脑卒中后神经可塑性相关信号通路

脑卒中是临床上一种常见的急性脑血液循环障碍性疾病,可导致患者出现严重的认知、情感和感觉运动障碍。其发病率、复发率、致残率和死亡率均较高,给患者的家庭经济和社会医疗带来了巨大的负担。脑卒中后,脑组织出现不同程度的损伤,神经网络系统遭到破坏,从而导致神经功能的缺失。信号转导通路是神经可塑性的重要调控机制,如:Notch通路、Wnt通路、音速刺猬蛋白(SHH)通路及Ras同源基因(Rho)/Rho相关螺旋卷曲蛋白激酶(ROCK)通路等。

1脑卒中后神经可塑性的改变

神经可塑性是神经网络系统为适应内外环境变化而在结构和功能上发生改变的一种能力,是神经系统损伤后修复的生理基础。其中,神经元再生以及突触的可塑性改变是神经可塑性的2种重要体现方式。脑卒中后海马齿状回、侧脑室下区和颞叶皮质等部位中的神经祖细胞大量增殖、分化并迁移至缺血中心区域以补充受损区神经元;此外,受损区域的反应性星形胶质细胞通过重编程为神经元等修复机制促进神经再生。突触的可塑性改变包括突触表面密度的变化、N-甲基-D-天门冬氨酸受体数目的多少和突触传递效率的强弱等,主要体现在长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)2个方面。LTP和LTD在脑卒中后会发生变化,LTP可易化突触传递,放大突触前信号,从而介导突触的重塑,并使现有的树突棘增大,生出新的突触;而LTD则会使突触缩小或者消失,其中LTP的变化与突触的可塑性改变更为密切。

2脑卒中后信号通路对神经可塑性的调节

多种重要的信号转导途径可调节神经干细胞的增殖和分化,新生神经元的迁移和存活及其与成人大脑神经回路网络的整合;也包括对轴突生长和突触传递强弱的调节。我们主要讨论其中部分关键通路对神经可塑性的调控。

2.1Notch信号通路Notch信号通路主要存在于多细胞生物进化过程中,具有高度保守性,决定了个体发育过程中细胞的命运。Notch信号转导通路的配体有Jagged(JAG1和JAG2)及Delta样(DLL1,DLL3,DLL4)家族,与Notch家族受体(Notch1、Notch2、Notch3和Notch4)存在相邻细胞上。Notch受体是存在于细胞表面的一类溶蛋白裂解的异源二聚体,由1个胞外功能区和1个跨膜的胞内结构域组成。当Notch受体与配体结合后,细胞膜内的胞内结构域片段被金属蛋白酶裂解素和γ分泌酶复合物切割释放,并转移到细胞核内,与活化物转录抑制因子CSL和辅助激活因子MAML等结合形成功能性转录激活复合物,作用于Notch靶基因如多毛分裂增强子(Hes)1的转录激活,从而产生生物效应。在缺糖缺氧模式下,PC12细胞中的Notch信号通路蛋白Notch1、Hes1和Hes5表达均有所上调,说明Notch信号转导通路参与脑卒中损伤的调控。Notch1信号通路在脑卒中后神经再生过程中扮演着重要角色。2014年Magnusson等研究显示,抑制Notch信号可以触发纹状体和皮质的星形胶质细胞进入神经源性程序,转化为神经元,促进神经修复。在突触可塑性方面,Notch信号通路会影响突触可塑性改变和相关的学习认知行为。在Notch1基因敲除小鼠的海马组织中观察到,成熟神经元总体形态并没有发生变化,但树突棘会改变;电生理学显示,Notch信号转导增强LTD,并且减少LTP,记忆任务中出现明显缺陷。此外,激活Notch1能够抑制轴突生长,而抑制Notch1却能促进轴突的外向生长。脑卒中会导致海马相关空间记忆不足,损伤大脑认知功能,引发认知功能障碍。因此,海马神经发生代偿性增加可能减轻这种认知障碍。膳食叶酸是神经系统正常发育所必须的,补充叶酸可增加新生海马神经元的数量,减轻认知功能损害,这可能与调控Notch1、Hes1和Hes5表达有关。

