神經細胞粘附分子結構與生理功能研究進展

1、神經細胞粘附分子結構與生理功能研究進展 同一類型的細胞通過識別而粘附，不易分開，這種細胞粘附（adhesion）現象早在1907就被wilson注意到。60、70年代人們致力于發(fā)展研究粘附現象的方法和明確有特異性和選擇性的分子存在。70年代末，借助免疫識別的方法，初步確定細胞粘附分子（cell adhesion molecule,cam）的存在。事實上，細胞的粘附在細胞周期調控、形態(tài)發(fā)生、變形和再生過程中極為關鍵。神經系統(tǒng)中神經元的粘附現象及其在突觸的可塑性作用的研究近年來格外引人矚目，以下擬介紹神經細胞粘附分子（neural cell adhesion molecules, ncams）等c

2、ams的分子結構、信號傳遞和生理功能。 1ncams分子結構與分子合成 1.1神經系統(tǒng)細胞粘附分子分類 存在于脊椎動物和無脊椎動物神經系統(tǒng)的cams種類頗多。有關cams的分類尚無統(tǒng)一標準。一般分法是將其分為ca2+依賴和ca2+非依賴兩大類1，2。前者包括粘著蛋白家族（cadherins），后者包括整合素家族（integrins）、選擇素家族（selectins）、免疫球蛋白超家族（ig superfamily）和膜相聯蛋白多糖（membrane-associated proteoglycans）。免疫球蛋白超家族又包括許多成員，神經細胞粘附分子（ncams）屬其中一個大類。在大鼠ncams

3、包括ncam、l1等幾種不同分子。 1.2 ncam的結構 ncam是一組多肽鏈，每一條鏈都有5個連續(xù)的同源區(qū)，區(qū)內有一個鏈內二硫鍵，與免疫球蛋白超家族類似。5區(qū)之后為類似于纖維粘連蛋白(fibronectin)重復系列的重復區(qū)。不同肽鏈的的差別既表現在胞漿區(qū)的不同，也表現在與細胞膜連接的方式不同。如雞的ncam有3個多肽，3個多肽的胞外區(qū)都是一樣的，所不同的是跨膜區(qū)和胞內區(qū)，此由mrna不同剪切所致。兩個較大的多肽以胞漿段整合到膜蛋白，大的(ld)在胞漿區(qū)有額外的261個氨基酸，小的（sd）則沒有，最小的(ssd)則無跨膜區(qū)，無胞漿區(qū)。ld 和sd整合到膜上，能運動，可被脂肪酸?；痵sd無跨

4、膜區(qū)，但錨在磷脂上，更易于在膜表面運動。sd和ld胞漿區(qū)可與細胞的有關分子相互作用，發(fā)生絲氨酸、蘇氨酸的磷酸化，其中l(wèi)d含有更多的磷酸化位點。5區(qū)及以上的3個位點結合有寡糖，包括多唾液酸(-2，8-psa)等。 ncam的結合活性位于fr1片段（6.5104u），含氨基末端，無大量的psa，不超過400殘基。cnbr片段含大量psa，psa位于404、430和459位的天冬酰胺連接的寡糖結構（asparagine-linked oligosaccharides，alo）上。ncam有4個100氨基酸的識別片段，與igs和其他的ncam同源，區(qū)區(qū)作用是同種親合的結構基礎，結合的區(qū)為和區(qū)，但未弄清

5、具體的位置，這點與igs不同。ncam結合的特異性不代表結合區(qū)氨基酸順序的改變，換句話說，結合的特異性不取決于氨基酸的順序，起作用的是一系列細胞表面修飾事件。如含psa的第5區(qū)可調控ncam的結合能力，寡糖鏈的硫酸化也可通過改變電荷的狀態(tài)來影響同一區(qū)結合。 ncam的三維結構電鏡分析表明，分子末段有一絞鏈結構，這種絞鏈結構有助于在細胞形態(tài)改變時易化跨膜的同種親合，否則，不利于同種親合。-2，8-psa在ncam中的作用源于靜的負電荷、巨大的排斥力量。它能改變絞接的角度以滿足有復雜膜的細胞的多重同種親合。 1.3表達與合成的調控 ncam中所有的多肽都是單一基因編碼，該基因位置是鼠在9號染色體、

6、人在11號。雞的ncam編碼區(qū)至少有19個外顯子，橫跨50 kb，第14個外顯子對3條肽通用。cams的表達是有位置和組織特異性的。它的合成隨信號和反式調控元件的不同而不同，很多的轉錄后元件也可調控cams的合成。 目前對cam 表達調控的基因機制已有了較多了解。ncam和ngcam基因中一部分調控位點已被鑒定，這些位點能與hox和pax基因編碼的轉錄因子結合。在n cam基因的rna起始點的上游區(qū)，有sp1轉錄因子和camp反應元件結合蛋白（creb）轉錄因子結合位點。反式調控元件包括5個神經元限制的沉默元件（neuron-restrictive sliencer elements）和一個p

