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Rho/ROCK通路在脊髓損傷后神經(jīng)軸突再生中的研究進展

2015-04-03 15:52丁李立強何興偉閔友江
上海針灸雜志 2015年12期
關(guān)鍵詞:細胞骨架肌動蛋白軸突

丁李立強,何興偉,閔友江

(1.江西中醫(yī)藥大學,南昌 330006;2.江西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院,南昌 330006)

·綜 述·

Rho/ROCK通路在脊髓損傷后神經(jīng)軸突再生中的研究進展

丁李立強1,何興偉2,閔友江2

(1.江西中醫(yī)藥大學,南昌 330006;2.江西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院,南昌 330006)

通過介紹Rho/ROCK信號通路的相關(guān)概念及其對神經(jīng)軸突再生的影響和作用機制,為研究通過抑制此信號通路來促進神經(jīng)的再生及功能的恢復,從而進一步為臨床治療神經(jīng)損傷及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供理論依據(jù)。

Rho/ROCK;脊髓損傷;神經(jīng)再生;針灸療法

Rho家族蛋白是Ras超家族中最早被克隆出來的蛋白,它們是一組相對分子質(zhì)量大約為20~30 kd的三磷酸鳥苷(guanosine t riphosphate,GTP)結(jié)合蛋白,又稱小分子量G蛋白,因具有GTP酶活性,習慣被稱為Rho GTP酶(Rho GTPases)。Rho族蛋白最主要的功能是調(diào)節(jié)肌動蛋白和細胞骨架的重組,從而調(diào)節(jié)細胞的形態(tài)變化和運動,Rho可以通過其下游效應因子Rho激酶(ROCK或 Rho-kinase)調(diào)節(jié)細胞肌動蛋白骨架的重組。有研究表明[1-2],Rho蛋白及其相關(guān)的信號分子通過對細胞骨架的調(diào)節(jié),在軸突導向的信號通路中發(fā)揮了重要的作用。在脊髓損傷之后,Rho/ROCK信號通路受到神經(jīng)生長抑制因子作用的影響,而抑制神經(jīng)軸突的再生。本文就Rho/ROCK信號通路及其對軸突導向和再生的作用做一綜述。

1 Rho/ROCK信號通路的基本概念

Rho/ROCK信號通路的關(guān)鍵分子包括Rho、Rho激酶(ROCK)和肌球蛋白輕鏈磷酸酶(MLCP)。Rho是小分子量GTPases超家族Rho亞家族成員,到目前為止已發(fā)現(xiàn) 4個亞家族共 18個成員,Rho亞家族分子量約為20~30 kd,根據(jù)其序列和功能的不同可分為Rho、Rac和Cdc42亞家族以及不具備GTPase活性的Rho亞家族,各成員間有 50%~55%的同源性。其中哺乳動物的 Rho家族蛋白至少包括 Rho(RhoA、RhoB、RhoC),Rac(Rac1、Rac2、Rac3、RacG),Cdc42(Cdc42H、G25K、TC10),Rnd、RhoD和TTF等。其中研究最多的是Rho、Rac和Cdc42[3]。這些蛋白最主要的功能是調(diào)節(jié)細胞骨架和肌動蛋白重組,其他功能包括調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、細胞周期和膜泡運輸?shù)取?/p>

Rho蛋白以活化的Rho-GTP形式和非活化的Rho-GDP形式兩種狀態(tài)存在于細胞質(zhì)中[4]。Rho受多種細胞因子的調(diào)控,鳥苷酸交換因子(GEFs)為 Rho激活劑;GTP酶激活蛋白(GAPs)和GDP解離抑制因子(GDIs)為Rho滅活劑。即Rho-GEF能夠使Rho釋放GDP并結(jié)合GTP;而Rho-GAP卻催化GTP的水解使Rho蛋白失活;且Rho GDI可與失活狀態(tài)的Rho族蛋白(Rho-GDP)結(jié)合,使其穩(wěn)定在失活狀態(tài)而不能被Rho-GEF活化。在上述分子的調(diào)節(jié)作用下使 Rho完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,以實現(xiàn)其信號轉(zhuǎn)導過程中的“分子開關(guān)”作用。

