謝露露, 姚寶珍
武漢大學(xué)人民醫(yī)院兒科,武漢430000
音猬因子(sonic hedgehog,SHH)是一種分泌蛋白質(zhì),在動(dòng)物海馬的發(fā)育中起重要作用,且SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對于海馬中神經(jīng)元的模式形成、軸突引導(dǎo)、增殖、存活和分化至關(guān)重要。SHH 的異常信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生,如自閉癥[1]、抑郁癥[2]、神經(jīng)退行性疾?。?]等。因此,控制SHH信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo),如運(yùn)用SHH通路抑制劑或激動(dòng)劑可能有助于相關(guān)疾病的治療,但SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制較復(fù)雜,目前尚未完全明確。本文綜述了SHH 信號(hào)通路的海馬神經(jīng)可塑性及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和相關(guān)疾病中的影響,以期闡明SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受損導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損和相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制。
海馬屬于大腦邊緣系統(tǒng)的一部分,主要負(fù)責(zé)長時(shí)記憶的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換和定向等功能。多個(gè)感覺關(guān)聯(lián)皮層傳遞的輸入信息匯聚于海馬回路的神經(jīng)元上,從而增強(qiáng)和激活突觸。海馬的神經(jīng)回路對環(huán)境變化會(huì)表現(xiàn)出明顯的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)和功能反應(yīng),如出現(xiàn)新的突觸形式,修剪現(xiàn)有突觸,或從海馬齒狀回亞顆粒區(qū)域的神經(jīng)祖細(xì)胞(neural progenitor cell,NPC)中產(chǎn)生新的神經(jīng)元[4]。當(dāng)大鼠或小鼠執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時(shí)(如迷宮學(xué)習(xí)),海馬錐體和齒狀顆粒神經(jīng)元的突觸數(shù)量會(huì)增加[5]。
海馬神經(jīng)元特別是CA1 和CA3 錐體神經(jīng)元,在阿爾茨海默氏?。ˋlzheimer's disease,AD)、抑郁癥和顳葉癲癇這3種主要的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中易出現(xiàn)功能障礙和萎縮,其變性涉及谷氨酸受體的過度活化,生物能/線粒體缺陷,以及受損的細(xì)胞應(yīng)激抗性和修復(fù)機(jī)制[6]。研究表明,在發(fā)育過程中激活促進(jìn)神經(jīng)元可塑性和細(xì)胞存活的信號(hào)通路可保護(hù)海馬免受損傷,避免疾?。?-8]。在發(fā)育過程中,許多調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元回路形成的細(xì)胞信號(hào)通路也介導(dǎo)了成年海馬的結(jié)構(gòu)和功能可塑性,包括由神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子激活的通路[9]。SHH 在海馬神經(jīng)可塑性和脆弱性中具有重要作用,且在胚胎發(fā)育過程中可控制早期細(xì)胞模式和軸突生長[10-11]。
SHH 是一種46 kD 的功能形態(tài)發(fā)生素,當(dāng)SHH 肽合成和釋放后,其在成人神經(jīng)組織、大腦中樞系統(tǒng)的生理及病理中發(fā)揮重要作用。SHH與其跨膜受體補(bǔ)綴同源物(protein patched homolog,PTCH)結(jié)合后,使得細(xì)胞跨膜蛋白平滑蛋白(smoothened protein,SMO)游離并被激活,SMO 下游神經(jīng)膠質(zhì)瘤致病基因(glioma-associated oncogene homolog,Gli1)水平升高并從核外轉(zhuǎn)移到核內(nèi),成為轉(zhuǎn)錄激活因子并與DNA 結(jié)合誘導(dǎo)目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄。
