Nogo-A對(duì)突觸可塑性的調(diào)節(jié)及相關(guān)神經(jīng)疾病

何梅，毛敏，趙國(guó)燕，湯竣杰，馮爽，魯秀敏，王永堂

1.重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶市400054；2.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，創(chuàng)傷、燒傷與復(fù)合傷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市400042

Nogo屬于Reticulon(RTN)家族，又稱為RTN4。Nogo蛋白有3個(gè)亞型，即Nogo-A、Nogo-B和Nogo-C，因選擇性剪接或啟動(dòng)子不同而產(chǎn)生，共享相同的羧基端。在3個(gè)亞型中，Nogo-A對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)抑制作用最強(qiáng)。Nogo-A及其受體在中樞神經(jīng)再生過(guò)程中發(fā)揮重要作用，還可作為大腦功能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要調(diào)節(jié)因子，在突觸可塑性改變過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，進(jìn)而參與相關(guān)神經(jīng)疾病發(fā)生的調(diào)節(jié)[1]。

1 Nogo-A及其結(jié)構(gòu)

Nogo-A是一種相對(duì)分子量為256 kDa的髓鞘蛋白，由1192個(gè)氨基酸組成，富含酸性氨基酸和脯氨酸。在成年哺乳動(dòng)物中，Nogo-A主要分布于CNS少突膠質(zhì)細(xì)胞中，在高度塑性CNS區(qū)域的神經(jīng)元，如海馬或皮質(zhì)中也高度表達(dá)[2]。Nogo-A含有短-COOH末端、細(xì)胞外-NH2末端和兩個(gè)主要跨膜功能域。C端由188個(gè)殘基組成，包含兩個(gè)疏水區(qū)和Nogo-66功能域；Nogo-66在兩個(gè)疏水區(qū)之間，包含66個(gè)殘基，位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔或細(xì)胞膜外。Nogo-A的第二個(gè)功能區(qū)主要位于N端細(xì)胞外域，稱作Nogo-A-?20或amino-Nogo[3]。

RTN蛋白呈不同于傳統(tǒng)跨膜蛋白的發(fā)夾樣。Nogo-A在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜中有不同結(jié)構(gòu)，根據(jù)疏水片段是否完全跨膜，蛋白質(zhì)呈“V”或“W”構(gòu)型。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中，-COOH和-NH2末端都位于胞質(zhì)側(cè)；當(dāng)Nogo-66位于管腔胞質(zhì)側(cè)時(shí)，Nogo-A呈“V”樣；在管腔側(cè)時(shí)，則呈“W”樣。在質(zhì)膜中，當(dāng)Nogo-A呈“V”樣時(shí)，-COOH末端位于胞質(zhì)側(cè)，-NH2末端和Nogo-66都位于胞外空間；而當(dāng)Nogo-A呈“W”樣時(shí)，-COOH末端位于細(xì)胞外側(cè)[4]。

2 Nogo-A受體

Nogo-A對(duì)中樞神經(jīng)再生及突觸可塑性影響主要通過(guò)其受體實(shí)現(xiàn)。Nogo-A受體有Nogo受體(Nogo-66 receptor,NgR)、成對(duì)免疫球蛋白樣受體B(paired immunoglobulin-like receptor B,PirB)和新發(fā)現(xiàn)的鞘氨醇-1-磷酸受體2(sphingosine 1-phosphate receptor 2,S1PR2)。它們分別通過(guò)Nogo-A相應(yīng)的作用位點(diǎn)發(fā)揮生物學(xué)功能。

NgR位于細(xì)胞膜表面，主要在成年動(dòng)物CNS中表達(dá)，能特異性結(jié)合Nogo-66結(jié)構(gòu)域，命名為NgR1。NgR1是Nogo蛋白、髓鞘相關(guān)糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)和少突細(xì)胞髓磷脂糖蛋白(oligodendrocyte myelin glycoprotein,OMgp)三種主要神經(jīng)軸突再生抑制因子的共同受體[5]。Nogo-66與NgR1結(jié)合，抑制神經(jīng)突生長(zhǎng)，限制突觸可塑性；靶向NgR1治療被認(rèn)為是促進(jìn)軸突再生的潛在策略。新型Nogo-66受體拮抗肽(NgR1 antagonist peptide,NAP2)能促進(jìn)細(xì)胞軸突在生長(zhǎng)抑制環(huán)境中再生[6]。由于缺乏細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)域，NgR1需要與膜蛋白神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體p75NTR和/或腫瘤壞死因子受體家族成員TROY以及亮氨酸富集重復(fù)蛋白LⅠNGO-1相互作用，形成受體復(fù)合體，將信號(hào)傳導(dǎo)至下游RhoA和Rho相關(guān)卷曲螺旋形成蛋白激酶(RhoA and Rho-associated coiled-coil-forming kinases,RhoA-ROCK)，導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白解聚、肌球蛋白收縮和微管崩解[7]。最近還發(fā)現(xiàn)一種新型Nogo-66受體，即PirB，其作用類似于NgR1[8]。