Rho激酶(ROCK)屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族成員之一,以兩種同源性極高的異構(gòu)體存在:ROCKα /ROCKⅠ和ROCKβ/ROCKⅡ,是目前研究最為清楚的Rho下游效應分子。ROCKⅠ主要分布于非神經(jīng)元的組織,ROCKⅡ則主要分布于大腦、心臟和肌肉。Rho激酶的分子結(jié)構(gòu)包括氨基端的催化結(jié)構(gòu)域、中間結(jié)合Rho的α卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域和羧基端的催化結(jié)構(gòu)域以及 Cys/ His區(qū)。Rho能與Rho激酶的α卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域結(jié)合,激活Rho激酶[5]。Rho激酶被激活后能夠使肌球蛋白磷酸酶磷酸化而失活,使得肌球蛋白磷酸化程度增高[6],從而影響肌動-球蛋白系統(tǒng)而導致軸突生長錐的塌陷,抑制軸突生長[7]。

肌球蛋白輕鏈磷酸酶(myosin l ight chain phosphatase,MLCP)為 Rho激酶(ROCK)的底物。MLCP的空間結(jié)構(gòu)是由3個亞單位組成,分別為分子量為38 kDa的1型磷酸酶催化亞單位(PPIc),20 kDa功能不明的亞單位(M20)以及130 kDa的肌球蛋白磷酸酶靶標亞單位(myosin phosphatase target subunit,MYPT)。研究發(fā)現(xiàn)MYPT家族包括MYPT1、MYPT2、MBS85、MYPT3 和TIMAP[8]。Feng J等[9]研究證實RhoA/Rho激酶信號通路主要通過磷酸化MYPT1第695位和第850位蘇氨酸來抑制MLCP的活性。因此,ROCK使MLCP發(fā)生磷酸化,磷酸化的肌球蛋白輕鏈磷酸酶失活后不能將磷酸化的MLC的磷酸基團水解,從而使MLC持續(xù)保持磷酸化的狀態(tài),導致生長錐的崩解[10]。

2 Rho/ROCK信號通路與軸突導向及生長過程的研究

軸突生長主要發(fā)生在生長錐內(nèi),實驗研究表明,神經(jīng)元軸突生長、延長與分枝是細胞骨架介導的生物學過程,細胞骨架的動態(tài)性、組裝與轉(zhuǎn)運是軸突生長的分子基礎(chǔ)[11],調(diào)控生長錐內(nèi)細胞骨架的動態(tài)性是調(diào)控軸突生長的關(guān)鍵[12-13],無論哪一種細胞內(nèi)信號途徑要實現(xiàn)對神經(jīng)元軸突生長的影響,最終都是通過作用于生長錐細胞骨架來實現(xiàn)的[14]。

生長錐是位于軸突遠端的膨大,具有高度的結(jié)構(gòu)動態(tài)性,按結(jié)構(gòu)與功能的不同分為3部分,P區(qū)(周圍區(qū))是生長錐邊緣部分,為扇形膨大的板狀偽足(主要為肌動蛋白網(wǎng)絡),其表面伸出許多細小的絲狀偽足(主要為肌動蛋白束),通過肌動蛋白的聚合和解聚以及形成的逆流不斷伸長和回縮,改變生長錐的生長行為。C區(qū)(中央?yún)^(qū))位于生長錐的基部,軸突末端相對膨大、變厚的區(qū)域,主要細胞骨架是動態(tài)性的微管,肌動蛋白絲在該區(qū)逐漸減少或消失。其大小與軸突的生長狀態(tài)有關(guān),快速生長的軸突較細,靜止期則較粗大。過渡帶位于C區(qū)和P區(qū)之間,大量的分子馬達位于此區(qū),使肌動蛋白收縮形成肌動蛋白弧,與P區(qū)肌動蛋白“逆流”協(xié)同阻止微管伸入P區(qū)[15]。

生長錐中的細胞骨架成分主要包括微管(microtubule)、微絲(actin f i lament,F(xiàn)-actin)和肌球蛋白(myosin)等。微管是由微管蛋白(tubulin)聚合而成,通常只延伸到生長錐的基部,也有少量進入生長錐。微絲是由肌動蛋白單體(G-actin)聚合成的纖維(F-actin),呈束狀分布在絲狀偽足(f i lapodia)中,而呈網(wǎng)狀有序地分布在片狀偽足(lamel l ipodia)中。肌球蛋白通常與肌動蛋白結(jié)合成束形成張力纖維絲(st ress f iber)。張力纖維一端終止于局部粘聯(lián)復合物(focal adhesion complex),另一端連接到微管束。