在通路激活過程中,SHH 作為配體與受體PTCH1、PTCH2 結(jié)合并激活它們,可減輕對SMO的抑制,最終導(dǎo)致鋅指家族轉(zhuǎn)錄因子Gli 的激活[12]。果 蠅 的Gli 轉(zhuǎn) 錄 因 子 有3 個(gè) 同 源 物,即Gli1、Gli2 和Gli3。Gli2 和Gli3 是具有C 端激活域和N 端抑制域的雙功能轉(zhuǎn)錄因子,可以作為激活子或阻遏物發(fā)揮作用,而Gli1缺乏N端抑制域,僅作為轉(zhuǎn)錄激活子發(fā)揮作用[12]。進(jìn)入細(xì)胞核后,Gli轉(zhuǎn)錄因子的激活可促進(jìn)各種靶基因的轉(zhuǎn)錄,包括參與SHH通路反饋的基因GLI1和PTCH1,促增殖基因Cyclin-D1和MYC,細(xì)胞周期調(diào)節(jié)劑CCND2和CCNE1,凋亡調(diào)節(jié)器bcl2以及參與血管生成ANG1/2,上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化SNAIL和干細(xì)胞自我更新NANOG和SOX2[13-14]。該途徑的最終結(jié)果取決于GLI蛋白的激活劑和阻遏物形式之間的平衡。
目前對從SMO到GLI蛋白的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)的確切分子機(jī)制尚未完全闡明,但研究表明,哺乳動(dòng)物SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)激活需要初級纖毛的參與,SMO和其他下游通路組件必須通過易位來完成Gli 轉(zhuǎn)錄[15]。在哺乳動(dòng)物中,PTCH1 和PTCH2 存在于初級纖毛和周圍部位,在與配體結(jié)合時(shí),這些受體消散并被SMO 取代[16]。SMO 被蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)和酪蛋白激酶1 磷酸化并轉(zhuǎn)移至纖毛[17]。作為SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)激活步驟之一,SMO定位于初級纖毛是必需的,此外作為響應(yīng),與抑制融合蛋白(suppressor of fused,SuFu)復(fù)合的GLI轉(zhuǎn)錄因子被轉(zhuǎn)運(yùn)至初級纖毛的尖端[18];然后,Gli-Su-Fu 復(fù)合物解離,激活Gli,并轉(zhuǎn)入細(xì)胞核,在細(xì)胞核內(nèi)誘導(dǎo)靶基因的轉(zhuǎn)錄。驅(qū)動(dòng)蛋白超家族7(kinesin superfamily7,Kif7)協(xié)調(diào)纖毛尖端的SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),并防止Gli3 在SHH 刺激下裂解為阻遏物形式[19]。
在無配體結(jié)合的情況下,細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞內(nèi)囊泡中存在的SMO 及其向初級纖毛的易位被PTCH 受體抑制。在這些條件下,Kif7主要定位于初級纖毛的基體,其是一種富含蛋白酶體的結(jié)構(gòu)。Gli2 和Gli3 被蛋白激酶A、糖原合酶激酶和Kif7 磷酸化后,可通過蛋白水解過程轉(zhuǎn)化為阻遏物形式,從而阻止轉(zhuǎn)錄[20]。SuFu 是該途徑的強(qiáng)負(fù)調(diào)節(jié)劑,其直接與Gli 蛋白結(jié)合,防止它們易位到細(xì)胞核中[21]。SuFu 也可以進(jìn)入細(xì)胞核,并與DNA中的Gli 結(jié)合序列結(jié)合并抑制基因轉(zhuǎn)錄[22]。音猬因子相互作用蛋白(sonic hedgehog interacting protein,HHIP)是另一個(gè)重要的跨膜蛋白,其功能是減弱SHH 信號(hào),可與SHH 配體結(jié)合,并通過內(nèi)吞作用促進(jìn)HHIP 的吸收,從而使溶酶體降解[23]。SHH信號(hào)通路關(guān)閉和開放狀態(tài)如圖1所示。
圖1 SHH信號(hào)通路圖Fig.1 SHH signaling pathway diagram
SHH 可介導(dǎo)海馬的結(jié)構(gòu)和功能可塑性,包括神經(jīng)發(fā)生、軸突伸長和突觸可塑性。
SHH 信號(hào)在很大程度會(huì)影響胚胎發(fā)育過程中部分神經(jīng)的發(fā)生。胚胎發(fā)育后期在腹側(cè)海馬中產(chǎn)生的NPCs會(huì)在出生后遷移至背側(cè)海馬,這一過程可能受到SHH 的調(diào)節(jié),而SHH 是由海馬內(nèi)神經(jīng)元的不同亞群和投射到齒狀回的內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元產(chǎn)生的[24]。在胚胎發(fā)育末期大腦中選擇性敲除SHH 可導(dǎo)致NPC 增殖減少、神經(jīng)發(fā)生減少及新皮層中神經(jīng)元的異常定位[25]。當(dāng)從NPC 中敲除轉(zhuǎn)錄因子性別決定區(qū)Y 框2(sex determining region Y-box 2,SOX2)時(shí),大腦在出生時(shí)可能未顯示異常,但后期可能表現(xiàn)出干細(xì)胞丟失和嚴(yán)重的發(fā)育不全[26]。研究表明,用SHH 途徑激動(dòng)劑(SHH pathway agonists,SAG)治療可部分挽救SOX2 缺陷小鼠的海馬發(fā)育不全,證明SOX2 下游的SHH在海馬發(fā)育中起關(guān)鍵作用,且SHH基因是SOX2的靶標(biāo)[27]。
