汪晶，朱青，胡波，曹非

中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后修復的內(nèi)在機制研究

汪晶a，朱青b，胡波b，曹非b

成年哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）軸突受損后很難修復，最終導致神經(jīng)元的死亡和神經(jīng)環(huán)路功能性的缺損。前期的研究集中于探討受損環(huán)境的抑制性因素，而對細胞內(nèi)再生相關(guān)基因的調(diào)控很少涉及。本文從低等脊椎動物促進軸突再生的分子機制談起，總結(jié)了近年來內(nèi)源性神經(jīng)再生的相關(guān)研究，以期為中樞軸突損傷后再生的基礎(chǔ)和臨床研究提供新的思路和研究方向。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突再生；內(nèi)源性；RNA結(jié)合蛋白

著名的西班牙神經(jīng)學家Cajal[1]使用基本的組織學方法，揭示了中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）和周圍神經(jīng)系統(tǒng)（peripheral nervous systems，PNS）對損傷具有迥異的反應(yīng)：中樞神經(jīng)元的軸突損傷后無法再生，而外周神經(jīng)元則具有功能性再生的能力。自此以后，科學家通過不斷研究，從細胞學、分子生物學和結(jié)構(gòu)學上，對不同物種軸突再生的過程有了更深刻的認識[2]。

諸多因素影響著中樞神經(jīng)元軸突損傷后的應(yīng)答[3]，歸納起來，可分為2類：內(nèi)源性因素和外源性因素[3]。外源性因素一般指存在于細胞外環(huán)境的抑制性因素，主要包括受損后從髓鞘、膠質(zhì)細胞釋放出來的抑制性配體，如Nogo跨膜蛋白、髓鞘相關(guān)蛋白（myelin associated glycoprotein，MAG）、少突膠質(zhì)細胞髓磷脂糖蛋白（oligodendrocyte myelin glycoprotein，OMgp）和膠質(zhì)細胞本身形成的膠質(zhì)疤痕（glia scar）。抑制性配體通過與軸突膜上的受體結(jié)合，誘發(fā)特定信號通路來干擾新生軸突所需的蛋白質(zhì)合成和裝配，而膠質(zhì)疤痕則是阻礙再生軸突通過的物理性柵欄[4]。

內(nèi)源性因素一般指細胞內(nèi)通過影響基因的表達從而改變信號通路的相關(guān)基因。移除外源性障礙固然重要，然而缺乏內(nèi)源性的動力，CNS神經(jīng)元難以在損傷后維持軸突的不斷再生，從而最終實現(xiàn)功能上的重建。本文從探討內(nèi)源性因素入手，討論和比較低等動物和哺乳動物再生機制的異同，以期為后續(xù)深入的研究工作提供線索。

1 低等動物內(nèi)源性神經(jīng)再生相關(guān)基因的研究

與哺乳動物軸突損傷的不可再生性相比，無脊椎動物和低等脊椎動物中樞神經(jīng)元軸突的損傷?？赏耆迯?。無脊椎動物中，近年對線蟲的神經(jīng)再生研究較為深入，比如線蟲的GABA能運動神經(jīng)元和感覺神經(jīng)元被激光橫斷后軸突可完全恢復[5]。在線蟲里，1個促進再生的關(guān)鍵蛋白是DLK1。DLK1作為促細胞分裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路的成員，其激活可以促進CEBP-1 mRNA的穩(wěn)定性，從而增加其蛋白的合成。在線蟲里，某些感覺神經(jīng)元軸突的再生能力也隨著年齡增長而衰退：比如在發(fā)育期，lin-41抑制microRNA let-7表達，這時受損的軸突可以迅速再生。隨著年齡的增長，let-7表達量逐漸增加，而lin-41基因表達被抑制，神經(jīng)元也從活躍生長的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定成熟的狀態(tài)[6]。胰島素介導的信號通路對神經(jīng)元軸突再生能力年齡性的衰退也起著至關(guān)重要的作用[7]。

