[科普中国]-胶质细胞源性神经营养因子

来源和结构

胶质细胞源性神经营养因子(glial cell derived neurotrophie factor，GDNF)是由Lin等(1993)从鼠胶质细胞株B49的条件培养基中分离纯化获得的一种神经营养因子，且由此而命名。以纯化的GDNF的氨基端序列制作探针，克隆得到大鼠和人的GDNF基因。人GDNF前体蛋白为211个氨基酸残基(其中信号肽19个氨基酸)，加工处理后才形成分泌型的成熟蛋白，有134个氨基酸，是一个糖基化的二硫键连结的同源二聚体蛋白质，分子量为32~34kD，为碱性蛋白质。

1996年，在中国金黄地鼠和人的卵巢中还发现另一种与GDNF结构和功能相似的神经营养因子一Neuorturin(NTN)，氨基酸序列与GDNF有42%相同。随后针对GDNF和NTN的高度同源区设计引物，克隆并发现了GDNF家族的两个新成员——persephin(PSP)和artemin(ART)。GDNF、neuroturin、persephin和artemin是一类结构相似、功能相关的分泌型蛋白质，都具有7个保守的半胱氨酸残基，具有相似的空间结构，核苷酸序列、氨基酸顺序也具有较高的同源性。它们共同构成转化生长因子一β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的一个亚家族，在生理功能、受体、信号传导途径等方面都具有相似性。

分布GDNF在中枢神经系统的不同脑区均有表达，较为肯定的细胞来源有Ⅰ型星状胶质细胞、黑质一纹状体系统和基底前脑的神经元等。在DA神经元投射区如基底节、嗅结节，与某些运动有关的神经结构如无名质、小脑蒲肯野细胞和三叉神经运动核，与某些感觉有关的结构如丘脑、三叉神经感觉核、脊髓后角和背根节以及蓝斑核等均有相当的GDNF mRNA表达。人脑的海马、皮质和脊髓中也有GDNF mRNA表达。发育期GDNF表达的量较多，而成年期则很少，不易测出。

体外培养显示Schwann细胞与星状胶质细胞一样，能合成和分泌GDNF。外周神经的交感神经节和脊神经后根节有较低的GDNF mRNA表达。许多外周器官如松果体、肾、心、肺等内脏和唾液腺、性腺(睾丸Seaoli细胞)、肢芽细胞、骨骼肌及皮肤、触须、视网膜等在发育形成中却有很高的GDNF mRNA表达。GDNF在周围器官中的表达程度比在神经组织要高。

GDNF受体1、结构

GDNF受体(GDNF receptor)是多成分复合物，复合受体由两部分组成，一部分是由固定于胞膜外层的GPI(糖基磷脂酰肌醇)键锚定在细胞表面的糖GPI连接蛋白，称为GDNF家族受体α(GDNFRα，GFRα)，另一部分为酪氨酸激酶Ret蛋白。Ret为GDNF的功能性受体，是c—ret原癌基因的编码产物，为受体酪氨酸激酶超家族的一员。GFRα能特异性地结合GDNF家族成员，促使Ret磷酸化，磷酸化的Ret激活其下游的丝裂原活化蛋白激酶MAPK、P13激酶等，导致一系列胞内途径的激活，从而发挥GDNF家族神经营养因子的生理功能。

目前的研究表明GFRα至少有4种，即GFRα1、GFRα2、GFRα3、GFRα4。不同的因子与不同的受体结合，其亲和力不同。GFRα1是GDNF的高亲和力受体，NTN与GFRα2结合；ART与GFRα3结合；PSP的受体GFRα4只在鸡的组织中表达。这4种受体分子中GFRα1和GFRα2的同源性最高，GFRα3、GFRα4的同源性最低。

2、信号转导

由于GFRα是GPI连接的胞外蛋白，缺乏跨膜和胞内结构域，无法单独完成信号传导。神经营养因子与GFRQ特异结合之后，尚需跨膜蛋白即Ret介导、协同作用，共同完成GDNF家族神经营养因子的信号传导。GDNF同源二聚体分子可直接与单亚基或双亚基的GFRα1结合形成复合物与Ret相互作用，导致Ret的二聚体化，激活Ret，引起自身的磷酸化。Ret可激活几条经典的酪氨酸激酶信号途径。包括：Ras—MAPK、PI—3K、JNK和PLC—γ等。与NTs信号途径类似，GDNF的促神经元存活和突起生长的作用是通过Ras—MAPK信号途径实现的，GDNF对培养的多巴胺能神经元促生长和分化的作用则是通过PI—3K信号途径实现。

一般认为只有GFRα和Ret同时存在，GDNF才能发挥作用。最近有实验表明，GDNF也能与Ret直接作用，或GDNF亦可不借助Ret而直接通过GFRα1受体激活细胞内信号转导途径。

3、分布

已知对GDNF有效应神经元的脑区均发现有GDNFR的表达，如嗅球、梨状皮质、隔核、斜角带核、终纹床核、杏仁体、黑质致密部、导水管周围灰质、上丘、脚间核、新皮质、扣带回、海马的CA1、CA3区和齿状回，小脑蒲肯野细胞，间脑内、外侧缰核、网状核、未名带和下丘脑，脑干的下丘、三叉神经运动核、舌下神经核、面神经核、蓝斑和脊髓的前、后角等。在脊髓前角α一运动神经元和背根节的大、小神经元均有GDNFR—αmRNA和Ret mRNA的表达，阳性物质主要位于胞体和突起上，脊髓白质的神经纤维和背根节的神经突起上也有GDNFRα的分布。

