p75神经营养因子受体在神经退行性疾病中的作用

秦晓颖,刘 刚,廖 红

(中国药科大学新药筛选中心，江苏省药效研究与评价服务中心,江苏 南京 210009)

神经退行性疾病是一组由神经元变性和缺失为基础的慢性、进行性神经系统疾病的总称。其病理基础为神经元的变性或其髓鞘的丧失。临床上主要包括阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)、亨廷顿病(Huntington’s disease,HD)、肌萎缩性侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、多发性硬化(multiple sclerosis,MS)等疾病。

神经营养因子在神经元的发育、存活、轴突生长、突触连接和损伤反应等各个方面均发挥着重要的作用,对维持正常的脑部功能和损伤后的功能恢复至关重要[1]。神经营养因子包括神经生长因子(nerve growth factor,NGF),脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF),神经营养因子3、4(neurotrophin-3, 4,NT-3, 4)等,它们需要与特定的受体结合才能发挥作用。与神经营养因子的高亲和力受体——酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptor,Trk)相比,其低亲和力的受体p75神经营养因子受体(p75NTR)的作用一度被忽视,但是最新的研究表明,p75NTR在神经退行性疾病的发生发展中有重要作用[1-2]。p75NTR是包括NGF、BDNF、NT-3、NT-4在内的多种神经营养因子的低亲和力受体。它在发育早期的神经元中广泛表达,但在成年个体中表达量极低。近期的研究发现,在损伤和疾病过程中,p75NTR表达量急剧上升,并发挥了促进神经元凋亡以及促进轴突回缩和轴突变性的作用[2]。因此,神经系统损伤和疾病过程中p75NTR的作用和针对p75NTR的药物开发引起了人们的广泛关注。本文介绍了p75NTR在神经退行性疾病过程中的多种作用和其信号转导机制,并探讨了其抑制剂成为治疗神经退行性疾病药物的潜在价值。

1 p75NTR的结构特点

神经营养因子受体p75NTR是一条分子量为75 ku的单链跨膜蛋白,属肿瘤坏死因子受体(TNFR)超家族成员；由1个信号肽、包含4个半胱氨酸的胞外域、疏水的跨膜区以及1个富含碱性氨基酸的胞内结构域组成[3-4]。p75NTR一般以二聚体形式存在,其二聚体由单体胞外结构域中高度保守的Cys257(大鼠)或Cys259(小鼠)形成二硫键相连。p75NTR的二聚化是其与神经营养因子和神经营养因子前体结合的必要条件。研究发现,Cys257(大鼠)或Cys259(小鼠)突变后,p75NTR不能形成二聚体,显著抑制了神经生长因子前体(pro-nerve growth factor,proNGF)与p75NTR的结合，从而减少的海马神经元的凋亡[3]。研究发现,p75NTR能够被金属蛋白酶剪切,生成一条28 ku的与细胞膜相连的C端结构域片段(carboxy-terminal fragment,CTF)。其CTF会进一步被γ-分泌酶剪切成可溶性的胞内结构域(Intracellular domain,ICD)片段。p75-ICD可以进入细胞核从而影响多种转录因子的转录,从而介导凋亡、生长、肿瘤细胞迁移等众多的信号通路[4]。

在不同的细胞环境下,p75NTR与神经营养因子或其前体结合,调节多条信号通路。p75NTR促存活和促凋亡的作用与其在不同微环境中的配体和共受体有关。例如：p75NTR与Trk受体结合时提高了成熟的神经营养因子与Trk受体结合的亲和力,促进了细胞生存、分化和生长,从而促进发育阶段的神经发生和病理状态下肿瘤细胞的生长[4]。与之相反,p75NTR与神经营养因子前体结合时,神经营养因子前体的前肽结构域抑制了p75NTR与Trk受体的结合,并通过与分拣蛋白sortilin结合,从而进一步提高前体与p75NTR的亲和力。因为p75NTR与神经营养因子前体结合时通常诱导细胞凋亡,抑制突触功能,所以其在神经系统疾病的发展中发挥重要的作用。

