缝隙连接与神经系统疾病_杨晓霞

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(收稿日期:2004-03-22)
[文章编号]1002-0179(2005)01-0195-02
缝隙连接与神经系统疾病
杨晓霞3,邹晓毅△
(四川大学华西医院神经内科,四川成都　610041)
[中图分类号]R741102 [文献标识码]D
　3研究生;△通讯作者。

突触是细胞间信息交流的结构基础。

哺
乳动物神经细胞之间存在着化学性突触和电突触,而缝隙连接是电突触的物质基础。

为加强对缝隙连接的认识,本文就近年来国内外神经系统缝隙连接的研究进展综述如下:
1　中枢神经系统缝隙连接的结构、缝
隙连接蛋白类型及分布
电镜下,缝隙连接(gap junction ,G J )由相邻神经元细胞膜上互相对应的半通道组成,间隔约2nm 。

该半通道是由6个缝隙连接蛋白(connexin ,Cx )组成的中空六聚体结构,称为连接子(connex on ),小体中的管道对接联通相邻细胞胞浆。

G J 成簇状排列,跨越两层细胞膜,形成偶合细胞的通道[1],是细胞间物质和信息直接交换的唯一通道。

G J 通道允许分子量小于1kD 或直径小于115nm 的分子如:cAMP ,Ca 2+,IP 3,ATP 及一些小肽通过[2]。

Cx 是多基因家族编码的一大类膜蛋白,由众多成员组成,在哺乳动物中至今己发现15种,其中9种Cx 在成年或发育中的中枢神经系统中有不同程度的表达[3]。

免疫组化方法显示的成年小鼠脑细胞Cx 表达类型见表1。

表11小鼠脑组织中连接蛋白的表达类型及分布细胞类型连接蛋白类型神经元Cx32,Cx36,Cx26星形胶质细胞Cx43,Cx30,Cx45,Cx32少突胶质细胞Cx32,Cx45松果体细胞Cx26室管膜细胞Cx26,Cx43软脑膜细胞Cx26,Cx43
其中,神经元主要表达Cx32,室管膜细胞及软脑膜细胞Cx26、Cx43,星形胶质细胞为Cx43,松果体细胞为Cx26。

成年哺乳类动物脑组织中表达最强的是Cx43,主要在星形胶质细胞中表达[5],其次
在脑膜内皮细胞和室管膜细胞[4]。

脑组织中表达居第二位的是Cx32,主要分布在中脑、端脑皮层和基底节神经元[6]。

比较Cx 的氨基酸序列或编码的DNA 序列可以发现Cx 家族成员之间的关系。

一般将Cx 分为三大类[3]:①Ⅰ组或β类:与位于肝细胞上的Cx 32具有高度同源性,包括Cx 26,Cx 30,Cx 3013,Cx 31,Cx 3111,Cx 32;②Ⅱ组或α类:与心肌细胞膜Cx 43高度同源,包括Cx 33,Cx 37,Cx 40,Cx 43,Cx 45,Cx 46,Cx 50,Cx 57;③Ⅲ组或γ类[7,8]:以最近发现的Cx 36为代表。

Cx 各家族成员具有类似的基因结构,大约50%的氨基酸序列相同,这使得不同Cx 组成的connex on 可以相互配对、排列成不同种类的G J 。

2　神经系统缝隙连接的生物物理学特
性和功能
不同的缝隙连接蛋白形成的G J 通道有其各自的生物物理学特性,因此研究缝隙连接通道的通透性、通道开放和关闭的影响因素、缝隙连接蛋白表达的调节因素对了解缝隙连接的功能具有重要意义。

星形胶质细胞缝隙连接丰富,其连接蛋白为Cx43,实验证明:80%的星形胶质细胞之间存在功能上的偶联,这对维持星形胶质细胞正常功能具有重要意义。

胶质细胞培养法证明脑内不同部位胶质细胞的偶联强度亦不相同,偶联强度从大到小依次为小脑、海马、下丘脑、皮层。

不同部位胶质细胞对缝隙连接通道抑制剂辛醇(octanol )的敏感性大小亦不同,依次为皮层、下丘脑、小脑、海马[9],上述结果提示脑内不同部位的星形胶质细胞根据功能的需要而发生了适应性变化。

