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探析神經(jīng)系統相關(guān)蛋白的研究進(jìn)展
摘要：特異性蛋白在神經(jīng)系統的再發(fā)育或再生中能夠決定和誘導神經(jīng)突起沿正確方向生長(cháng)。有兩類(lèi)蛋白較為重要，一類(lèi)能夠在神經(jīng)損傷后誘導促進(jìn)神經(jīng)突起生長(cháng);另外一類(lèi)能夠指引神經(jīng)突起的延伸方向。很多特異性蛋白已經(jīng)進(jìn)入到研究者視野，其中包括GAP?43、p38、L1黏附分子、外周髓鞘蛋白?22等。本文將著(zhù)重探討GAP?43與p38的變化與意義。
關(guān)鍵詞： 神經(jīng)系統相關(guān)蛋白;GAP?43;p38
1 生長(cháng)相關(guān)蛋白GAP?43
20世紀80年代初，Skene等人發(fā)現了一種富含于生長(cháng)錐中的神經(jīng)組織特異性磷酸蛋白質(zhì)，將其命名為生長(cháng)相關(guān)蛋白(growth?associated protein 43，GAP?43)。GAP?43在神經(jīng)纖維的生長(cháng)、發(fā)育、軸突再生以及突觸功能的維持等方面起著(zhù)重要作用，并參與神經(jīng)遞質(zhì)釋放的調節，被認為是神經(jīng)元發(fā)育和再生的一個(gè)內在決定因子〔1〕。
1.1 GAP?43的結構及生化特性 GAP?43又名B50、F1、pp46、神經(jīng)調節素，含有226～243個(gè)氨基酸，只1個(gè)芳香族氨基酸殘基，但丙氨酸(Ala)、谷氨酸(Glu)、亮氨酸(Lys)和脯氨酸(Pro)的含量極豐富。其等電點(diǎn)4.3～4.5。不同種屬間GAP?43的分子量有微小差別，大鼠GAP?43的分子量為23.6 kD，人類(lèi)GAP?43的分子量為24.8 kD〔2〕，編碼GAP?43蛋白的基因位于人的第3染色體，在大鼠中位于第16染色體，人和大鼠的GAP?43基因均為單拷貝，包括2個(gè)啟動(dòng)子和3個(gè)外顯子，第1個(gè)外顯子編碼第1～10位氨基酸，包括蛋白的膜結合域和G0、Gia1活性域。第2個(gè)外顯子編碼的氨基酸包括蛋白激酶C(PKC)的特異性磷酸化位點(diǎn)Ser41和其他的磷酸化位點(diǎn)以及與鈣調素(CaM)結合的“IQ區域”;GAP?43通過(guò)N末端的Cys3Cys4的棕櫚�；c膜連接。第3個(gè)外顯子編碼蛋白的羧基末端，其中包括一個(gè)F?motif,猜測其可能與細胞骨架成分相互作用〔3，4〕。根據克隆到的大鼠、小鼠、牛以及人等的cDNA序列，不同物種GAP?43一級結構具有高度的同源性，活性位點(diǎn)基本一致，氨基末端的短水解區是與膜的結合位點(diǎn)，第41位絲氨酸是PKC催化的磷酸化作用活性位點(diǎn)，第43～51位氨基酸構成與CaM的結合位點(diǎn)。
GAP?43是神經(jīng)特異性的CaM連接蛋白，是PKC特異性的底物之一，其磷酸化主要由βⅡ?PKC調控,磷酸化發(fā)生在其第41位絲氨酸殘基上〔5〕。其二級結構以無(wú)規則卷曲為主，整個(gè)分子呈棒狀，具有很強的柔性。GAP?43具有高親水性并可能通過(guò)與膜脂肪酸共價(jià)連接而與神經(jīng)元膜結合，在突觸前膜和生長(cháng)錐的動(dòng)態(tài)結構中含量極高，胞漿中含量極低，所以GAP?43可能從生長(cháng)錐或突觸膜表面伸展開(kāi)來(lái)，一方面與胞質(zhì)及細胞結構蛋白相互作用，另一方面可逆的附著(zhù)在膜表面〔2〕。
1.2 GAP?43的分布及表達 GAP?43在脊椎動(dòng)物非神經(jīng)組織很少表達，所以被認為是神經(jīng)系統特異性蛋白。它廣泛存在于大腦、小腦、脊髓以及自主神經(jīng)系統的神經(jīng)元內，在生長(cháng)、分化和再生的軸突末端以及突觸前膜含量極高。在發(fā)育中的神經(jīng)元沿整個(gè)軸突表達，在生長(cháng)錐表達尤其豐富，在哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統早期發(fā)育過(guò)程中有大量的軸突生長(cháng)及突觸形成，此時(shí)存在著(zhù)高水平GAP?43的合成及隨軸漿的運輸，隨著(zhù)神經(jīng)元的發(fā)育成熟和突觸聯(lián)系的建立,其合成及運輸明顯下降。正常成年大鼠腦內許多區域有GAP?43免疫組化反應陽(yáng)性物，在成熟神經(jīng)系統分布于某些特定區域的神經(jīng)終末中，在神經(jīng)膠質(zhì)細胞中也有表達〔6，7〕。在中樞神經(jīng)系統，陽(yáng)性物彌散分布于皮質(zhì)中〔8〕，在邊緣系統和聯(lián)合區，包括與突觸可塑性相關(guān)的一些區域如海馬和嗅球，GAP?43呈持續高水平表達〔9〕。成人腦中GAP?43 mRNA在聯(lián)絡(luò )區水平較高，其他區域和皮質(zhì)下區都很低〔5〕。