低等脊椎動物的神經(jīng)再生研究集中于魚類和兩棲類。斑馬魚的脊髓離斷后，位于腦干的神經(jīng)核團中有很多神經(jīng)元能夠軸突再生，并最終恢復功能。這些再生的軸突并不沿原有的脊髓白質(zhì)下行，而是從灰質(zhì)中穿行。對比腦干中再生和非再生神經(jīng)元基因的表達差異可以發(fā)現(xiàn)，1組再生相關(guān)基因（GAP43、L1-相關(guān)蛋白，α1tubulin等）只在具有再生能力的神經(jīng)元中被激活，從而大量表達[8]。有趣的是，某些在哺乳類已知的再生抑制相關(guān)基因比如socs3在斑馬魚受損的視神經(jīng)節(jié)細胞中表達上調(diào)并相應(yīng)的減弱視神經(jīng)的再生[9]。該研究結(jié)果提示，低等脊椎動物CNS神經(jīng)元受損后的應(yīng)答和哺乳類有很多的相通之處。爪蟾在變態(tài)發(fā)育后大部分CNS神經(jīng)元失去了再生能力，而其視神經(jīng)節(jié)細胞卻終身保持軸突的完全再生能力[10]。在視神經(jīng)夾斷后數(shù)月至半年，受損的軸突能完全再生到達頂蓋，并和目標神經(jīng)元重新建立和完善突觸，最終使視覺功能性地恢復。在爪蟾里，1個RNA結(jié)合蛋白（hnRNP K）在視神經(jīng)損傷后的軸突再生過程中協(xié)同調(diào)控1組功能相關(guān)的細胞骨架結(jié)合蛋白mRNA的轉(zhuǎn)運和翻譯，這樣的調(diào)控對于軸突發(fā)育也不可或缺[11,12]。

2 哺乳動物內(nèi)源性神經(jīng)再生相關(guān)基因的研究

成年哺乳動物CNS神經(jīng)元并沒有完全喪失再生的能力。因為如果把PNS神經(jīng)移植入CNS，通過改變抑制性環(huán)境，某些成年期神經(jīng)元受損的軸突能夠一定程度的再生[13]，只是生長速度非常緩慢。因在損傷后中樞的抑制環(huán)境下，由于活力太低，成年CNS神經(jīng)元受損軸突難以再生。

與之相反，胚胎期的CNS神經(jīng)元通常具有強大的再生能力，且這種再生能力隨著發(fā)育而逐漸減退直至消失。如果把胚胎期神經(jīng)干細胞植入受損的大鼠脊髓內(nèi)，即使周圍充斥著各種抑制生長的因子，它們?nèi)匀豢梢栽鲋撤只?，并且將軸突延伸到未損壞部位，作為神經(jīng)信號傳導的橋梁，從而促進功能性恢復[14]。

3 內(nèi)源性神經(jīng)再生研究進展及展望

上述結(jié)果提示，如果神經(jīng)元處于“活化”狀態(tài)，外部的抑制因素是完全可以克服的。隨著發(fā)育的進行，神經(jīng)元由活化狀態(tài)慢慢過渡到靜止狀態(tài)，再生能力也隨之喪失。因此，一個可行的研究思路是比較神經(jīng)元發(fā)育過程中胞內(nèi)環(huán)境的變化。

研究表明，神經(jīng)元胞體內(nèi)一磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）的濃度隨著發(fā)育而減退。cAMP通過激活蛋白激酶A（proteinkinase A，PKA）介導的信號通路，使神經(jīng)元保持旺盛生長的狀態(tài)。用神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF或GDNF）活化培養(yǎng)的小腦神經(jīng)元，即使培養(yǎng)液中加入抑制分子MAG，小腦神經(jīng)元的軸突延伸也不受影響。進一步的研究表明，神經(jīng)營養(yǎng)因子正是通過提高細胞內(nèi)cAMP濃度來激活下游信號通路。

