胶质细胞连接蛋白在神经退行性疾病中的研究进展

亓俊华，苏一洵，易陈菊

胶质细胞是大脑中数量最多的细胞类型，在中枢神经系统（central nervous system，CNS）中和神经元相互作用，调控CNS的多种生理及病理过程[1]。其中，星形胶质细胞（astrocyte）是构成血脑屏障的重要细胞类型[2]，可以形成突触，控制离子平衡、调节神经递质传递和清除[3-6]，还可以形成星形胶质网络，为神经元提供营养和支持，维持大脑稳态[7]。少突胶质细胞（Oligodendrocyte）由少突胶质前体细胞（Oligodendrocyte precursor cells，OPC）分化产生，在CNS中形成髓鞘包裹轴突，其再生对损伤后的髓鞘修复至关重要[8]。OPC还表达炎症因子受体，能够迁移至损伤部位来响应炎症应答，发挥免疫调节能力[9,10]。小胶质细胞（Microglia）是CNS中的固有免疫细胞，生理情况下，小胶质细胞参与几种管家功能，包括维持突触（即消除、修剪或成熟）、神经发生、认知功能的调节和免疫监视[11-13]；在病理情况下，多种刺激分子能够诱导小胶质细胞释放细胞因子和趋化因子，触发固有免疫应答，损伤中枢神经系统[14-16]。

连接蛋白（Connexin，Cx）是由四个α-螺旋跨膜结构域和2个细胞外环构成的跨膜蛋白[17]。相邻细胞膜上两个Cx六聚体组成的连接子（Connexon）偶联形成缝隙连接（gap junction，GJ），可以直接允许小分子物质、亲水分子和离子通过[18]。连接子也可作为半通道（hemichannel，HC）开放，介导细胞内外小分子物质交换[19]。近年研究也发现Cx可发挥调控细胞内信号通路激活与细胞迁移等新的非通道功能[20,21]。Cx在大脑所有细胞类型中表达，如星形胶质细胞表达以Cx43和Cx30为主[22]，少突胶质细胞表达Cx29、Cx32和Cx47[23]，原代培养的小胶质细胞表达Cx36和Cx45[24]，Cx43表达和免疫反应性低，但是炎性因子处理的小胶质细胞Cx43的表达和免疫反应性显著升高[25]。此外，胶质细胞中还表达两种泛连接蛋白（pannexin，Panx）—Panx1和Panx2，Panx与Cx蛋白有相似的膜拓扑结构，但二者不具同源性。且已知Panx只能形成半通道[26]。在大多生理情况下，Cx主要作为缝隙连接发挥作用；而病理情况下，细胞内Ca2+浓度变化、氧化应激、炎症因子等因素能够激活Cx半通道开放，介导胶质递质释放，损害神经元功能及影响神经元存活[27-31]。

神经退行性疾病以神经元结构和功能的逐渐丧失为主要表现形式，常伴随着淀粉样蛋白沉积和大脑变性，是威胁人类健康的主要疾病[32,33]。神经退行性疾病主要包括阿尔兹海默病（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）和亨廷顿舞蹈病（Huntington’s disease，HD）、肌萎缩性侧索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS）等[34-37]。值得注意的是，目前针对神经退行性疾病经典发病机制研发的治疗策略无法有效地逆转或缓解疾病发展，因此针对疾病新机制的探索尤为重要。近年来，大量的研究证实神经退行性疾病中常伴随胶质细胞活化和胶质细胞Cx表达和功能变化，揭示了胶质细胞Cx在神经退行性疾病中的作用。因此，本文就胶质细胞Cx在神经退行性疾病中的研究进展进行综述，探讨靶向胶质细胞Cx是否可以作为神经退行性疾病新的治疗策略。

