神經(jīng)細(xì)胞粘附分子結(jié)構(gòu)與生理功能研究進(jìn)展

1、神經(jīng)細(xì)胞粘附分子結(jié)構(gòu)與生理功能研究進(jìn)展 作者：胡志安時間：2007-11-22 11:18:00 同一類型的細(xì)胞通過識別而粘附，不易分開，這種細(xì)胞粘附（Adhesion）現(xiàn)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(xiàn)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(xì)胞粘附分子（Cell adhesion molecule,CAM）的存在。事實上，細(xì)胞的粘附在細(xì)胞周期調(diào)控、形態(tài)發(fā)生、變形和再生過程中極為關(guān)鍵。神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元的粘附現(xiàn)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(jīng)細(xì)胞粘附分子（Neural cell

2、 adhesion molecules, NCAMs）等CAMs的分子結(jié)構(gòu)、信號傳遞和生理功能。 1NCAMs分子結(jié)構(gòu)與分子合成 1.1神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞粘附分子分類 存在于脊椎動物和無脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的CAMs種類頗多。有關(guān)CAMs的分類尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。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(lián)蛋白多糖（Membrane-associated proteoglycans）。免疫球蛋白超家族又包括許多成員，神經(jīng)

3、細(xì)胞粘附分子（NCAMs）屬其中一個大類。在大鼠NCAMs包括NCAM、L1等幾種不同分子。 1.2 NCAM的結(jié)構(gòu) 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(nèi)有一個鏈內(nèi)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(fù)系列的重復(fù)區(qū)。不同肽鏈的的差別既表現(xiàn)在胞漿區(qū)的不同，也表現(xiàn)在與細(xì)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(nèi)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)

4、。ld 和sd整合到膜上，能運動，可被脂肪酸?；痵sd無跨膜區(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(xì)胞的有關(guān)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(jié)合有寡糖，包括多唾液酸(-2，8-PSA)等。 NCAM的結(jié)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(jié)構(gòu)（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

5、源，區(qū)區(qū)作用是同種親合的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，結(jié)合的區(qū)為和區(qū)，但未弄清具體的位置，這點與Igs不同。NCAM結(jié)合的特異性不代表結(jié)合區(qū)氨基酸順序的改變，換句話說，結(jié)合的特異性不取決于氨基酸的順序，起作用的是一系列細(xì)胞表面修飾事件。如含PSA的第5區(qū)可調(diào)控NCAM的結(jié)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(jié)合。 NCAM的三維結(jié)構(gòu)電鏡分析表明，分子末段有一絞鏈結(jié)構(gòu)，這種絞鏈結(jié)構(gòu)有助于在細(xì)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(fù)電荷、巨大的排斥力量。它能改變絞接的角度以滿足有復(fù)雜膜的細(xì)胞的多重同種親合。 1.3表達(dá)與合成的調(diào)控 NCAM

6、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、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(dá)是有位置和組織特異性的。它的合成隨信號和反式調(diào)控元件的不同而不同，很多的轉(zhuǎn)錄后元件也可調(diào)控CAMs的合成。 目前對CAM 表達(dá)調(diào)控的基因機制已有了較多了解。NCAM和NgCAM基因中一部分調(diào)控位點已被鑒定，這些位點能與Hox和Pax基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。在N CAM基因的RNA起始點的上游區(qū)，有SP1轉(zhuǎn)錄因子和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。反式調(diào)控元件包括5個神經(jīng)元限制的沉默元件（Neuron-restr

7、ictive sliencer elements）和一個Pax 產(chǎn)物的結(jié)合位點。CAMs合成后一個重要變化就是進(jìn)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(nèi)轉(zhuǎn)成復(fù)合型。NCAM的Ig區(qū)PSA可顯著影響分子之間的結(jié)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(diào)控，特別是受發(fā)育的進(jìn)程調(diào)控。迄今為止，已有兩種涎酸基轉(zhuǎn)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