PKA介導的信號通路，主要通過促進下游基因的轉(zhuǎn)錄來實現(xiàn)。精氨酸酶1（enzyme Arginase 1）就是一個很好的例子。該酶的表達隨著胞內(nèi)cAMP水平的提高而增加，從而下調(diào)多胺的合成。無論過表達cAMP還是精氨酸酶1，神經(jīng)元的軸突都可以在有MAG等抑制分子存在的前提下生長[15,16]。有趣的是，大鼠出生后中樞神經(jīng)元精氨酸酶1的表達急劇下降，其抵抗MAG抑制作用的能力也隨之降低。

利用相同的思路，科學家試圖通過比較不同時期相同神經(jīng)元基因表達譜的變化來推測“再生”相關(guān)基因。一個成功的例子來自于對比胎鼠和成年鼠視網(wǎng)膜節(jié)細胞（retinal ganglion cells，RGCs）中基因表達差異的研究。高通量的篩選揭示KLF基因家族成員對于調(diào)控RGCs的內(nèi)在再生能力起著極為關(guān)鍵的作用[17]。有趣的是，這樣的結(jié)果與之前KLF基因家族在斑馬魚神經(jīng)再生中的報導結(jié)果相呼應(yīng)[18]，再次證明低等脊椎動物神經(jīng)再生的研究可以給哺乳類提供很有益的線索。

第二條思路是從控制細胞生長的基因入手。眾所周知，在發(fā)育完成后，細胞的生長處于抑制狀態(tài)，很多抑制生長基因的表達使細胞處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這些基因的失調(diào)/突變往往導致癌癥的發(fā)生。較早的發(fā)現(xiàn)來自于抗凋亡基因Bcl2。如果在抑制膠質(zhì)細胞疤痕的同時，促進Bcl2的表達，成年小鼠的受損視神經(jīng)能成功恢復再生能力[19]。一個最成功的例子來自于對抑癌基因PTEN的研究。當PTEN在成年小鼠視網(wǎng)膜里被條件敲除后，小鼠的神經(jīng)節(jié)細胞軸突損傷后很大程度上能恢復再生能力[20]。進一步的機制研究揭示，移除PTEN能夠激活mTOR下游通路，大大活化了核糖體合成蛋白的能力，從而保證了軸突生長中所需的大量新蛋白的合成。如果把PTEN基因敲除和其它已知的促進再生的條件相結(jié)合，能起到非常好的協(xié)同作用。比如，在眼內(nèi)注射cAMP類似物和促炎藥Zymosan，結(jié)合PTEN基因敲除可以使部分受損的視神經(jīng)軸突延伸至腦部，并形成功能性突觸連接[21]。又如，把PTEN和細胞因子信號抑制分子3（suppressor of cytokine signaling 3，SOCS3）同時敲除，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的視神經(jīng)再生，并且視神經(jīng)節(jié)細胞保持正常形態(tài)和基因表達譜[22,23]。這些研究都為進一步的功能性康復打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。另一個例子是原癌基因B-Raf，在成年老鼠外周和中樞神經(jīng)元增加Raf基因的表達，可以大幅促進外周和中樞神經(jīng)元受損軸突的再生能力。同樣，過表達該基因和PTEN基因敲除具有協(xié)同疊加作用[24]。

表觀遺傳學（epigenetics）在神經(jīng)再生中的作用也逐漸進入人們的視野。最新的一些研究表明，組蛋白去乙?；福℉DACs）可通過對微管的去乙酰化來促進軸突的再生[25,26]。

4 結(jié)語

從進化的角度來看，中樞神經(jīng)元喪失再生能力可能有助于保持穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。要重啟生長程序，毫無疑問，需要內(nèi)外的協(xié)調(diào)。探明必需的內(nèi)源性因素，可以為研究軸突再生的動力找到源頭和方向，從而促進臨床相關(guān)藥物的開發(fā)與研究。

[1]Cajal SRy.Cajal’s degeneration and regeneration of the nervous system[M].New York:Oxford University Press,1991:760.