2 神经退行性疾病中p75NTR的表达情况

研究发现,在炎症相关的神经系统疾病中周围和中枢神经系统的神经元和胶质细胞的p75NTR表达上调。ALS和MS疾病中,脊髓运动神经元的p75NTR表达上调,诱导运动神经元的凋亡并造成神经功能的障碍[5-6]。在MS患者和自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)实验小鼠脊髓的少突胶质细胞中p75NTR表达的增加,进而介导脱磷鞘和神经变性[7-8]。在脑中,颅脑外伤、癫痫、AD、PD及HD均会造成p75NTR的表达升高[2]。研究发现颅脑损伤后的损伤处的神经元细胞会上调p75NTR的表达[9]。戊四氮诱导的大鼠癫痫模型的大脑皮质和海马神经元表达p75NTR[10]。最后,AD、PD和HD病人和模型小鼠的皮质、海马和基底前脑胆碱能神经元中的p75NTR显著上调[11-14]。

p75NTR在这些神经系统疾病中通常促进疾病的发生发展。由于p75NTR介导了众多的下游通路,不同的疾病中p75NTR的作用可能并不相同；在同一疾病中p75NTR也往往介导多条通路,通过介导神经细胞凋亡,促进轴突变性,影响突触可塑性等多种途径造成认知和记忆功能障碍,进而造成神经退行性疾病的发生和恶化。

3 p75NTR促进神经退行性疾病的发生发展

早年的研究证明，p75NTR具有促进运动神经元凋亡和介导少突胶质细胞脱髓鞘的作用,从而引发了人们对p75NTR在神经退行性疾病中作用的关注。近期的研究发现，抑制p75NTR的表达和功能,在多种神经退行性疾病中有保护作用,例如：抑制p75NTR能够有效减缓ALS疾病模型和AD疾病模型的病程。下文将具体阐述p75NTR在损伤和疾病中的具体作用。

3.1 损伤和疾病中p75NTR介导细胞凋亡目前，发现ALS、脊髓损伤、颅脑外伤、AD等损伤和疾病状态下p75NTR介导神经元凋亡。具体而言,研究发现ALS模型小鼠(SOD1G93A)的脊髓运动神经元中,NGF的糖基化终产物通过与p75NTR的结合,促进运动神经元的凋亡,从而加剧机体的神经损伤[6]。脊髓损伤后,损伤引发pro-NGF的大量表达,而pro-NGF通过激活p75NTR介导了少突胶质细胞凋亡。p75NTR敲除后,p75NTR敲除鼠在损伤后产生的少突胶质细胞的凋亡减少[15]。在多种脑损伤模型中,p75NTR能够介导大脑皮质和海马的神经元凋亡。在控制性皮质撞击(controlled cortical impact,CCI)脑外伤模型中,proNGF通过p75NTR介导皮质和海马的神经元和少突胶质细胞的凋亡[9,16]。在侧向液压冲击伤的脑外伤模型中,proNGF通过p75NTR介导海马和丘脑的神经元凋亡[16]。AD病人脑脊液中脑源性神经营养因子前体(pro-brain-derived neurotrophic factor,proBDNF)、sortilin和p75NTR表达的升高[17]。通过APP/PS1 AD模型小鼠,研究发现proBDNF在活性氧(reactive oxygen species,ROS) 在作用下被糖基化修饰,不会降解为成熟的BDNF,大量的proBDNF通过sortilin激活p75NTR ICD的内化入核,从而介导海马神经元的凋亡[17]。总之,在神经营养因子前体尤其是proNGF和proBDNF的作用下,p75NTR与sortilin结合,在损伤后的神经元和少突胶质细胞中主要介导凋亡通路,造成神经元和少突胶质细胞数目减少,并引起神经功能障碍。而在戊四氮诱导的大鼠癫痫模型中,proBDNF通过液泡蛋白分选受体(sortilin related VPS10 domain containing receptor 2,sorCS2)而非sortlin激活p75NTR通路并不会明显的导致细胞数目的减少,提示proBDNF可能并不是通过凋亡诱发癫痫的。研究发现proBDNF作用于大脑皮质神经元的p75NTR后通过诱导神经元的异常放电增加癫痫的发生风险[10]。

3. 2 p75NTR在轴突变性中的作用神经营养因子受体p75NTR除了在神经元凋亡中发挥重要的作用,还在轴突生长、轴突的分布和可塑性方面发挥作用。胚胎干细胞分化得到的神经元中p75NTR的异常表达导致了轴突回缩[18]。p75NTR通过激活Rho通路,介导生长锥的回缩和轴突变性。在神经元和少突胶质细胞表面,髓鞘蛋白Nogo,髓鞘关联糖蛋白(myelin associated glycoprotein,MAG)和髓鞘少突胶质细胞糖蛋白(myelin oligodendrocyte glycoprotein,MOG)等配体与p75NTR/Nogo R/Lingo复合物结合,促进Rho鸟苷酸解离抑制因子(Rho guanine nucleotide dissociation inhibitors, RhoGDI)与p75NTR的相互作用,从而激活Rho-A通路和Rho-A的效应器ROCK,进而使肌球蛋白轻链(myosin light chain,MLC)磷酸化,活化MLC,刺激肌球蛋白与肌动蛋白的结合,促使肌动蛋白微丝F-actin的积聚和应力纤维形成,最终由应力纤维的收缩引起轴突生长锥的回缩[18]。尽管髓鞘蛋白与神经营养因子作用于p75NTR导致轴突变性的具体机制尚不完全清楚,公认的是,多种神经退行性疾病中包裹髓鞘的神经纤维出现了脱髓鞘现象。抑制p75NTR可以改善神经元轴突的回缩和变性,最终改善神经功能障碍。

