探析神经系统相关蛋白的研究进展

探析神经系统相关蛋白的研究进展

摘要：特异性蛋白在神经系统的再发育或再生中能够决定和诱导神经突起沿正确方向生长。有两类蛋白较为重要，一类能够在神经损伤后诱导促进神经突起生长;另外一类能够指引神经突起的延伸方向。很多特异性蛋白已经进入到研究者视野，其中包括GAP?43、p38、L1黏附分子、外周髓鞘蛋白?22等。本文将着重探讨GAP?43与p38的变化与意义。

关键词： 神经系统相关蛋白;GAP?43;p38

　　1 生长相关蛋白GAP?43
　　20世纪80年代初，Skene等人发现了一种富含于生长锥中的神经组织特异性磷酸蛋白质，将其命名为生长相关蛋白(growth?associated protein 43，GAP?43)。GAP?43在神经纤维的生长、发育、轴突再生以及突触功能的维持等方面起着重要作用，并参与神经递质释放的调节，被认为是神经元发育和再生的一个内在决定因子〔1〕。
　　1.1 GAP?43的结构及生化特性 GAP?43又名B50、F1、pp46、神经调节素，含有226～243个氨基酸，只1个芳香族氨基酸残基，但丙氨酸(Ala)、谷氨酸(Glu)、亮氨酸(Lys)和脯氨酸(Pro)的含量极丰富。其等电点4.3～4.5。不同种属间GAP?43的分子量有微小差别，大鼠GAP?43的分子量为23.6 kD，人类GAP?43的分子量为24.8 kD〔2〕，编码GAP?43蛋白的基因位于人的第3染色体，在大鼠中位于第16染色体，人和大鼠的GAP?43基因均为单拷贝，包括2个启动子和3个外显子，第1个外显子编码第1～10位氨基酸，包括蛋白的膜结合域和G0、Gia1活性域。第2个外显子编码的氨基酸包括蛋白激酶C(PKC)的特异性磷酸化位点Ser41和其他的磷酸化位点以及与钙调素(CaM)结合的“IQ区域”;GAP?43通过N末端的Cys3Cys4的棕榈酰化与膜连接。第3个外显子编码蛋白的羧基末端，其中包括一个F?motif,猜测其可能与细胞骨架成分相互作用〔3，4〕。根据克隆到的大鼠、小鼠、牛以及人等的cDNA序列，不同物种GAP?43一级结构具有高度的同源性，活性位点基本一致，氨基末端的短水解区是与膜的结合位点，第41位丝氨酸是PKC催化的磷酸化作用活性位点，第43～51位氨基酸构成与CaM的结合位点。
　　GAP?43是神经特异性的CaM连接蛋白，是PKC特异性的底物之一，其磷酸化主要由βⅡ?PKC调控,磷酸化发生在其第41位丝氨酸残基上〔5〕。其二级结构以无规则卷曲为主，整个分子呈棒状，具有很强的柔性。GAP?43具有高亲水性并可能通过与膜脂肪酸共价连接而与神经元膜结合，在突触前膜和生长锥的动态结构中含量极高，胞浆中含量极低，所以GAP?43可能从生长锥或突触膜表面伸展开来，一方面与胞质及细胞结构蛋白相互作用，另一方面可逆的附着在膜表面〔2〕。
　　1.2 GAP?43的分布及表达 GAP?43在脊椎动物非神经组织很少表达，所以被认为是神经系统特异性蛋白。它广泛存在于大脑、小脑、脊髓以及自主神经系统的神经元内，在生长、分化和再生的轴突末端以及突触前膜含量极高。在发育中的神经元沿整个轴突表达，在生长锥表达尤其丰富，在哺乳动物中枢神经系统早期发育过程中有大量的轴突生长及突触形成，此时存在着高水平GAP?43的合成及随轴浆的运输，随着神经元的发育成熟和突触联系的建立,其合成及运输明显下降。正常成年大鼠脑内许多区域有GAP?43免疫组化反应阳性物，在成熟神经系统分布于某些特定区域的神经终末中，在神经胶质细胞中也有表达〔6，7〕。在中枢神经系统，阳性物弥散分布于皮质中〔8〕，在边缘系统和联合区，包括与突触可塑性相关的一些区域如海马和嗅球，GAP?43呈持续高水平表达〔9〕。成人脑中GAP?43 mRNA在联络区水平较高，其他区域和皮质下区都很低〔5〕。
