李建寧，任 維，劉一輝

(1陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安710062;2寧夏醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院)

神經(jīng)微絲蛋白(Neurofilaments，NFs)作為神經(jīng)細胞骨架系統(tǒng)成員的結(jié)構(gòu)和功能在視神經(jīng)損傷及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system，CNS)疾病中已經(jīng)有很多研究?，F(xiàn)將NFs在外周神經(jīng)系統(tǒng)(Peripheral nervous system，PNS)中作用的研究進展綜述如下。

1 NFs的一般外周特性

NFs是專一性表達于CNS和PNS神經(jīng)元及其鄰近軸突中的細胞骨架主要結(jié)構(gòu)單位。NFs是組裝的異源多聚體，由輕型NF(NF-L;66 kDa)、中型NF(NF-M;95-100 kDa)、重型 NF(NF-H;110-115 kDa)蛋白和 α-介連蛋白(α-Catenin，α-Cat)組成［1］，其中α-Cat表達于發(fā)育早期，在神經(jīng)系統(tǒng)成熟后正常下調(diào)。NFs在神經(jīng)元胞體或近胞體側(cè)軸突堆積是運動神經(jīng)元疾病的標(biāo)志，也被認為是神經(jīng)元軸突降解的標(biāo)志物。通常認為NFs具有“腳手架”的功能，在細胞內(nèi)用來錨定各種不同的細胞內(nèi)細胞器與胞質(zhì)蛋白［2，3］。對于 NFs形態(tài)、直徑、分類、基因定位及多肽鏈結(jié)構(gòu)等相關(guān)生物學(xué)特性的認識已經(jīng)比較清楚［4］，本文僅對其與PNS及外周神經(jīng)損傷相關(guān)的特性進行陳述。

一般認為，PNS在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育早期最先表達的是邊緣蛋白并在整個軸突發(fā)生過程中保持高濃度，隨后 NFs逐漸開始表達，直到成熟后穩(wěn)定表達［5］。與NFs mRNA結(jié)合的蛋白有很多種，均參與維持NFs mRNA的穩(wěn)定性等功能，而這些功能失調(diào)可導(dǎo)致某些疾病發(fā)生。CNS通常通過對NFs mRNA的運輸、翻譯后調(diào)控及其本身穩(wěn)定性改變來影響軸突發(fā)育和神經(jīng)元穩(wěn)定性［6］。Yabe等研究發(fā)現(xiàn)，在軸突生長中NFs運輸會被驅(qū)動蛋白(Kinesin)的抗體和噻氨酯噠唑(Nocodazole)所阻斷，提示其可沿微管通過順行方式利用驅(qū)動蛋白作為運輸馬達而輸送到坐骨神經(jīng)遠端［7］。NFs受制于其他一些蛋白質(zhì)的表達與調(diào)控。比如運動神經(jīng)元存活蛋白-1(Survival Motor Neuron 1，SMN1)表達減少會導(dǎo)致遠端神經(jīng)肌肉接頭處(NeuroMuscular Junctions，NMJs)NFs堆積［8］。

由NFs建構(gòu)的軸突網(wǎng)絡(luò)形成對于軸突直徑擴張和傳導(dǎo)速度增加至關(guān)重要，有學(xué)者認為由重型與中型NF形成神經(jīng)微絲側(cè)臂(Sidearm)，此側(cè)臂被認為可以插入神經(jīng)束骨架中，在調(diào)控中間細絲空間構(gòu)型與軸突直徑中起關(guān)鍵作用，其中的重型NF受到磷酸化調(diào)控，而中型NF在所有NFs空間構(gòu)成與軸突直徑調(diào)控中起更重要的作用［9］。Perrot等［4］也認為，NFs亞單位磷酸化在調(diào)節(jié)其生長、運輸、形態(tài)和功能上起關(guān)鍵作用，而糖基化及一些位點(包括部分蛋白質(zhì)模序)修飾也參與其中。

2 NFs與PNS

2.1 NFs與正常外周神經(jīng)纖維 目前研究認為，NFs在成年鼠PNS(包括CNS)軸突中密集堆積似乎是一種普遍現(xiàn)象，NFs為PNS軸突中含量最多的細胞骨架成分，在有髓軸突中占90%以上。成年鼠軸突內(nèi)NFs間距為28 nm，幼鼠軸突內(nèi)NF間距為55 nm，幼鼠與成年鼠近端與遠端坐骨神經(jīng)中NFs密度不同，此差別與軸突橫截面積相關(guān)［10］。對巨軸索神經(jīng)病的研究發(fā)現(xiàn)，NF在軸突上的定向缺失可導(dǎo)致其直徑增加和間距減少［11］。PNS主要通過類似于CNS神經(jīng)元胞體進行信息整合、處理加工及輸出，調(diào)控NFs表達。Perrot等［4］認為，NFs決定軸突直徑并促進長距離軸突生長活動，從而影響沿軸突進行的電傳導(dǎo)。

