楊玉琴

(湖南大學生物學院,中國湖南長沙410082)

神經(jīng)干細胞是一類存在于神經(jīng)系統(tǒng)中的具有自我更新能力和多分化潛能的細胞,其分裂必須維持一種精確的平衡。神經(jīng)干細胞分裂不足會導致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷,而神經(jīng)干細胞的過度增殖則可能導致腫瘤的發(fā)生。因此,對神經(jīng)干細胞維持、增殖和分化的研究,有著極其重要的意義。目前,學界對神經(jīng)干細胞的深入研究有望被用來治療多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷頓病等[1～3]。因為哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)極為復雜且存在倫理限制,所以哺乳動物神經(jīng)干細胞的研究面臨極大困難。與哺乳動物相比,果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)結構較為簡單,是研究神經(jīng)干細胞的良好模型。

果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)由視葉、中腦和腹神經(jīng)索組成。視葉位于腦半球的側面,由神經(jīng)板、腦髓神經(jīng)節(jié)和視覺小葉復合體組成,處理從眼睛獲得的視覺信號。中腦位于腦半球中間部分,其中包含學習與記憶的中心——蘑菇體。腹神經(jīng)索位于腦后方,包含胸部和腹部兩個部分,能傳導信息,是大腦和周圍神經(jīng)系統(tǒng)的橋梁。視葉、中腦和腹神經(jīng)索都由不同類型和數(shù)量的神經(jīng)干細胞增殖、分化而來,本文總結和歸納最新的研究進展,對這些區(qū)域的神經(jīng)干細胞進行一一闡述。

1 神經(jīng)干細胞的起源

果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的干細胞也稱之為成神經(jīng)細胞(neuroblast,NB),由神經(jīng)外胚層的上皮細胞轉化而來。其中,腹神經(jīng)索神經(jīng)干細胞起源于腹部神經(jīng)外胚層,中腦和視葉神經(jīng)干細胞起源于頭部神經(jīng)外胚層。

腹神經(jīng)索神經(jīng)干細胞產(chǎn)生于胚胎時期,由原神經(jīng)基因的表達和側向抑制共同作用產(chǎn)生[4～5]。原神經(jīng)基因 achaete(ac)、scute(sc)和 lethal of scute(l’sc)組成 achaete-scute complex(as-c),表達在腹部神經(jīng)外胚層的由5～6個細胞組成的細胞簇中,其中一個細胞由于高水平表達原神經(jīng)基因,故會從細胞簇離層,轉化為神經(jīng)干細胞,其他細胞則通過側向抑制作用而分化為表皮細胞。在側向抑制過程中,AS-C促進Delta表達,Delta激活相鄰細胞的Notch受體,促進Notch通路靶基因E(spl)表達,E(spl)蛋白作為轉錄因子能抑制AS-C的表達,從而抑制相鄰細胞向神經(jīng)干細胞的轉化。

中腦神經(jīng)干細胞在胚胎期形成的機制尚不清楚。盡管原神經(jīng)基因ac、sc和l’sc也表達于頭部神經(jīng)外胚層,但它們極少共表達在同一區(qū)域,且在表達時間上也存在差異。研究發(fā)現(xiàn),在頭部神經(jīng)外胚層中,相鄰的神經(jīng)上皮細胞可同時轉化為神經(jīng)干細胞,這一現(xiàn)象提示側向抑制可能并不參與中腦神經(jīng)干細胞的轉化過程[6]。因為側向抑制作用依賴于Notch信號,所以Kunz等[7]利用溫度敏感型Notchts1突變體在果蠅胚胎發(fā)育早期阻斷Notch信號,結果顯示中腦蘑菇體神經(jīng)干細胞的數(shù)量、大小和位置都沒有改變,這表明側向抑制可能確實不參與蘑菇體神經(jīng)干細胞的轉化過程。