7、ax 產物的結合位點。cams合成后一個重要變化就是進行糖基化（glycosylation）修飾。在小雞，ncam的每一條多肽都至少有4組alo，最初附加的糖鏈都是高甘露糖鏈，在30 min內轉成復合型。ncam的ig區(qū)psa可顯著影響分子之間的結合速率，因此，ncam的psa合成倍受重視。盡管psa可能受物理性電活動的影響，但基本上還是受合成的調控，特別是受發(fā)育的進程調控。迄今為止，已有兩種涎酸基轉移酶(sialyl transferases)被克隆，即pst和stx，它們參與糖基的合成。被支配的靶和電活動可影響psa的合成，ach和nmda介導的鈣的內流以及pkc有利于psa的合成。 2n

8、cams在細胞粘附過程中的信號傳遞 現在，已初步明確各種粘附分子的結合能在胞內啟動信號的傳遞過程。該信號途經可以與其它受體的信號途徑實現對接。這里簡單回顧一下常見受體介導的信號途徑，它們包括：1）受體酪氨酸激酶途經（receptor tyrosine kinase pathway，rtk）：這條途徑開始于rtk，ras是該途徑的中心，故又稱ras途徑。rtk與各種生長因子結合后，受體在膜上集中，并導致激酶的激活和特異酪氨酸殘基的自動磷酸化。ras激活后，通過對轉錄因子的磷酸化，將信號傳到胞核。但該途徑并無特異性。其它信號途徑可與之相通；2）g-蛋白途徑；3）其它途徑：一些細胞因子如白介素的受體

9、可激活胞漿性酪氨酸激酶家族的the janus kinases(jak-stat)，該激酶可啟動ras信號途徑，也可直接激活名為stats的胞漿蛋白，從而調控某些基因轉錄。值得注意的是，上述信號途徑不同程度地與細胞骨架有雙向作用。如較小的gtp結合蛋白分子rho和rac發(fā)現與肌動蛋白有關。 現有資料表明，由細胞粘附分子介導的信號傳遞在細胞生長、分化和行為方面有重要的作用，并有可能介入了經典的傳導途徑3。 ncam、l1可改變胞內的ph和camp，對胞內ca2+的影響更引人注目。ncams所致的突起生長需要g蛋白和l型、n型鈣通道的參與,模擬鈣通道的開放則同樣能刺激突起的生長4。使用酪氨酸激酶的

10、抑制劑表明，在突起生長的過程中，非受體的酪氨酸激酶的活性是增高的，且在鈣通道激活之前。l1所到之處所致的ca2+變化也是l型鈣通道開放的結果。進一步研究表明，ncam可激活酪氨酸激酶基因fyn,而l1則激活酪氨酸激酶基因src。除此之外，ncam還可通過花生四烯酸（aa）激活鈣通道?？梢姡琻cams涉及g蛋白和酪氨酸激酶途徑。ig家族的信號傳導作用還可在與之有相同結構的酪氨酸激酶和酪氨酸磷酸化酶看出。這兩類酶有胞外區(qū)，也有ig的結構域,能觸發(fā)同種、鈣非依賴的粘附，還可刺激激酶的活動。如ncam抗體能造成tubulin的酪氨酸、絲氨酸/蘇氨酸的脫磷酸化，表明ncam、l1涉及酪氨酸激酶和磷酸化酶

11、的調節(jié)。 在非神經系統(tǒng)中，細胞基質與細胞粘附所致的基因表達非常常見。但有關由cams等介入的細胞與細胞粘附所涉及的基因表達報道較少。 生長因子、腫瘤激活因子、激素等都能影響到各種cams的合成。神經生長因子、camp可刺激pc12和schwann 細胞表達l1和ncam。許多胞內信號系統(tǒng)和胞外信號分子能由神經沖動產生,它們進而調節(jié)cams的表達。如一部分神經遞質能上調培養(yǎng)的n2a細胞和小腦顆粒細胞中l(wèi)1的表達。在海兔研究發(fā)現，神經肽能降低其運動神經元的表面海兔的細胞粘附分子(apcam)的表達,而5-ht則降低其感覺神經元的apcam的表達。 最近的離體試驗表明，神經沖動也可影響cams的表達

12、。在胚胎背根神經節(jié)（drg）中,自發(fā)電活動的發(fā)展與外周靶的神經支配相偶合,發(fā)現動作電位的作用能使突觸長芽，并進入大鼠的背根神經節(jié)。給培養(yǎng)drg神經元施予低頻電刺激可下調l1的表達,但不影響ncam,當用高頻刺激時，對l1無影響。低頻刺激可導致明顯的軸突解聚（defasciculation）和粘附的降 低。神經沖動活動也對突觸的形成和穩(wěn)定發(fā)揮作用,在小雞肌纖維孵育之前,ncam和n-粘著素水平極低,而在除神經支配后迅速增加。神經沖動亦能調節(jié)psa-ncam轉移到皮層神經元表面的過程。 3cams在神經系統(tǒng)可塑性中的作用及其機制 各種不同的cams大量存在于海馬的前后突觸的膜上。采用多種技術手段，