2.2Wnt信号通路Wnt信号通路可分为:依赖β连环蛋白(β-catenin)的经典Wnt信号传导通路和非依赖β-catenin的非经典Wnt信号传导通路2大类。Wnt/β-catenin通路主要由胞外信号分子Wnt蛋白、特异性跨膜受体卷曲蛋白和共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6、β-catenin、糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)及核内转录因子T细胞因子(TCF)/淋巴样增强因子(LEF)等组成。当没有细胞外信号时,大部分β-catenin附着在细胞膜上,部分β-catenin的N端被GSK-3β磷酸化,细胞质中β-catenin水平较低。而当Wnt与膜蛋白结合后,将信号传递给散乱蛋白,活化的散乱蛋白抑制由轴蛋白、腺瘤性结肠息肉病蛋白和GSK-3β组成的复合物活性,使GSK-3β不能磷酸化β-catenin,导致β-catenin在细胞质内大量堆积,并移向细胞核内。当游离的β-catenin转移进细胞核后,即可与转录因子TCF/LEF结合,激活TCF转录活性,调节靶基因表达,进而产生相应的生物效应。Wnt/β-catenin通路作为调控哺乳动物中枢神经系统发育的关键途径之一,广泛参与神经发生过程中神经元的增殖、迁移和分化,促进脑卒中后的神经元修复。研究表明,经鼻给予脑卒中小鼠Wnt-3a,可上调脑源性神经营养因子表达,增加侧脑室下区去神经母细胞的增殖和迁移,导致梗死区新生神经元和内皮细胞数量增加,改善局灶性脑缺血模型运动功能障碍,且Wnt-3a的这种分子和细胞效应作用可被Wnt蛋白特异性抑制剂拮抗[7]。Wnt/β-catenin的激动剂氯化锂可调控GSK-3β表达,改善脑缺血再灌注损伤模型小鼠的学习与认知功能。这些结果提示,Wnt/β-catenin途径的激活可促进神经干细胞的增殖分化,并对机体的运动和学习认知功能恢复有一定积极意义。Wnt在突触生理学中也起着至关重要的作用,因为它们调节突触囊泡循环、神经递质受体的运输以及这些受体与突触后区域中支架蛋白的相互作用。此外,Wnt参与保护兴奋性突触末端免受淀粉样蛋白-β寡聚体的影响。Wnt信号在调节突触可塑性方面起着关键作用。

2.3SHH信号通路SHH信号通路由信号分子Hedgehog、2个跨膜受体Ptch和Smo以及核转录因子等组成。Ptch有2种同源基因(Ptch1、Ptch2),两者之间具有约54%的同源性,其中Ptch1是SHH的主要受体。Smo是一类属于G蛋白偶联受体超家族的7次跨膜蛋白,转移到纤毛膜中促使Gli活化。在缺乏配体SHH的情况下,Smo的活性被Ptch1抑制,因此SHH蛋白结合Ptch1调节Smo活性。当配体SHH与Ptch1蛋白结合后,Ptch1内化并被降解和失活,Smo向原纤毛处聚积后启动SHH下游信号级联反应。这种下游信号级联反应导致Gli家族蛋白移位至细胞核,并开始转录靶基因,从而调控其增殖、分化及迁移等。在大鼠永久性大脑中动脉闭塞模型中,激活SHH通路可以增加来自脑室下区和颗粒下区神经干细胞,提高神经元的存活率,进一步证实激活SHH信号通路可以改善缺血区域的脑组织修复[11]。然而,抑制SHH信号通路则使得Ptch与Gli-1表达下降,加重缺血性脑损伤。Chen等在缺糖缺氧/复糖复氧损伤模型中发现,药物可通过上调Ptch1、Smo、Gli-1蛋白和mRNA的表达,促进体外神经干细胞的增殖和神经功能的恢复。脑卒中小鼠在移植骨髓基质细胞后,可刺激SHH信号转导,加速轴突的萌发和再生,减少胶质瘢痕壁的厚度,促进小鼠感觉运动功能的恢复。免疫电镜分析表明,成年和发育中的大鼠海马神经元中SHH、Ptch1和Smo均有表达,SHH存在于突触前后的终末中,Ptch和Smo存在于发育中的小脑未成熟神经元的生长锥内和成年小脑的突触后树突内。突触中SHH、Ptch和Smo的存在,提示了SHH信号通路在突触可塑性中具有潜在作用。2012年Mitchell等研究表明,SHH信号通路在调节突触前末梢的结构和神经递质释放功能中的作用,海马神经元在给予SHH处理后可观察到突触末梢明显增大,突触囊泡的内吞作用增强,证实SHH信号通路转导活性可以诱导海马神经元中功能突触前终末的生长。综上,损伤可激活SHH信号通路,激活的SHH信号通路不仅可以通过调控侧脑室下区神经细胞的存活、增殖和分化等来改变神经元的可塑性,还可参与调控突触结构的重构,促进脑卒中后受损神经功能的修复;而抑制SHH信号通路则可能加重脑损伤,抑制大脑的功能重构。