通常根據(jù)移動特性將軸突內(nèi)的NFs分為移動NFs和靜止NFs，但是NFs靜止態(tài)與停頓態(tài)之間的關(guān)系還不清楚［12～14］。一般認為，NFs是在神經(jīng)元胞體合成并被沿軸突通過慢速運輸傳遞的［15］。Yuan等［14］在視神經(jīng)中發(fā)現(xiàn)，少于25%的NFs在經(jīng)慢速軸漿運輸后仍然保留在視神經(jīng)軸突內(nèi)，提示在成熟視神經(jīng)軸突內(nèi)超過90%的NFs組成固定細胞骨架，其余不足10%則經(jīng)過慢速軸漿運輸;同時認為經(jīng)慢速軸漿運輸?shù)腘Fs或其亞基多聚體是形成成熟軸突高穩(wěn)定性細胞骨架結(jié)構(gòu)的前體。對于NFs三聯(lián)體的研究發(fā)現(xiàn)，PNS中NFs三聯(lián)體在mRNA水平明顯上調(diào)，這種上調(diào)需要靶標(biāo)的接觸，且與NFs mRNA的穩(wěn)定性相關(guān)，繼而受擔(dān)任NFs mRMA穩(wěn)定性決定者的上游蛋白調(diào)控［16］。NFs表達與軸突發(fā)育和神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)維持密切相關(guān)。主要通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控來影響其mRNA運輸、翻譯及穩(wěn)定性。有實驗顯示，在軸突再生中機體通過增加轉(zhuǎn)錄決定NFs表達，并認為正是這種調(diào)控的異常導(dǎo)致疾病產(chǎn)生［6］。已知在金魚摩斯納細胞軸突及哺乳動物坐骨神經(jīng)中有NFM的mRNA水平表達，但是否是從鄰近的浦肯野細胞和施旺細胞合成并運輸而至尚不清楚［17］。Grant等［18］發(fā)現(xiàn)，細胞周期蛋白依賴性激酶-5(Cyclin-dependent kinases-5，Cdk5)可通過使NFs發(fā)生磷酸化反應(yīng)影響骨架蛋白質(zhì)間的動態(tài)交互，繼而調(diào)控神經(jīng)纖維生成與軸突徑向生長。有研究利用放射標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)NFs在大鼠背根神經(jīng)節(jié)(Dorsal Root Ganglia，DRG)和靠近DRG胞體軸突中的磷酸化程度比DRG胞體遠端坐骨神經(jīng)要高，且磷酸化程度與細胞骨架蛋白慢速運輸密切相關(guān)［19］。

2.2 NFs與外周神經(jīng)損傷 外周神經(jīng)病理性疼痛是一類特殊疼痛，其直接來源于影響軀體感覺系統(tǒng)的損傷或疾病，以自發(fā)性疼痛、痛覺過敏和痛覺超敏為特征［20］。多種動物外周神經(jīng)損傷模型的相關(guān)損傷機制研究發(fā)現(xiàn)，與疼痛密切相關(guān)的多種蛋白質(zhì)因子均可有不同水平的表達變化［21，22］。NFs具有高度動態(tài)結(jié)構(gòu)，在發(fā)育與成熟神經(jīng)元中經(jīng)歷了亞單位組成的明顯變化，繼而影響軸突的形態(tài)與生理學(xué)功能［2］。低等脊椎動物中樞神經(jīng)截斷后，NF-M mRNA在PNS中的表達比正常軸突降低，說明PNS有髓軸突直徑由NF-M 決定［23，24］。一般認為，CNS受損后，作為細胞骨架組成的NFs在mRNA和蛋白質(zhì)水平均下調(diào)，比如大鼠CNS腦皮質(zhì)損傷能引起受損側(cè)及對側(cè)腦皮質(zhì)中NF-H蛋白水平明顯下調(diào)［25］。已證實NFs與CNS疾病(如肌萎縮側(cè)索硬化癥，多發(fā)性硬化癥等)發(fā)生機制、預(yù)后監(jiān)測關(guān)系密切［26］。如前文所述，針對其結(jié)構(gòu)磷酸化、糖基化等修飾所引起的變化均與神經(jīng)變性疾病發(fā)病機理相關(guān)［2］。

