《Journal of Neuroscience Research》：Heparan Sulfate Proteoglycans: Master Regulators of Cellular Signaling, Tissue Development, and Neural Function
本叙述性综述探讨了硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）在大脑发育、突触功能、轴突导向、突触形成与稳定以及正确互联神经网络的建立中的重要作用。独特的HSPG表达谱有助于塑造精确的神经回路，而HSPG失调与神经发育过程受损、认知能力下降以及脑组织病理改变相关。这些发现强调了HSPGs在正常脑功能及疾病相关组织功能障碍中的重要性。HSPGs是一类多样化的蛋白质，在中枢神经系统（CNS）和外周神经系统（PNS）中发挥关键作用，包括突触功能、神经发育、神经退行性变、细胞迁移，以及调节脑室下室管膜区和齿状回颗粒下区的神经祖细胞干细胞龛。综上所述，HSPGs的多样化功能使其成为健康和疾病状态下组织形态与功能的主调控因子。
1 引言
硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（HSPGs）是多样化、普遍存在的细胞表面、核内、细胞内及细胞外基质（ECM）蛋白聚糖，通过作为生长因子共受体促进细胞信号传导，对组织稳态、组织健康、干细胞调控及组织发育的精细调节至关重要。HSPGs在神经发生中具有多种作用，通过轴突导向、突触发生和视觉过程促进神经互联性。基底膜蛋白聚糖（Perlecan）是神经干细胞龛的重要组成部分，其捕获成纤维细胞生长因子-2（FGF-2），对静息态缓慢循环干细胞群体的存活以及龛内导致干细胞多能性发展的细胞信号传导至关重要。HS作为分子媒介，提供调节细胞活性和基因表达的指导性信号。HS的进化保守性凸显了其在细胞生物学中的重要性。
1.1 HS硫酸化在神经发育中具有关键作用
HS是一种糖胺聚糖（GAG），是自然界中信息最丰富的生物聚合物之一，HS赋予至少16种HS-蛋白聚糖（HSPGs）多种生物功能特性。HS的硫酸化对神经发育过程中神经前体细胞的功能至关重要。硫酸化GAGs包括HS在神经发育和再生的调控中发挥重要作用。HS的硫酸化模式在人类和动物之间高度保守；HS硫酸化功能障碍会产生不良生理后果，包括神经功能障碍。Sulf1和Sulf2是细胞表面硫酸酯酶，翻译后从HSPGs上移除特定的6-O-硫酸基团，从而调节多种HS依赖性信号通路。Sulf1和Sulf2基因敲除小鼠表现出脑发育损伤和神经突生长缺陷，说明了HS硫酸化在神经发育中的重要性。乙酰肝素酶也影响神经发育和脑肿瘤的发病机制，进一步说明了HS的重要细胞调节特性。
HSPGs参与CNS损伤反应，调节生长因子效应，并支持神经元修复。损伤诱导的HS硫酸化模式变化，如2-O-硫酸化增加，与少突胶质前体细胞和星形胶质细胞的修复性细胞反应相关。HSPGs的结构在正常组织中高度可变，并在组织中时空分布，在特定组织背景下调节组织发育和特化的细微变化。HSPGs微调组织组成及其调控的生理过程。
蛋白质和脂质的糖基化在多种生物过程中发挥关键作用，包括免疫和炎症反应的调节。超过50%的蛋白质已知经历糖基化，越来越多的证据表明糖基化在细胞分化和发育事件以及疾病过程中起关键作用。糖胺聚糖展示的硫酸化模式是重要的功能决定因素，当这些模式作为蛋白聚糖上的侧链成分存在时，赋予这些蛋白质重要的功能特性。