1 胶质细胞Cx在AD中的作用

AD以进行性记忆丧失、行为缺陷和显著的人格改变为主要临床特征，是痴呆的主要类型[38]。淀粉样斑块沉积（amyloid-βplaques，Aβ）、神经原纤维缠结（Neurofibrillary tangles，NFTs）、神经元死亡和突触丢失是AD的主要病理特征[39]。值得注意的是，胶质细胞活化常伴随Aβ斑块出现，同时Cx的表达和功能也发生改变。AD患者大脑组织切片中发现Aβ斑块附近的星形胶质细胞的Cx43和Cx30呈斑点状密集分布，活化的星形胶质细胞中Cx43和Panx1表达增加[40,41]。此外，在大于4月龄的APPswe/PS1dE9（APP/PS1）小鼠大脑皮质和海马Aβ斑块周围的星形胶质细胞Cx43和Cx30的免疫反应性随Aβ沉积增加而增强[40]。相似的，在大于6月龄的5xFAD小鼠大脑皮质和丘脑Aβ斑块周围的星形胶质细胞Cx43免疫反应性也显著增强，尽管Cx43 mRNA表达明显降低[42]；另外，5xFAD小鼠中Aβ斑块周围的星形胶质细胞Cx30免疫反应性增强，但是海马体Cx30蛋白总表达水平和同龄对照组小鼠相比没有明显变化[42]。

大量研究证实AD中胶质细胞Cx半通道的异常开放可能导致神经元功能障碍。体外通过溴化乙啶（ethidium bromide，EtBr）摄入实验检测到Aβ25-35处理的星形胶质细胞、小胶质细胞和活体海马脑片Cx43表达增加，Cx43半通道被激活，使ATP和谷氨酸释放到细胞外，导致神经元死亡[43]。笔者也在9月龄APP/PS1小鼠活体脑片中Aβ斑块附近检测到星形胶质细胞活化和Cx43半通道异常开放，但是缝隙连接通讯没有发生改变。利用Cx43半通道阻断剂或条件性敲除星形胶质细胞Cx43可显著降低APP/PS1小鼠活体海马脑片星形胶质细胞胞内钙浓度[Ca2+]i和胶质递质（ATP、谷氨酸）的释放，减轻了海马神经元损伤[44]。这些研究揭示了Cx半通道可能是AD的潜在治疗靶点。并且，笔者在前期工作中发现波尔定碱（Boldine）能够通过血脑屏障，特异性抑制星形胶质细胞Cx43半通道活性而不改变缝隙连接功能，APP/PS1小鼠长期口服波尔定碱可以降低星形胶质细胞[Ca2+]i水平和ATP/谷氨酸释放，缓解海马神经元损伤[45]。此外，大麻素也可以抑制Aβ诱导的星形胶质细胞和活体脑片Cx43半通道活性和谷氨酸/ATP的释放，降低神经元损伤[46]。腹腔注射甘草次酸衍生物INI-0602，一种新的Cx半通道阻断剂，能够更好地通过血脑屏障，可显著改善APP/PS1小鼠的认知功能[47]。综上所述，AD中Aβ斑块附近Cx43与Cx30表达上调，半通道开放增加，通过胶质递质的释放导致神经元退行性变，而抑制胶质细胞半通道可减少海马神经元损伤。然而，Cx在AD病理中的表达与定位的调控机制尚不明确。半通道抑制剂是否可以挽救AD认知功能，仍需进一步研究。

2 胶质细胞Cx在PD中的作用

PD以大脑纹状体和黒质中多巴胺能神经元（dopaminergic neurons，DA neurons）进行性丢失、突触核蛋白（α-synuclein）形成的路易小体（Lewy bodies）、慢性神经炎症为主要病理特征[48,49]。此外，PD患者标本以及动物模型的黑质中也检测到星形胶质细胞活化[50,51]。不同PD动物模型中均可观察到Cx表达与功能的变化。早期研究发现鱼藤酮（Rotenone）诱导PD大鼠模型中基底核Cx43总蛋白及丝氨酸磷酸化水平都升高，并在体外处理中增强星形胶质细胞缝隙连接通讯[52]。而在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP）诱导的PD小鼠模型中，可观察到纹状体星形胶质细胞中Cx43和Cx30表达升高[51]，Cx43半通道激活，[Ca2+]i水平增加[53]。相似的，体外α-synuclein处理能够增强星形胶质细胞Cx43半通道和Panx1半通道开放，导致[Ca2+]i升高，胶质递质释放，激活炎症通路，导致星形胶质细胞死亡[54]。而另一方面，LPS诱导的PD小鼠中脑总Cx43表达降低，但Cx43丝氨酸368磷酸化水平增加2倍[55]。