研究表明,SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)也能夠調(diào)節(jié)成年海馬NPC 的增殖和分化,海馬NPC 可表達(dá)PTCH,當(dāng)從海馬中分離出NPC 并將其保留于細(xì)胞培養(yǎng)物中時(shí),SHH 會(huì)刺激其增殖[28]。此外,腺相關(guān)病毒介導(dǎo)的SHH 在海馬中的過表達(dá)刺激了體內(nèi)NPC的增殖,而環(huán)巴胺抑制了它們的增殖。成年海馬在齒狀回的亞顆粒區(qū)域內(nèi)存在NPC,這些NPC 可以整合到齒狀回中的神經(jīng)元,并從其他海馬神經(jīng)元以及內(nèi)嗅皮層、中隔和丘腦的神經(jīng)元中接收突觸輸入[29]。海馬神經(jīng)發(fā)生在空間模式分離中具有重要作用,這種模式的學(xué)習(xí)和記憶對于產(chǎn)生認(rèn)知圖(人經(jīng)歷的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)編碼模式,包括圖像和聲音序列)至關(guān)重要[30]。成年小鼠基礎(chǔ)海馬神經(jīng)發(fā)生需要SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),因?yàn)楸磉_(dá)巢蛋白NPC 中SHH的條件性缺失會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)生減少[31]。
研究表明SHH 可以直接作用于軸突來調(diào)節(jié)其生長[32-33],但最近有研究表明,胚胎大鼠海馬神經(jīng)元軸突的生長不受SHH 的影響,而是樹突中SHH 信號(hào)的激活刺激了海馬神經(jīng)元軸突的伸長[34]。PTCH 和SMO 存在于海馬神經(jīng)元的樹突狀區(qū)室中,其中SMO 的局部激活可誘導(dǎo)軸突前纖維蛋白的表達(dá),而前纖維蛋白的突變可消除SHH 對軸突生長的促進(jìn)作用[34]。此外,與NPC 中的SHH信號(hào)不同,即使在缺乏初級纖毛的胚胎海馬神經(jīng)元中,SHH 的軸突伸長促進(jìn)作用也可能發(fā)生。以上研究表明,樹突中SHH 信號(hào)的激活可增強(qiáng)軸突在同一神經(jīng)元上的生長,從而加快其與靶神經(jīng)元樹突的相互作用和突觸連通性。
免疫電子顯微鏡顯示,PTCH 和SMO 聚集于未成熟的胚胎海馬神經(jīng)元的樹突狀生長錐中以及成年海馬的樹突和樹突棘中,SHH 信號(hào)在突觸可塑性調(diào)節(jié)中具有潛在作用[35]。據(jù)報(bào)道,SHH 會(huì)增加海馬神經(jīng)元突觸前末端的大小,這與微型興奮性突觸后突觸電流頻率的增加有關(guān)[36]。但目前尚未明確調(diào)節(jié)海馬軸突生長和突觸可塑性的SHH的來源。然而,研究表明,SHH 存在于突觸前和突觸后末端,可能與突觸囊泡和小體有關(guān)[37]。要充分了解SHH 的具體位置、何時(shí)以及如何影響突觸可塑性和相關(guān)功能(學(xué)習(xí)、記憶等),還需要進(jìn)一步深入研究。
SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳缺陷會(huì)在動(dòng)物和人的神經(jīng)系統(tǒng)中引起嚴(yán)重的發(fā)育異常。SHH 信號(hào)的改變也可能導(dǎo)致其他神經(jīng)發(fā)育障礙。
唐氏綜合癥(Down's syndrome,DS)是由21號(hào)染色體重疊造成的發(fā)育畸形。DS 患者表現(xiàn)出認(rèn)知能力和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力發(fā)育受損,并且還可發(fā)展為阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease,AD)神經(jīng)病理特征,包括海馬中的淀粉樣斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)[38]。在DS小鼠模型中,SHH信號(hào)在神經(jīng)細(xì)胞中減少,PTCH 表達(dá)增加[39-40]。