3.3 p75NTR影响认知和记忆功能神经营养因子受体p75NTR在神经元凋亡和突触可塑性变化中的作用可以直接影响认知和记忆的功能,从而在AD和其它认知衰退的疾病中起重要的致病作用。许多研究发现在AD模型鼠和HD模型鼠中,抑制p75NTR信号通路的激活显著的改善了认知和记忆的功能[11-14]。AD相关的体外的研究显示p75NTR在高浓度的淀粉样-β(Aβ)诱导的细胞凋亡中起直接作用,Aβ能够通过与p75NTR胞外域直接结合介导神经元的凋亡,抑制p75NTR可以有效抑制Aβ诱导的细胞凋亡[19-20]。在APP/PS1 AD模型小鼠中,脑中沉积的有神经毒性的Aβ与p75NTR结合后,导致神经元的凋亡和神经炎性营养不良,并造成认知和记忆功能的障碍,而p75NTR敲除鼠该症状明显得到缓解[19-20]。另外,HD模型小鼠中p75NTR介导的轴突变性促进R6/2 HD模型小鼠轴突数目和轴突定向分布的减少,从而造成认知功能的障碍[14]。

p75NTR还可能通过影响突触功能和突触可塑性影响学习记忆的生成。海马神经元中BDNF与p75NTR的结合将引起海马CA1区神经元的长时程增强(long-term potentiation,LTP),促进学习记忆的形成；proBDNF与p75NTR的结合将引起海马CA1区神经元的长时程抑制(long-term depression,LTD),影响学习记忆的形成[21]。在体外培养的海马脑片中加入proBDNF，发现proBDNF通过降低海马神经元的树突棘密度和分支的复杂性,抑制突触可塑性[22]。另外,敲低p75NTR可以抑制HIV1病毒的壳膜蛋白结构gp120蛋白造成的海马树突棘密度和分支的复杂性的降低[23]。总之,这些研究表明,神经损伤和疾病过程中上调的p75NTR和神经营养因子前体通过降低树突棘密度和分支的复杂性,抑制了突触可塑性。因为突触可塑性对认知和记忆功能有重要的作用,所以p75NTR很有可能通过抑制突触可塑性造成认知和记忆功能障碍。

4 靶向神经营养因子受体p75NTR的潜在治疗药物

利用神经营养因子的潜在保护作用,一直是开发治疗神经疾病药物的重点。而在最近的研究中,神经营养因子受体p75NTR作为治疗神经退行性疾病的潜在药物开发靶点已逐渐得到认可[2,4]。p75NTR在神经元和其它细胞中在损伤和氧化压力情况下应激上调,使得针对该靶点的药物对受损细胞的作用更有选择性而对正常细胞副作用较小。考虑到p75NTR的广泛作用,能直接作用于特定的结构域,有选择性地调节p75NTR个别信号通路的抑制剂可能成为非常好的治疗神经退行性疾病的潜在药物。目前,p75NTR通路的抑制剂主要有LM11A-31、LM11A-24、c29、TAT-Pep5和EVT901。这些p75NTR通路的抑制剂对于神经退行性疾病的作用除了LM11A-31之外均处于临床前研究的阶段,其安全性和药效均有待于进一步的评价和研究。

LM11A-31第一个用于调节p75NTR信号的非肽小分子配体是LM11A-31,它是Massa等通过硅片筛选确定的。LM11A-31模仿了NGF loop1的结构,可以选择性地抑制NGF和proNGF与p75NTR的结合,从而抑制proNGF通过p75NTR介导的下游通路。LM11A-31能够在皮摩尔浓度抑制培养的神经元死亡[24],并在AD、HD、创伤性颅脑外伤等疾病的模型中能促进神经元的存活并改善认知和记忆功能的恢复。研究显示,在Thy-1 hAPPLond/Swe(APPL/S)和Tg2576两种AD模型小鼠中,LM11A-31能够抑制Aβ诱导的小鼠海马和大脑皮质的神经元死亡,并逆转Aβ诱导的tau蛋白的过度磷酸化和Akt促存活通路的失活[24-26]。LM11A-31能够抑制Aβ诱导的有害信号,包括细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶5(cyclin-dependent kinase 5,CDK5)、糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK3β)和JNK等信号的激活,从而逆转Aβ介导的海马神经元凋亡和神经炎性营养不良[24-25]。LM11A-31还能保护胆碱能神经元轴突的完整性,减少神经缠结并改善APPL/SAD模型鼠的认知功能[26]。而在创伤性颅脑外伤中,LM11A-31能够改善小鼠脑损伤区域神经元的存活和增殖,促进海马的神经发生,从而改善小鼠颅脑外伤后空间记忆的丧失[27]。因为LM11A-31具有可以口服,可以穿过血脑屏障的良好的药理学特性[24],其被预测具有潜在的药物价值。目前，LM11A-31对AD的治疗作用临床Ⅱ期试验已结束,结果尚未公布。其对除AD外其它神经退行性疾病的作用和作用机制的研究可能可以拓展其应用价值。