Nogo-A-?20是Nogo-A N末端區(qū)域的另一個(gè)結(jié)構(gòu)域。Kempf等[9]發(fā)現(xiàn)，S1PR2為Nogo-A-?20的特異性受體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子。Nogo-A-?20與S1PR2結(jié)合可激活G蛋白G-13以及白血病相關(guān)Rho鳥(niǎo)嘌呤交換因子(leukemia-associated Rho-specific guanine nucleotide exchange factors,LARG)，上調(diào)RhoA水平，抑制神經(jīng)軸突生長(zhǎng)或成纖維細(xì)胞擴(kuò)散，同時(shí)誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation,LTP)效應(yīng)減弱；另一方面下調(diào)磷酸化環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(phosphorylated cAMPresponse-element binding protein,p-CREB)的活性水平。

綜上所述，Nogo-A與其不同受體，如NgR1、PirB和S1PR2的相互作用，激活不同信號(hào)通路，抑制神經(jīng)軸突生長(zhǎng)。

3 Nogo-A參與突觸結(jié)構(gòu)和功能可塑性調(diào)節(jié)

Nogo-A是最早確定的髓磷脂抑制因子(myelin-associated inhibitors,MAⅠs)，最初發(fā)現(xiàn)其主要在中樞神經(jīng)生長(zhǎng)和再生過(guò)程中發(fā)揮重要作用。最近發(fā)現(xiàn)，Nogo-A及其受體NgR1、S1PR2和PirB還在以高可塑性水平為特征的腦區(qū)如大腦皮質(zhì)和海馬突觸前后表達(dá)，提示Nogo-A及其受體可能參與突觸可塑性調(diào)節(jié)[9]。

突觸樹(shù)突棘的生長(zhǎng)和收縮以及軸突結(jié)構(gòu)可塑性變化被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)[10]。功能性和結(jié)構(gòu)性突觸可塑性已被證實(shí)可作為大腦幾個(gè)區(qū)域?qū)W習(xí)和記憶的基本機(jī)制，包括獲得新的運(yùn)動(dòng)技能[11]。

在結(jié)構(gòu)上，中和或抑制Nogo-A或NgR1可促進(jìn)軸突生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)樹(shù)突分支，并在一定程度上增強(qiáng)脊髓組織密度和更新速率?？贵w中和Nogo-A可明顯促進(jìn)成年大鼠小腦和脊髓中未受傷軸突的發(fā)芽。在體外培養(yǎng)的成熟海馬切片中，Nogo-A的失活也導(dǎo)致錐體軸突和樹(shù)突的生長(zhǎng)及分支復(fù)雜性增加，敲除NgR1/2/3，CA1海馬錐體神經(jīng)元樹(shù)突復(fù)雜性也有類似增加[12]。通過(guò)觀察Nogo-A基因敲除或Nogo-A過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)Nogo-A可負(fù)向調(diào)節(jié)小腦中浦肯野細(xì)胞樹(shù)突的生長(zhǎng)和復(fù)雜性[13]。上述研究表明，Nogo-A和NgR1決定突觸形態(tài)的形成和穩(wěn)定性，而突觸后樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)以及軸突長(zhǎng)度則由Nogo-A和NgR1信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)調(diào)控。Nogo-A可通過(guò)下游RhoA依賴方式調(diào)節(jié)突觸生長(zhǎng)，限制體內(nèi)海馬神經(jīng)元的突觸數(shù)量[12]。