[2]Vajn K,Plunkett JA,Tapanes-Castillo A,et al.Axonal regeneration after spinal cord injury in zebrafish and mammals:differences,similarities, translation[J].Neurosci Bull,2013,29:402-410.

[3]Liu K,Tedeschi A,Park KK,et al.Neuronal intrinsic mechanisms of axon regeneration[J]. Annu Rev Neurosci,2011,34:131-152.

[4]Cregg JM,DePaul MA,Filous AR,et al. Functional regeneration beyond the glial scar[J]. Exp Neurol,2014,253:197-207.

[5]Hammarlund M,Jin Y.Axon regeneration in C.elegans[J].Curr Opin Neurobiol,2014,27: 199-207.

[6]Zou Y,Chiu H,Zinovyeva A,et al.Developmental decline in neuronal regeneration by the progressive change of two intrinsic timers[J]. Science,2013,340:372-376.

[7]Byrne AB,Walradt T,Gardner KE,et al.Insulin/IGF1 signaling inhibits age-dependent axon regeneration[J].Neuron,2014,81:561-573.

[8]Becker T,Becker CG.Axonal regeneration in zebrafish[J].Curr Opin Neurobiol,2014,27: 186-191.

[9]Elsaeidi F,Bemben MA,Zhao XF,et al. Jak/Statsignalingstimulateszebrafishoptic nerve regeneration and overcomes the inhibitory actions of socs3 and sfpq[J].J Neurosci,2014, 34:2632-2644.

[10]Liu Y,Yu H,Deaton SK,et al.HeterogeneousnuclearribonucleopropteinK,an RNA-binding protein,is required for optic axon regeneration in Xenopus laevis[J].J Neurosci, 2012,32:3563-3574.

[11]Liu Y,Gervasi C,Szaro BG.A crucial role for hnRNP K in axon development in Xenopus Laevis[J].Development,2008,135:3125-3135.

[12]Liu Y,Szaro BG.hnRNP K post-transcriptionally co-regulates multiple cytoskeletal genes needed for axonogenesis[J].Development,2011, 138:3079-3090.

[13]David S,Aguayo AJ.Axonal elongation into peripheral nervous system“bridges”after central nervous system injury in adult rats[J].Science, 1981,214:931-933.

[14]Lu P,Wang Y,Graham L,et al.Long-distance growth and connectivity of neural stem cells after severe spinal cord injury[J].Cell,2012,150:1264-1273.

[15]Cai D,Shen Y,De Bellard M,et al.Prior exposure to neurotrophins blocks inhibition of axonal regeneration by MAG and myelin via a cAMP-dependent mechanism[J].Neuron,1999, 22,89-101.

[16]Cai D,Deng K,Mellado W,et al.Arginase I and polyamines act downstream from cyclic AMP in overcoming inhibition of axonal growth MAG and myelin in vitro[J].Neuron,2002,35: 711-719.

[17]Moore DL,Blackmore MG,Hu Y,et al. KLF family members regulate intrinsic axon regeneration ability[J].Science,2009,326: 298-301.

[18]Veldman MB,Bemben MA,Thompson RC, et al.Gene expression analysis of zebrafish retinal ganglion cells during optic nerve regeneration identifies KLF6a and KLF7a as important regulators of axon regeneration[J].Dev Biol,2007, 312:596-612.

[19]Cho KS,Yang L,Lu B,et al.Re-establishing the regenerative potential of central nervous system axons in postnatal mice[J].J Cell Sci, 2005,118:863-872.

[20]Park KK,Liu K,Hu Y,et al.Promoting axon regeneration in the adult CNS by modulation of the PTEN/mTOR pathway[J].Science,2008, 322:963-966.