反映缝隙连接介导的细胞间信息传递
(gap junction intercellular communication ,G J IC )
能力的高低是用G J 通道的渗透能力来间接衡
量的。

荧光漂白恢复技术发现中枢神经系统
的荧光恢复能力存在区域性差异,依次为:脊髓<皮层<下丘脑<海马、视神经、小脑,这可能与中枢不同部位所要求的星形细胞的不同功能相一致[9]。

3　神经系统缝隙连接的生理功能:
311　神经元缝隙连接的主要功能:
(1)使神经元活动快速同步化:最近,视网膜各层细胞已成为G J 功能研究的热点。

M eistter 等[10]发现相邻神经节细胞动作电位传递的间隔时间几乎为零,认为这种传递媒介是直接通过G J 进行的。

G J 的这
种直接传递功能被认为是促使神经元活动达到同步的重要原因。

神经元之间通过缝隙连接所进行的电紧张突触联络是重要的同步化机制,实验证明神经元电活动的超同步化又是痫样放电的重要病理机制。

(2)神经元间第二信使交换的通道:G J 在传递Ca 2+,cAMP ,IP 3等第二信使及一些必需代谢产物中起重要作用。

第二信使分子通过G J 在偶联的细胞间扩散,参与调节神经细胞功能活动[5]。

(3)神经元的发育:研究证明电偶联在神经环路发育中普遍存在,并出现在化学突触形成之前,提示脑内皮层发生发育、神经环路形成的过程中缝隙连接偶联起到了相当重要的作用。

在皮层发生过程中,准备迁移至皮层的细胞通过缝隙连接偶联起来,达到神经元电及生物学活动的一致,形成一个个脑功能区;出生后神经元的缝隙连接也参与介导生长与分化和脑内神经环路的形成与修饰[11]。

神经系统成熟后,神经元间的缝隙连接明显减少,但一些神经元间仍保持缝隙连接电信号传导。

脊髓神经损伤后,运动神经元通过重新偶联实现神经再生与功能重
5
91华西医学2005;20(1)　C N 51-1356/R
塑[12]。

312　神经胶质细胞缝隙连接的主要功能
(1)缓冲K+空间:双电极记录和脑切片免疫组化研究结果表明培养的胶质细胞间存在广泛的G J[13],这些细胞间低阻通道把众多的胶质细胞连接成合胞体结构,对缓冲神经元外部K+浓度起着重要作用[14]。

它吸收K+后,通过G J快速扩散,从而使兴奋的神经元周围K+浓度不会明显升高。

(2)信号传导:研究表明自发或诱发Ca2+波在G J偶联的星形胶质细胞网(net2 w ork)中的扩散,是细胞外信号传导的方式,也是胶质细胞活动整合的基础,还可能与胶
质细胞产生活性物质作用于神经回路、神经
元调节有关。

星形胶质细胞内的腺苷酸环化酶对神经调节具有重要意义。

Ca2+或IP3亦可诱导Ca2+重新释放,Ca2+信号可能影响神经胶质细胞对K+缓冲能力的改变,或导致胶质细胞释放K+引起神经元兴奋性改变。

313　在神经元间的功能
近年发现星形细胞能通过G J向神经元传
递信息。

电刺激局部星形细胞,发现靶细胞内Ca2+迅速升高,随后周围的神经元和星形细胞内Ca2+也相继升高,若用G J阻滞剂(octanol),则周围细胞的Ca2+升高受到抑制[15]。

4　缝隙连接与神经系统疾病
411　癫痫:G J参与癫痫的形成。

癫痫在临床上表现为反复发作的短暂性大脑功能失调。

神经元同步化电活动是痫样放电的机制之一,而缝隙连接是同步化电活动的结构基础[16],通过电突触偶联的神经元数目增加有利于神经元同步放电,使得癫痫发生的可能性增加[17]。

张月华等[18]采用原位杂交DNA 反义技术,研究惊厥对神经元连接蛋白表达的影响以及电突触在神经元同步放电中的作用,结果显示惊厥后大脑皮层及海马区Cx32 mRNA表达呈时间依赖性上调,惊厥后4h表达明显增加,24h达到高峰。