在分子水平上，結(jié)構(gòu)變化往往伴隨著生長(zhǎng)相關(guān)標(biāo)記物和轉(zhuǎn)錄因子的下調(diào)，這表明Nogo-A可通過(guò)下調(diào)生長(zhǎng)相關(guān)基因的表達(dá)，抑制成人CNS的突觸可塑性。Akbik等[14]觀察到NgR1突變小鼠在轉(zhuǎn)桿和音調(diào)相關(guān)恐懼條件反射中，表現(xiàn)出學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)。Nogo-A抗體治療后，大鼠運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)，并有效提高運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中樹(shù)突棘密度[15]。在視覺(jué)和感覺(jué)皮質(zhì)中，Nogo-A及其受體的缺失可維持經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性。Guzik-Kornacka等[16]使用視動(dòng)反應(yīng)(optokinetic response,OKR)和單眼剝奪(monocular deprivation,MD)誘導(dǎo)OKR可塑性，在敲除Nogo-A的成年小鼠中，Nogo-A能限制視覺(jué)體驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的OKR可塑性。Nogo-A受體PirB負(fù)調(diào)節(jié)視皮質(zhì)第5層錐體細(xì)胞的樹(shù)突棘密度以及成人眼優(yōu)勢(shì)可塑性閾值[17]。

除結(jié)構(gòu)變化外，大腦存儲(chǔ)信息還需要持續(xù)改變突觸傳遞強(qiáng)度。突觸傳遞強(qiáng)度的長(zhǎng)期變化表現(xiàn)為L(zhǎng)TP或長(zhǎng)時(shí)程抑制(longterm depression,LTD)，在海馬學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中發(fā)揮重要作用，與樹(shù)突棘的結(jié)構(gòu)修飾相關(guān)。Nogo-A及其受體對(duì)突觸傳遞強(qiáng)度也有一定抑制。Nogo-A或NgR1抗體中和后，發(fā)現(xiàn)電誘導(dǎo)的LTP在數(shù)分鐘內(nèi)增強(qiáng)，皮質(zhì)錐體神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度在數(shù)天內(nèi)增加[15]。Tews等[18]通過(guò)在CA3-CA1區(qū)Schaffer側(cè)支路徑上使用θ-刺激改變LTP，與野生型相比，Nogo-A敲除大鼠LTP顯著增強(qiáng)。NgR1敲除小鼠促進(jìn)LTP，并導(dǎo)致培養(yǎng)海馬切片中LTD減弱，表明NgR1信號(hào)傳導(dǎo)是突觸傳遞過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)因子[19]。突觸可塑性的急性調(diào)節(jié)可能有助于阻斷Nogo-A和NgR1，提高CNS損傷后的恢復(fù)。

作為糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol,GPⅠ)錨定蛋白，NgR1通過(guò)一系列其他共同受體發(fā)出信號(hào)，與可塑性相關(guān)的有p75NTR。p75NTR在海馬成熟錐體細(xì)胞中負(fù)調(diào)節(jié)樹(shù)突結(jié)構(gòu)可塑性及LTD的維護(hù)，并導(dǎo)致不同信號(hào)通路激活[20]。PirB敲除小鼠顯示出更高的樹(shù)突棘密度和穩(wěn)定性，這些形態(tài)學(xué)變化與高頻率微型突觸電流相關(guān)，增強(qiáng)LTP，抑制LTD[17]。Nogo-A-?20特異性受體S1PR2是CNS突觸穩(wěn)定的重要調(diào)節(jié)因子。急性阻斷Nogo-A/S1PR2信號(hào)傳導(dǎo)，海馬和皮質(zhì)突觸可塑性增強(qiáng)；藥物阻斷S1PR2后，LTP的增強(qiáng)更加明顯[9]。

Nogo-A在功能性突觸可塑性中起重要作用，是突觸可塑性和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)學(xué)習(xí)有影響力的分子調(diào)節(jié)劑。Zemmar等[15]研究Nogo-A在新皮質(zhì)活動(dòng)依賴性突觸可塑性中的作用，以及在成人和未受傷嚙齒動(dòng)物運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)中的作用。經(jīng)Nogo-A抗體治療后，學(xué)習(xí)精確運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)；在海馬切片中加入可溶性Nogo-66或OMgp，可抑制LTP，增強(qiáng)LTD[21]。Nogo-A-?20在內(nèi)吞入神經(jīng)突后，逆向運(yùn)輸?shù)桨w中，引發(fā)RhoA活化并下調(diào)p-CREB活性[22]。推測(cè)Nogo-A很有可能使用類似的信號(hào)減少生長(zhǎng)因子信號(hào)傳導(dǎo)的影響，抑制生長(zhǎng)因子的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而參與突觸可塑性調(diào)節(jié)。