視葉神經(jīng)干細胞起源于胚胎期的神經(jīng)上皮細胞。在胚胎發(fā)育第11期,頭部外胚層背側區(qū)域的30～40個神經(jīng)上皮細胞內(nèi)陷,緊貼于中腦,形成視葉原基[8]。其中,少量神經(jīng)上皮細胞經(jīng)過一次分裂后轉化為神經(jīng)干細胞,這些神經(jīng)干細胞可通過不對稱分裂產(chǎn)生少量的視葉神經(jīng)元[9]。隨后,這些神經(jīng)干細胞和視葉神經(jīng)上皮細胞進入靜息狀態(tài),直到一齡幼蟲期才重新進入細胞周期。此時,視葉神經(jīng)上皮細胞開始進行對稱細胞分裂,以擴增神經(jīng)上皮細胞群體,最終分離為外部增殖中心(outer proliferation center,OPC)和內(nèi)部增殖中心(inner proliferation center,IPC)。在二齡幼蟲晚期,原神經(jīng)基因l’sc在OPC區(qū)域瞬時表達,形成原神經(jīng)波(proneural wave)。原神經(jīng)波從OPC中間向側面移動,使得神經(jīng)上皮細胞逐漸轉化為腦髓神經(jīng)節(jié)神經(jīng)干細胞[10～11]。OPC神經(jīng)上皮細胞向神經(jīng)干細胞轉化受到許多信號通路的調(diào)控,如JAK/STAT、Notch、EGFR、Fat/Hippo 以及 Wingless/Wnt信號通路[12]。與OPC類似,IPC在幼蟲發(fā)育早期通過對稱分裂擴增神經(jīng)上皮細胞群體,到三齡幼蟲早期開始轉化為神經(jīng)干細胞,其轉化機制與OPC神經(jīng)干細胞的轉化機制不同。IPC可分為3個區(qū)域,即近端-IPC、表面-IPC和遠端-IPC。研究發(fā)現(xiàn),近端-IPC的神經(jīng)上皮細胞首先轉化為遷移性的前體細胞,它不表達神經(jīng)干細胞的標記蛋白質,遷移后形成遠端-IPC。隨后,遠端-IPC細胞轉化為神經(jīng)干細胞,產(chǎn)生遠端細胞(distal cells)和視小葉板的神經(jīng)元[13]。表面-IPC神經(jīng)上皮細胞不遷移,直接轉化為神經(jīng)干細胞,產(chǎn)生視小葉神經(jīng)元。

2 神經(jīng)干細胞的類型與分布

根據(jù)分裂方式的不同,果蠅神經(jīng)干細胞可分為Ⅰ型、Ⅱ型和0型。

Ⅰ型神經(jīng)干細胞是果蠅中最普遍的干細胞類型,大多數(shù)神經(jīng)干細胞屬于這種類型,包括腹神經(jīng)索神經(jīng)干細胞、大部分中腦神經(jīng)干細胞、視葉的腦髓神經(jīng)節(jié)干細胞(圖1A)[14]。Ⅰ型神經(jīng)干細胞每次不對稱分裂產(chǎn)生1個神經(jīng)干細胞和1個小的神經(jīng)節(jié)母細胞(ganglion mother cell,GMC)。GMC通常分裂一次產(chǎn)生兩個神經(jīng)元或膠質細胞(圖1B)。

2008年,一種新型的神經(jīng)干細胞被發(fā)現(xiàn),稱為Ⅱ型神經(jīng)干細胞[15～17]。Ⅱ型神經(jīng)干細胞不表達Ase(Asense),其通過不對稱分裂產(chǎn)生1個神經(jīng)干細胞和1個小的中間神經(jīng)前體細胞(intermediate neural progenitor,INP)。每個INP可進行4～6次不對稱分裂,每次產(chǎn)生1個GMC,這樣一共產(chǎn)生4～6個GMC細胞和8～12個神經(jīng)細胞或膠質細胞(圖1B)。Ⅱ型神經(jīng)干細胞產(chǎn)生的家系是Ⅰ型神經(jīng)干細胞家系的3～5倍(370～580個細胞)。Ⅱ型神經(jīng)干細胞在胚胎期形成,每個大腦半球共有8個,其中6個在中腦的背中部,2個在中腦的背側部[17](圖1A)。目前,Ⅱ型神經(jīng)干細胞的來源尚不清楚,可能由神經(jīng)外胚層轉化而來,也有可能由Ⅰ型神經(jīng)干細胞轉化而來[18]。

