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探析神經(jīng)系統(tǒng)相關蛋白的研究進展
摘要：特異性蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)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。有兩類蛋白較為重要，一類能夠在神經(jīng)損傷后誘導促進神經(jīng)突起生長;另外一類能夠指引神經(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。本文將著重探討GAP?43與p38的變化與意義。
關鍵詞： 神經(jīng)系統(tǒng)相關蛋白;GAP?43;p38
1 生長相關蛋白GAP?43
20世紀80年代初，Skene等人發(fā)現(xiàn)了一種富含于生長錐中的神經(jīng)組織特異性磷酸蛋白質(zhì)，將其命名為生長相關蛋白(growth?associated protein 43，GAP?43)。GAP?43在神經(jīng)纖維的生長、發(fā)育、軸突再生以及突觸功能的維持等方面起著重要作用，并參與神經(jīng)遞質(zhì)釋放的調(diào)節(jié)，被認為是神經(jīng)元發(fā)育和再生的一個內(nèi)在決定因子〔1〕。
1.1 GAP?43的結(jié)構及生化特性 GAP?43又名B50、F1、pp46、神經(jīng)調(diào)節(jié)素，含有226～243個氨基酸，只1個芳香族氨基酸殘基，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個啟動子和3個外顯子，第1個外顯子編碼第1～10位氨基酸，包括蛋白的膜結(jié)合域和G0、Gia1活性域。第2個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Ser41和其他的磷酸化位點以及與鈣調(diào)素(CaM)結(jié)合的“IQ區(qū)域”;GAP?43通過N末端的Cys3Cys4的棕櫚酰化與膜連接。第3個外顯子編碼蛋白的羧基末端，其中包括一個F?motif,猜測其可能與細胞骨架成分相互作用〔3，4〕。根據(jù)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(jié)構具有高度的同源性，活性位點基本一致，氨基末端的短水解區(qū)是與膜的結(jié)合位點，第41位絲氨酸是PKC催化的磷酸化作用活性位點，第43～51位氨基酸構成與CaM的結(jié)合位點。
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(diào)控,磷酸化發(fā)生在其第41位絲氨酸殘基上〔5〕。其二級結(jié)構以無規(guī)則卷曲為主，整個分子呈棒狀，具有很強的柔性。GAP?43具有高親水性并可能通過與膜脂肪酸共價連接而與神經(jīng)元膜結(jié)合，在突觸前膜和生長錐的動態(tài)結(jié)構中含量極高，胞漿中含量極低，所以GAP?43可能從生長錐或突觸膜表面伸展開來，一方面與胞質(zhì)及細胞結(jié)構蛋白相互作用，另一方面可逆的附著在膜表面〔2〕。
1.2 GAP?43的分布及表達 GAP?43在脊椎動物非神經(jīng)組織很少表達，所以被認為是神經(jīng)系統(tǒng)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(tǒng)的神經(jīng)元內(nèi)，在生長、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)元沿整個軸突表達，在生長錐表達尤其豐富，在哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)早期發(fā)育過程中有大量的軸突生長及突觸形成，此時存在著高水平GAP?43的合成及隨軸漿的運輸，隨著神經(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(nèi)許多區(qū)域有GAP?43免疫組化反應陽性物，在成熟神經(jīng)系統(tǒng)分布于某些特定區(qū)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(tǒng)，陽性物彌散分布于皮質(zhì)中〔8〕，在邊緣系統(tǒng)和聯(lián)合區(qū)，包括與突觸可塑性相關的一些區(qū)域如海馬和嗅球，GAP?43呈持續(xù)高水平表達〔9〕。成人腦中GAP?43 mRNA在聯(lián)絡區(qū)水平較高，其他區(qū)域和皮質(zhì)下區(qū)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(tǒng)的表達分布特點表明它對神經(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和突觸形成整個時期表達都增加〔10〕。其作為神經(jīng)元特異性的突觸前膜蛋白，通過磷酸化?去磷酸化、棕櫚酰化?去棕櫚酰化調(diào)節(jié)、引導軸突生長和調(diào)節(jié)新連接形成而影響軸突生長能力，即使在缺乏其他營養(yǎng)因子時也能使神經(jīng)元發(fā)出新的終末,并調(diào)節(jié)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)元生長期的內(nèi)在決定因子，可作為神經(jīng)再生的標志〔6〕。轉(zhuǎn)基因鼠的實驗顯示編碼GAP?43的外來基因的高水平過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系。
1.3.2 作用機制 關于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〔12〕：(1)GAP?43與膜骨架的關系及膜連接作用。GAP?43最初在高爾基器內(nèi)與神經(jīng)元膜成分結(jié)合，最后多聚集于軸突突觸前終末，然后通過其N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(nèi)表面的蛋白網(wǎng)狀結(jié)構可決定軸突終末的形狀、活動性和通路引導。在生長錐，GAP?43通過與組成網(wǎng)狀結(jié)構的膜骨架蛋白如肌動蛋白、胞影蛋白等結(jié)合而影響突觸前終末的生長狀態(tài)〔13〕。 (2)GAP?43與CaM的關系。GAP?43是鈣激活蛋白家庭的一員，含有一個“IQ”基序，可調(diào)節(jié)Ca2 流量及效力〔14〕。GAP?43作為一個位于生長錐和突觸前末端中的CaM結(jié)合蛋白，在正常情況下，GAP?43與CaM結(jié)合，將CaM隔離于神經(jīng)元膜區(qū)域，這種結(jié)合受到GAP?43磷酸化過程中的產(chǎn)物磷脂酰肌醇?4,5?二磷酸(PIP2)的負調(diào)控。同時，GAP?43與CaM的親和性也是Ca2 濃度依賴的:當Ca2 低水平時，GAP?43與CaM緊密結(jié)合，當Ca2 進入細胞后水平增高時便解離釋放CaM，同時GAP?43磷酸化，活化的GAP?43進一步與細胞骨架成分相互作用，調(diào)節(jié)神經(jīng)末端活力，進而改變細胞形態(tài)〔6，10〕。(3)磷酸化和去磷酸化。基因鼠過表達假磷酸化蛋白(將GAP?43的磷酸化位點Ser41用另一帶電氨基酸取代來模仿磷酸化)能誘導偽足生長、細胞黏附和肌動蛋白重組，使海馬中產(chǎn)生大量投射纖維;反之，過表達去磷酸化GAP?43 的轉(zhuǎn)基因鼠的細胞出芽就大為減少。這表明，GAP?43在Ser41的磷酸化可促進細胞的生長和出芽〔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(tǒng)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(nèi)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依賴的Ca2 代謝，使胞內(nèi)Ca2 處于低濃度水平，這
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