4 Nogo-A與神經(jīng)疾病

CNS再生障礙以及運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，樹(shù)突結(jié)構(gòu)和樹(shù)突棘的數(shù)量和形狀影響神經(jīng)元的功能，并與活動(dòng)依賴性過(guò)程如突觸可塑性相關(guān)。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)表明，膜蛋白Nogo-A是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定分子中重要候選因子，在許多CNS相關(guān)疾病中發(fā)揮重要作用。

4.1 脊髓損傷

Nogo-A蛋白抑制神經(jīng)細(xì)胞軸突生長(zhǎng)并導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)錐塌陷，是影響脊髓損傷后神經(jīng)再生修復(fù)的重要因素。敲除Nogo-A或使用Nogo-A和NgR抗體，對(duì)急性CNS損傷動(dòng)物模型的軸突再生和功能恢復(fù)有明顯療效。抑制NgR1在腦外傷中也顯示出認(rèn)知功能的改善[23-24]。

Nogo-A對(duì)脊髓損傷的影響最終通過(guò)下游RhoA-ROCK信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)。Rho激酶參與細(xì)胞及組織損傷，抑制Rho-ROCK通路可促進(jìn)原代神經(jīng)元或脊髓損傷模型的軸突生長(zhǎng)[25]。從軸突生長(zhǎng)抑制因子到生長(zhǎng)錐肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程都有RhoA-ROCK通路的參與，使細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白變得不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致生長(zhǎng)錐塌陷，干擾軸突再生[1]。阻斷RhoA-ROCK信號(hào)通路可以很好地刺激脊髓或視神經(jīng)損傷后軸突發(fā)芽和再生，更好、更快地恢復(fù)不同的脊髓損傷模型功能性運(yùn)動(dòng)[26]。Nogo-A及所引導(dǎo)的下游信號(hào)通路是脊髓損傷潛在的治療靶點(diǎn)。

4.2 多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis,MS)

MS是CNS中常見(jiàn)的炎癥性疾病。其確切發(fā)病機(jī)制尚不清楚，灰質(zhì)和白質(zhì)的進(jìn)行性退化是該病的標(biāo)志，脫髓鞘是神經(jīng)退行性過(guò)程的重要組成部分，并伴有髓鞘和軸突損傷[27]。Nogo-A在急性和慢性MS病變周圍的髓鞘和髓鞘碎片中大量存在，并限制軸突再生和髓鞘修復(fù)，可能是MS的潛在治療靶標(biāo)。最近還發(fā)現(xiàn)，Nogo-A及其受體與實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)的進(jìn)展有關(guān)，Nogo-A抗體中和或基因敲除在EAE和MS模型的軸突變性中發(fā)揮作用[28]。成人CNS具有神經(jīng)修復(fù)和損傷后可塑性的潛在能力，但是受生長(zhǎng)抑制因子如Nogo-A的限制。Yang等[29]運(yùn)用小干擾RNA在體內(nèi)外特異性抑制Nogo-A的表達(dá)，促進(jìn)了軸突修復(fù)，并對(duì)EAE有改善作用。Ⅰneichen等[30]在成年大鼠頸脊髓背側(cè)誘導(dǎo)EAE病變，導(dǎo)致前肢運(yùn)動(dòng)功能下降；抗Nogo-A治療后前肢運(yùn)動(dòng)功能得到改善。NgR1敲除可改變塌陷反應(yīng)介質(zhì)蛋白-2(collapsing response mediator protein-2,CRMP-2)的磷酸化狀態(tài)，從而阻斷Nogo-A下游信號(hào)傳導(dǎo)途徑，有助于MS恢復(fù)[28]。NgR1的共同受體LⅠNGO-1基因敲除或抗體拮抗治療也可阻斷軸突變性，促進(jìn)EAE小鼠髓鞘再生和功能恢復(fù)[31]?？筃ogo-A抗體治療有望作為MS的潛在療法，特別是慢性期，當(dāng)神經(jīng)變性和髓鞘再生失敗時(shí)有重要的應(yīng)用前景。

