中枢神经系统髓鞘形成和再生调控机制研究进展

牛红妹，王明洋，李 林

（首都医科大学宣武医院药学部，北京市神经药物工程技术研究中心，神经变性病教育部重点实验室，北京 100053）

白质和灰质是中枢神经系统（central nervous system，CNS）的重要组成部分，其中灰质主要由大量的神经元胞体及其树突聚集而成，白质主要由被髓鞘包围的神经元轴突构成。包裹神经纤维的髓鞘对于动作电位的快速传导和支持大脑神经元通讯必不可少。多种原因可引起髓鞘脱失和白质病变，包括自身免疫性疾病（如多发性硬化）、脑缺血缺氧、炎症、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）和精神疾病（如精神分裂症）等。少突胶质细胞（oligo⁃dendrocyte，OL）是髓鞘形成细胞，髓鞘再生是通过OL合成新的髓鞘以覆盖暴露的轴突而实现。目前越来越多的研究认为，髓鞘再生是脱髓鞘病变治疗中非常有前景的方向。本文综述了近年来CNS髓鞘形成和再生调控机制研究进展，主要包括脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、神经调节蛋白-1（neuregulin-1，NRG-1）、非受体酪氨酸激酶Fyn、富含亮氨酸重复序列和包含Nogo受体相互作用蛋白1的Ig结构域（leucinerich repeat and Ig domain containing Nogo receptor interacting protein-1，LINGO-1）及其相应的信号通路等对髓鞘形成和髓鞘再生的影响，为脱髓鞘疾病机制研究和治疗药物的研发提供参考。

1 少突胶质细胞分化与髓鞘形成及再生

据报道，人类大部分CNS的髓鞘形成发生在20岁之前［1-2］。然而最近研究表明，人类CNS髓鞘形成贯穿于一生［2-3］。OL是CNS髓鞘形成细胞，因此OL的发育、分化和增殖对于获得动作电位的快速传导和神经元通讯以支持大脑功能非常重要［4-5］。OL起源于CNS室周区及室下区有增殖能力的神经前体细胞或神经祖细胞，发育过程历经神经祖细胞、少突胶质祖细胞、少突胶质前体细胞（oligoden⁃drocyte progenitor cells，OPC）、未成熟少突胶质细胞和成熟少突胶质细胞几个阶段。在各发育时期，细胞表达特异性的标志蛋白，只有当细胞发育成熟，开始表达髓鞘碱性蛋白（myelin basic protein，MBP）、髓鞘蛋白脂蛋白和髓鞘OL糖蛋白等髓鞘相关蛋白后，细胞才具髓鞘形成的能力。

在髓鞘再生的成熟期，OPC遍布整个CNS，具有高度动态的细胞丝状足突，通过接触介导的抑制持续排斥相邻的OPC突起。此外，OPC通过局部增殖保持恒定的细胞密度［6］，且可以自我更新［7］。当髓鞘受外部或自身免疫因素影响出现病变后，OPC向OL分化受阻，髓鞘包绕轴突的结构出现排列紊乱和板层分离等，可继发轴突变性和神经元坏死等［8］。当外部因素去除或自身免疫能力增强时，机体可发挥自身的修复功能，髓鞘重新包裹轴突恢复生理功能，这个过程称为髓鞘再生［9］。在髓鞘的修复和再生的过程中，需要OL包绕轴突重新形成髓鞘，前提是由OPC经过迁移到髓鞘出现病变的部位，进一步增殖、分化成为成熟的OL［10］。

2 髓鞘形成与再生的调控机制

OL的成熟是一个复杂的过程，其形态、功能和表达产物呈现连续渐变，由多个不同的信号通路综合调控，且各阶段之间无严格界限。目前对于OL相关疾病如脑小血管病白质病变、多发性硬化等尚无有效的治疗方法，了解髓鞘形成和再生的调控机制，对于治疗脱髓鞘疾病至关重要。

2.1 脑源性神经营养因子

BDNF是CNS中含量最丰富的神经营养因子，能够促进神经发生、神经元存活、突触可塑性和与神经相关酶的合成，抑制神经元凋亡；而且在OL发育、分化、增殖和形成髓鞘等机制中起关键作用，并能防止OL损伤和死亡。