0型神經(jīng)干細胞經(jīng)過一次分裂,產(chǎn)生1個自我更新的神經(jīng)干細胞和1個神經(jīng)元(圖1B)。0型神經(jīng)干細胞可由Ⅰ型神經(jīng)干細胞轉化而來,也能由神經(jīng)上皮細胞轉化而來,是一類廣泛存在的細胞類型。例如:胸部的腹神經(jīng)索干細胞表達時序轉錄因子Cas(Castor)、Grh(grainy head)以及 Hox蛋白Atpn(Antennapedia),它們可共同激活Dacapo蛋白的表達,從而抑制周期蛋白Cyc E和E2f的活性,使Ⅰ型神經(jīng)干細胞轉變?yōu)?型神經(jīng)干細胞[19]。腹部的腹神經(jīng)索干細胞NB7-3可分裂3次,在第3次分裂時Ⅰ型神經(jīng)干細胞轉變?yōu)?型神經(jīng)干細胞,產(chǎn)生的GMC不經(jīng)過分裂而是直接分化為神經(jīng)元,隨后神經(jīng)干細胞凋亡[20]。在視葉外部增殖中心的尾端(tOPC),神經(jīng)上皮細胞首先轉化為0型神經(jīng)干細胞,分裂一次后又轉變成Ⅰ型神經(jīng)干細胞[21]。

3 參與神經(jīng)干細胞不對稱分裂的關鍵蛋白質

盡管神經(jīng)干細胞有幾種不同類型,但是參與不對稱分裂的關鍵蛋白質是保守的[22]。神經(jīng)干細胞不對稱分裂的過程主要受頂端蛋白復合體、細胞命運決定因子和細胞周期因子的調(diào)節(jié)(表1)。

圖1 果蠅神經(jīng)干細胞的分類和分布(A)果蠅三齡幼蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)背面觀。Ⅰ型NB分布于腹神經(jīng)索、中腦和腦髓神經(jīng)節(jié)區(qū)域,其中包括位于中腦的8個蘑菇體神經(jīng)干細胞(紅色)；Ⅱ型NB位于中腦,共16個(綠色)；(B)果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)干細胞按照增殖方式可分為0型、Ⅰ型、Ⅱ型。0型NB不對稱分裂產(chǎn)生1個自我更新的干細胞和1個神經(jīng)元；Ⅰ型NB不對稱分裂產(chǎn)生1個自我更新的干細胞和1個GMC,GMC分裂一次產(chǎn)生兩個神經(jīng)元或膠質細胞；Ⅱ型NB不對稱分裂產(chǎn)生1個自我更新的干細胞和1個INP,INP不對稱分裂產(chǎn)生1個新的INP和1個GMC,GMC分裂一次產(chǎn)生兩個神經(jīng)元或膠質細胞。CB:中腦；OL:視葉；OPC:外部增殖中心；IPC:內(nèi)部增殖中心；VNC:腹神經(jīng)索；La:神經(jīng)板；Me:腦髓神經(jīng)節(jié)；Th:胸部；Ab:腹部；A:前面；P:后面；NB:神經(jīng)干細胞(也稱為成神經(jīng)細胞)；INP:中間神經(jīng)前體細胞；GMC:神經(jīng)節(jié)母細胞；MB:蘑菇體神經(jīng)干細胞。Fig.1 Types and distributions of neuroblasts in Drosophilia(A)Dorsal view of the CNS of Drosophila third instar larvae.TypeⅠNBs are distributed in the VNC,CB and Me regions,including eight mushroom body NBs(red circles)in the central brain；sixteen typeⅡ NBs(green circles)also reside in the central brain；(B)Neuroblasts(NBs)of the CNS can be divided into type 0,typeⅠ and typeⅡ according to their proliferation modes.Type 0 NBs divide asymmetrically to produce a self-renewing NB and a neuron.TypeⅠNBs divide asymmetrically to produce a self-renewing NB and a GMC,and then the GMC divides once to produce two neurons or glial cells.TypeⅡNBs divide asymmetrically to produce a self-renewing NB and an INP,and then the INP divides asymmetrically to produce another INP and a GMC,which subsequently divides once to produce two neurons or glial cells.CB:Central brain；OL:Optic lobe；OPC:Outer proliferation center；IPC:Inner proliferation center；VNC:Ventral nerve cord；La:Lamina；Me:Medulla；Th:Thorax；Ab:Abdomen；A:Anterior；P:Posterior；NB:Neuroblast；INP:Intermediate neural progenitor；GMC:Ganglion mother cell；MB:Mushroom body neuroblast.