SAG 治療DS 小鼠模型中Ts65Dn新生小鼠可改善小腦發(fā)育缺陷,有效恢復(fù)顆粒細(xì)胞前體庫。在DS 模型Ts65Dn 小鼠中海馬神經(jīng)發(fā)生受到損害,當(dāng)采用γ-分泌酶抑制劑治療小鼠后,神經(jīng)發(fā)生恢復(fù)正常[41]。SHH 信號(hào)是恢復(fù)神經(jīng)發(fā)生所必需的,原因?yàn)椴捎铆h(huán)巴胺治療小鼠時(shí),γ-分泌酶的抑制作用不能恢復(fù)神經(jīng)發(fā)生。SAG 對新生Ts65Dn 小鼠的治療還可以挽救包括認(rèn)知缺陷在內(nèi)的海馬表型[42],證明大腦區(qū)域/神經(jīng)回路中的SHH 信號(hào)與DS 密切相關(guān)[43]。但Ts65Dn 小鼠出生后SAG 治療并不能緩解小腦內(nèi)關(guān)于運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)、任務(wù)(相逆適應(yīng)和前庭眼反射的鞏固)的缺陷。有研究將Ts65Dn 小鼠與PTCH 表達(dá)降低(增加SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo))的小鼠雜交,結(jié)果發(fā)現(xiàn),DS小鼠中的部分大腦結(jié)構(gòu)和行為表型趨于正常化[44]。
雖然異常的SHH 信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致DS 神經(jīng)表型,但尚不清楚SHH 信號(hào)是否參與其他常見發(fā)育性神經(jīng)疾病的發(fā)生。SHH 信號(hào)受損可能導(dǎo)致自閉癥的發(fā)生,原因?yàn)槟懝檀忌铮?-脫氫膽固醇還原酶)合成的突變會(huì)導(dǎo)致常染色體隱性遺傳疾病,即史密斯-萊姆利-奧提茲綜合癥,該病具有自閉癥特征。有研究表明,膽固醇水平降低會(huì)削弱該疾病的SHH信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[45];此外,由編碼PTCH 同源物的基因缺失引起的X連鎖遺傳性神經(jīng)發(fā)育障礙的特征為智力低下和自閉癥樣行為[46]。NPCs 的纖毛中發(fā)現(xiàn)了高水平的磷酸磷脂酰肌醇4-磷酸酯(phosphatidylinositol 4-phosphate ester,PI4P),而肌醇多磷酸5-磷酸酶E 的失活使纖毛中的PI4P耗盡,減少了SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并損害了海馬神經(jīng)的發(fā)生[47]。
SHH 可能在成人腦損傷反應(yīng)和與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮作用。在局灶性缺血性中風(fēng)大鼠模型中,鞘內(nèi)注射SHH 或在腦梗死區(qū)上方的腦表面局部應(yīng)用SHH 可以改善功能結(jié)局,減少神經(jīng)元變性并增加神經(jīng)發(fā)生[48]。同時(shí),實(shí)驗(yàn)性局灶性腦缺血后短時(shí)間即用SMO 激動(dòng)劑嘌嗎啡胺治療小鼠,可改善功能結(jié)局,并減輕中風(fēng)模型的腦損傷和神經(jīng)炎癥[49];相反,環(huán)巴胺治療會(huì)損害小鼠局部缺血性中風(fēng)后間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSC),影響神經(jīng)突生長、突觸形成以及髓鞘再生和功能恢復(fù)的能力[50]。研究表明,MSC 促進(jìn)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中SHH 和組織纖溶酶原激活物生成,進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)突向外生長、突觸形成和髓鞘形成。在腦缺血性中風(fēng)的動(dòng)物模型中,海馬NPC 增殖增加,且SHH 信號(hào)在這種對神經(jīng)元損傷的適應(yīng)性反應(yīng)中起關(guān)鍵作用[51]。SHH可能在黑素皮質(zhì)素對缺血的神經(jīng)源性反應(yīng)的下游起作用,原因?yàn)檫x擇性地阻斷SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可以阻止黑素皮質(zhì)素4 受體激動(dòng)劑誘導(dǎo)的神經(jīng)發(fā)生[52]。星形膠質(zhì)細(xì)胞可能是對腦損傷產(chǎn)生SHH的主要來源。有研究表明,響應(yīng)實(shí)驗(yàn)性興奮毒性癲癇發(fā)作,小鼠海馬中反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞中SHH 表達(dá)上調(diào),并且星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的SHH 可能刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的增殖[53]。除對NPC 和神經(jīng)元的潛在直接影響外,SHH 信號(hào)還可以刺激腦血管生成[54],這可能有助于改善中風(fēng)和慢性神經(jīng)退行性疾病(如AD)。