Cx的通道功能在PD中可能介导了多巴胺能神经元的死亡。腹腔注射Cx43半通道阻断剂TAT-Gap19可以抑制MPTP诱导的多巴胺能神经元死亡和小胶质细胞激活[53]。同样的，在LPS诱导PD模型中，Cx43通道抑制剂Gap27能降低多巴胺能神经元的丧失，恢复多巴胺及代谢物的水平，同时Gap27还能抑制LPS诱导的黑质小胶质细胞和星形胶质细胞活化，降低炎症因子水平[55]。以上研究证实了靶向Cx43的通道功能是PD的潜在治疗靶点。然而，Cx缝隙连接功能与半通道功能在PD中的作用还需进一步研究，并且，Cx的非通道功能可能在PD中起到延缓疾病的作用：MPTP模型小鼠中Cx30的敲除可能通过细胞内信号传导抑制星形胶质细胞的神经保护性激活，导致多巴胺神经元死亡增加[51]。

3 胶质细胞Cx在其他退行性疾病中的作用

ALS以CNS中运动神经元进行性丢失和进行性麻痹为主要病理特征，神经炎症、胶质细胞活化和错误折叠的蛋白质积累共同驱动了进行性运动神经元的丢失[64]。ALS患者脑脊液、运动皮质和脊髓、ALS模型SOD1G93A小鼠脊髓和CTB-Sap诱导的ALS小鼠脊髓中都检测到了星形胶质细胞Cx43和GFAP表达增加[64-66]。另一种ALS模型mSOD1-Tg小鼠在发病前Cx的表达无明显差异，但到18周龄，脊髓前角星形胶质细胞GFAP、Cx43、Cx30和AQP4的免疫反应性明显增强。与之相反，20周龄脊髓前角中少突胶质细胞Cx47和Cx32蛋白和mRNA水平都显著降低[67]。此外，体外培养的SOD1G93A小鼠星形胶质细胞GFAP和Cx43表达增加，并且伴随着缝隙连接和半通道功能增强[65]。半通道阻断剂Gap26和Gap19可以保护运动神经元免于遭受SOD1G93A小鼠星形胶质细胞的损害[65]。Cx43半通道阻断剂Gap19和托纳博沙（tonabersat）能够通过抑制ATP释放，降低运动神经元的死亡。特异性敲除星形胶质细胞Cx43的SOD1G93A小鼠脊髓中胶质细胞活化受到抑制，疾病终末期颈髓运动神经元数量得到维持[66]。INI-0602可显著延长SOD1G93A和SOD1G37R小鼠寿命。，缓解疾病症状，同时还能够减少SOD1G93A小鼠腰髓中神经元损伤和胶质细胞活化[47]，以上研究提示靶向Cx43半通道或许是ALS的重要治疗策略。此外，SOD1G93A小鼠脊髓中也检测到了Panx1的表达增高，但是Panx1在ALS发展中的功能尚未阐明[68]。

HD是一种常染色体显性神经退行性疾病，具有运动、认知和精神障碍三联征[69,70]。在正常人和HD患者的大脑苍白球中，Cx43均匀分布在神经纤维，而尾状核中Cx43密度增加，集中在HD斑块处。此外，免疫染色检测到HD尾状核中GFAP表达显著升高，退行性神经元周围的星形胶质细胞高度活化，Cx43表达增加[71]。然而，近年来Cx半通道在HD中的作用研究相对较少，作用机制尚待发掘。

4 小结

胶质细胞Cx在神经退行性疾病中表达与功能有广泛的变化。在AD、PD和ALS中的研究证实，星形胶质细胞Cx43可作为半通道激活开放，通过胶质递质释放造成神经元退行性变；而Cx43半通道阻断剂可以有效抑制神经元损伤，减缓疾病进程[43,53,67]。这些证据提示星形胶质细胞Cx的半通道功能是神经退行性疾病的潜在治疗靶点。并且，Cx的缝隙连接通道作用与非通道作用可能在疾病中发挥有益的作用。长期以来，临床上大多数用于治疗神经退行性疾病的药物是对症治疗，未能从根本上解决疾病进展的问题，以致神经退行性疾病至今仍无法达到令人满意的治疗效果。因此，对胶质细胞Cx在神经退行性疾病中作用机制的进一步综合研究将为靶向Cx治疗神经退行性疾病提供科学的理论依据。