钙粘蛋白在中枢神经系统中的作用

《生命的化学》2000年20卷5期

钙粘蛋白在中枢神经系统中的作用

俞建昆，褚嘉祐
(中国医学科学院学生生物学研究所，昆明 650118)

关键词：钙粘蛋白；中枢神经系统；经典钙粘蛋白；原钙粘蛋白
中图分类号：Q593⁺.2      文献识标码：A

       钙粘蛋白是一类跨膜糖蛋白，在起粘着作用时，其胞外区结合有钙离子，故称为钙粘蛋白。近年的研究表明，它不仅在生物的发育、组织形态的发生中起着重要作用，还在中枢神经系统中也有着重要作用，其中研究比较多的主要是经典钙粘蛋白和原钙粘蛋白。
1. 经典钙粘蛋白
       已发现的经典钙粘蛋白有E-钙粘蛋白、N-钙粘蛋白、R-钙粘蛋白、P-钙粘蛋白等，它们由一段5个串联重复单位(EC1-5，每个重复单位约100个氨基酸)组成的胞外区、一个跨膜区和一个很保守的胞质区(约200个氨基酸)构成[1、2]。结合有钙离子的胞外区是细胞间嗜同种相互作用的部位，即具有相同类型的钙粘蛋白的细胞才能相互粘着[3]；胞质区与β-连环蛋白相连结，在胚胎发育时，后者对上皮细胞在间质中的迁移有重要作用，后者对上皮细胞在间质中的迁移有重要作用，表现为β-连环蛋白通过α-连环蛋白与细胞骨架相连接，进而决定细胞的形状和移动。
       1986年在神经组织中发现了钙粘蛋白以后，人们在研究中枢神经系统时了解到在神经组织形成过程中，钙粘蛋白在不同时间、不同结构层次上都有作用。在神经上皮组织中，至少有20种钙粘蛋白在神经管的局部化、轴突的成束、神经元分布和树突、轴突的生长分布到突触的形成过程中起着重要作用。
       在神经胚阶段，钙粘蛋白在神经外胚层从外胚层中分化出来并形成神经管的过程中起重要作用。在分化之前，神经上皮细胞的钙粘蛋白从E型转变为N型，于是认为N-钙粘蛋白是分化因子。然而，N-钙粘蛋白基因被敲除的小鼠仍能形成正常的神经管，这说明有其它分子取代了N-钙粘蛋白，很可能是钙粘蛋白-6，因为它也存在于神经管中^[4]。也有研究表明，钙粘蛋白含量的变化也能有效地引起分化。从理论上说，只要减少E-钙粘蛋白的含量，神经上皮细胞就能从外胚层中分化出来并形成神经管^[5]。
      在中枢神经系统发生时，钙粘蛋白在神经管的局部化中也起着重要作用。脑不同区域的形成有不同的层次。从解剖学来看，首先是突起和缢缩的出现，然后才产生了脑的不同区域；在组织水平上，细胞群的迁移重排也形成了不同区域；在细胞水平上，神经上皮细胞分化成各种类型的神经元和神经胶质细胞。因此很容易想象：在区域化中细胞间的粘着支配着缢缩和突起的形成。许多研究报道，发育着的脑和神经管节的不同区域中含有不同的钙粘蛋白，如E-钙粘蛋白、R-钙粘蛋白、钙粘蛋白^[6、7]，很可能就是这些不同的钙粘蛋白在脑发育中建立了结构和功能的边界。
      钙粘蛋白的正确合成和行使功能是促进神经元生长、调节轴突和树突生长、分枝所需要的。实验表明：包被有重组钙粘蛋白的基质能够促进神经元生长和迁移^[8]。由此可以推测，钙粘蛋白介导的粘着可能指导轴突的生长锥，也很有可能是钙粘蛋白本身不指导神经元最初的伸展方向，而是促进它沿着先驱纤维生长。在发育着的蛙视网膜中，如果神经元产生一个有缺陷的N-钙粘蛋白(如缺失胞外区)则会干扰树突尤其是轴突的形成，即使这些轴突和树突已经形成，它们的长度也会减短，而且轴突会缺乏生长锥。有趣的是，N-钙粘蛋白的胞质区除了与连环蛋白相结合的部位外都参与了轴突的生长，至少在视网膜中，钙粘蛋白促进神经节细胞轴突的起始和生长，但不能决定其生长方向^[9]。同样，在果蝇胚胎中，轴突的正确生长和成束也需要钙粘蛋白^[10]。
      在中枢神经系统的建立中，钙粘蛋白在神经元的合理分布方面也扮演了重要角色。钙粘蛋白介导的细胞粘着负责神经元的连接，并且调节神经回路的建立。由含有不同钙粘蛋白细胞形成的一个嵌合体在出生后其丘脑核心的一些区域和皮层区域将含有同一套钙粘蛋白，而这些区域都是功能相关并连在一起的，这说明了这些含有相同钙粘蛋白的区域确实是连通的^[11]。在鸟类视顶盖视网膜中注射单克隆抗体也会影响视神经轴突在视网膜三个特殊盖层中的分布^[12]，表明在顶盖层接受视网膜输入中，N-钙粘蛋白起到了促进、稳定轴突与其目标相连接的作用。最近有两个研究表明，在超微结构水平上，钙粘蛋白连环蛋白复合物被发现聚集于突触连接处，许多钙粘蛋白也存在在于突触连接处，而这个连接处在突触早期发生中是有作用的^[13、14]。