神經(jīng)干細胞分裂時具有不對稱性,其主要表現(xiàn)為子細胞大小不對稱、紡錘體不對稱、細胞命運決定因子在子細胞中的分布不對稱,而這些都與頂端蛋白復合體息息相關。頂端蛋白復合體包括Bazooka/aPKC(atypical protein kinase C)/Par6復合體和Gαi/Pins/Mud復合體,它們之間通過Insc(In-scuteable)蛋白相連[23]。在有絲分裂間期,Bazooka/aPKC/Par6復合體在中心體附近聚集,形成神經(jīng)干細胞的頂端,建立神經(jīng)干細胞極性,使得神經(jīng)干細胞在分裂時產(chǎn)生兩個大小不對稱的子細胞[24]。Gαi/Pins/Mud復合體中的Mud蛋白可與星體微管相連,被Bazooka/aPKC/Par6復合體中aPKC磷酸化的Dlg(discs large)可與微管連接蛋白結合,故這兩個復合體都能調(diào)控紡錘體的方向,使得神經(jīng)干細胞在分裂時產(chǎn)生不對稱的紡錘體[25]。此外,aPKC還能夠直接磷酸化Numb、Miranda等細胞命運決定因子[26],造成神經(jīng)干細胞在分裂時出現(xiàn)細胞命運決定因子在子細胞中的分布不對稱[27～28]。

細胞命運決定因子Prospero和Brat(brain tu mor)都與Miranda結合,而Numb蛋白與Pon(partner of Numb)結合。Prospero是一種轉錄因子,在不對稱分裂后隨著Miranda的降解被釋放進入細胞核,抑制細胞周期蛋白cyclin A、cyclin E和Cdc25的表達,激活分化基因fasciclinⅡ和netrin B的表達[29]。Brat是一個含有NHL結構域的翻譯調(diào)節(jié)子,能在轉錄后水平抑制Myc和核糖體蛋白質的生物合成,促進分化。Numb含有PTB結構域,在神經(jīng)節(jié)母細胞中抑制Notch的活性,抑制細胞增殖,促進分化[14]。由此可知,這些細胞命運決定因子都具有促進細胞分化的作用,它們的正確定位對神經(jīng)干細胞不對稱分裂具有重要作用。