8、NMDA介導(dǎo)的鈣的內(nèi)流以及PKC有利于PSA的合成。 2NCAMs在細(xì)胞粘附過程中的信號傳遞 現(xiàn)在，已初步明確各種粘附分子的結(jié)合能在胞內(nèi)啟動信號的傳遞過程。該信號途經(jīng)可以與其它受體的信號途徑實現(xiàn)對接。這里簡單回顧一下常見受體介導(dǎo)的信號途徑，它們包括：1）受體酪氨酸激酶途經(jīng)（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(jié)合后，受體在膜上集中，并導(dǎo)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(zhuǎn)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；

9、2）G-蛋白途徑；3）其它途徑：一些細(xì)胞因子如白介素的受體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(diào)控某些基因轉(zhuǎn)錄。值得注意的是，上述信號途徑不同程度地與細(xì)胞骨架有雙向作用。如較小的GTP結(jié)合蛋白分子Rho和Rac發(fā)現(xiàn)與肌動蛋白有關(guān)。 現(xiàn)有資料表明，由細(xì)胞粘附分子介導(dǎo)的信號傳遞在細(xì)胞生長、分化和行為方面有重要的作用，并有可能介入了經(jīng)典的傳導(dǎo)途徑3。 NCAM、L1可改變胞內(nèi)的pH和cAMP，對胞內(nèi)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,

10、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(jié)果。進(jìn)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?，NCAMs涉及G蛋白和酪氨酸激酶途徑。Ig家族的信號傳導(dǎo)作用還可在與之有相同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

11、氨酸的脫磷酸化，表明NCAM、L1涉及酪氨酸激酶和磷酸化酶的調(diào)節(jié)。 在非神經(jīng)系統(tǒng)中，細(xì)胞基質(zhì)與細(xì)胞粘附所致的基因表達(dá)非常常見。但有關(guān)由CAMs等介入的細(xì)胞與細(xì)胞粘附所涉及的基因表達(dá)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(jīng)生長因子、cAMP可刺激PC12和Schwann 細(xì)胞表達(dá)L1和NCAM。許多胞內(nèi)信號系統(tǒng)和胞外信號分子能由神經(jīng)沖動產(chǎn)生,它們進(jìn)而調(diào)節(jié)CAMs的表達(dá)。如一部分神經(jīng)遞質(zhì)能上調(diào)培養(yǎng)的N2A細(xì)胞和小腦顆粒細(xì)胞中L1的表達(dá)。在海兔研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)肽能降低其運動神經(jīng)元的表面海兔的細(xì)胞粘附分子(apCAM)的表達(dá),而5-HT則降低其感覺神經(jīng)元的apCAM的

12、表達(dá)。 最近的離體試驗表明，神經(jīng)沖動也可影響CAMs的表達(dá)。在胚胎背根神經(jīng)節(jié)（DRG）中,自發(fā)電活動的發(fā)展與外周靶的神經(jīng)支配相偶合,發(fā)現(xiàn)動作電位的作用能使突觸長芽，并進(jìn)入大鼠的背根神經(jīng)節(jié)。給培養(yǎng)DRG神經(jīng)元施予低頻電刺激可下調(diào)L1的表達(dá),但不影響NCAM,當(dāng)用高頻刺激時，對L1無影響。低頻刺激可導(dǎo)致明顯的軸突解聚（Defasciculation）和粘附的降 低。神經(jīng)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(jīng)支配后迅速增加。神經(jīng)沖動亦能調(diào)節(jié)PSA-NCAM轉(zhuǎn)移到皮層神經(jīng)元表面的過程。 3CAMs在神經(jīng)系統(tǒng)可塑性中的作用及其機制 各種不同的

13、CAMs大量存在于海馬的前后突觸的膜上。采用多種技術(shù)手段，現(xiàn)在已積累了有關(guān)CAMs參與神經(jīng)系統(tǒng)可塑性的大量資料59。第一，在經(jīng)常發(fā)生神經(jīng)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(xì)胞的遷移，并有CAMs的表達(dá)；第二，在突觸可塑性和學(xué)習(xí)中，有CAMs表達(dá)的變化和各種轉(zhuǎn)錄后修飾；第三，抗體和抑制NCAM表達(dá)可損害突觸傳遞長時程增強(LTP)和學(xué)習(xí)。 L1和NCAM的相互影響涉及LTP，這種相互關(guān)系依賴于L1上的寡甘露糖鏈，它能結(jié)合NCAM的第四個Ig區(qū)，若這種關(guān)系被破壞，LTP則被強烈抑制。提示第四區(qū)似乎特別關(guān)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