2 细胞表面HSPGs
2.1 磷脂酰肌醇蛋白聚糖（Glypicans）
磷脂酰肌醇蛋白聚糖（GPCs）调节关键的发育信号通路，包括涉及Wnt、FGF、VEGF-A、Hedgehog、BMP和TGF-β的通路，是发育中神经系统的主要细胞表面蛋白聚糖。脑糖聚糖（Cerebroglycan，GPC-2）是一种58.6 kDa的GPI锚定HSPG，具有五个潜在的HS附着位点，仅在早期胚胎发育阶段显著影响轴突发育。K-磷脂酰肌醇蛋白聚糖（GPC-5）在胚胎脑发育中也高表达，并受发育调控。磷脂酰肌醇蛋白聚糖是突触组织蛋白复合物的重要组分，作为富含亮氨酸重复跨膜神经元蛋白（LRRTMs）、白细胞共同抗原相关（LAR）家族受体蛋白酪氨酸磷酸酶（RPTPs）和G蛋白偶联受体158（GPR158）的配体，调节突触形成和神经元功能特性。最近的人类遗传学研究揭示，磷脂酰肌醇蛋白聚糖和HS与自闭症谱系障碍、神经质和精神分裂症相关。
2.2 多配体蛋白聚糖（Syndecans）
多配体蛋白聚糖1-4（SDC1-4）是细胞表面HSPGs，在细胞粘附、细胞间信号传导、突触发生和组织形态发生中发挥作用。神经元突触通讯是大脑功能特性的基础。SDC-2定位于突触前和突触后膜上的突触处，其羧基末端与CASK（钙/钙调蛋白依赖性丝氨酸蛋白激酶）蛋白的PDZ结构域相互作用。SDC-2在发育后期相对较晚地在突触处积累，其内吞作用促进突触囊泡循环、信号转导和膜运输。
3 突触HSPGs
3.1 轴突蛋白（Neurexins）
轴突蛋白是特化的突触HSPGs，通过与大量突触蛋白相互作用在突触稳定中发挥作用。这也为神经元突触相互作用和突触可塑性提供了特异性。在哺乳动物中，NRXN基因产生长的α-轴突蛋白和短的β-轴突蛋白亚型，并通过广泛的可变剪接和可变序列的HS侧链进一步多样化。轴突蛋白通过与其50多种细胞外配体相互作用，形成复杂的、突触特异性的跨突触密码，塑造抑制性突触特性和局部神经元回路，是抑制性突触的关键调节因子。三个基因（人类中为NRXN1-3，小鼠中为Nrxn1-3）编码轴突蛋白；这些基因在六个规范位点（SS1-SS6）经历可变剪接，产生数千种不同的轴突蛋白亚型，这是一种提供突触特异性和突触可塑性的分子密码。
3.2 皮卡丘蛋白（Pikachurin）
皮卡丘蛋白（由EGFLAM基因编码的EGF样、纤连蛋白III型和层粘连蛋白G样结构域含蛋白）是一种高度特化的HSPG，与肌营养不良蛋白聚糖（DG）相互作用，是通过光感受器带状突触与双极细胞树突传递视觉信号所必需的视网膜蛋白。皮卡丘蛋白核心蛋白LamG结构域与α-DG相互作用，促进带状突触信号传导中视觉处理所必需的极快速反应。皮卡丘蛋白-肌营养不良蛋白-肌营养不良蛋白聚糖复合物和双极神经元中的GPR179孤儿受体促进眼部信号的光转导。
3.3 眼睛关闭蛋白（Eyes-Shut）
眼睛关闭蛋白（EYS）-DG相互作用通过初级纤毛轴丝稳定光感受器的内节和外节，通过与DG的matriglycan组分相互作用，对光转导至关重要。纤毛结构缺陷可导致遗传性视网膜变性。初级纤毛参与光感受器发育和功能所需的关键信号通路，使其成为预防视力丧失的重要治疗靶点。
4 大型细胞外HSPGs
4.1 XVIII型胶原蛋白