細胞周期調(diào)控因子Cdc2/Cdk1、Aurora A、Polo激酶、APC/C復合體以及cyclin E也可調(diào)節(jié)不對稱分裂[30]。Cdc2與周期蛋白結合成有活性的Cdk1蛋白激酶,促進有絲分裂的進行。果蠅神經(jīng)干細胞NB4-2第一次分裂會產(chǎn)生1個GMC4-2a細胞,該細胞不對稱分裂產(chǎn)生兩種不同類型的子細胞,而在Cdc2E51Q突變體中,GMC4-2a對稱分裂產(chǎn)生同一種神經(jīng)元,這一結果證明Cdc2對神經(jīng)干細胞不對稱分裂具有調(diào)控作用[31]。Aurora A和Polo都是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,與中心體的成熟有關。這兩種激酶一旦在神經(jīng)干細胞中缺失,Numb的定位就會被打亂,從而使神經(jīng)干細胞分裂為兩個能自我更新的子細胞[32～33]。后期促進復合物/細胞周期體(anaphase-promoting complex/cyclosome,APC/C)是一種泛素連接酶,至少包含11個亞基,參與調(diào)節(jié)多種細胞周期因子的泛素化。在APC/C的突變體中,Miranda堆積在中心體周圍區(qū)域,導致Prospero、Brat定位錯誤,影響細胞不對稱分裂[34]。Cyclin E是細胞從G1期進入S期必需的周期蛋白,在cyclin E突變體中,Prospero定位被打亂,細胞由不對稱分裂轉變成對稱分裂[35]。

此外,還有其他因子調(diào)節(jié)果蠅神經(jīng)干細胞的不對稱分裂。例如:kinesin heavy chain(Khc-73)定位于星體微管正極,其通過Dlg與頂端極性復合物相連,參與細胞不對稱分裂[36]；在myosinⅡ(Zipper)和Ⅵ (Jaguar)突變體中,Miranda定位紊亂,細胞命運決定因子定位出現(xiàn)異常[30]。

4 神經(jīng)元多樣性產(chǎn)生的機制

為了滿足中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的復雜性,神經(jīng)干細胞必須分化產(chǎn)生多種不同類型的子代細胞。研究發(fā)現(xiàn)有3種機制可產(chǎn)生神經(jīng)元的多樣性,即空間位置、時序轉錄因子(temporal transcription factors,TTFs)表達和神經(jīng)節(jié)母細胞不對稱分裂。

不同的空間位置有不同類型的神經(jīng)干細胞。在早期胚胎發(fā)育中,體節(jié)極性基因(segment-polarity genes)的表達建立前后體軸,柱狀基因(columnar genes)的表達建立背腹體軸,前后體軸和背腹體軸垂直相交建立一個迪卡爾式的分子坐標圖。每個體節(jié)的神經(jīng)外胚層細胞在這個坐標圖中都有自己獨特的坐標,表達不同的基因組合,形成特異的神經(jīng)干細胞,從而產(chǎn)生不同類型的神經(jīng)元。

時序轉錄因子表達增加了神經(jīng)元產(chǎn)生的多樣性。在胚胎期,Ⅰ型神經(jīng)干細胞有序表達Hb(Hunchback)→Kr(Krüppel)→Pdm(Pdm1/Pdm2)→Cas 4種轉錄因子[22]。這些時序轉錄因子會保留到子代細胞中,產(chǎn)生不同類型的神經(jīng)元。體內(nèi)實驗表明,Hb→Kr→Pdm→Cas轉錄因子有序表達是通過細胞內(nèi)部正反饋和負反饋兩種機制共同作用完成的,Hb會誘導Kr的表達,而Kr在誘導Pdm表達的同時會抑制Hb的表達,同樣,Pdm誘導Cas表達的同時抑制Kr的表達[37]。除了這4種時序轉錄因子外,Svp(seven up)也參與了神經(jīng)元多樣性的產(chǎn)生。Svp在Hb+神經(jīng)干細胞中表達,參與關閉Hb的表達并促進Kr的表達[38]。在胚胎期,Ⅱ型神經(jīng)干細胞不表達Hb和Kr,Pdm在早期形成的Ⅱ型神經(jīng)干細胞中短暫表達,Cas和Grh在所有的Ⅱ型神經(jīng)干細胞中表達。此外,胚胎期Ⅱ型神經(jīng)干細胞產(chǎn)生的子細胞INP表達的時序轉錄因子與Ⅱ型神經(jīng)干細胞完全不同,其表達順序為D(Dichaete)→Grh→Ey(Eyeless)[18,39]。在幼蟲期,不同區(qū)域的神經(jīng)干細胞也會表達不同的時序轉錄因子。OPC的神經(jīng)干細胞有序表達Hth(Homothorax)→Klu(Klumpfuss)→Ey→Slp1 and Slp2(sloppy paired 1 and 2)→D→Tll(Tailless),而OPC尾部(tOPC)神經(jīng)干細胞遵循Dll(Distalless)→Ey→Slp→D的順序[21]。在幼蟲期的中腦和腹神經(jīng)索中,Ⅰ型神經(jīng)干細胞表達Cas和Svp,Ⅱ型神經(jīng)干細胞表達D→Cas→Svp[25],INP有序表達D→Grh→Ey。這些時序轉錄因子的存在,使神經(jīng)干細胞產(chǎn)生了不同類型的子代細胞。