AD 的發(fā)生與海馬突觸和神經(jīng)元退化相關(guān),SHH 信號(hào)紊亂可能參與AD 的發(fā)病機(jī)制。研究表明,AD 患者的腦組織樣本中PTCH 的水平明顯降低[55]。淀粉樣蛋白β 肽(amyloid β peptide,Aβ)的自聚集是AD 患者海馬的突出特征,對AD 的試驗(yàn)細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型進(jìn)行研究表明,Aβ會(huì)損害海馬神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性,并可能引發(fā)興奮性中毒神經(jīng)元鈣超載[56]。在AD 試驗(yàn)?zāi)P椭?,SHH 或SHH 激動(dòng)劑是否能保護(hù)腦細(xì)胞尚不清楚,但有研究認(rèn)為,SHH 可以通過誘導(dǎo)BDNF 的產(chǎn)生保護(hù)海馬神經(jīng)元免受Aβ 毒性的影響[57],且在AD 試驗(yàn)?zāi)P椭幸炎C明BDNF 具有神經(jīng)保護(hù)作用[58]。SHH 可能增強(qiáng)變性中神經(jīng)元抵抗力的另一種機(jī)制是增強(qiáng)自噬。自噬受損與AD 中細(xì)胞毒性蛋白Aβ 的積累和線粒體功能障礙有關(guān)[59],通過增強(qiáng)線粒體生物能、增強(qiáng)自噬作用可以減輕AD 模型小鼠的AD樣Aβ 病理變化[60]。SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可以刺激神經(jīng)元的自噬[61],但尚不清楚SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是否可以保護(hù)神經(jīng)元免受AD 或神經(jīng)退行性疾病的功能障礙和變性。未來可采用藥理或分子遺傳技術(shù)對AD 動(dòng)物模型的SHH 信號(hào)操縱進(jìn)行分析,以增加對疾病的了解,并開發(fā)預(yù)防和治療的新方法。
抑郁是一種常見的精神疾病,發(fā)病率和死亡率均較高。動(dòng)物模型研究表明,抑郁癥的認(rèn)知缺陷是由BDNF 信號(hào)缺陷、突觸喪失和神經(jīng)發(fā)生受損引起的,而SHH 可能具有抗抑郁作用[62]。電痙攣性休克(electroconvulsive shock,ECS)治療通常在重度抑郁癥患者中較有效。ECS誘導(dǎo)大鼠海馬NPC 增殖,而用環(huán)巴胺阻斷SHH 信號(hào)可完全阻止ECS 誘導(dǎo)的NPC 增殖[63]。目前,尚不明確在抑郁癥中SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是否受損,或者SHH 激動(dòng)劑(如SAG)是否表現(xiàn)出抗抑郁作用。SHH 誘導(dǎo)BDNF 表達(dá)為抑郁模型中的SHH 信號(hào)調(diào)節(jié)劑的臨床前研究提供了理論依據(jù)。
近年來,研究發(fā)現(xiàn),SHH 信號(hào)可以通過調(diào)節(jié)軸突的生長、突觸發(fā)生和突觸可塑性,進(jìn)而在整個(gè)生命過程中調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元回路的形成及適應(yīng)性和可塑性。目前,SHH 信號(hào)是否以及如何通過運(yùn)動(dòng)、飲食能量限制和從事智力挑戰(zhàn)性活動(dòng)來增強(qiáng)海馬神經(jīng)可塑性的機(jī)制尚需更深入的研究[64]。由于異常的SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可能導(dǎo)致發(fā)育缺陷,并且也可能導(dǎo)致一系列成人發(fā)作性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)?。?1,47,54,61,63],因此,可開發(fā)針對SHH 途徑的干預(yù)措施。臨床前研究結(jié)果表明,在與唐氏綜合癥和AD 相關(guān)的小鼠模型中,SHH 激動(dòng)劑SAG 可以逆轉(zhuǎn)海馬突觸可塑性和空間學(xué)習(xí)與記憶的缺陷[42]。在AD、抑郁、癲癇、腦缺血等海馬疾病的動(dòng)物模型中,進(jìn)一步研究SHH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)干預(yù)潛在治療效果可能為將來在相關(guān)疾病患者中進(jìn)行SHH 修飾干預(yù)的臨床試驗(yàn)提供理論依據(jù)。