XVIII型胶原蛋白是一种基底膜HSPG，表达为组织特异性亚型，共享胶原蛋白和C端结构域，但N端不同。中断的胶原蛋白区域提供结构灵活性，而不同的非胶原蛋白结构域赋予多样的生物学功能。长的XVIII型亚型包含一个具有Wnt抑制活性的frizzled样结构域；层粘连蛋白-G/TSP-1样区域可能与DG相互作用以稳定ECM。蛋白水解切割从C端释放内皮抑素（endostatin）；这在实验模型中抑制血管生成，尽管其在临床试验中作为抗肿瘤药物的疗效尚未实现。COL18A1突变导致Knobloch综合征，其特征是由于基底膜结构异常导致的严重眼功能障碍，证明了XVIII型胶原蛋白在基底膜完整性和功能中的重要性。在秀丽隐杆线虫中，XVIII型胶原蛋白直系同源物CLE-1定位于GABA能神经元树突棘附近，调节突触发育和维持。成熟的XVIII型胶原蛋白与层粘连蛋白、基底膜蛋白聚糖、巢蛋白和纤蛋白相互作用，稳定神经血管单位的基底膜并维持血脑屏障（BBB）完整性和屏障功能。
4.2 聚集蛋白（Agrin）
聚集蛋白通过激活肌肉特异性激酶（MuSK）在神经肌肉接头处聚集乙酰胆碱受体。在CNS中，聚集蛋白由神经元、胶质细胞、内皮细胞和星形胶质细胞表达。聚集蛋白在BBB形成过程中在血管基底膜中积累，并有助于屏障完整性。缺血性中风后，聚集蛋白和其他基底膜蛋白聚糖有助于BBB修复。聚集蛋白通过调节细胞骨架组织、上调微管相关蛋白来促进树突伸长和分支。聚集蛋白支持CNS神经元的神经突向外生长和生长锥行为，并可能与其调节神经发育和炎症的Hippo/YAP等通路相互作用。
4.3 基底膜蛋白聚糖（Perlecan）
基底膜蛋白聚糖是一种大型（约467 kDa）HSPG，交联ECM组分以提供组织组织、机械稳定和细胞-ECM通讯。基底膜蛋白聚糖在胚胎发育早期表达，作为将细胞外环境与细胞内反应联系起来的感觉分子。基底膜蛋白聚糖由五个结构域组成。结构域I包含一个独特的SEA模块，含有3个SGD GAG附着位点，并结合多种ECM蛋白和生长因子，作为共受体调节生长因子信号传导、细胞增殖和分化。结构域II-IV介导钙结合、Wnt信号传导和基底膜稳定。结构域III支持细胞附着。结构域IV免疫球蛋白（IgG）重复序列与神经细胞粘附分子（NCAMs）具有同源性。基底膜蛋白聚糖的C端结构域V本身可被视为一个功能完整的血管蛋白聚糖。结构域V促进血管生成；然而，结构域V的特定片段是抗血管生成的，作为抗肿瘤药物具有研究价值。结构域V具有神经保护作用，增强中风后BBB修复，是治疗脑缺血、血管性痴呆、脑损伤和神经退行性疾病的有前景的治疗候选分子。
5 特化HSPGs
已鉴定出多种特化的细胞内HSPGs，对CNS/PNS中的细胞过程具有指导作用。
5.1 丝甘蛋白聚糖（Serglycin）
丝甘蛋白聚糖（SRGN）是一种低分子量细胞内蛋白聚糖，在肥大细胞中被肝素替代，在其他细胞类型中被硫酸皮肤素（DS）或硫酸软骨素（CS）替代。在肥大细胞中，SRGN结合组胺和蛋白酶。SRGN在分泌颗粒内储存炎症介质和蛋白酶，这些物质在特定组织部位脱颗粒时以活性形式释放，放大炎症反应和ECM降解。SRGN在神经炎症和缺血性中风中发挥关键作用。
5.2 内啡肽/β聚糖（Betaglycan）
内啡肽/β聚糖（转化生长因子β受体III，TGFBR3）是一种多功能的250-280 kDa跨膜双修饰HS-CS共受体蛋白聚糖。它包含抑制素、FGF-2、Wnt和TGF-β的结合位点，反映其多样的信号传导作用。其HS链结合FGF-2，但对于TGF-β结合不是必需的。Wnt信号传导独立于TGF-β活性进行调节：HS抑制而CS促进Wnt信号传导。β聚糖胞外域通过纤溶酶和MMPs脱落，是膜结合β聚糖的拮抗剂。β聚糖在人脑中与抑制素和激活素亚基共定位，促进FGF-2介导的神经增殖和分化。