相較于CNS，外周神經(jīng)損傷可導(dǎo)致神經(jīng)結(jié)構(gòu)發(fā)生程度不一的改變，這些改變一方面是損傷的結(jié)果，一方面是應(yīng)對損傷的修復(fù)過程。有研究發(fā)現(xiàn)，在對成年大鼠一側(cè)坐骨神經(jīng)造成壓迫損傷后，L4和L5水平大DRG胞體中NF三聯(lián)體mRNA水平在術(shù)后7、14、28 d均降低，NF-L和NF-M mRNA水平術(shù)后1 d即下調(diào)，NF-H mRNA水平則于損傷 7d后下調(diào)［27］。對截斷外周神經(jīng)后再生軸突進行的研究發(fā)現(xiàn)，NFs亞單位表達與軸突生長模式是重復(fù)進行的，并推測NFs亞單位表達與再生與否密切相關(guān)［28］。Xiao等［22］檢測了坐骨神經(jīng)截斷后 2、7、14、28 d 后相連DRG胞體中三種NF mRNA水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅有NF-M在7 d前后輕微降低。

Uchida等［10］也發(fā)現(xiàn)，近端NF堆積可導(dǎo)致遠端軸突生長停滯。Chiu等在強飼2，5-己二酮(2，5-HexaneDione，HD)導(dǎo)致的神經(jīng)軸突萎縮模型中發(fā)現(xiàn)，脛骨神經(jīng)軸突中三種NF蛋白均有明顯下降，而坐骨神經(jīng)中僅為小幅降低，提示軸突NFs含量遞減與HD導(dǎo)致的軸突萎縮并非一一對應(yīng)，即可能有其他調(diào)控NFs密度因子的改變參與了軸突萎縮的發(fā)生機制［29］。Lopachin等［30］也認為 HD 與可溶性 NF蛋白密切相關(guān)，可通過阻斷骨架結(jié)構(gòu)合成與維持導(dǎo)致軸突萎縮。Song等［31］對HD所致坐骨神經(jīng)炎癥進行的研究發(fā)現(xiàn)，16周后坐骨神經(jīng)中NF-H和NF-L表達升高恢復(fù)到正常水平，而NF-M則無明顯逆轉(zhuǎn);相關(guān)研究提示，PNS中NFs的確參與了軸突損傷(壓迫性與藥物性)后的變性與再生過程。

3 小結(jié)

綜上所述，NFs廣泛存在于PNS中，不論在正常軸突組織及其發(fā)育中，還是在受損軸突的正常再生中，NFs蛋白表達與軸突向外生長和成熟的一致性均存在密切關(guān)系［6］，與外周神經(jīng)病理性疼痛的產(chǎn)生和維持有密切聯(lián)系。在上述層面應(yīng)用藥物干預(yù)可能成為較好的治療途徑，從而為臨床慢性疼痛患者減輕痛苦提供更廣闊的前景。

［1］Yuan A，Rao MV，Sasaki T，et al.Alpha-internexin is structurally and functionally associated with the neurofilament triplet proteins in the mature CNS［J］.J Neurosci，2006，26(39):10006-10019.

［2］Yabe JT，Pimenta A，Shea TB.Kinesin-mediated transport of neurofilament protein oligomers in growing axons［J］.JCell Sci，1999，112(pt21):3799-3814.

［3］Dale JM，Shen H，Barry DM，et al.The spinal muscular atrophy mouse model，SMAΔ7，displays altered axonal transport without global neurofilament alterations［J］.Acta Neuropathol，2011，122(3):331-341.

［4］Perrot R，Berges R，Bocquet A，et al.Review of the multiple aspects of neurofilament functions and their possible contribution to neurodegeneration［J］.Mol Neurobiol，2008，38(1):27-65.

［5］Goldman RD，Grin B，Mendez MG，et al.Intermediate filaments:versatile building blocks of cell structure［J］.Curr Opin Cell Biol，2008，20(1):28-34.

［6］鄧秋瓊，劉金華.神經(jīng)微絲與視神經(jīng)病變［J］.中國實用眼科雜志，2006，24(7):670-672.

［7］Undamatla J，Szaro BG.Differential expression and localization of neuronal intermediate filament proteins within newly developing neurites in dissociated cultures of Xenopus laevis embryonic spinal cord［J］.Cell Motil Cytoskeleton，2001，49(1):16-32.

［8］Archer DR，Watson DF，Griffin JW.Phosphorylation-dependent immunoreactivity of neurofilaments and the rate of slow axonal transport in the central and peripheral axons of the rat dorsal root ganglion［J］.JNeurochem，1994，3(62):1119-1125.