　　1.3 GAP?43的生理作用及作用机制
　　1.3.1 生理作用 GAP?43及其mRNA在神经系统的表达分布特点表明它对神经发育和可塑性可能有重要作用，在发育和再生中轴突延长和突触形成整个时期表达都增加〔10〕。其作为神经元特异性的突触前膜蛋白，通过磷酸化?去磷酸化、棕榈酰化?去棕榈酰化调节、引导轴突生长和调节新连接形成而影响轴突生长能力，即使在缺乏其他营养因子时也能使神经元发出新的终末,并调节突触延伸和可塑性，以及神经递质的释放，所以GAP?43被认为是神经元生长期的内在决定因子，可作为神经再生的标志〔6〕。转基因鼠的实验显示编码GAP?43的外来基因的高水平过量表达可引起异常连接的自发形成〔11〕,表明高水平的GAP?43可能与神经元的再生修复具有密切的关系。
　　1.3.2 作用机制 关于GAP?43的作用机制不十分明确，目前的研究主要集中在以下四点〔12〕：(1)GAP?43与膜骨架的关系及膜连接作用。GAP?43最初在高尔基器内与神经元膜成分结合，最后多聚集于轴突突触前终末，然后通过其N末端的疏水性片段紧密连接在神经终末质膜胞质面，质膜内表面的蛋白网状结构可决定轴突终末的形状、活动性和通路引导。在生长锥，GAP?43通过与组成网状结构的膜骨架蛋白如肌动蛋白、胞影蛋白等结合而影响突触前终末的生长状态〔13〕。 (2)GAP?43与CaM的关系。GAP?43是钙激活蛋白家庭的一员，含有一个“IQ”基序，可调节Ca2 流量及效力〔14〕。GAP?43作为一个位于生长锥和突触前末端中的CaM结合蛋白，在正常情况下，GAP?43与CaM结合，将CaM隔离于神经元膜区域，这种结合受到GAP?43磷酸化过程中的产物磷脂酰肌醇?4,5?二磷酸(PIP2)的负调控。同时，GAP?43与CaM的亲和性也是Ca2 浓度依赖的:当Ca2 低水平时，GAP?43与CaM紧密结合，当Ca2 进入细胞后水平增高时便解离释放CaM，同时GAP?43磷酸化，活化的GAP?43进一步与细胞骨架成分相互作用，调节神经末端活力，进而改变细胞形态〔6，10〕。(3)磷酸化和去磷酸化。基因鼠过表达假磷酸化蛋白(将GAP?43的磷酸化位点Ser41用另一带电氨基酸取代来模仿磷酸化)能诱导伪足生长、细胞黏附和肌动蛋白重组，使海马中产生大量投射纤维;反之，过表达去磷酸化GAP?43 的转基因鼠的细胞出芽就大为减少。这表明，GAP?43在Ser41的磷酸化可促进细胞的生长和出芽〔12〕。(4)在信号传递中的作用。GAP?43在磷脂代谢和Ca2 信号传递中也起了重要作用。在第二信使系统中，PIP2在磷脂酶C (PLC)催化下可水解产生甘油二酯(DAG)和三磷酸肌醇(IP3) ，DAG的主要作用是激活PKC，而IP3能诱发Ca2 由胞内Ca2 储池释放，提高胞浆中游离Ca2 的浓度。磷酸化GAP?43能抑制纯化PIP?PIP2激酶的活性，从而抑制PIP2产生，成为PKC和Ca2 代谢的反馈抑制剂。另外PKC可由非PIP2途径激活并使GAP?43磷酸化而抑制IP3依赖的Ca2 代谢，使胞内Ca2 处于低浓度水平，这

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