2.4Eph/Ephrin信号通路Eph受体属于最大的受体酪氨酸激酶亚家族,分为EphA(EphAl~8)和EphB(EphB1~6),Eph受体的配体Ephrin分为EphrinA(A1~5)和EphrinB(B1~3)。EphA和EphB具有相似的结构,主要由胞外结构域、跨膜区以及胞内结构域组成。而Ephrin配基的结构有较大差异,EphrinB配体包含细胞外受体结合结构域、短跨膜结构域和具有保守酪氨酸残基的胞质区,以及盘状同源区域结合域;EphrinA配体较小,通过糖基磷脂酰肌醇锚与膜结合[14]。Eph受体的配体结合域与邻近细胞膜上的Ephrin配体的细胞外域结合后产生双向传递信号,通过Eph受体产生的信号传递称为“正向信号”,而通过Ephrin配体的产生信号传递称为“反向信号”。脑卒中后,梗死周围皮质区反应性星形胶质细胞中EphrinA5和EphrinA1表达明显增加,经过任务特异性训练可下调EphrinA5和EphrinA1的表达,促进患者的神经修复,提示Eph/Ephrin通路参与脑卒中后神经修复的调节。另外,脑卒中可诱导EphrinB3基因敲除小鼠病变部位周围的细胞增殖和神经元分化增强,梗死面积大大减少,说明Eph/Ephrin蛋白,如EphrinB3,在脑卒中条件下调节神经发生。此外,研究表明,Eph/Ephrin通过控制突触形成来影响记忆和学习。如EphrinB3基因敲除小鼠表现出突触前和突触后蛋白的变化,包括突触蛋白和突触小泡蛋白水平增加以及N-甲基-D-天门冬氨酸受体亚单位水平降低,呈现出CA3-CA1区LTP显著减少的现象,提示这与学习和记忆任务缺陷有关。Eph/Ephrin可通过盘状同源区域结合域募集细胞表面分子,引起Ca2+内流,从而影响LTP。研究表明,EphB2/EphrinB3双向信号传导可诱导N-甲基-D-天门冬氨酸受体长期增强,影响突触可塑性。大量的研究表明,Eph受体和Ephrin配体在海马和杏仁核等与学习记忆相关脑区均有表达,经海马给予Eph受体拮抗剂能够损害小鼠的记忆,而给予Eph受体激动剂则能改善脑损伤小鼠的空间记忆。

2.5Rho/ROCK信号通路Rho属于小分子三磷酸鸟苷(GTP)酶超家族的Rho家族。Rho有RhoA、RhoB和RhoC3种异构体类型,其中神经元内主要是RhoA。ROCK是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,亦是目前Rho下游靶效应分子中功能研究最为详细的1个。ROCK有ROCK1和ROCK22种异构体类型,二者具有相似的底物特异性,并且结构高度保守。RhoGTP酶、ROCK、肌球蛋白轻链磷酸酶和其他相关反应底物共同构成Rho/ROCK信号通路,Rho与GTP结合即可激活下游信号分子ROCK,并进一步介导活化ROCK的下游底物,产生相应的生物学效应。研究发现,RhoGTP酶和相关分子在神经元发育的各个方面起着至关重要的作用,包括神经突向外生长和分化,轴突再生以及树突棘形成和维持。RhoGTP酶被激活后,肌动蛋白细胞骨架动力学发生改变,导致生长锥的塌陷、神经突延伸的抑制。另外,ROCK可磷酸化下游效应分子LIM激酶1的保守苏氨酸残基,对LIM激酶1产生正调控作用。当LIM激酶1被ROCK磷酸化后,肌动蛋白被灭活,不能解聚肌动蛋白链,抑制神经突向外生长。Yan等发现,在脑卒中模型中,给予ROCK抑制剂法舒地尔可减轻大鼠的认知功能损伤,并通过减少额叶皮质细胞的凋亡和降低半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3表达来调节脑损伤。生长阻断及DNA损伤诱导因子45b可抑制ROCK蛋白表达,改善缺损的运动功能。因此,阻断Rho/ROCK信号可以逆转对树突和轴突生长的抑制作用,促进轴突发芽和神经再生,引起神经可塑性改变,诱发神经的内在修复。

3信号通路的“串话”

信号通路对神经系统的调控是一个极其繁杂过程,在此过程中,信号通路之间会存在一些“串话”作用。如Notch和Wnt途径在神经增殖分化过程中存在“交互”作用,Wnt-3a可诱导Notch下游靶基因Hes1水平短暂上调,持续抑制Hes5表达水平,并且上调前神经基因激活型转录因子1(Mash1),促使神经干细胞发生增殖;相反,抑制Wnt-3a表达,可诱导神经元分化,同时Hes5过表达可导致Mash1表达下调。2011年Dave等研究证实,SHH和Notch信号通路在新皮质中具有相互作用,Ptch1缺失激活SHH信号通路可能是由于上调Notch信号而增加放射性胶质细胞的“干性”。此外,在SHH激活的神经祖细胞中伴随重组信号序列结合蛋白-JK的失活恢复了对称增殖与神经源性分裂之间的平衡,从而表明在正常皮质发生过程中SHH和Notch信号通路之间存在串扰,且转录因子Hes1可能是SHH和Notch协同调控皮质发生的关键分子。海马区EphrinB2可激活神经干细胞中的β-catenin蛋白,上调关键前神经转录因子的表达,并指导神经元分化。脑卒中发生后,各信号通路可通过上调或抑制关键蛋白的表达,影响神经和突触的再生,进而参与神经修复过程。由于机体内各细胞信号通路之间存在相互作用,单一信号已难以反映复杂的信号通路网络系统对神经可塑性的综合调节作用,深入研究各信号通路之间的相互作用模式,构建调控神经可塑性的生物分子网络系统,在此基础上,利用药物进行干预,以促进脑卒中后神经损伤的修复。