14、觸傳遞。當(dāng)LTP建立10 min后，L1和NCAM抗體對其無影響，表明NCAM涉及LTP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(zhì)細(xì)胞異位表達(dá)L1的轉(zhuǎn)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(dǎo)的突觸形態(tài)改變是LTP維持所必需的。 神經(jīng)細(xì)胞粘附分子參與可塑性有兩個機制：其一為CAM介導(dǎo)的細(xì)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(xì)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(jié)合蛋白家族的一員）相連。其二為胞內(nèi)信號系統(tǒng)。這種胞內(nèi)信號有如下的特點：就是胞

15、內(nèi)信號的改變可反饋到突觸后膜，通過CAM調(diào)控細(xì)胞與細(xì)胞的粘附，以迅速地改變突觸的結(jié)構(gòu)和效率。胞內(nèi)蛋白水解酶calpain水解NCAM的胞內(nèi)區(qū)能較快地解除和重新組織突觸的結(jié)構(gòu)聯(lián)系。 在研究Aplysia的縮鰓反射時，發(fā)現(xiàn)有新的突觸聯(lián)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(jīng)元的細(xì)胞表面，新蛋白的合成則受cAMP的調(diào)控10,11?？磥?，apCAM是使感覺神經(jīng)元通過同種親合造成粘著而限制生長，訓(xùn)練使apCAM發(fā)生內(nèi)在化作用（Internalization）,造成感覺神經(jīng)元的突觸前解粘。在多種動物的長時突觸可塑性中，發(fā)現(xiàn)

16、都有依賴cAMP、PKA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄和CREB介導(dǎo)的基因表達(dá)現(xiàn)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(dá)是執(zhí)行突觸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性可塑性，在Fas減效基因中，CREB1可致突觸結(jié)構(gòu)和功能的增強。在野生型，CREB1的表達(dá)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(jìn)結(jié)構(gòu)生長，與此同時，CREB1則刺激突觸功能的增強。 反復(fù)暴露感覺神

17、經(jīng)元于血清素,發(fā)現(xiàn)apCAM能產(chǎn)生某特異形式的磷酸化，從而使apCAM內(nèi)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(xì)胞新聯(lián)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(xì)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(dá)12。 現(xiàn)已明確興奮性氨基酸AMPA受體與LTP的維持有關(guān),那么NCAMs是否與這類興奮性氨基酸受體有關(guān)呢?通過神經(jīng)氨酸酶減少NCAMs中的唾液酸殘基（Sialic acid residues，SSR)會影響到NCAM的結(jié)合特性。神經(jīng)氨酸酶作用皮層神經(jīng)元膜(

18、15、37)后，使NCAMs140 和180 的外觀大小減少約5%,而對不同的氨基酸受體大小無影響。但使放射標(biāo)記的AMPA與其受體結(jié)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(jié)合特性13。在海馬的空間和非空間學(xué)習(xí)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(guān)NCAMs文獻(xiàn)復(fù)習(xí)看出，NCAMs作為神經(jīng)元胞膜上的結(jié)構(gòu)分子，既參與了常規(guī)的跨膜信號傳遞，又參與形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類多，目前仍有許多問題有待闡明，如NCAMs與常規(guī)的膜

19、受體有何具體空間關(guān)系與功能聯(lián)系尚不清楚。 參考文獻(xiàn) 1Edelman G, Crossin K L. Cell adhesion molecules:implications for a moleculear histology. Ann Rev biochem,1991,60(7):155 2Fields R D，Itoh K. Neural cell adhesion molecules in activity-dependent development and synaptic plasticity. Trends neurosci,1996,19(11):473 3Rosales C,

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