軸突生長的驅(qū)動始于軸突生長錐中肌動蛋白不斷的聚集和解聚,在生長錐形態(tài)發(fā)生改變之前,肌動蛋白骨架就不斷地發(fā)生著聚集和解聚的改變使板狀偽足和絲狀偽足不斷地伸縮,在復雜的環(huán)境中驅(qū)動軸突沿特定的方向向前延伸,生長錐在遇到導向性信號時會沿著特定的方向生長,當軸突生長錐探測到方向性的信號時,生長錐內(nèi)的actin成分發(fā)生不對稱聚合,絲狀偽足及片狀偽足向一側(cè)優(yōu)先延伸,而另一側(cè)趨向于回縮;進而軸突內(nèi)微管也可以主動或被動地朝同側(cè)延伸,使生長方向進一步穩(wěn)定下來;肌球蛋白在這個過程中通過其收縮引起絲狀偽足的回縮,發(fā)揮負調(diào)控的作用[16]。

生長錐對周圍環(huán)境極其敏感,其表面受體可識別細胞外基質(zhì)中或周圍細胞上的導向分子,這些導向分子中有的能夠吸引生長錐向其生長,有的卻是排斥生長錐向其生長,各種導向因子的信號最終通過Rho GTP酶調(diào)節(jié)軸突生長錐中的細胞骨架成分的重組,Rho及其相關(guān)分子在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程,軸突生長、分化、延伸及突觸的形成過程中起重要作用[17]。

在 Rho GTPase家族中,目前了解最清楚的有Cdc42、Rac和RhoA 3種。Cdc42和Rac能夠通過調(diào)節(jié)肌動蛋白促進軸突生長和穩(wěn)定,激活的 Rac調(diào)節(jié)細胞周邊肌動蛋白絲網(wǎng)絡的組裝,促進肌動蛋白絲的聚合,介導板狀偽足與膜泡的形成;激活的 Cdc42促進肌動蛋白絲的解聚,調(diào)節(jié)微管的組裝與動態(tài)性,介導絲狀偽足的形成[18];而RhoA能夠通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)張力纖維引起生長錐的塌陷(col lapse)和回縮(ret raction)[19]。己知最重要的對生長錐具有調(diào)節(jié)作用的 RhoA的下游分子是Rho-kinasa/ROCK[20]。離體實驗中使用ROCK的特異抑制劑證明 ROCK對生長錐的活動性具有負的調(diào)控作用[21]。ROCK磷酸化抑制myosin輕鏈脂酶(MLCP),以及直接磷酸化 myosinⅡ輕鏈本身[22],這些都導致肌球蛋白的收縮性增加,從而引起生長錐的回縮及塌陷[23]。

3 Rho/ROCK信號通路對神經(jīng)損傷后軸突再生的影響

相關(guān)研究表明,腦脊髓損傷及其鄰近結(jié)構(gòu)、疤痕組織及 CNS髓磷脂上存在大量的神經(jīng)生長抑制因子,可以抑制軸突再生[24],當生長錐接觸到髓鞘中的抑制因子后,其細胞骨架結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化,繼而引起生長錐塌陷、回縮,軸突生長停止。其主要包括3種來源于髓鞘的抑制蛋白:髓鞘相關(guān)糖蛋白(MAG)[25]、Nogo[26]和少突膠質(zhì)細胞髓鞘糖蛋白(OMGP)[27]。而這些抑制因子均可通過其共同膜受體NgR受體/p75NTR復合體激活細胞內(nèi) Rho信號傳導系統(tǒng),引起肌動蛋白骨架的重組和軸突生長錐的塌陷,從而阻斷軸突再生過程[28]。除此之外,研究還發(fā)現(xiàn)細胞外環(huán)境中的許多導向信息分子如溶血磷脂酸(LPA)、凝血酶受體激活蛋白(TRP)、激活后的前列腺素E受體EP3B等均可激活Rho信號轉(zhuǎn)導途徑引起生長錐塌陷[29]。由于神經(jīng)生長錐的崩解、球莖回縮、神經(jīng)突退縮,使神經(jīng)生長不可逆性停止。Conrad S等[30]和Erschbamer MK等[31]的實驗結(jié)果表明盡管在正常脊髓中有RhoA mRNA量低水平表達,但脊髓損傷后8hRhoAmRNA的表達明顯升高,3 d后達高峰,并持續(xù)高表達4周之久。