LM11A-24LM11A-24是另一个调节p75NTR信号的非肽小分子配体。LM11A-24的结构和作用原理与LM11A-31相似,但其对疾病的改善效果不如LM11A-31。在APPL/S小鼠AD模型中,LM11A-24能够抑制tau的过度磷酸化,减轻脑内的炎症,但不能抑制tau的异常折叠,最不利的是其对AD模型小鼠的空间认知记忆功能没有明显的改善作用[26]。

c29模拟p75NTR胞内近膜区结构的细胞渗透性肽c29,可以抑制p75NTR介导的死亡通路并通过与TrkA和TrkB结合促进NGF和BDNF介导的促存活通路[5]。c29可以抑制模拟ALS的SOD1G93A模型小鼠的运动神经元的凋亡,并促进BDNF和TrkB介导的促神经存活,从而增加ALS模型小鼠运动神经元的存活并延缓疾病的进程[5]。

TAT-Pep5TAT-Pep5,p75NTR死亡结构域的药物抑制剂是一种细胞渗透性肽,可以特异性抑制p75NTR与RhoGDI的结合从而抑制p75NTR对RhoA通路的激活。同时,有研究发现p75NTR能够有效的减少CCI颅脑外伤后的大脑皮质神经元的死亡从而减小脑梗死体积,改善颅脑外伤后的神经功能障碍[9]。

EVT901EVT901,一种哌嗪衍生物,是p75NTR的选择性拮抗剂,通过与p75NTR的胞外富半胱氨酸结构域直接作用来抑制p75NTR寡聚化,从而抑制p75NTR与proNGF的结合,并能抑制p75NTR与其它神经营养因子前体以及单体比如与朊蛋白肽以及与Aβ的结合[16]。在CCI和侧向液压冲击伤两种颅脑外伤小鼠模型中EVT901均可以有效的抑制proNGF介导的神经元凋亡。EVT901在CCI模型中可以减少皮质和海马的神经元凋亡从而减小梗死体积,并能抑制脑内的炎症，从而改善颅脑外伤后的认知和运动功能障碍[16]。在侧向液压冲击伤模型中EVT901可以减少海马和丘脑的神经元凋亡,从而减轻颅脑外伤后的认知障碍并减少继发癫痫的风险[16]。

神经退行性疾病目前尚没有较好的治疗药物,对神经退行性疾病的不断认识与深入研究,不仅有助于理解该病的病理机制,更有望为神经退行性疾病临床诊断提供新指标、为神经退行性疾病的治疗提供新靶点和新方向。p75NTR在神经损伤和疾病状态下表达上调,并可能清除受损的神经元、轴突和突触连接。在神经退行性病变如AD,PD,HD中,p75NTR通过造成神经元凋亡和轴突变性影响认知和记忆功能,从而参与疾病的进程。神经退行性疾病中p75NTR激活的下游通路众多。p75NTR在NGF和BDNF的作用下一般通过促进NGF,BDNF和trk受体的结合发挥促存活作用；p75NTR在proNGF和ProBDNF的作用下与sortlin结合时介导凋亡通路；与RhoGDI结合时介导轴突变性,p75NTR与Aβ结合时介导Aβ毒性相关的多种信号通路。但是，促进p75NTR表达上调的机制尚不清楚,细胞如何决定p75NTR结合的配体和共受体从而选择其激活的下游信号通路也尚不清楚。在不同疾病模型中选择不同的p75NTR通路抑制剂,靶向抑制p75NTR的促凋亡、促轴突变性通路、Aβ毒性相关通路,对未来神经退行性疾病的药物的开发具有重要意义。因此,全面、系统地阐述p75NTR在神经退行性疾病中的作用,将为神经退行性疾病病理机制研究和药物新靶点的发现提供重要的理论和实验依据。