BDNF主要通过与神经细胞膜上的高亲和力酪氨酸激酶受体B（tyrosine kinase receptor B，TrkB）结合而发挥作用。TrkB的胞内域具有内在的酪氨酸激酶活性，BDNF与TrkB结合后激活胞内域，引起TrkB自身磷酸化作用增强，进而激活磷脂酰肌醇-3-激酶-蛋白激酶 B（phosphatidylinositol-3-ki⁃nase-protein kinase B，PI3K/Akt）通路，最后在cAMP反应元件结合蛋白（cyclic AMP response element binding protein，CREB）的丝氨酸位点激活CREB。活化的CREB通过增加BDNF基因及抗凋亡蛋白Bcl-2基因的表达，以促进神经细胞生存，增强突触可塑性及神经发生。而且，活化的CREB也可以促进OL的再生［11-12］。

此外，BDNF及其受体TrkB是酪氨酸激酶Fyn信号通路的上游蛋白。磷酸化的Fyn在BDNF调节OL髓鞘化过程中发挥重要作用，依赖于OL上BDNF的受体TrkB的磷酸化水平增高［13］。

2.2 神经调节蛋白1

NRG是表皮生长因子家族中一类相关蛋白质群的总称，至少包括12个成员，如神经分化因子、乙酰胆碱受体诱导活性因子和胶质细胞生长因子等，因为首先在神经科学领域发现而得名。NRG-1是神经调节蛋白家族成员之一，在脊髓和大脑组织中均有分布，对神经系统的发育和再生发挥着重要的作用。根据N端结构的不同，可将NRG-1分为6种亚型，分别为Ⅰ～Ⅵ型，其中Ⅰ型和Ⅱ型具有N端Ig样结构域，在蛋白水解后，可以脱落并作为可溶性蛋白从神经细胞表面释放出来。Ⅲ型由一个富含半胱氨酸的结构域定义，有2个跨膜结构域，并与轴突膜紧密相关［14］。Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ型在人类及鼠类体内均有表达，但其在体内发挥生物学作用的确切机制尚不清楚。

ErbB4是NRG-1的受体。ErbB蛋白属于受体酪氨酸蛋白激酶家族的一员，由4个基因（ErbB1～ErbB4）编码，NRG 信号主要经由ErbB2～ErbB4传导。NRG-1作为ErbB的激动剂或配体，与ErbB受体结合并激活，形成二聚体复合物，以旁分泌或自分泌机制参与高等动物脑功能活动。研究表明，NRG-1不能直接与ErbB2结合，而是协助其他受体共同发挥作用；NRG-1与ErbB3结合的酪氨酸激酶活性很低，与ErbB2协同作用，其活性可提高100倍；ErbB4既能与NRG-1结合，又具有很强的酪氨酸激酶活性［15］。

在CNS中，NRG-1/ErbB信号通路参与了广泛的神经生物学功能，包括神经元迁移及轴突和突触功能［16］。近年研究表明，NRG-1/ErbB信号通路对脱髓鞘疾病髓鞘的再生及修复发挥着重要的作用，如NRG-1信号参与OL的增殖、迁移、分化和髓鞘形成［17］。

NRG-1/ErbB信号通路分为经典的正向信号通路和逆向信号通路，对髓鞘的形成起双向调节作用。在正向信号通路中，BDNF作用于轴突表面的受体TrkB，引起轴突持续释放Ⅰ型或Ⅱ型NRG-1，作用于OPC的ErbB受体，促使OPC发育为未成熟的OL，而NRG-1进一步引起BDNF释放，正反馈于BDNF-TrkB信号通路；随后，未成熟的OL在持续的Ⅲ型NRG-1的作用下进一步髓鞘化［18］。在NRG-1与ErbB结合的过程中，NRG-1介导ErbB二聚体，激活ErbB激酶结构域，从而引起胞内ErbB激酶磷酸化，进而激活下游信号分子［19］，包括 PI3K/Akt、Ras/Raf/MEK/ERK、Src/黏着斑激酶（focal adhe⁃sion kinase，FAK）和钙调蛋白等信号通路，参与调节OL的髓鞘化［20］。在逆向信号通路中，可溶性ErbB二聚体与跨膜NRG-1Ⅲ型结合，神经元去极化，从而导致NRG-1Ⅲ型OL内C端结构域裂解进入细胞核内，参与细胞核内mRNA的转录，最终调节OL的存活和发育［21］。当可溶性ErbB二聚体与NRG-1Ⅱ型结合后，转入细胞核内的C端结构域，上调神经营养素的mRNA的表达，最终引起OL大量释放神经营养素，从而为轴突的髓鞘化提供营养支持［22］。