[21]de Lima S,Koriyama Y,Kurimoto T,et al. Full-length axon regeneration in the adult mouse optic nerve and partial recovery of simple visual behaviors[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012, 109:9149-9154.

[22]Smith PD,Sun F,Park KK,et al.SOCS3 deletion promotes optic nerve regeneration in vivo[J].Neuron,2009,64:617-623.

[23]Sun F,Park KK,Belin S,et al.Sustained axon regeneration induced by co-deletion of PTEN and SOCS3[J].Nature,2011,480:372-375.

[24]O’Donovan KJ,Ma K,Guo H,et al.B-RAF kinase drives developmental axon growth and promotes axon regeneration in the injured mature CNS[J].J Exp Med,2014,211:801-814.

[25]Cho Y,Sloutsky R,Naegle KM,et al.Injury-induced HDAC5 nuclear export is essential for axon regeneration[J].Cell,2013,155: 894-908.

[26]Rishal I,Fainzilber M.Axon-soma communication in neuronal injury[J].Nat Rev Neurosci,2014,15:32-42.

（本文編輯：雷琪）

《神經(jīng)損傷與功能重建》雜志征稿啟事

《神經(jīng)損傷與功能重建》雜志是由中華人民共和國教育部主管、華中科技大學同濟醫(yī)學院主辦的國家級神經(jīng)科學專業(yè)學術(shù)性期刊（雙月刊），每逢單月25日出版。本刊入選為中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）和中國學術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計源期刊，被中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)、重慶維普、臺灣華藝等數(shù)據(jù)庫收錄。本刊由中科院楊雄里、王永炎、段樹民院士等擔任名譽主編，由華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院副院長、神經(jīng)內(nèi)科專家王偉教授擔任主編，同濟醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科卜碧濤教授擔任編輯部主任。本刊緊跟國際神經(jīng)科學發(fā)展趨勢，對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎(chǔ)與臨床研究熱點予以實時追蹤、報道，內(nèi)容新穎、報道及時，突出科學性、創(chuàng)新性和實用性。

主要欄目有：專家筆談、論著（基礎(chǔ)研究與臨床研究）、《GLIA》優(yōu)秀論文推薦、短篇論著、重大科研結(jié)果（包括陰性結(jié)果）報道、科研心得介紹、綜述、譯文、繼續(xù)教育專欄、經(jīng)驗交流、講座、病例討論、病例報道、新藥介紹、藥品研究、讀者來信、學術(shù)活動預(yù)告、消息、書評或書訊?，F(xiàn)面向國內(nèi)外醫(yī)學院校、科研機構(gòu)、醫(yī)療單位及個人征集稿件。

本刊學術(shù)水平高、指導性強、容稿量大、信息時效性強、刊登周期短（優(yōu)質(zhì)稿件最快可1個月見刊），并可根據(jù)作者要求，將錄用稿件在“中國知網(wǎng)”進行優(yōu)先數(shù)字出版。編輯部對來稿處理及時，最快2～4周內(nèi)決定稿件可否刊用并告之作者。對于網(wǎng)上投稿者，我們將在投稿后1周內(nèi)發(fā)送電子回執(zhí)，如需書面通知請及時來電告知。為了快速處理稿件，我刊從2013年起全部采用網(wǎng)站投稿。一旦所投稿件按程序獲審通過，我編輯部將盡快安排發(fā)表。

投稿網(wǎng)站：http://gwkf.cbpt.cnki.net

電子信箱：sjssgncj@foxmail.com或sjssgncj@163.com

郵寄地址：武漢市解放大道1095號（同濟醫(yī)院內(nèi)）《神經(jīng)損傷與功能重建》編輯部；郵政編碼：430030；電話：027-83662639；傳真：027-83662639。

R741；R741.02

ADOI10.3870/sjsscj.2015.02.017

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院a.放射科，b.神經(jīng)內(nèi)科
武漢430022

國家自然科學基金（No.81200952）

2014-12-07

朱青

xhzhuqing@gmail.com