5.3 神经毡蛋白（Neuropilins）
神经毡蛋白-1和2（NRP1, 2）是由CS或HS（而非两者）替代的跨膜受体，调节CNS细胞信号传导、发育和免疫活性。在神经元、内皮细胞和免疫细胞中，NRPs结合3类信号蛋白（semaphorins），作为VEGF共受体，促进内皮细胞迁移，并在神经发育、轴突导向、神经血管相互作用、成体神经可塑性和疾病中发挥明确作用。
5.4 CD47
CD47是一种广泛表达于脑内的跨膜HS/CS“两面神”蛋白聚糖共受体，是IgG超家族成员，结合整合素、血小板反应蛋白-1（TSP-1）以及巨噬细胞和树突状细胞产生的信号调节蛋白α（SIRP-α），调节细胞粘附、增殖、巨噬细胞吞噬、中性粒细胞迁移以及T、B和树突状细胞活化。SIRPα与CD47的结合启动抑制吞噬的信号级联反应。TSP-1与CD47的HS链结合抑制T细胞受体信号传导，并调节先天性和适应性免疫调节中的细胞迁移、增殖和血管细胞存活。
5.5 睾丸蛋白聚糖/SPOCK蛋白聚糖（Testicans/SPOCK）
睾丸蛋白聚糖（SPOCK1-3，SPARC/骨连接素、CWCV和Kazal样结构域蛋白聚糖）是一个模块化HSPG家族，含有卵泡抑素样、SPARC同源钙结合和独特的C端结构域及HS附着位点。SPOCK-1定位于海马突触后神经元、NMJ和BBB；SPOCK-2在小脑和白质中富集；SPOCK-3在CNS中广泛表达。SPOCKs对神经发育至关重要；突变或基因敲除模型表现出小头畸形、CNS发育受损和行为异常。
5.6 CD44E
表皮蛋白聚糖（Epican），一种HS/CS蛋白聚糖形式的CD44透明质酸受体，由表皮角质形成细胞表达。CD44在星形胶质细胞中高表达，导致慢性神经炎症和ALS、AD、PD及其他神经退行性疾病的发病机制。
6 HSPGs是组织形态和功能的主调控因子
HS-蛋白聚糖是在CNS/PNS中发挥关键作用的多样化功能蛋白群，涉及突触功能、神经发育、神经退行性变、细胞迁移、脑室下室管膜和齿状回颗粒下神经祖细胞干细胞龛中多能干细胞的发展，以及BBB和脉络丛（CP）的保护性屏障功能。
先进的糖组学、测序、计算机辅助分子对接分析和固相结合研究已鉴定出HS链中的特定交互序列及其与生物活性化合物的结合，解释了HSPGs多样的健康促进特性。HS侧链的精细结构，包括链长、硫酸化模式和密度，以及葡萄糖醛酸向艾杜糖醛酸的差向异构化，创造了广泛的配体交互位点。HS GAG的特定序列决定结合亲和力和选择性。已计算出典型的交互性HS五糖（由含有GlcA、IdoA和IdoA2S的重复双糖组成）可产生2916种可能的五糖组合。HS硫酸化是重要的功能决定因素，HSPGs GAG侧链的结构多样性赋予细胞和器官特异性的功能特性。3-O、2-O和6-O硫酸化基序使HS具备一种多样化的动态识别系统，通过“硫酸化密码”精确识别细胞调节分子。几种HSPGs（基底膜蛋白聚糖、聚集蛋白和XVIII型胶原蛋白）在BBB、脑血管系统以及脉络丛-CSF界面的上皮细胞层和有孔血管中形成稳定的功能性网络，提供对脑健康至关重要的保护性屏障功能。
6.1 时空调控的组织HS细胞调节作用在健康和疾病中的体现