2. 原钙粘蛋白
      第一个原钙粘蛋白是1993年Sano等发现的。原钙粘蛋白在胞外区有6-7个串联重复单位，也有一个一次跨膜区，但胞质区仍与经典钙粘蛋白和其它原钙粘蛋白有一些相似性^[15]，却是有差异的。经典钙粘蛋白的胞外区编码序列被很多内含子打断，而原钙粘蛋白相应部分的编码序列则不含内含子^[16]。原钙粘蛋白以特殊的形式在脑内高水平地产生，但它们的功能还不知道^[17]。至少已在一种原钙粘蛋白中观察到嗜同性的结合倾向^[18]，所以在结合倾向上原钙粘蛋白与经典钙粘蛋白可能是相似的。
        最近，Kohmura等在小鼠中发现了一个原钙粘蛋白新家族，称为钙粘蛋白相关的神经受体(cadherin-related neuronal receptor, CNR)，它们与其它原钙粘蛋白一样在胞外区有6个重复序列，而胞质区独特地与酪氨酸激酶Fyn相互作用，并且与经典钙粘蛋白没有相同之处。所用9只小鼠的DNR cDNA的特点是：编码N-末端胞外和跨膜区的DNA序列相似但有区别，而编码C-末端的序列都是一致的，其中某一相同的序列最近也在另外几种原钙粘蛋白中发现。原钙粘蛋白在脑中合成，并在突触连接处也可找到。通过原位杂交发现，CNR mRNA产生于脑的不同部位，包括新皮层、海马回、小脑和嗅泡。用能够检测单个CNR mRNA的探针所做的杂交实验显示，不同神经元表达不同的CNR基因。这些都说明，CNR可能在脑中神经元的特异性连接和突触的信号转导中有重要功能^[19]。
        1999年Wu和Maniatis在小鼠中发现了一个编码包括CNR在内的原钙粘蛋白大家族的遗传位点。这个位点上的基因的排列方式令人想到免疫球蛋白基因和T细胞受体基因的排列方式。根据所编码的蛋白质的胞质区不同，它们被分成三个基因族簇，分别为Pcdh-α、β、γ。该位点的基因结构也反映原钙粘蛋白的整个胞外区是由一个单独的外显子编码的^[20]。当然，也有可能是在原钙粘蛋白的进化过程中，胞外区的内含子被丢失，而外显子经过充分复制产生了一个巨大的外显子。这些外显子在染色体上串联排列，转录时由这些可变的5端外显子通过一定的机制连接上一个相对保守的编码胞质区的3个端外显子，这样52个钙粘蛋白均可在这个位点上表达。在其它动物中，原钙粘蛋白基因组织排列方式很可能与小鼠的一样。他们同时还发现，EC1结构域在一些原钙粘蛋白中几乎是一样的。这支持了这些蛋白质之间的作用可能是嗜同性的。所以，选用不同5端外显子能够解释神经元多样性。并且也有实验表明，由于XCRR4和LigIV基因失去功能(它们是修复双连DNA缺损所必需的)导致小鼠不能存活，其原因是大量新生的分裂后期的神经元凋亡^[21]。因此可以推测，如果原钙粘蛋白基因没有正确的重排，带有这些原钙粘蛋白的神经元将被除去，因为它们不能很好地形成突触而损害了神经回路的功能。
      从上面可以看出，我们对原钙粘蛋白在神经系统中的作用的了解远不如对经典钙粘蛋白的了解，有许多问题尚待解决，如：原钙粘蛋白在突触形成中是否在适当的时间才表达起作用?是否一个神经元能同时表达多种原钙粘蛋白，才能与突触配体上的原钙粘蛋白相应地形成点对点的连接?它们在突触形成中是否必要?是否它们直接导致突触的特异性?是否这些原钙粘蛋白的基因只能促进粘着作用，还是像介导吸引作用一样也能介导排斥作用呢?这些问题都是今后研究的重点。
      据估计，基因组中1/3的基因在脑中表达，所以有可能存在大量不同类型的神经元，与这些细胞多样性相应的是在细胞表面上应有大量多样性分子，这样才可能产生特异性连接。所以钙粘蛋白分子的多样性使大家认为钙粘蛋白是介导突触特异性连接的最佳候选者。是否真是这样，尚待进一步证实。

参  考  文  献

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