型中获得局灶性癫痫发作期间上调。也有研究表明，Cx43 半通道关闭可抑制癫痫发作活动，而Cx43 半通道开放则促进癫痫发作活动［25］。Ran 等［26］研究发现，GJ 阻断剂可抑制Cx43 的表达，进而减轻癫痫发作程度。然而，对于Cx30 基因和Cx43 基因双剔除小鼠的研究表明，星形细胞网络在基础突触活动期间的谷氨酸清除、钾缓冲和细胞外空间体积调节中具有主要作用。在Cx43 和Cx30 剔除小鼠中，由于星形胶质细胞谷氨酸和钾清除率降低，癫痫样放电的阈值降低，并且海马突触传递和神经元兴奋性增加［24］。上述研究提示，Cx43 与癫痫的发病和进展有着紧密的关联。随着Cx43 在癫痫发病中作用机制研究的深入，将有可能为癫痫的临床治疗提供新的思路。

2.4 Cx43 与缺血性脑血管疾病 促红细胞生成素可上调Cx43 表达，基于促红细胞生成素与Cx43 密切相关的证据以及两者对神经血管单元的重要作用，Zhou 等［27］证实，促红细胞生成素对脑缺血后神经血管单位损伤有保护作用，这与磷酸化Cx43 的增加密切相关，从而改善GJ 通信对神经毒性物质的还原作用。Cx43 的磷酸化在连接蛋白中表达最丰富、最普遍。Cx43 的磷酸化可将连接蛋白组装调节为GJ、GJ 翻转和通道门控，因此引出其生物效应十分重要［28］。既往研究表明，缺血/缺氧后Cx43 磷酸化水平降低，导致星形胶质细胞死亡［29］。这表明Cx43磷酸化可以产生神经保护作用。Kozoriz 等［30］研究表明，星形胶质细胞Cx43 有助于调节细胞死亡，并支持Cx43 C 端区域在脑缺血保护中的重要作用。Cx43 是形成GJ 和半通道的主要Cx，在脑中特别是在星形胶质细胞中表达［31］。缺血后大量半通道打开，导致离子紊乱，重要代谢物质流失，细胞肿胀甚至死亡。Kozoriz 等［30］曾证实，选择性剔除星形胶质细胞中的Cx43 后脑梗死大鼠脑体积增大，表明星形胶质细胞Cx43 限制了由卒中引起的脑损伤。Hou等［32］的研究发现，线粒体Cx43 和磷酸化的线粒体Cx43 可能是由脑缺血再灌注损伤引起的细胞死亡、蛋白质降解和通道功能障碍引起;同时，甘珀酸相对增加了线粒体Cx43 的表达，保持了通道结构的稳定性以确保功能，并且在使用线粒体ATP 敏感性钾通道激动剂的干预中，线粒体Cx43 水平相对较高，与甘珀酸的结果相似。然而，Cx43 的磷酸化可能导致Cx43 通道闭合，因此在脑缺血再灌注损伤中，Cx43的磷酸化水平下调，并且Cx43 通道开放，允许有害分子在细胞间传播［33］。因此，Cx43 抑制剂在脑缺血后具有保护作用。总之，线粒体Cx43 经过启动蛋白激酶C 而被线粒体ATP 敏感性钾通道的激动剂上调。这些发现揭示了线粒体Cx43 在神经保护作用中的机制，提供了对脑梗死保护的潜在机制的深入了解，并预测Cx43 是临床研究中治疗脑梗死的可能靶点。此外，其他途径也可能涉及这一过程，未来的研究应该解决这种可能性。Orellana 等［34］研究发现，Cx43 半通道的表达被阻滞后神经元的单独存活力减弱。也有研究发现，再灌注后增加氢的摄入后上调了Cx43 的表达程度，对神经元的损伤程度降低，说明Cx43 对神经元的保护起到一定的作用［35］。然而，Cx43 如何作用于脑缺血仍有待深入研究。Cx43基因剔除可加重缺血损伤［33］。又有研究表明，Cx43在脑缺血再灌注早期，加剧脑卒中后脑组织损伤［36］;Cx43 抑制剂在脑缺血后表现出保护作用并且能缩小梗死面积［37-38］。目前的研究为脑缺血的治疗提供了双重目标，为药物开发提供了新的思路。