GDNF的生物学效应GDNF属于NTFs，它的作用方式主要是靶源性的，另外可能还有旁分泌和自分泌的作用方式。GDNF作用力强，且有更为广谱的神经营养作用。

1、促进DA能神经元的存活

体内、外实验均证明GDNF对DA神经元有高度的亲和力，是DA神经元的一个高度特异性神经营养因子。它不仅对体外培养的胚胎中脑DA能神经元有明显的营养和促存活与分化作用，使神经元胞体增大、轴突延长；而且在体内，对黑质、纹状体DA能系统亦有保护和修复作用。用MPTP处理小鼠，或用6一羟基多巴(6-OHDA)处理大鼠，处理之前或之后注射GDNF于黑质或纹状体，能降低MPTP或6—OHDA对DA能神经元的损伤，阻止DA能神经元的退变，诱导残存的DA能神经元长出新的突起，恢复其DA水平和DA能神经纤维的密度，动物的运动行为亦有明显改善。由此可见，GDNF有可能应用于人类Parkinson病的治疗。

2、支持运动神经元的存活

GDNF还是目前最强的胆碱能运动神经营养因子，几十至几百倍于BDNF和CNTF对运动神经元的作用，支持运动神经元的存活。如用海人酸或毛果芸香碱损伤脑内神经元，能导致癫痫发作并能诱发海马、纹状体和皮质等区的GDNFmRNA表达，提示GDNF在神经元的损伤过程中同样起保护作用。

GDNF和GFRα1缺陷的大鼠胚胎呈现出脊髓和颅内运动神经元的显著性丢失及其濒死细胞的相应增加，而Ret敲除大鼠的所有运动神经元种群均发生显著性丢失。相反，GDNF肌肉特异性过表达或子宫内给予GDNF治疗能促进运动神经元的存活，由此可得出，GDNF确实是运动神经元赖以生存的营养因子。GDNF对出生后运动神经元的主要作用是促进轴突末端的分支及突触构建。

将GDNF基因转染细胞(BHK细胞)放进含有脑和脊髓运动神经元培养液中，能增加这些神经元胆碱乙酰转移酶(ChAT)活性，延长轴索长度，减少它们的正常凋亡。在切断新生或成年大鼠面神经后，系统或局部使用GDNF能防止离断轴突的面神经运动神经元的死亡和萎缩，并可明显降低因损伤导致的面神经核ChAT的免疫反应减弱。在切断鸡和小鼠的轴突后，应用GDNF还能防止脊髓运动神经元死亡和萎缩。在用损伤诱导成年小鼠脊髓运动神经元退变的模型中发现，用GDNF治疗可防止50%神经元的丢失，且使运动神经元体积增大。因此，GDNF有可能用于神经移植或神经再生的应用领域。

3、对交感、副交感和感觉神经元的营养作用

GDNF能促进多种外周神经元包括交感神经元、副交感神经元及感觉神经元的存活。GDNF不仅对发育中的神经元有营养作用，而且能促进培养的交感和副交感神经元及本体感觉、内脏感觉和皮肤感觉神经元的存活。GDNF、GFRα1或Ret缺陷大鼠中副交感神经节一耳神经节和蝶腭神经节缺失，来源于迷走神经和骶部副交感的肠道神经元和胶质细胞亦呈现出显著性丢失，出生时完全缺乏肠源性的神经供应，表明GDNF及其受体对这些副交感神经节的发育以及副交感神经元前体的迁移和增殖是至关重要的。

在缺乏GDNF基因家鼠中，感觉神经元的分化受阻，C—Ret明显减少。位于颞骨岩部神经节的初级感觉神经元支配颈动脉球参与呼吸调控，出生前，这些神经元需要靶源性GDNF(或BDNF)才可存活，因此，GDNF和Ret缺陷的大鼠会出现呼吸紊乱。

GDNF对其他神经元也有促进存活作用。它可促进蓝斑的去甲肾上腺素能神经元的存活，使蓝斑神经元免遭6-OH多巴的毒害和促进中枢去甲肾上腺素能神经元的表型；也能防止因基底前脑胆碱能神经元损伤造成的死亡和萎缩；对小脑蒲肯野细胞的存活及分化也同样起重要作用。

4、影响神经元的发育和分化

不同脑区在不同发育期的GDNFmRNA表达的量有所不同，如纹状体在生后零天(P0)表达量达高峰；小脑在出生时和成年期有一个短暂的高表达。随年龄的增长，中枢神经系统的GDNFmRNA水平出现明显下降趋势，到成年期，大部分区域仅有很低表达。因此，GDNF可能对发育期的多种神经元的存活和分化起重要作用。

5、对非神经系统的作用

除神经系统以外，GDNF对非神经系统也有作用，GDNF对肾脏的发育也是必需的。缺乏GDNF的小鼠肾脏发育不全，出现肾畸形。进一步的研究提示，GDNF对于输尿管肢芽的发育也有重要作用，肾脏集合管的形态发生与GDNF有关。可见，除了促进神经系统的存活之外，GDNF对非神经系统的发育也起重要作用。

6、GDNF的基因敲除动物模型

gdnf-、gfmα1-或vet-knockout小鼠表现出相同的表型，即肾脏发育不全和胃肠道神经支配缺失，出生后不久全部死亡。gdnf-knockout大鼠中脑DA能神经元无明显改变，可能有其他NT代偿GDNF的作用。腰部脊髓运动神经元仅减少21%，颈上交感神经节中减少23%的神经元，睫状节神经元减少40%1。