神經(jīng)節(jié)母細胞不對稱分裂可產(chǎn)生兩種不同類型的子細胞[20,40]。在神經(jīng)節(jié)母細胞分裂過程中,Numb不對稱分裂到其中一個子細胞,該子細胞的Notch信號被抑制,成為Notchoff細胞,另外的子細胞中Notch處于激活狀態(tài),變成Notchon細胞。Notchon和Notchoff不僅可以決定子細胞的類型,也能決定子細胞的死亡與存活。例如:在果蠅觸角葉前背部神經(jīng)節(jié)母細胞分裂時,Notchon子細胞發(fā)生凋亡,Notchoff細胞發(fā)育為投射神經(jīng)元；在果蠅觸角葉腹部神經(jīng)節(jié)母細胞分裂時,Notchon細胞發(fā)育為投射神經(jīng)元,Notchoff子細胞發(fā)生凋亡[40]。

5 神經(jīng)干細胞的靜息與激活

在果蠅胚胎期,神經(jīng)干細胞的體積會隨著分裂次數(shù)的增加逐漸減小。當細胞大小減小到4～5 μm時,中腦和腹神經(jīng)索中的大部分神經(jīng)干細胞會進入靜息狀態(tài)。靜息的神經(jīng)干細胞在幼蟲期被激活,重新進入細胞周期。

神經(jīng)干細胞的靜息不僅受到細胞大小的調(diào)控,也受到細胞內(nèi)部因素的調(diào)控(表1)。Hox蛋白Antp和AbdA(abdominal-A)分別表達于胸部和腹部的腹神經(jīng)索,研究報道在Antp和AbdA的突變體中,神經(jīng)干細胞推遲進入靜息,從而使其產(chǎn)生子細胞的數(shù)量增加[41]。在時序轉錄因子Pdm的突變體中,神經(jīng)干細胞靜息提前,而在Cas的突變體中神經(jīng)干細胞靜息推遲。果蠅神經(jīng)干細胞的細胞核中缺失Prospero會促進神經(jīng)干細胞的自我更新,過表達Prospero會促進神經(jīng)干細胞的終末分化[42]。此外,細胞核中Prospero的低水平表達還與靜息相關,在Pdm和Cas的突變體中,細胞核中出現(xiàn)低水平Prospero的時間分別提前和延遲；在幼蟲期誘導細胞核Prospero低水平表達,大量神經(jīng)干細胞會進入靜息狀態(tài)[42]。Nab、Squeeze蛋白是被Pdm負調(diào)控的下游因子,其突變會推遲神經(jīng)干細胞的靜息狀態(tài)[41]。Trbl(Tribbles)是一類缺少激酶活性的假激酶,具有誘導和維持神經(jīng)干細胞進入靜息狀態(tài)的作用。在G2期的神經(jīng)干細胞中,Trbl能促進Cdc25(String)蛋白的降解,誘導神經(jīng)干細胞進入靜息狀態(tài)。當神經(jīng)干細胞進入靜息后,Trbl還能抑制Akt的活性,維持靜息狀態(tài)[43]。