HS结构的时空变化调节组织发育、肿瘤发生和炎症。热图展示了多种人脑组织区域中HS生物合成酶的组织特异性基因表达，也证明了多种肿瘤中HS形式的复杂性。正常组织中HS生物合成酶的发育时空表达也产生具有可变结构GAG侧链的HSPGs，在组织发育中发挥作用。糖基化是蛋白质最多样化的翻译后修饰，与硫酸化一起产生广泛的ECM指导性信号，支撑细胞-细胞和细胞-ECM通讯。糖聚糖在结构上比蛋白质或核酸更加多样化，其时空调控能够实现组织发育的背景特异性调节。HS测序和基于计算机的结合研究的显著改进已鉴定出HS中与抗凝血酶、VEGFA二聚体、Wnt形态发生素蛋白、FGFR和FGF以及脂蛋白脂肪酶具有结合特性的交互模块。
6.2 HS-蛋白聚糖通过受体和神经营养蛋白相互作用，在CNS/PNS神经回路形成中提供轴突导向线索
神经前体细胞在脑发育早期受到FGFs、Wnts和神经生长因子（NGF）等几个信号分子家族的刺激。HSPGs是早期脑发育中FGF信号传导的关键效应分子。阻断HS合成抑制FGF2驱动的神经前体增殖，外源性HS可挽救这种抑制，证明了HSPGs在神经发生过程中的关键作用。从龛环境逸出的干细胞接受层粘连蛋白和基底膜蛋白聚糖等ECM组分的指导性信号，这不仅促进干细胞增殖，还促进其分化为迁移性多能表型。这些神经祖细胞参与组织发育，并可在组织受伤或疾病影响时引发修复反应。
在胚胎发育过程中，神经元必须迁移相当长的距离才能到达其最终目标位置。多配体蛋白聚糖与引导轴突迁移的slit/robo信号传导相关。轴突在背腹方向的迁移主要由Netrins和Slits及其Robo受体控制。前后轴的轴突导向主要由Wnts及其Frizzleds/Fz受体控制。HSPGs是Netrins引导的纵向多巴胺能间脑脊髓束投射的重要调节因子。磷脂酰肌醇蛋白聚糖1和SDC1及3与Robo受体相互作用，稳定与Slit轴突导向蛋白的相互作用，GPC3调节netrin介导的轴突导向，SDCs作为细胞表面受体与Slit-roundabout神经导向蛋白在网络形成过程中相互作用。多配体蛋白聚糖突变体表现出导向错误表型、不适当的轴突中线交叉和神经元细胞体位置错误，显示了这些分子在正常发育组织中的关键作用。
HSPGs和CSPGs通过胚胎BMP、Wnt和IHH信号传导指导神经迁移和轴突发育。Wnt蛋白通过Frizzled和细胞表面HSPGs（如多配体蛋白聚糖家族）之间的相互作用形成形态发生素梯度。Wnt、SHH和IHH是疏水性、在水性环境中溶解性差的蛋白质，依赖基底膜蛋白聚糖的运输来在组织中建立形态发生素梯度。
几种受体蛋白酪氨酸磷酸酶（RPTPs）、神经细胞粘附分子（NCAMs）和相关接触蛋白（contactins）在细胞表面充当CS-和HSPG受体。这些包括受体连接的蛋白酪氨酸磷酸酶（LAR）、contactin-1和神经元细胞粘附分子（NrCAM）。
6.3 HSPGs在神经干细胞向神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞谱系分化中具有关键作用
包括基底膜蛋白聚糖和SDC及GPC家族成员在内的多种HSPGs在神经祖细胞向神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞类型谱系特化的各个阶段具有关键作用。基底膜蛋白聚糖通过隔离FGF-2在干细胞龛中维持静息循环干细胞库方面发挥关键作用。接受龛ECM环境信号的干细胞被驱动为多能迁移细胞表型。层粘连蛋白-1、纤连蛋白和IV型胶原蛋白促进iPSC来源的星形胶质祖细胞和神经元祖细胞精细细胞突起的延伸。