在體脊髓損傷實驗發(fā)現(xiàn),在損傷區(qū)的神經(jīng)細胞突起處存在大量活化的 RhoA,從而激活 ROCK,研究表明阻斷RhoA和ROCK均可以促進軸突生長[32]。Monnier PP等[33]發(fā)現(xiàn)一種小分子物質(zhì)Y-27632不僅可以抑制ROCK活性,還可以阻斷硫酸軟骨素蛋白多糖的作用。Y- 27632作為ROCK的主要抑制劑,對各種原因?qū)е碌纳窠?jīng)損傷均具有保護作用,可增加神經(jīng)元細胞的存活和神經(jīng)突起的延長[34]。大鼠SCI后鞘內(nèi)注射Y-27632,可以觀察到背側(cè)脊髓軸突生長,且大鼠后肢功能可以得到明顯改善[35]。Lingor P等[36]發(fā)現(xiàn)Y-27632與CNTF(另一種 ROCK抑制劑)聯(lián)合使用更有利于神經(jīng)突起的生長和再生,并有望用于臨床治療各種神經(jīng)損傷及退行性病變。在使用Rho或者Rock的抑制劑后,如P21,Y27632,fasudi l等,都觀察到這些抑制劑可以促進軸突的再生[37]。以上研究表明,細胞內(nèi)Rho/ROCK通路在介導抑制性信號阻斷軸突再生的抑制過程中發(fā)揮著重要作用。

4 針灸作用于Rho/ROCK信號通路的研究進展

目前有關(guān)針灸作用于Rho信號通路方面的研究尚不多見,譚峰等[38]研究觀察電針對腦缺血再灌注不同時間點腦梗死頸髓 Rho-A表達的影響,結(jié)果顯示電針組頸髓 Rho-A表達較腦梗死組明顯降低,提示電針具有抑制Rho/ROCK信號通路的作用,其促進神經(jīng)功能修復的作用可能與此有關(guān)。李鳳等[39]研究觀察大鼠局灶性腦梗死后大腦皮質(zhì)Rho-A和ROCK的表達以及電針刺激對其表達的影響,結(jié)果顯示電針組中Rho-A和ROCK蛋白表達較模型組減少,說明電針抑制梗死區(qū)周圍抑制因子Rho-A和ROCK的表達,提示電針刺激對局灶性腦梗死大鼠神經(jīng)功能的改善作用可能與其有關(guān)。以上有關(guān)電針與 Rho/ROCK信號通路等研究顯示電針能夠降低神經(jīng)系統(tǒng)損傷后Rho-A和ROCK蛋白表達,表明電針具有抑制Rho/ROCK信號通路的作用,其促進神經(jīng)系統(tǒng)受損后功能的恢復可能與此機制有密切的關(guān)系。

5 總結(jié)

綜上所述,Rho族蛋白通過對細胞骨架的調(diào)節(jié),在神經(jīng)軸突的導向及生長方面發(fā)揮著重要的作用,而其中Rho/ROCK信號通路則是負調(diào)控生長錐的生長。在脊髓損傷后產(chǎn)生的各種神經(jīng)生長抑制分子通過復雜的信號傳遞途徑共同作用于Rho/ROCK信號通路,引起細胞肌動蛋白骨架的重組影響軸突再生,不利于脊髓損傷后神經(jīng)功能的恢復。相關(guān)研究表明通過使用Rho激酶抑制劑等手段能夠抑制此信號通路,從而促進神經(jīng)的再生及功能的恢復。目前針灸在神經(jīng)功能的修復方面取得了比較好的療效。從現(xiàn)代醫(yī)學的角度對于針灸的作用機制也進行了大量的研究,但針灸對于 Rho/ROCK信號通路作用的研究尚屬罕見,對于針灸的作用機制的研究還有相當大的探索空間。研究針灸對于 Rho/ ROCK信號通路的影響及作用機制,對Rho/ROCK信號通路的機理和針灸干預 Rho/ROCK信號通路的作用進行更深入探討,將為臨床治療神經(jīng)損傷及其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供幫助,也為針灸治療提供更多的理論依據(jù)。

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Advances in the Study of Rho/Rock Pathway in Axonal Regeneration After Spinal Cord Injury

DINGLI Li-qiang1, HE Xing-wei2, MIN You-jiang2.
1.J iangxi University of Traditional Chinese Medicine,Nanchang 330006,China; 2.Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine Hospital,Nanchang 330006,China

This article presents concepts related to Rho/ROCK signal pathway, and its effect on axonal regeneration and the mechanism of its action to provide a theoretical basis for the inhibition of this signal pathway to promote neural regeneration and functional recovery and further for clinical treatment of nerve injuries and other nervous system diseases.

Rho/ROCK; Spinal cord injury; Neural regeneration; Acupuncture

R2-03

A

10.13460/j.issn.1005-0957.2015.12.1246

1005-0957(2015)12-1246-04

2015-05-20

國家自然科學基金項目(81360562)

丁李立強(1991 - ),男,2012級碩士生,Emai l:491844285@qq. com

閔友江(1975 - ),男,副主任醫(yī)師,博士,Email:myj2002@126. com

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