KATARIA等［23］对脊髓进行了体外培养研究，发现脊髓在培养7～11 d后即可产生未成熟的OL，将NRG-1基因敲除后，脊髓培养物不能产生OL；而当在培养基中加入外源性的NRG-1，则可以产生OL，且NRG-1可以刺激少突胶质祖细胞，使其逐步分化为OPC和OL，并维持其存活。这表明NRG-1对OPC的成熟和OL的生存及分化起着正性促进作用。也有研究提示，在较高浓度（100和200 mg·L-1）时，NRG-1对OL的分化起抑制作用。如GAUTHIER等［24］研究表明，NRG-1 100和200 mg·L-1能可逆性地抑制OPC分化为OL，并且能诱导已分化的OL发生表型逆转，表现为髓磷脂碱性蛋白表达的缺失、巢蛋白的再表达、突起数量的减少和肌动蛋白的重排［25］。上述体外研究结果表明，NRG-1作为OL的体外存活因子，对OL的生存、增殖、分化及成熟发挥着双重调节作用［26］。LAI等［27］研究发现，在SD大鼠胚胎干细胞培养中，NRG-1与ErbB4结合能有效地促进OL中髓磷脂碱性蛋白的上调，特异性地加速OL的成熟和髓鞘的形成；而CALAORA等［28］在C57BL/6小鼠的胚胎干细胞培养中研究发现，NRG-1与ErbB3结合可以负性调节OL的生成、分化及髓鞘形成。近年来，有学者采用转基因和基因突变大鼠研究NRG-1在CNS中的成髓鞘作用，发现杂合的NRG-1Ⅲ型转基因和基因突变小鼠均可产生OL过度髓鞘化［29］。说明NRG-1对OL具有多重调节功能，这与其浓度和亚型以及所结合的受体均有关。

NRG-1对星形胶质细胞的生存、分化和成髓鞘过程也发挥重要的作用。在8周龄SD大鼠大脑皮质神经元损伤后，星形胶质细胞产生的NRG-1与自身的ErbB2/ErbB3结合，促进髓鞘的再生与修复；同时分泌的多种NRG-1亚型与其他细胞的ErbB受体结合，促进损伤部位的神经元和OL的存活和再生，间接参与髓鞘的修复过程［30］。

2.3 Fyn

Fyn是非受体酪氨酸激酶Src家族中相对分子质量为59 ku的蛋白。它的结构域包括一个独特的带有酰化位点的N端Src-Homology（SH）4区结构域，一个SH3和SH2蛋白结合域，一个SH1或激酶结构域和一个C端尾。当酪氨酸磷酸酶使C端调节性酪氨酸残基去磷酸化时，SH2和SH3结构域可作用于下游蛋白质。此外，Fyn的开放构象使得其酪氨酸420（Y420）位点能够在分子间自动磷酸化，从而稳定了催化位点的活性状态［31］。OL表达Src家族成员Fyn，Lyn和Src，其中Fyn最为突出，Src仅有少量表达［32］。

非受体酪氨酸激酶Fyn参与轴突-胶质细胞信号转导以及OL成熟和髓鞘形成过程。有研究表明，MBP的翻译是由介导Fyn激活的特定轴突-胶质细胞相互作用调控的［33］。通过对缺乏完整蛋白或表达激酶失活的单一氨基酸突变形式的Fyn缺陷小鼠的分析发现，Fyn在CNS髓鞘形成中有着非常重要的功能［34］。这些小鼠在所有发育阶段前脑区域的髓鞘明显减少。在视神经和胼胝体中，有髓纤维数量急剧减少（主要是小直径轴突）。在细胞水平上，Fyn失活干扰了OL的成熟，特别是突起的生长［35］。Fyn的表达和激酶活性水平在OL分化过程中上调，在髓鞘形成的早期和最活跃的阶段达到顶峰［36］。这些研究表明，OL中Fyn在CNS髓鞘形成的不同细胞反应中起着关键作用。