活化的神经上皮/神经干细胞表达SDC1、SDC4、GPC1、GPC4和基底膜蛋白聚糖，通过FGF和Wnt信号传导介导细胞增殖并维持多能状态。基底膜蛋白聚糖隔离FGF-2并促进多样的细胞信号传导事件。Wnt和Hedgehog（Hh）是难溶的形态发生素；基底膜蛋白聚糖结构域II结合并运输这些分子，在胚胎发育过程中建立形态发生素梯度。
放射状胶质细胞具有分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的潜力。这些细胞表达SDC1、GPC1和GPC4；神经元祖细胞谱系的发展导致树突棘和树突成熟过程中GPC1、GPC4、SDC2的表达。SDC3在突触形成过程中与GPC1一起提供轴突导向。成熟神经元中也观察到突触GPC4。在星形胶质细胞谱系特化过程中，SDC1表达减少，SDC4和GPC6表达变得可检测，而GPC1和GPC4表达在星形胶质细胞成熟过程中保留。基底膜蛋白聚糖通过结构域V对星形胶质细胞增殖具有抑制作用。在少突胶质细胞谱系特化过程中，前体细胞保留SDC1和GPC1表达，促进细胞增殖，但抑制分化；SDC3和基底膜蛋白聚糖表达在此阶段也上调。在成熟少突胶质细胞中，SDC2、SDC4和基底膜蛋白聚糖是主要的HSPGs。
6.4 脉络丛
两个主要的保护性CNS屏障调节血液、脑和脑脊液之间分子的运动：由脑微血管定义的BBB，以及脉络丛（CP）的血-脑脊液屏障。心室系统的CP像BBB一样由基底膜蛋白聚糖-XVIII型胶原蛋白-聚集蛋白网络稳定，这些网络也支持屏障功能，并递送对脑细胞营养重要的生长因子。CP产生CSF在AD研究中受到越来越多的关注。在中度至重度AD中，CSF产生和周转显著减少，导致毒性代谢物清除受损、神经炎症和神经元死亡。CP在脑的发育、维持和功能中具有不可或缺的功能，代表着一个保护脑内部环境的“智能门”。CP上皮功能障碍导致脑积水、多发性硬化症和AD的病理变化。人类蛋白质图谱项目的数据显示基底膜蛋白聚糖、XVIII型胶原蛋白和聚集蛋白在CP中表达，这些分子可能具有与基底膜和BBB中相似的结构和功能作用。
7 HSPGs在CNS/PNS退行性疾病中的作用
糖基转移酶和磺基转移酶响应CNS/PNS中的创伤性损伤而表达，产生具有可变HS序列和硫酸化模式的HSPGs。模拟损伤反应、经TGF-α或TGF-β处理的星形胶质细胞上调SDC-1和HS2ST活性，与HS的2-O-硫酸化增加以及识别高硫酸化HS的AO4B08抗HS抗体染色增加相关。脑细胞还响应创伤上调HSPG产生，参与脑组织修复反应，并调节生长因子活性、定位神经营养分子和轴突生长。SDCs通过介导与神经退行性疾病相关的错误折叠蛋白的内化，在神经退行性过程中发挥关键作用，促进蛋白质聚集体的播种、聚集和毒性传播。SDC-3调节错误折叠蛋白的摄取和传播，培养神经毒性聚集体，损害神经元并导致认知能力下降。这在影响全球数百万人的AD中表现明显。
7.1 轴突蛋白与神经退行性变
NRXNs与神经精神疾病（如自闭症谱系障碍和精神分裂症）之间已建立明确联系，AD和PD中也发现NRXN表达变化。CNTNAP4（轴突蛋白超家族成员）在神经发育和突触功能中具有关键功能。CNTNAP4缺失导致自闭症、精神分裂症和癫痫。CNTNAP4敲低诱导黑质中帕金森病样α-突触核蛋白表达增加。
7.2 多配体蛋白聚糖与AD