［9］Chang R，Kwak Y，Gebremichael Y.Structural roperties of neurofilament Sidearms:equence-Based Modeling of Neurofilament Architecture［J］.JMol Biol，2009，391(3):648-660.

［10］Uchida A，Tashiro T，Komiya Y，et al.Morphological and biochemical changes of neurofilaments in aged rat sciatic nerve axons［J］.JNeurochem，2004，88(3):735-745.

［11］Mohri I，Taniike M，Yoshikawa H，et al.A case of giant axonal neuropathy showing focal aggregation and hypophosphorylation of intermediate filaments［J］.Brain，1998，20(1):594-597.

［12］ Barry DM，Millecamps S，Julien JP，et al.New movements in neurofilament transport，turnover and disease［J］.Exp Cell Res，2007，313(10):2110-2120.

［13］Trivedi N，Jung P，Brown A.Neurofilaments switch between distinct mobile and stationary states during their transport along axons［J］.J Neurosci，2007，27(3):507-516.

［14］Yuan A，Sasaki T，Rao MV，et al.Neurofilaments form a highly stable stationary cytoskeleton after reaching a critical level in axons［J］.J Neurosci，2009，29(36):11316-11329.

［15］Nixon RA.Dynamic behavior and organization of cytoskeletal proteins in neurons:reconciling old and new findings［J］.Bioessays，1998，20(10):798-807.

［16］ Schwartz ML，Shneidman PS，Bruce J，et al.Actinomycin prevents the destabilization of neurofilament mRNA in primary sensory neurons［J］.J Biol Chem，1992，267(34):24596-24600.

［17］ Vogelaar CF，Gervasi NM，Gumy LF，et al.Axonal mRNAs:characterisation and role in the growth and regeneration of dorsal root ganglion axons and growth cones［J］.Mol Cell Neurosci，2009，42(2):102-115.

［18］Grant P，Sharma P，Pant HC.Cyclin-dependent protein kinase 5(Cdk5)and the regulation of neurofilament metabolism［J］.Eur J Biochem，2001，268(6):1534-1546.

［19］ Szaro BG，Strong MJ.Post-transcriptional control of neurofilaments:New roles in development，regeneration and neurodegenerative disease［J］.Trends Neurosci，2010，33(1):27-37.

［20］Vinik A.The approach to the management of the patient with neuropathic pain［J］.J Clin Endocrinol Metab，2010，95(11):4802-4811.

［21］Campbell JN，Meyer RA.Mechanisms of neuropathic pain［J］.Neuron，2006，52(1):77-92.

［22］Xiao HS，Huang QH，Zhang FX，et al.Identification of gene expression pattern of dorsal root ganglion in rat peripheral axotomy model of neuropathic pain［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2002，99(12):8360-8365.

［23］Gervasi C，Thyagarajan A，Szaro BG.Increased expression of multiple neurofilament mRNAs during regeneration of vertebrate central nervous systemaxons［J］.JComp Neurol，2003，461(2):262-275.

［24］Garcia ML，Lobsiger CS，Shah SB，et al.NF-M is an essential target for the myelindirected"outside-in"signaling cascade that mediates radial axonal growth［J］.J Cell Biol，2003，163(5):1011-1020.

［25］Posmantur R，Hayes RL，Dixon CE，et al.Neurofilament 68 and neurofilament 200 protein levels decrease after traumatic brain injury［J］.JNeurotrauma，1994，11(5):533-545.

［26］Gresle MM，Butzkueven H，Shaw G.Neurofilament proteins as body fluid biomarkers of neurodegeneration in multiple sclerosis［J］.Mult Scler Int，2011，(315406):2090-2654.

［27］Wong J，Oblinger MM.Differential regulation of peripherin and neurofilament gene expression in regenerating rat DRGneurons［J］.JNeurosci Res，1990，27(3):332-341.

［28］McGraw TS，Mickle JP，Shaw G，et al.Axonally transported peripheral signals regulate alpha-internexin expression in regenerating motoneurons［J］.J Neurosci，2002，22(12):4955-4963.

［29］ Chiu FC，Opanashuk LA，He DK，et al.γ-diketone peripheral neuropathy.Ⅱ.Neurofilament subunit content［J］.Toxicol Appl Pharmacol，2000，165(2):141-147.

［30］Lopachin RM，He D，Reid ML.2，5-Hexanedione-induced changes in the neurofilament subunit pools of rat peripheral nerve［J］.Neurotoxicology，2005，26(2):229-240.

［31］Song F，Yu S，Zhang C，et al.The reversibility of neurofilaments decline induced by 2，5-hexanedione in rat nerve tissues［J］.Biochem Pharmacol，2008，75(3):737-744.