Fyn介导的下游信号通路主要分为3条：①依赖RhoA/细胞分裂控制蛋白42同系物（cell divi⁃sion control protein 42 homolog，cdc42）/RAS 相关C3肉毒毒素底物1（RAS-related C3 botulinus toxin substrate 1，rac1）的通路，主要介导OL的存活和形态分化；②使微管细胞骨架聚集、细胞极化，促使轴突定向运输；③激活的Fyn影响MBPmRNA的转录和翻译，从而调节髓鞘蛋白的合成。

首先，Fyn在控制OL形态上很大程度是由Rho家族GTP酶的下游信号介导的。2个GTP酶激活蛋白（p190RhoGAP和p250RhoGAP）被Fyn磷酸化，促进Rho-GDP的形成，从而使Rho失活，而活性RhoA的表达会干扰突起的形成［37］。整合素α6β1与层粘连蛋白2（laminin-2，LN-2）结合，该结合蛋白镶嵌于OL中［38］。RhoGTP酶下游信号通路的Fyn激活后作用于OL表面受体整合素α6β1［39］。LN-2激活Fyn后会触发FAK的酪氨酸磷酸化，使FAK向RhoGTP酶发出信号，从而激活cdc42和rac1［40］。LN-2和β1-整合素的存在可以激活Fyn并启动髓鞘形成。在LN-A2亚单位缺陷小鼠的CNS中，OL成熟延迟，并观察到髓鞘形成减少［41］。F3/接触蛋白连接诱导激酶激活所需的Y420磷酸化，而β1-整合素介导Y531去磷酸化，当2个分子协同作用时，产生最大的激酶活性［42］。此外，在没有β1-整合素的情况下，蛋白质酪氨酸磷酸酶α的作用可使Y531位点去磷酸化［43］。综上所述，LN-2/β1-整合素和L1-F3/接触蛋白协同激活了Fyn。

其次，Fyn的SH2和SH3结构域是介导激酶下游相互作用的蛋白结合域。α-微管蛋白与Fyn的SH2和SH3结构域均有相互作用。此外，微管相关蛋白tau与SH3结构域特异性结合［44］。tau调节微管的组装和稳定，缺乏SH3相互作用基因序列的tau缺失突变体的过表达特异性地破坏了OL内源性Fyn-tau相互作用，改变了OL突起的长度和数量。将表达突变型tau的OL移植到脱髓鞘病变中，其髓鞘再生的效率低于对照细胞［45］。

另外，髓鞘形成需要功能性髓鞘结合蛋白的存在。从髓鞘中分离出MBPmRNA和核糖体，导致MBPmRNA从细胞体运输到外围，蛋白质在活跃的髓鞘形成部位合成，因此，MBPmRNA在OL内的转运已被广泛研究［46］。RNA结合蛋白之一的核内不均一核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribo⁃nucleoprotein，hnRNP）A2介导MBPmRNA从细胞核向RNA颗粒的OL突起的远端运输［9］。hnRNP E1被hnRNP A2聚集到颗粒中，颗粒运输过程中hnRNP E1抑制了MBPmRNA翻译［47］。此外，Fyn激活导致MBP转录增加［48］，而MBP缺乏会导致髓鞘形成完全受阻。因此，通过Fyn活性控制MBP的转录及翻译可能是髓鞘形成的一个调控因素。

2.4 富含亮氨酸重复序列和包含Nogo受体相互作用蛋白1的Ig结构域

LINGO-1是一种跨膜蛋白，选择性表达于CNS的OL、OPC和神经元，在髓鞘损伤性疾病和动物模型中表达升高，通过活化RhoA和抑制Akt磷酸化负性调节OL分化和髓鞘形成、神经元存活和轴突再生。抑制LINGO-1功能可有效改善脱髓鞘损伤，维持神经元成活。