多配体蛋白聚糖在AD中表达水平增加，触发Aβ的聚集和细胞摄取调节。神经元SDC3增加ApoEs的细胞摄取；然而，ApoE2增加单体Aβ的内化，防止其细胞外聚集，而ApoE4则减少内化，促进Aβ斑块的神经元外堆积。HSPGs可促进AD中的Aβ和tau原纤维形成。神经元特异性SDC-3亚型能最佳地增加Aβ1-42的细胞摄取。GPC1在AD脑淀粉样血管病变中高表达，与聚集蛋白共定位。SDC-2也常见于AD的血管Aβ中。SDCs、聚集蛋白、GPC1与老年斑相关，提示它们在其形成中发挥作用。
7.3 磷脂酰肌醇蛋白聚糖在AD中的作用
Tau蛋白聚集体是tau蛋白病（包括AD）中神经退行性变和行为障碍的主要驱动因素。APOE4是迟发性AD的最高遗传风险因素，并加剧小鼠模型中的tau过度磷酸化。APOE4通过GPC4介导的APOE受体低密度脂蛋白受体相关蛋白-1的表面运输促进tau的传播。Aβ是AD中老年斑和血管淀粉样的主要成分，似乎促进培养脑周细胞中聚集蛋白和GPC1的表达。
7.4 聚集蛋白在神经退行性疾病中的作用
聚集蛋白最初被认为是稳定突触的组织者，但进一步的研究已概述了聚集蛋白在神经组织中的替代作用。聚集蛋白与PD路易体中的α-突触核蛋白结合，加速不溶性α-突触核蛋白原纤维和纤维的形成。Aβ调节聚集蛋白和GPC1的表达，导致它们在AD病变中积累。聚集蛋白还结合β-A肽并定位于AD的淀粉样沉积物中。AD中观察到的聚集蛋白异常与β-淀粉样沉积密切相关，微血管和脑实质中聚集蛋白表达的改变有助于AD发病机制。
7.5 丝甘蛋白聚糖在神经退行性疾病中的作用
丝甘蛋白聚糖在中风后活化的小胶质细胞中上调，加重脑损伤和炎症。SRGN通过调节NF-κB、AKT、MAPK/ERK和β-catenin信号传导促进肿瘤发生，是胶质母细胞瘤（GBM）等侵袭性癌症的生物标志物。高SRGN表达与TGFβRI和CXCR-2水平升高以及患者生存期差相关。暴露于SRGN阳性GBM细胞条件培养基的成纤维细胞显示出增强的增殖、迁移以及CXCL-1、IL-8、IL-6、IL-1β、CCL-20、CCL-2和MMP-9表达的升高。胶质瘤中高SRGN表达强烈预测不良预后并与肥大细胞浸润相关。
7.6 ApoA ε4等位基因易导致神经退行性变
ApoA ε4等位基因与脑淀粉样血管病和年龄相关认知衰退的风险增加相关。通过更好地理解这些聚集过程，可能通过设计阻断淀粉样蛋白、Tau和α-突触核蛋白沉积的跨细胞传播以及导致AD、PD、ALS和HD神经退行性病理的细胞破坏的化合物，来治疗性地靶向Tau和蛋白质沉积。基底膜蛋白聚糖在神经退行性疾病（如AD）的病理性蛋白质沉积中也发挥作用。基底膜蛋白聚糖结构域II LDLR与ApoE的相互作用可能增强神经退行性过程中的病理性蛋白质沉积。基底膜蛋白聚糖调节与神经退行性变相关的细胞信号传导和膜运输，包括Tau的摄取和输出、淀粉样前体蛋白衍生肽的沉积以及自噬的调节。
7.7 3-O HS硫酸化在正常组织和神经退行性疾病中的未解之谜