1.3 GAP?43的生理作用及作用機制
1.3.1 生理作用 GAP?43及其mRNA在神經(jīng)系統的表達分布特點(diǎn)表明它對神經(jīng)發(fā)育和可塑性可能有重要作用，在發(fā)育和再生中軸突延長(cháng)和突觸形成整個(gè)時(shí)期表達都增加〔10〕。其作為神經(jīng)元特異性的突觸前膜蛋白，通過(guò)磷酸化?去磷酸化、棕櫚�；�?去棕櫚�；{節、引導軸突生長(cháng)和調節新連接形成而影響軸突生長(cháng)能力，即使在缺乏其他營(yíng)養因子時(shí)也能使神經(jīng)元發(fā)出新的終末,并調節突觸延伸和可塑性，以及神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，所以GAP?43被認為是神經(jīng)元生長(cháng)期的內在決定因子，可作為神經(jīng)再生的標志〔6〕。轉基因鼠的實(shí)驗顯示編碼GAP?43的外來(lái)基因的高水平過(guò)量表達可引起異常連接的自發(fā)形成〔11〕,表明高水平的GAP?43可能與神經(jīng)元的再生修復具有密切的關(guān)系。
1.3.2 作用機制 關(guān)于GAP?43的作用機制不十分明確，目前的研究主要集中在以下四點(diǎn)〔12〕：(1)GAP?43與膜骨架的關(guān)系及膜連接作用。GAP?43最初在高爾基器內與神經(jīng)元膜成分結合，最后多聚集于軸突突觸前終末，然后通過(guò)其N(xiāo)末端的疏水性片段緊密連接在神經(jīng)終末質(zhì)膜胞質(zhì)面，質(zhì)膜內表面的蛋白網(wǎng)狀結構可決定軸突終末的形狀、活動(dòng)性和通路引導。在生長(cháng)錐，GAP?43通過(guò)與組成網(wǎng)狀結構的膜骨架蛋白如肌動(dòng)蛋白、胞影蛋白等結合而影響突觸前終末的生長(cháng)狀態(tài)〔13〕。 (2)GAP?43與CaM的關(guān)系。GAP?43是鈣激活蛋白家庭的一員，含有一個(gè)“IQ”基序，可調節Ca2 流量及效力〔14〕。GAP?43作為一個(gè)位于生長(cháng)錐和突觸前末端中的CaM結合蛋白，在正常情況下，GAP?43與CaM結合，將CaM隔離于神經(jīng)元膜區域，這種結合受到GAP?43磷酸化過(guò)程中的產(chǎn)物磷脂酰肌醇?4,5?二磷酸(PIP2)的負調控。同時(shí)，GAP?43與CaM的親和性也是Ca2 濃度依賴(lài)的:當Ca2 低水平時(shí)，GAP?43與CaM緊密結合，當Ca2 進(jìn)入細胞后水平增高時(shí)便解離釋放CaM，同時(shí)GAP?43磷酸化，活化的GAP?43進(jìn)一步與細胞骨架成分相互作用，調節神經(jīng)末端活力，進(jìn)而改變細胞形態(tài)〔6，10〕。(3)磷酸化和去磷酸化�；蚴筮^(guò)表達假磷酸化蛋白(將GAP?43的磷酸化位點(diǎn)Ser41用另一帶電氨基酸取代來(lái)模仿磷酸化)能誘導偽足生長(cháng)、細胞黏附和肌動(dòng)蛋白重組，使海馬中產(chǎn)生大量投射纖維;反之，過(guò)表達去磷酸化GAP?43 的轉基因鼠的細胞出芽就大為減少。這表明，GAP?43在Ser41的磷酸化可促進(jìn)細胞的生長(cháng)和出芽〔12〕。(4)在信號傳遞中的作用。GAP?43在磷脂代謝和Ca2 信號傳遞中也起了重要作用。在第二信使系統中，PIP2在磷脂酶C (PLC)催化下可水解產(chǎn)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能誘發(fā)Ca2 由胞內Ca2 儲池釋放，提高胞漿中游離Ca2 的濃度。磷酸化GAP?43能抑制純化PIP?PIP2激酶的活性，從而抑制PIP2產(chǎn)生，成為PKC和Ca2 代謝的反饋抑制劑。另外PKC可由非PIP2途徑激活并使GAP?43磷酸化而抑制IP3依賴(lài)的Ca2 代謝，使胞內Ca2 處于低濃度水平，這
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