Rho相关蛋白激酶（Rho-associated protein kinase，ROCK）家族包括ROCK1和ROCK2，是第一批发现的Rho效应蛋白。ROCK1主要在非神经组织表达，而ROCK2在脑和脊髓中有很高的表达，并且随增龄而表达增高。ROCK2是CNS轴突变性、神经元死亡和轴突再生的重要调节因子［49］。研究发现，在多种神经退行性疾病中，均有ROCK2表达增高，活化后的ROCK2与其底物肌球蛋白轻链（myosin light chain，MIC）相互作用，增高MIC的磷酸化程度，致使肌球蛋白收缩，最终引起轴突生长锥塌陷，神经再生抑制［50］。

Src家族酪氨酸激酶Fyn的激活和RhoA GTP酶及其效应蛋白ROCK的抑制参与了LINGO-1介导的OL分化和髓鞘形成［39］。Fyn激活p190 RhoA GAP，下调RhoA活性，导致OL分化［51-52］。此外，研究表明，磷酸化Fyn水平升高和RhoA/ROCK水平降低与OL分化相关。

LINGO-1与OL的Nogo受体相关，在OL中高表达，抑制OPC的增殖、分化及髓鞘轴突的形成，是OPC分化的负调控因子。有研究提示，激活OPC的LINGO-1可增加胞内RhoA-GTP表达，抑制髓鞘发育成熟；相反，拮抗LINGO-1可通过升高胞内Fyn磷酸化，减少RhoA-GTP，进而减少磷酸化JNK的水平，加速OPC的分化和成熟，维持其存活，促进髓鞘形成［53-54］。下调LINGO-1促进发育阶段小鼠的髓鞘形成和多发性硬化模型小鼠的髓鞘再生过程［55-56］。最近研究表明，微RNA（microRNA，miRNA）调控也参与了CNS的髓鞘形成和髓鞘再生过程。一种针对LINGO-1mRNA的miRNA—miR-219，能够调节CNS的髓鞘形成，促进髓鞘修复［57］。

研究表明，LINGO-1抑制OL分化和髓鞘形成，而LINGO-1拮抗剂在脱髓鞘动物模型中促进了髓鞘形成［58］。在分子水平上，这是由Fyn介导的，LINGO-1负性调节Fyn，LINGO-1的抑制可使Fyn磷酸化水平增高；活化的Fyn使p190RhoGAP和p250RhoGAP磷酸化而被激活，导致有活性的Rho-GTP向无活性的Rho-GDP转化，使RhoA失活，进而抑制下游的ROCK2的磷酸化及活性，从而促进OL分化和髓鞘形成。因为在OL中过表达全长LINGO-1结构导致Fyn水平和活性降低，而LINGO-1的存在导致Fyn活性增加［59］。通过将LINGO-1-Fc融合蛋白应用于OL，LINGO-1功能的减弱降低RhoGTP的水平，这很可能是Fyn磷酸化并激活RhoGAP介导从RhoGTP向RhoGDP转化的Fyn活性增加的下游效应［60］。我们最近的研究发现，淫羊藿黄酮能够通过抑制LINGO-1/Fyn/ROCK2通路和激活BDNF/NRG1/PI3K通路，促进慢性脑低灌注模型大鼠脑内OL分化和髓鞘形成，减轻脑白质病变和髓鞘脱失，改善认知功能障碍［61］。

2.5 其他

2.5.1 Notch信号通路

研究表明，Notch信号通路在髓鞘形成的启动过程中起着重要作用［62］。神经元Notch相关蛋白的表达下调与髓鞘形成是一致的。在发育阶段，通过Notch1受体的Jagged-1信号可以抑制OPC的分化；然而，通过Notch1受体的Jagged-1信号可能在髓鞘形成的成熟阶段无作用［63］。也有报道表明，通过Notch1受体的Jagged-1信号参与了实验性自身免疫性脑脊髓炎脱髓鞘小鼠的髓鞘再生［64］。