HS链中3-O位置的硫酸化是罕见的，但在与抗凝血酶（AT）的相互作用中对凝血控制具有重要功能。O-3 HS硫酸化基序与肝素辅因子II（HCII）的相互作用增强了对凝血酶的抑制。O-3 HS硫酸化基序促进组织形态发生中起作用的Wnt、Shh和FGF-FGFR相互作用。COVID-19疾病中SARS CoV-2病毒感染通过刺突蛋白与O-3 HS的相互作用而增强。O-3 HS硫酸化基序与Tau的相互作用增强神经退行性疾病中的病理性蛋白质聚集体形成。HS中的O-3硫酸化基序也与NRP-1和NRP2跨膜受体相互作用，这些受体是神经元导向和血管生成的介质。七种3-O-磺基转移酶（HS3ST-1、-2、-3A、-3B、4、-5和-6）亚型将3-O硫酸化基序引入HS链。优先结合HS中3-O硫酸化基序的蛋白质包括AT、FGFR、糖蛋白D、亲环蛋白B、神经毡蛋白-1、HCII、tau糖蛋白和SARS CoV-2刺突糖蛋白。3-O硫酸化区域侧翼的HS硫酸化序列也为这些交互式3-O HS序列提供特异性。
7.7.1 O-3 HS硫酸化促进病理性蛋白质聚集
Tau、β-淀粉样蛋白和α-突触核蛋白与神经元细胞表面的结合可促进其细胞摄取和通过脑微血管的蛋白质聚集体播种。重组tau、α-突触核蛋白和β-淀粉样蛋白纤维与HS的GAG结合要求已被确定，以确定聚集体形成所需的关键大小和硫酸化位置。CRISPR/Cas9基因敲除研究表明，Tau聚集体的形成需要HS中的6-O硫酸化，而α-突触核蛋白和β-淀粉样蛋白的HS结合要求不太严格。碳水化合物微阵列是测定蛋白质与HS种类相互作用的极快速方法，显示tau能有效结合肝素和2-O-去硫酸肝素；然而，6-O-去硫酸化、N-去硫酸化或O-去硫酸化消除了这种结合。Tau是少数优先结合3-O-硫酸化HS的蛋白质之一。
7.8 结论性评论
HSPGs的主要优点包括：细胞信号传导的中心调节，组织稳态、发育和修复所必需，在CNS和PNS功能中的关键作用，支持干细胞龛和神经祖细胞发育，高度通用的分子相互作用，以及进化保守的分子识别和信息丰富的细胞指导能力。HSPGs的负面方面包括：HSPG结构的一些改变可诱导疾病中的组织功能障碍，非模板依赖性合成增加了复杂性，以及难以进行实验建模。
7.9 HSPG研究的最新进展
尽管糖聚糖占脑组织质量的不到1%，但N-聚糖、O-聚糖和神经节苷脂对脑生理和疾病有深远影响。糖科学的发展使脑糖基化有望成为复杂神经系统疾病的诊断生物标志物和治疗靶点的来源。现在可以绘制正常和神经退行性组织（如缺血性中风）中CS异构体分布的图谱；这种方法表明HSPGs的复杂性及其多样的GAG异构体分布也可以类似方式进行检查。糖组学分析方法学的重大进展极大地帮助了HS复杂性的分析。高通量自动化方法、使用AI分析糖基化数据、生物信息学、质谱方法、空间分子成像、空间糖组学和糖蛋白组学以及先进阴离子交换色谱与质谱联用技术都改进了HS结构的解析。GAGOme数据库是一个展示糖胺聚糖特征的细胞库。这些糖组学方法提供了聚糖的高灵敏度分析，促进了其在生物医学中的潜在应用以及人类疾病生物标志物的发现。
8 结论
本综述强调了HSPGs在大脑发育和突触功能中的核心作用，包括轴突导向、突触形成和细胞类型特异性的神经连接。不同的HSPG表达谱有助于塑造精确的神经回路。HSPG失调与神经发育受损、认知能力下降和脑组织病理改变相关，强调了HSPGs在正常神经系统功能和疾病相关组织功能障碍中的重要性。HS的进化保守性和结构多样性突显了其在“糖密码”中的重要性，这是一个信息丰富的细胞-细胞和细胞-ECM通讯系统，其复杂性可与DNA/RNA和蛋白质系统相媲美。这种结构复杂性历来使HSPG分析具有挑战性；然而，糖组学和分子成像的最新进展正在提高分析分辨率，并能组装健康和患病神经组织中GAG异构体分布的组织图谱。在这些背景下绘制HS相互作用蛋白图谱将为疾病机制提供宝贵的见解，并可能确定复杂神经系统疾病的未来治疗靶点。
