血小板反应蛋白在突触形成中的作用及机制研究进展

Abstract

目的

对近年来血小板反应蛋白（thrombospondins，TSPs）在中枢神经系统（central nervous system，CNS）突触形成中的作用及机制进行综述。

方法

广泛查阅近年来与 TSPs 在 CNS 突触形成中有关的国内外文献，对 TSPs 结构特征、在 CNS 疾病中的作用及发生机制进行综述。

结果

TSPs 作为一种寡聚糖蛋白，在血管生成、炎症、成骨、细胞增殖和细胞凋亡等方面具有重要作用。在神经系统中，TSPs 与电压依赖性钙通道、神经连接蛋白以及其他细胞外基质蛋白和细胞表面受体结合，参与和调节 CNS 中突触的形成、成熟以及功能等多个过程。

结论

TSPs 作为一种寡聚细胞外基质蛋白，在突触形成、CNS 损伤后突触修复等方面发挥重要作用。

血小板反应蛋白（thrombospondins，TSPs）是分布在整个脊椎动物体内，与细胞表面、细胞外基质的多种组分、生长因子和蛋白酶相互作用的寡聚糖蛋白家族^[1]。通过与许多结合伴侣的联系，TSPs 在血管生成、炎症、成骨、细胞增殖和细胞凋亡等过程中介导着复杂的细胞-细胞和细胞-基质的相互作用^[2]。近年来，在发育的中枢神经系统（central nervous system，CNS）中，发现 TSPs 可以促进新突触的形成及调节突触功能，主要是 TSPs 和相关的神经元受体之间的相互作用介导的^[3-4]。本文就 TSPs 在突触形成中的作用及相关机制的研究进展综述如下。

1. TSPs 的结构特征

突触是 CNS 通信的基本单位，是神经元之间信号通信的关键结构，大量的突触通过传递电信号和形态变化，介导复杂的思想和活动，是学习和记忆的基础^[5]。在 CNS 中，星形胶质细胞与突触密切关联，包括控制突触形成，监测和改变突触功能，主动控制突触传递等多个过程，而突触的形成又涉及许多配体和细胞表面分子的参与^[6]。其中星形胶质细胞分泌的 TSPs 等多种分子参与调节突触和树突棘的形成以及保存^[7]。

TSPs 是一类大的多聚体糖蛋白，家族包含 5 个成员（TSP1～5），基于寡聚化结构域又分为 2 个亚组：三聚体亚组 A（TSP1、TSP2）和五聚体亚组 B（TSP3、TSP4 和 TSP5），进化上的 TSPs 是保守的蛋白质，在鼠和人蛋白质之间具有 95% 以上的同源性^{[2, 8]}。通过与多种细胞膜受体、细胞外基质成分和细胞因子结合，TSPs 控制和调节细胞附着、迁移和形态的改变，以及抑制血管生成和肿瘤生长^[9-10]。同时 TSPs 的成员在不同组织的表达及功能不尽相同。TSP1 和 TSP2 的表达与组织损伤或重塑相关，TSP 可以促进神经元迁移和轴突过度生长；TSP3 和 TSP5 在血管壁和肌腱表达较高，TSP4 主要参与血管炎症、肌细胞收缩性的调节、血管生成和细胞外基质重塑，同时与 TSP2 在调节突触形成和可塑性方面至关重要^[11]。见表 1。

表 1.

Function and mechanism of TSPs in nervous system

TSPs 在神经系统中的功能及作用机制

神经系统功能	作用机制及结合伴侣	参考文献
突触形成	TSPs（EGF 样重复序列）结合 α2δ-1/NL 受体	Risher 等[12]、Xu 等[13]
神经突发育	C 端结构域结合 CD47/IAP、VLDLR 受体	Ohnishi 等[14]
脑脂质代谢	结合 CD36 受体调节长链多不饱和脂肪酸代谢	Abumrad 等[15]
调节突触重塑	结合 TGF-β1 受体，激活 CRT/LRP-1、α-V/β-1 通路	Beumer 等[16]
调控细胞形态	激活 Reelin、TGF-β、Notch 信号通路	Herz 等[17]

2. TSPs 参与和调节突触形成的机制

星形胶质细胞分泌的 TSPs 是一种参与突触形成、结构和功能的关键调节因子，可以在体内和体外促进突触发生，促进神经系统疾病的临床治疗^[18]。目前普遍认为，TSPs 是通过受体 α2δ-1 和神经连接蛋白（neuroligin，NL）来调节突触形成及促进神经祖细胞的增殖和分化，并且通过其他细胞外基质蛋白和细胞表面受体来参与损伤后的突触重塑^{[5, 19]}。见图 1。

图 1.