惊厥能上调神经元Cx32mRNA的表达,使神经元间电突触联系增加,有利于神经元同步放电,加重惊厥的发生发展[18]。

反义Cx32寡聚核苷酸(olig onudeotide,ODN)经侧脑室注射于P77PMC大鼠,则能明显抑制P77PMC大鼠听源性惊厥,这是因为反义Cx32ODN能抑制大鼠脑组织Cx32mRNA表达及Cx32蛋白的合成,使神经元间电突触联系减弱,不利于神经元同步放电。

细胞内记录显示神经元间有直接的胞间电流,染料偶联的CA1神经元间去极化电流可引起爆发样电活动。

R oss应用不含M g2+或用4-am inopyridine灌流液诱发大鼠海马脑片CA1区产生高频的群棘波自发性发放,加用缝隙连接阻断剂生胃酮灌注75m in可减低这种自发性发放的频率;将海马脑部在生胃酮中孵育后转入不含M g2+或4 -am inopyridine中则可延迟暴发活动出现的时间,并在前60m in内减少暴发活动的次数[19]。

己有抗惊厥药物对G J影响的报道。

苯巴比妥和二苯基乙内酚能降低肝脏细胞间的偶联水平[20],缓慢给予苯巴比妥能明显降低肝脏缝隙连接蛋白的mRNA表达水平[21]。

肝脏细胞间的缝隙连接蛋白主要为Cx32,与神经元之间的缝隙连接蛋白的类型相同,至于上述抗惊厥药物是否也能影响神经元间的G J从而起到抗掠厥作用,还有待进一步的研究。

采用立体定位手术切除难治性癫痫患者癫痫发生部位的脑组织进行N orthern印迹分析,发现构成星形胶质细胞之间的缝隙连接蛋自Cx43mRNA明显升高,而构成神经元之间的缝隙连接蛋白Cx32mRNA变化不明显[22]。

这可能因癫痫发生部位的脑组织神经元过度同步化放电,细胞外释放的K+增加,星形胶质细胞为了清除过多的K+,从而使Cx43mRNA表达代偿性增加,星形胶质细胞之间的缝隙连接数目增加,使清除K+的面积增加,有利于维持神经元的正常微环境。

这些都支持缝隙连接在神经元痫性同步化发
放的发生发展过程中发挥了作用,并为癫痫
治疗提供了新的思路,而缝隙连接阻断剂则
有可能成为癫痫治疗的新型药物。

412　腓骨肌萎缩症(Ch arcot M arie Tooth
disease,CMT):编码Cx32蛋白的基因定位
在Xq1311上,并已证实它是X连锁显性遗传
的腓骨肌萎缩症(C MTX1)的致病基因[23]。

在C MTX1患者中已检测出Cx32基因的160种
突变形式,突变分散在整个Cx32编码序列
上。

中枢神经系统的少突胶质细胞与周围神
经的雪旺氏细胞都有Cx32蛋白表达,并随髓
鞘发生、华勒氏变性、轴突再生而改变。

Cx32基因突变有可能导致缝隙连接通道的通
透性改变,引起神经髓鞘形成或功能障碍,
故某些C MTX1病人除周围神经病变外,还有
痉挛性麻痹、反射增强、头颅MRI异常等中
枢神经系统症状[24]。

413　Alzheimer病:Alzheimer病人的皮层含
有许多beta/A4淀粉样斑块,这些斑块呈
Cx43免疫阳性标记增强,提示星形胶质细胞
突起伸入老年斑中并进行缝隙连接联络,从
而进一步加剧淀粉样斑块的病理性微环境。

414　脑肿瘤:神经胶质瘤细胞表达Cx43mR2
NA水平明显低于正常星形胶质细胞。

转染癌
基因(如ras)或使用致癌剂(如佛波酯)都
能显著抑制Cx表达或G J的装配。

Zhu[25]等
用Cx43基因转染C6胶质瘤细胞,其表达
Cx43mRNA明显增加,细胞间偶联程度增
强[26],而且细胞的增殖速度较未转染的C6
神经胶质瘤细胞明显下降。

在Cx蛋白高表达
的转染C6瘤细胞中,胰岛素样生长因子
(IG F)及其阳性调节物胰岛素样生长因子连
接蛋白3(IG F BP-3)表达下降,而阴性调
节物IG F BP-4升高。

这提示由缝隙连接介导
的细胞通讯在脑肿瘤的生长控制中起重要作
用。

G J IC异常可引起细胞逃逸生长控制,进
而发展为恶性肿瘤。

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