2.5.2 Eph/ephrin信号通路和 β1-整合素通路

促红细胞生成素产生肝细胞（erythropoietinproducing hepatomocellular，Eph）受体是受体酪氨酸激酶家族中数量最多的成员。Eph受体与其配体肝配蛋白（Eph receptor-interacting proteins，ephrin）被统称为Eph家族蛋白。在OPC分化过程中，Eph/ephrin家族中的受体表达上调，而EphB亚家族在OPC中的表达与细胞迁移有关［65］。在发育阶段，已发现Eph/ephrin信号双向调节整合素激活和控制细胞黏附［66］。此外，OL的β1-整合素受体和神经元层粘连蛋白α2之间的相互作用促进了突起和髓鞘的形成［67］。EphA信号从神经元ephrin A到OL诱导突起收缩，并以不依赖整合素的方式抑制CNS髓鞘形成［68］。在CNS，从神经元ephrin B到OL的EphB信号仅通过调节β1-整合素的激活和层粘连蛋白结合来抑制髓鞘形成［68］。然而，从OL的ephrin B到神经元EphA4或B1的反向信号诱导CNS髓鞘形成［68］。OPC的起始突起延伸对中枢LN-β1-整合素受体信号转导具有重要意义。已知脑损伤后，白质中会出现胶质瘢痕。OPC中硫酸软骨素蛋白多糖和CSPC形成的胶质瘢痕与β1-整合素功能下调和竞争性抑制CNS髓鞘再生有关［69］。

2.5.3 骨形态生成蛋白4信号通路

骨形态生成蛋白4（bone morphogenetic protein 4，BMP4）是OL成熟期的负调控因子，主要表现在细胞成熟后期BMP4抑制OL特异性髓系相关蛋白的表达［70］。体外培养OPC时发现，BMP4抑制OL的成熟主要表现在上调分化抑制因子2（inhibitor of differentiation 2，Id2）和Id4 表达、下调促进分化的少突胶质细胞转录因子1（oligodendrocyte tran⁃scription factor-1，Olig1）和Olig2表达、通过降低组蛋白去乙酰化酶的活性增强Wnt和Notch信号通路下游蛋白的表达［71］。在多发性硬化大鼠模型中，脱髓鞘与BMP4高表达有关；创伤性脊髓损伤大鼠的星形胶质细胞通过增加BMP4的表达从而抑制OPC的分化［72］。在大鼠子宫内生长迟缓模型中，氧化应激可增加细胞外BMP4的表达，从而抑制OPC的分化［73］。以上研究表明，在病理情况下BMP4表达升高，负调节OL的发育和成熟，进而在脱髓鞘疾病中起到不良效应。因此，抑制BMP4表达可能减轻由OL发育阻滞导致的脱髓鞘。

2.5.4 肌动蛋白细胞骨架

在OL形成髓鞘的过程中，β1-整合素的激活诱导Fyn去磷酸化和整合素连接激酶（integrin-linked kinase，ILK）的激活［39］。据报道，ILK具有调节OL肌动蛋白细胞骨架从而调节OL形态发生的潜力［74］。在OL中，ILK的激活招募了特异性富含半胱氨酸-组氨酸的新蛋白（particularly interesting new cysteine-histidine-rich protein， PINCH） 和α-PERVIN的特有结合，从而ILK-PINCH-parvin（IPP）复合物被激活。活化的IPP复合物诱导肌动蛋白聚合和微管组装［75］。肌动蛋白在突起区域的髓鞘形成过程中动态重塑［76］。此外，FAK诱导的cdc42和rac1激活可调节微管组装［77］。最近的研究发现，核骨架和细胞骨架复合体分子组成对OL肌动蛋白的调节，阐释了其新机制［78］。

3 结语

OL是髓鞘形成细胞，髓鞘再生是通过OL形成新的髓鞘以覆盖暴露的轴突而实现。BDNF/TrkB、NRG-1/ErbB、Fyn及其相应的信号通路是促进OL分化和髓鞘形成及再生的正性调节机制，LINGO-1/Fyn/ROCK2、Notch、BMP4及其相应的信号通路是抑制OL分化和髓鞘形成及再生的负性调节机制。这些分子和通路对神经系统的发育及损伤后髓鞘再生和修复均发挥重要的调节作用，并且多种信号分子同时参与了髓鞘修复及再生的过程。这些调节分子可能作为治疗脱髓鞘病变及相关疾病的潜在干预靶点。然而，脱髓鞘疾病作用机制复杂，仍有待更深入的研究和探索。