TSPs rely on TSP-α2δ-1 and TSP-NL pathways to parti cipate in synaptogenesis

TSPs 依赖 TSP-α2δ-1 及 TSP-NL 通路主要参与突触形成

2.1. TSPs-α2δ-1 通路介导突触的形成

2005 年 Christopherson 等^[20]提出神经回路的建立需要在大脑发育的特定窗口期间产生大量突触，并且实验发现未成熟的星形胶质细胞表达的 TSP1 和 TSP2，在体外和体内促进 CNS 突触形成。但关于 TSPs 诱导产生新的突触的机制，仍未得到进一步解释。直到 2009 年 Eroglu 等^[21]实验发现，TSPs（TSP1、TSP2 和 TSP4）与电压门控钙通道亚基 α2δ-1 之间存在相互作用。抗癫痫和镇痛药加巴喷丁的受体 α2δ-1 与神经元 TSPs 结合参与 CNS 突触形成，并且 α2δ-1 过度表达可增加体外和体内的突触形成，加巴喷丁在体外阻断 TSP-α2δ-1 的结合，结果显示 TSPs 诱导的突触形成过程丧失。2018 年 Liu 等^[22]为研究小鼠胚胎干细胞来源的螺旋神经节神经元样细胞与小鼠耳蜗核神经元共培养条件下产生神经连接的机制，对 α2δ-1 受体的功能进行了观察，发现加巴喷丁显著降低螺旋神经节神经元样细胞和小鼠耳蜗核神经元之间由 TSP1 诱导的突触形成，是由于其结合 α2δ-1 受体从而拮抗 TSP1-α2δ-1 相互作用，进而影响 TSP1 诱导的效应。

α2δ-1 是最初被分离为骨骼肌 L-型钙通道复合物的非必需亚单位，与其他蛋白质结合发挥作用，在许多组织中普遍表达，并且在包括视网膜神经节细胞的许多 CNS 神经元高度表达^[23-24]。α2δ-1 在结构上是从单个基因产物翻译而来，翻译后切割成 α2 和 δ 部分，通过二硫键保持缔合，蛋白质的 α2 部分（约 950 个氨基酸）完全是细胞外的，而 δ 部分具有与 α2 连接的小的胞外部分和具有非常短的细胞质尾部的跨膜结构域，将蛋白质系膜化并与其他蛋白质结合^[25]。在突触形成过程中，α2δ-1 是突触后“突触信号复合物”的细胞外配体结合部分，调节树突和轴突之间初始突触黏附的形成，TSPs 通过 α2δ-1 的血管性血友病因子结构域结合引起该分子的结构重排，诱导细胞内信号传导级联和触发突触黏附分子募集到新生突触位点，最终导致突触的形成^[21]。此外，α2δ-1 与 TSP 相互作用位点 EGF 样重复序列结合，通过增加 EGF 受体的磷酸化，活化磷脂酶和细胞迁移来参与突触形成^[26]。

近年来，TSPs-α2δ-1 传导信号通路涉及的诱导突触再生与增加突触兴奋连接性的研究得到了进一步拓展。Crawford 等^[27]发现星形胶质细胞衍生的 TSPs 通过与 α2δ-1 结合，在突触可塑性中发挥重要作用，并且指出 TSPs 和 α2δ-1 作用不是通过改变钙通道功能而产生的，以及激酶 A 可能是 α2δ-1 重要的下游效应物。2017 年 Faria 等^[28]在大脑皮质未受损的转基因小鼠实验中发现，α2δ-1 亚基的过度表达增加了皮质兴奋性连接和兴奋性突触数目，表现出有频繁的自发性癫痫样活动，而在小鼠皮层损伤模型中，α2δ-1 受体上调，与 TSPs 结合有助于兴奋性突触形成和兴奋性传递，无明显的癫痫样活动。表明 α2δ-1 受体的表达与皮质兴奋性和兴奋性突触数目紧密相关。2015 年 Risher 等^[12]通过观察青少年间歇性酒精暴露（adolescent intermittent alcohol exposure，AIE）引起的星形胶质细胞信号分子失调，而导致海马结构和功能持续性异常，发现 AIE 早期减少了 α2δ-1 的表达和局部突触的数量，在成年期 TSP2 保持升高并伴随着 TSP4 和 α2δ-1 表达的增加，TSPs 上调以及突触数目的增加严重影响 AIE 后的神经元回路。