在幼蟲期,靜息神經(jīng)干細胞的激活需要一個細胞生長的過程,該過程主要依賴于InR(insulinlike receptor)/PI3K/TOR(target of rapamycin)信號通路[44]。幼蟲攝入食物后,足量的氨基酸信號被脂肪體細胞膜上的陽離子轉運蛋白SLIF(Slinfast9)感知,激活細胞內(nèi)的TOR信號通路并產(chǎn)生脂肪體信號分子(fat body derived signal,FDS),分泌的FDS再激活膠質細胞中的PI3K/TOR通路,誘導膠質細胞釋放類胰島素多肽分子(insulin-like peptides,ILPs),ILPs與神經(jīng)干細胞上的受體InR結合,激活神經(jīng)干細胞中的InR/PI3K/TOR信號通路,促進神經(jīng)干細胞生長。Chro(Chromator)是一種紡錘體基質蛋白質,對中腦的神經(jīng)干細胞激活是必需的,在Chro的突變體中,神經(jīng)干細胞無法退出靜息[45]。遺傳互作分析表明Chro在Insulin/PI3K信號通路下游起作用,Chro可促進Grh的表達并抑制Prospero在細胞核中的表達,降低靜息的神經(jīng)干細胞中Prospero的含量,導致細胞核中Prospero蛋白缺失,從而促進神經(jīng)干細胞激活和增殖[45]。此外,SHW(Salvador/Hippo/Warts)信號通路對神經(jīng)干細胞的靜息和生長也具有調(diào)節(jié)作用,敲低Hippo或Warts的活性,中腦神經(jīng)干細胞提早生長,退出靜息狀態(tài)[46]。其具體作用機制如下:Hippo激酶可激活Warts激酶的活性,一旦Hippo或Warts激酶失活,Yorkie蛋白就不會被磷酸化,未被磷酸化的Yorkie可進入細胞核并調(diào)控轉錄因子如Scalloped的表達,促進中腦神經(jīng)干細胞生長與增殖。Crumb和Echinoid蛋白是SHW信號通路的上游調(diào)節(jié)因子,它們失活也會導致SHW信號通路受阻,從而促進中腦神經(jīng)干細胞生長與增殖[46]。

6 神經(jīng)干細胞的凋亡與終末分化

在果蠅成蟲形成前,大腦的神經(jīng)干細胞會有一個大規(guī)模消除的過程[47]。

腹部的腹神經(jīng)索神經(jīng)干細胞存在兩次凋亡。第一次凋亡發(fā)生在胚胎15/16期,每半個體節(jié)中的30個神經(jīng)干細胞有27個凋亡。神經(jīng)干細胞的Notch受體被相鄰的子細胞產(chǎn)生的Delta激活,促使AbdA在腹部神經(jīng)干細胞高水平表達[48],足量的AbdA激活細胞凋亡基因reaper和grim之間的enh1(enhancer 1),使促凋亡基因RGH(reaper/grim/hid)表達上調(diào),從而促進神經(jīng)干細胞的凋亡。第二次凋亡發(fā)生在中三齡幼蟲期,每半個體節(jié)剩余的3個神經(jīng)干細胞凋亡。此時的凋亡仍受到AbdA調(diào)控,但單獨表達AbdA并不使神經(jīng)干細胞凋亡,只有滿足D-Grh+Cas-AbdA+的組合條件,才能啟動凋亡[49](表 1)。