4.3 阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)

Nogo-A還參與AD的發(fā)生發(fā)展。Gil等[32]發(fā)現(xiàn)，Nogo-A在正常老年人海馬少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中表達(dá)，但在AD患者海馬神經(jīng)元中過(guò)度表達(dá)，并與β-淀粉樣蛋白(beta-amyloid,Aβ)相關(guān)。Zhou等[33]發(fā)現(xiàn)，Nogo-A及其受體蛋白家族可通過(guò)與淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)的相互作用，調(diào)節(jié)Aβ產(chǎn)生。NgR1在抑制軸突再生中起重要作用，并可通過(guò)影響APP代謝參與AD的病理過(guò)程。在AD患者海馬CA1和CA2區(qū)，NgR1免疫陽(yáng)性神經(jīng)元與神經(jīng)元總數(shù)的比值高于正常老年人[34]。PirB也參與Aβ調(diào)節(jié)。Kim等[35]發(fā)現(xiàn)，存在于人腦中的鼠PirB及其人類同源性白細(xì)胞免疫球蛋白樣受體B2(leukocyte immunoglobulin-like receptor B2,LilrB2)均是具有納摩爾親和力的Aβ寡聚體受體。與Aβ單體相比，Aβ寡聚體對(duì)PirB具有更高的結(jié)合力，PirB與Aβ寡聚體的協(xié)同作用，導(dǎo)致海馬損傷，并最終形成AD。阻斷Aβ寡聚體和LilrB2之間的相互作用可能是AD治療的潛在策略。

S1PR2也參與AD發(fā)生。S1PR2被認(rèn)為是成人CNS中突觸穩(wěn)定的重要調(diào)節(jié)因子。用Aβ處理培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元，能導(dǎo)致cAMP/PKA/CREB信號(hào)傳導(dǎo)途徑失活并抑制LTP[36]。Nogo-A-?20可誘導(dǎo)p-CREB水平降低，可能加劇Aβ對(duì)LTP的抑制作用。

Nogo-A及其受體參與AD的患病機(jī)制研究得還不夠深入，將Nogo相關(guān)藥物用于AD的臨床治療可能還不夠成熟。

4.4 創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(posttraumatic stress disorder,PTSD)

PTSD是指在遭遇或?qū)怪卮髩毫蛲{后，心理狀態(tài)失調(diào)，導(dǎo)致個(gè)體延遲出現(xiàn)或長(zhǎng)期持續(xù)存在精神障礙。PTSD最顯著的特征是創(chuàng)傷性記憶持久存在并易于激活、持續(xù)性警覺(jué)增高，這種恐懼和學(xué)習(xí)記憶是通過(guò)改變突觸效能實(shí)現(xiàn)的，突觸可塑性參與對(duì)恐懼記憶的維持和恐懼條件反射的表達(dá)[37-38]。海馬區(qū)與空間學(xué)習(xí)記憶、認(rèn)知情感和恐懼形成密切相關(guān)，LTP和LTD則為某些記憶活動(dòng)的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，共同組成學(xué)習(xí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。海馬CA1的LTD增強(qiáng)還與PTSD的共病，如精神分裂癥、抑郁癥和情緒障礙有關(guān)[39]。采用連續(xù)單一刺激(single-prolonged stress,SPS)制備的PTSD小鼠，海馬LTD和LTP均有不同程度增強(qiáng)；阻斷海馬LTP可有效抑制其逆向?qū)W習(xí)能力[40]。Nogo-A及其受體NgR、PirB、S1PR2參與海馬突觸可塑性調(diào)節(jié)，而異常的突觸可塑性是PTSD發(fā)生的潛在機(jī)制。敲除NgR1及其配體MAⅠs，如Nogo-A和MAG，均可有效抑制恐懼記憶[41]。提示Nogo-A及其受體可能參與PTSD的調(diào)控過(guò)程。

5 展望

Nogo-A及其受體不僅參與神經(jīng)再生的抑制，還參與突觸結(jié)構(gòu)和功能可塑性調(diào)節(jié)，在許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如脊髓損傷、MS、AD及PTSD等的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用。對(duì)Nogo-A的進(jìn)一步研究有助于獲得新的見(jiàn)解，為神經(jīng)疾病提供更多、更有力的治療途徑。