2.2. 通过 NL 介导突触的形成

NL 是表达于人类、啮齿动物和鸡突触后的跨膜黏附蛋白，由多个结构域组成，包括裂解的信号肽、胆碱酯酶样结构域、碳水化合物结合区、单跨膜结构域和含有 Ⅰ 型盘状同源区域结合基序的短 C-末端尾部^[29]。人类基因组中有 5 种编码 NL 的基因——NLGN1、NLGN2、NLGN3、NLGN4、NLGN4Y，已知的啮齿动物表达的 NL-1～NL-4，尽管亚型之间的序列保守性很高，但亚细胞定位和表达模式在神经元中各不相同。NL-1 主要局限于兴奋性突触，而 NL-2 主要局限于抑制性突触，NL-3 在两种类型的突触处表达，NL-4 表达于富含甘氨酸能的突触，初步研究集中在视网膜上^[30-31]。在突触前面，NL 的主要黏附配体是轴突蛋白（Neurexin）家族，包括 3 种亚型（Neurexin-1、Neurexin-2、Neurexin-3），轴突蛋白分子多样性表明 NL 作为细胞黏附分子，在组装突触成分及形成和促进功能性突触成熟中起关键作用^[32]。Wang 等^[5]提出突触形成和重塑涉及多种因素，星形胶质细胞分泌的 TSP 可以通过受体 α2δ-1 和 NL-1 调节突触发生，促进神经祖细胞的增殖和分化，以及在神经系统损伤后突触重塑中发挥作用。

2010 年 Xu 等^[13]在培养的大鼠海马神经元中发现， TSP1 增加了发育中的神经元中突触形成的速度，并且 TSP1 的这种突触发生效应是由 NL1 介导的，而敲低内源性 NL1 则表现出 TSP1 诱导的突触发生效应的减弱。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种无法治愈的神经退行性疾病，淀粉样蛋白 β 肽诱导的突触功能障碍是早期 AD 的病理过程。2018 年 Kim 等^[33]通过在 AD 模型中观察人脐带血衍生 MSCs（human umbilical cord blood-derived MSCs，hUCB-MSCs）的旁分泌作用在体外和体内保护海马免于突触损失的效应，以 hUCB-MSCs 在体外和阿尔茨海默病 5xFAD 转基因小鼠模型中分泌的 TSP1 进行研究，发现 hUCB-MSCs 通过调节 TSP1 的释放来减弱 Aβ42 诱导的突触功能障碍，且这种保护效应由 NL1 或 α2δ-1 受体介导。

此外，NL 在突触的成熟中也起着重要作用。Wittenmayer 等^[34]在培养的 NL1 敲除（NL1⁻）小鼠的海马神经元中发现，突触前活性区的稳定性和突触小泡的结构及功能表现出不成熟；相反，在 NL1⁺神经元中，接种过表达 NL1 表现出诱导形成了具有成熟特征的突触前末端。表明 NL1 参与诱导突触前末端组装和成熟，是突触前末端成熟所必需的。

2.3. 结合其他细胞外基质蛋白和细胞表面受体参与调节突触结构和功能

小胶质细胞和星形胶质细胞参与 CNS 发育和功能的各个主要方面，包括突触发生、细胞凋亡和血管生成，由神经胶质细胞分泌的细胞因子如 TNF-α、IL-1β、IL-6 涉及突触的形成、定形和长期增强^[35]。TSPs 参与对 CNS 损伤后的炎性反应的调控，通过与 CD36 和 CD47 的相互作用来调节单核细胞/巨噬细胞的黏附和聚集，与 CD36 作用增强了炎性细胞因子 IL-6 和 IL-10 的释放，并且 IL-6 在调节突触可塑性方面又具有重要作用^[36]。在 CNS 损伤后，TGF-β₁ 表达上调，TSP1 可通过与 TGF-β₁ 相互作用来抑制 IL-10 的释放，同时可能促进神经肌肉接头处的突触形成^[37-38]。另外，在脑皮质损伤的研究中发现 TSPs 介导突触形成与基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的表达相关，MMPs 可介导突触网络的建立和细胞外基质的重塑，脑皮质损伤后，TSP1/2 通过调节 MMPs 来调节这一过程^[4]。在缺血性脑损伤的研究中发现，由于 TSP1/2 蛋白水平的下调，TSP1/2^-/-小鼠表现出明显的突触恢复和轴突生长的缺陷，对照组小鼠则表现出脑缺血恢复的迹象^[39]。