3 Cx43 与精神疾病

3.1 Cx43 与抑郁症 Cx43 可能与抑郁症有关。孙建栋［39］首先提出了GJ 功能障碍在前额叶皮质抑郁症病理生理学中的作用。这项研究帮助解释抑郁症的病理发生，进一步补充完善了抑郁症的胶质细胞假说，并有利于抗抑郁药物的开发，可能是抗抑郁药物的潜在靶点。Miguel-Hidalgo 等［40］对源于尸体解剖的脑样本前额叶进行研究，提出抑郁症和酗酒者前额叶功能障碍伴随着Cx43 水平的降低，并且发现酗酒者的Cx43 免疫反应阳性斑点的密度减低，认为精神行为异常的病理生理学变化中可能存在GJ 或以半通道为基础的细胞通信的改变。也有研究表明，抑郁障碍危险因子星形胶质细胞Cx43 在前边缘皮质减少［41］。曹敏玲等［42］研究表明，酸枣仁汤可以增加抑郁大鼠的蔗糖消耗和自主活动，减轻大鼠的神经元损伤，降低大脑皮质区Cx43 的表达。Cx43 的表达降低可能是造成抑郁症患者蓝斑中谷氨酸信号、生长因子和神经胶质基因表达改变的原因［43］。Shen 等［44］在染料木素通过靶向Cx43 抑制微RNA-221/222 的表达来改善抑郁症的研究中发现，染料木素处理后微RNA-221/222 的表达水平显著降低，而Cx43 的表达上调。这些结果表明，染料木素可能通过抑制微RNA-221/222 或增加Cx43 的表达水平来改善重度抑郁症。以上可验证抑郁症患者的大脑表现出Cx43 表达的下调，而抗抑郁药物治疗则表现出Cx43 表达的上调［45-47］。相反，据报道，Cx43 缺乏可导致抗抑郁/抗焦虑样行为的某些特征性标志的表达和认知性能的改善［48］。值得注意的是，这两个相互矛盾的报告使用组成型Cx43 剔除小鼠来研究海马Cx43 在已知抑郁症中受影响的行为中的作用。有可能不同的大脑区域受到不同的影响，或者组成型Cx43 剔除小鼠的使用对结果的影响未知。

3.2 Cx43 与其他精神疾病 Walrave 等［49］研究发现，在延迟的自发性交替迷宫任务中，Cx43 阻滞确实显著损害了空间短期记忆。表明，Cx43 半通道在空间短时记忆中发挥作用。然而，以上的研究还处于初步阶段，需要进一步研究才能充分阐明Cx43 半通道的调控途径。另有研究表明，星形胶质细胞Cx43 半通道在恐惧记忆巩固中起着至关重要的作用［50］。因此，可以将星形胶质细胞中的Cx43 半通道作为治疗精神疾病，尤其是创伤后应激障碍等记忆相关疾病的新药理靶点。自杀是一个重要的公共健康问题，是社会心理和生物因素相互作用的结果。自杀意念和自杀行为的基础是特定的神经生物学过程，但对其中涉及的具体因素仍然知之甚少。然而，Ernst 等［51］发现，在自杀死亡者的背外侧前额叶皮质中Cx43 的表达减少，提示星形胶质细胞连接蛋白的改变可能与自杀过程有关，并为星形胶质细胞参与精神病理提供了进一步的证据。Qi 等［52］的研究结果表明，Cx43 基因剔除小鼠的延迟神经元迁移改变了成年小鼠的动物行为，动物行为测试显示，在成人阶段，神经元Cx43 剔除小鼠表现出焦虑行为增加但没有认知障碍。因此，可以推测，星形胶质细胞和神经元之间的相互作用可能通过在迁移神经元和靶向放射状神经胶质细胞之间形成Cx43 同源GJ，而在早期神经元迁移过程中发挥重要作用。而上述假设还需要形态学变化的进一步证据证明。Bi 等［53］通过实验证明，七氟醚通过激活发育中大鼠海马c-Jun 氨基端激酶/细胞内活化蛋白1 信号通路可诱导Cx43 上调和凋亡，并可引起青春期认知功能下降，而抑制该通路可减轻七氟醚诱导的Cx43 表达和细胞凋亡，改善七氟醚暴露于发育中大鼠大脑后的学习和记忆功能。因此，可以推测Cx43 在七氟醚诱导的神经毒性中发挥重要作用，可为今后如何通过调控以上的信号通路改变Cx43 的表达来提高认知功能提供新的思路。综上所述，Cx43 还与记忆障碍、焦虑及自杀等精神症状有关，因此，如何更好地调控Cx43 表达变化与上述精神症状发病的机制具有十分重要的意义。

4 小 结

随着GJ 研究的深入，人们对Cx43 与人类疾病的关系有了进一步认识。通过对Cx43 与神经精神疾病的研究，发现了Cx43 表达水平与创伤性脑损伤有一定的相关性，Cx43 表达水平降低可减轻脑水肿，抑制癫痫的发作，且Cx43 表达水平下调与Cx43磷酸化上调对神经元的保护起到一定的作用。Cx43表达水平降低既可加重缺血损伤，又在脑缺血后表现出保护作用。此外，Cx43 的表达降低还存在于抑郁症、记忆障碍、自杀死亡者、焦虑障碍中，说明Cx43 表达水平与神经精神疾病有着直接或间接的关系，可通过对Cx43 表达水平的调控，达到对神经精神疾病预防和治疗的目的，但其具体机制尚待进一步研究。希望在Cx43 表达水平的精准调控方面取得突破，为神经精神疾病的预防和治疗的新靶点提供理论依据和实验依据。