蘑菇體神經(jīng)干細胞在化蛹96 h后才全部消失,該類細胞的消除不僅僅依靠細胞凋亡的方式,還依靠細胞自噬,兩種機制協(xié)調(diào)運行,最終確保蘑菇體神經(jīng)干細胞被消除[50]。在化蛹90 h后,蘑菇體神經(jīng)干細胞的caspase被激活,DNA斷裂,推測蘑菇體神經(jīng)干細胞的消失依賴于caspase的凋亡形式。促凋亡基因RHG可調(diào)控caspase蛋白的表達,當RHG失活,依賴于caspase的細胞凋亡會受到抑制。在缺失RHG的果蠅突變體中,蘑菇體神經(jīng)干細胞還能在成蟲果蠅中存活并分裂,這一觀察結果支持蘑菇體干細胞可通過凋亡的方式被消除。另外,在蛹期,蘑菇體神經(jīng)干細胞中的Insulin/PI3K信號下調(diào),下游蛋白Foxo進入細胞核,引起蘑菇體神經(jīng)干細胞自噬。新近的研究表明轉錄因子E93能下調(diào)Insulin/PI3K信號,以激活細胞自噬的方式消除蘑菇體神經(jīng)干細胞[51]。

表1 果蠅神經(jīng)干細胞分裂與分化的調(diào)控因子Table 1 Division and differentiation regulators of Drosophila neuroblasts

中腦和胸部腹神經(jīng)索的大部分Ⅰ型、Ⅱ型神經(jīng)干細胞以及INP,在化蛹后20 h會停止分裂,開始終末分化。Prospero在細胞核內(nèi)聚集能誘導神經(jīng)干細胞終末分化,其過程受到時序因子的調(diào)控。在一齡幼蟲向二齡幼蟲轉變的時期,Cas在神經(jīng)干細胞中表達,激活Hh(Hedgehog)信號,Hh會隨著時間的進程逐步升高,以致在蛹期Hh抑制Grh的表達,促進Prospero入核,促使終末分化[52]。RanGAP是RanGTPase的激活蛋白,能調(diào)控Prospero的核質運輸。一旦RanGAP缺失,Prospero就會滯留在神經(jīng)干細胞核內(nèi),使神經(jīng)干細胞終末分化提前,產(chǎn)生的子細胞數(shù)目減少[53]。另外,蛻皮激素(ecdysone)和Mediator復合體也可調(diào)控神經(jīng)干細胞的終末分化。Mediator復合體與蛻皮激素受體EcR結合,在蛻皮激素的激活下,中腦神經(jīng)干細胞氧化磷酸化的水平上調(diào),耗氧速率增加,細胞生長被抑制,導致中腦神經(jīng)干細胞終末分化,退出細胞周期[54]。

視葉神經(jīng)干細胞的消除機制目前還不太清楚。相關研究報道,OPC的Tll+神經(jīng)干細胞中會聚集Prospero,這可能是OPC神經(jīng)干細胞消除的原因[55]。

7 展望

在過去十多年中,果蠅作為一種經(jīng)典的模式生物,在神經(jīng)干細胞生物學研究方面取得重要進展。從細胞水平上看,科學家們發(fā)現(xiàn)了3種不同分裂方式的神經(jīng)干細胞,這3種神經(jīng)干細胞在哺乳動物中均存在。其中,果蠅中新發(fā)現(xiàn)的Ⅱ型神經(jīng)干細胞通過分裂大大增加了神經(jīng)細胞的數(shù)量,這一分裂方式與哺乳動物大腦基底放射膠質細胞(basal radial glia,bRG)擴增神經(jīng)元的方式相似。從分子水平上看,科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些可調(diào)控神經(jīng)干細胞不對稱分裂、神經(jīng)元多樣性、神經(jīng)干細胞靜息與激活、凋亡與終末分化的信號通路與調(diào)控因子,而參與這些生命活動的許多因子都是高度保守的,這提示哺乳動物神經(jīng)干細胞可能存在同樣的調(diào)控機制。盡管神經(jīng)干細胞生物學研究進展迅速,但還有一些問題尚未解決,比如:果蠅Ⅱ型神經(jīng)干細胞是怎樣產(chǎn)生的？神經(jīng)干細胞是如何進入靜息的,它們又怎樣被激活？時序轉錄因子怎樣調(diào)控神經(jīng)干細胞的凋亡？這些方面的深入了解對神經(jīng)再生和修復具有重大意義。