13、現在已積累了有關cams參與神經系統(tǒng)可塑性的大量資料59。第一，在經常發(fā)生神經發(fā)生和可塑性的腦區(qū)有發(fā)育階段特性的突起生長和細胞的遷移，并有cams的表達；第二，在突觸可塑性和學習中，有cams表達的變化和各種轉錄后修飾；第三，抗體和抑制ncam表達可損害突觸傳遞長時程增強(ltp)和學習。 l1和ncam的相互影響涉及l(fā)tp，這種相互關系依賴于l1上的寡甘露糖鏈，它能結合ncam的第四個ig區(qū)，若這種關系被破壞，ltp則被強烈抑制。提示第四區(qū)似乎特別關鍵，而第一區(qū)則不然。海馬腦片注入ncam抗體阻斷高頻刺激所致的ltp，而不影響基本的突觸傳遞。當ltp建立10 min后，l1和ncam抗體對其

14、無影響，表明ncam涉及l(fā)tp的起始階段。曾報道過l1的抗體和重組片斷對ltp的影響,在用星形膠質細胞異位表達l1的轉基因鼠上,ltp受損,而一般突觸傳遞和ptp、雙脈沖易化不受影響，說明l1介導的突觸形態(tài)改變是ltp維持所必需的。 神經細胞粘附分子參與可塑性有兩個機制：其一為cam介導的細胞骨架動力的改變，涉及活動依賴的突觸重建。n-粘著蛋白的胞漿區(qū)直接與細胞骨架作用，而ncam、l1的胞漿區(qū)直接與ankyrins（位于特異胞膜區(qū)的胞漿表面的spectrin結合蛋白家族的一員）相連。其二為胞內信號系統(tǒng)。這種胞內信號有如下的特點：就是胞內信號的改變可反饋到突觸后膜，通過cam調控細胞與細胞的粘

15、附，以迅速地改變突觸的結構和效率。胞內蛋白水解酶calpain水解ncam的胞內區(qū)能較快地解除和重新組織突觸的結構聯系。 在研究aplysia的縮鰓反射時，發(fā)現有新的突觸聯系形成，且與長期記憶平行。在此過程中既有新的蛋白合成，也有蛋白的減少，如海兔cam(apcam)，但這種減少只發(fā)生在感覺神經元的細胞表面，新蛋白的合成則受camp的調控10,11。看來，apcam是使感覺神經元通過同種親合造成粘著而限制生長，訓練使apcam發(fā)生內在化作用（internalization）,造成感覺神經元的突觸前解粘。在多種動物的長時突觸可塑性中，發(fā)現都有依賴camp、pka介導的轉錄和creb介導的基因表達

16、現象。creb已被鑒定存在creb1（激活子）和 creb2(抑制子)兩種類型。最近，又確定了3個基本的記憶突變型，即dnc, rutabaga和amnesiac,它們都涉及camp途徑。creb所致的基因表達是執(zhí)行突觸結構功能成分生長的一個因素。dnc突變中，creb2抑制功能性而不是結構性可塑性，在fas減效基因中，creb1可致突觸結構和功能的增強。在野生型，creb1的表達并不能增強突觸功能。提示，creb和fas的作用是平行的。camp的升高，降低cam，促進結構生長，與此同時，creb1則刺激突觸功能的增強。 反復暴露感覺神經元于血清素,發(fā)現apcam能產生某特異形式的磷酸化，從而

17、使apcam內在化和降解（涉及依賴泛素水解酶途徑）。這種降解有利于突觸前軸突的同種親合的解除、長芽和與突觸后細胞新聯系的建立。那些有胞漿尾巴含降解信號順序的apcam能被降解，而只有細胞表面部分的apcam而則不被降解。要完成此降解過程，map與creb還需刺激泛素c末端水解酶的表達12。 現已明確興奮性氨基酸ampa受體與ltp的維持有關,那么ncams是否與這類興奮性氨基酸受體有關呢?通過神經氨酸酶減少ncams中的唾液酸殘基（sialic acid residues，ssr)會影響到ncam的結合特性。神經氨酸酶作用皮層神經元膜(15、37)后，使ncams140 和180 的外觀大小減

18、少約5%,而對不同的氨基酸受體大小無影響。但使放射標記的ampa與其受體結合率提高20%,對其它氨基酸受體則無明確影響。說明,胞外環(huán)境特別是ssr可影響ampa受體的結合特性13。在海馬的空間和非空間學習中,海馬齒狀回的ncam的psa的瞬時和時間依賴 的修飾是其特點之一。 從以上對有關ncams文獻復習看出，ncams作為神經元胞膜上的結構分子，既參與了常規(guī)的跨膜信號傳遞，又參與形態(tài)結構的形成與維持，因而在突觸活動，特別是可塑性活動中發(fā)揮了特殊作用。但由于ncams分子結構復雜，種類多，目前仍有許多問題有待闡明，如ncams與常規(guī)的膜受體有何具體空間關系與功能聯系尚不清楚。 參考文獻 1ed

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