TSPs 控制肌动蛋白细胞骨架，肌动蛋白细胞骨架与兴奋性连接、树突棘突触后特异性的形态发生相关，因此肌动蛋白细胞骨架的重排在突触形成和重塑中起着关键作用。通常，Rho 家族的鸟苷三磷酸酶（Rho family of small GTPases，Rho GTPases）启动的信号通路控制脊椎的数量和形态，活性 Rho GTPases 包括 Rac1 和 RhoA，可继续诱导下游效应因子，触发树突中肌动蛋白细胞骨架的重组，促进突触的初始接触和稳定^[40-41]。TSP1 通过它的 N 端结构域-末端结合到钙网蛋白（calreticulin，CRT）/低密度脂蛋白受体相关蛋白 1（low density lipoprotein receptor-related protein 1，LRP-1），刺激局部黏附分子的分解，导致小 GTP 酶 RhoA 失活，RhoA 信号传导与突触可塑性有关，表明 CRT/LRP-1 信号传导可能是 TSP1 调节突触功能的潜在途径^[42]。

以慢性高血糖症为特征的糖尿病可以诱导脑中的突触变性，从而导致认知功能障碍。Zhao 等^[43]发现高浓度葡萄糖（30 mmol/L）可以诱导 Toll 样受体 9 的激活与星形胶质细胞中活性氧的生成，进一步损害星形胶质细胞的 TSP1 分泌，引起突触蛋白的损失，导致突触功能退变。血液和 CNS 氨水平的升高导致星形胶质细胞的病变是慢性肝性脑病的主要病理改变。Jayakumar 等^[44]发现将培养的星形胶质细胞暴露于氨（NH₄Cl，0.5～2.5 mmol/L）1～10 d，星形胶质细胞表现出细胞内和细胞外 TSP1 水平降低，体内突触蛋白含量也降低。TSP-1 与整合素 α-V/β-1 或其他整联蛋白受体的结合，可能是慢性肝性脑病中突触蛋白减少的信号传导机制。

3. 小结与展望

TSPs 作为一种寡聚细胞外基质蛋白，在突触的形成、CNS 损伤后突触的修复等方面发挥着重要作用，是癫痫、AD 等 CNS 疾病治疗的新靶点。后续的研究可基于 RNA 的剪接作用及靶向调控机制，在体内外对 TSPs 的表达及空间构型进行调节，来精确分析 TSPs 结构和功能之间的关系，以及对新受体和各种功能结构域定位的鉴定，将有助于开发靶向 TSPs 的新药。但目前，关于 TSPs 在 CNS 病理状态下的功能及确切机制仍然不是非常明确，后期研究应集中在以下几方面：第一，研究确定 CNS 病理或损伤状态下，不同亚型 TSPs 如何调节突触发生，以及调节星形胶质细胞分泌 TSPs 的上游信号分子。第二，进一步研究 TSPs 下游信号传导组分以及相关受体和结合配体。TSP-α2δ-1 及 TSP-NL 调节 CNS 突触发生的细胞内分子信号和机制需要进一步研究；除 CNS 外，α2δ-1 在骨骼肌、心肌和骨骼中高表达，因此有必要探讨 TSP-α2δ-1 在这些组织中的功能。第三，确定外源性 TSPs 能否恢复成熟神经系统的突触发生能力或增强神经损伤后的突触发生。此外，未来的研究应集中在 TSPs 的体内作用，关注 TSPs 缺乏和过度表达对神经系统功能的影响，以确认它们在突触发生、重塑和功能中的作用，为治疗有关神经系统疾病带来依据。

Funding Statement

甘肃省自然科学基金资助项目（CY2017-MS06）

Natural Science Foundation of Gansu Province (CY2017-MS06)