[医药卫生]神经营养因子.ppt

神经营养因子 Neurotrophic Factor,简介,半个世纪前，发现细胞外的信号能促进神经细胞的生长、分化。 1948年，Bueker 首次提出存在NGF。 Rita Levi-Montalcini和Victor Hamburger也证明了存在着促进这些神经节中神经元生长的可溶性物质。 Levi-Montalcini将一小片含有感觉神经元或交感神经元的组织放入培养皿中，发现来自肌瘤的细胞非常剧烈地刺激神经突起(neuritic) 向外生长 。,直到十年前，才阐明生长因子和细胞内信号转导级联反应的分子多样化。 生长因子信号转导的失调可能以神经退化疾病为基础，例如Alzheimer 病、Parkinson 病、亨廷顿(huntington)病和肌萎缩侧面硬化（ amyotropic lateral sclerosis）。 某些神经生长因子为细胞因子。,神经营养因子的定义,作用于神经系统，影响神经元和神经胶质细胞生长、分化、存活及其细胞周期的分子。 此分子是具有以上功能的蛋白质，有别于非肽分子，如甾体激素、视黄醛酸和神经递质。 由效应器产生，作用于神经元或神经胶质细胞。,神经营养因子分类,神经营养素(Neurotrophins)家族,包括神经生长因子( NGF )、脑源性神经营养因子(BDNF)、神经营养素(NT)37及源自非哺乳动物的神经营养素;胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)家族,包括发现的NTN、PSP、ART (artemin)、RNV (renovin);细胞因子家族（CNTF ）,包括睫状神经营养因子、白介素-6(IL-6)、白血病抑制因子(LIF)及心肌营养素-1(,CT-1);成纤维细胞生长因子(FGF)家族。此外,还有胰岛素样生长因子(IGF)、表皮生长因子等。,神经营养因子的特性,神经营养因子在特殊的神经元和神经胶质细胞中合成为蛋白质。 部分贮藏在这些细胞（或大密集核囊）中，部分被转运到神经末梢或树突伸展区。 活性合成可能主要取决于它们的释放。某些取决于细胞的去激化。 除蛋白水解的降解外，某些因子（如BDNF）被功能性非活性受体隐蔽，这些受体限制了它们的扩散以及它们持续活动时间。 合成和活性的配对导致了在神经元和胶质细胞间的细胞内信息高度复杂形式。,神经营养因子的作用位点,经典模型：靶细胞分泌的神经营养因子作用于受神经支配的神经末梢。 旁分泌传递：在缺乏突触连接形式时，由邻近细胞（神经元或神经胶质细胞）释放的一种神经营养因子作用在许多邻近神经元上。 自分泌传递：神经营养因子作用于释放它的神经元上。 顺序传递由神经细胞末梢释放的神经营养因子作用于这些细胞末梢的突触靶上。,NTF与神经肽的区别,NTF与神经递质的区别,NTF在神经系统发育中的角色以及神经递质在成年细胞的突触传递中的角色，这些分子的作用出现重叠。 NTF由神经元合成并改变其它神经元的功能；甚至可作为神经元的活性结果释放。NTF在触发那些不能由经典神经递质相关突触传递鉴别的神经元迅速产生变化。 许多神经递质不仅迅速引起突触传递的改变，而且能潜在地影响发育期神经元的生长和分化，影响这些神经元的存活以及成年表型的分化。,神 经 营 养 因 子 受 体 Neurotrophins Trk （R-PTKs） NGF、BDNF、NT-3、NT-4 TrkA 、TrkB、TrkC1 GDNF family Coupled to Ret GDNF 、neurturin、persephin GFR1、GFR2、 nuknown CNTF family Coupled to Janus kinase（JAK ） CNTF、LIF、IL-6 GP130、CNTFR、LIFR Ephrins Eph (R-PTKs) EGF family ErbB (R-PTKs) EGF, TGF, neuregulns2 Other growth factors R-PTKs Insulin, IGF, FGF, PDGF Interleukins and related cytokines IL-IR coupled to PS/TK, R-PTK IL-1, IL-2, IL-3, IL-5,TNF, TNF Coupled to JAK, Related to p753 TGF family TGF R-PS/TRs Other cytokines Coupled to JAK, R-PTKs Interferons (IFN, , ), m-CSF, gm-CSF Coupled to JAK Chemokines G protein-coupled receotors CC chemokines (IL-8) CC1-CC8R CXC chemokines (MIP, MCP) CXC1-CXC4R CX3C chemokines (neurotactin) Cx3C1R,分类,一、神经营养素(Neurotrophins),Neurotrophins是分子量较小的蛋白质，主要通过Trk受体产生生物效应。 家族组成：NGF、BDNF、NT-3、NT-4 。 作用,NGF的结构,由三种不同类型的蛋白质组成的复合物。它对交感神经和感觉神经元残基的生物学活性取决于其亚单位。,NGF的作用,不能引起神经元或其前体细胞的有丝分裂。对神经元的存活、形成及活动有深刻的影响。 在交感神经元的正常发育及成年动物的维持中起作用。交感神经元或感觉神经元支配的靶细胞提供NGF，保证了它们的突触传入的存活。 NGF可能抑制了神经元死亡。 NGF在交感神经发育时对轴突生长的方向性提供了一个化学信号。 促进胆碱能神经元的存活。,神经营养因子作用,（一）神经系统退变性疾病 帕金森病(Parkinson disease,PD)、阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)和肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)等都是中老年常见的CNS退变性疾病,（二）神经系统肿瘤,由于大脑处于颅骨包绕的微环境,血液中的药物不易透过血脑屏障;加之肿瘤细胞的生长和浸润的自身特性及CNS较差的免疫监视作用,使得脑肿瘤外科治疗和放疗均不能根治。NGF、BDNF、GDNF进入脑中,有望在治疗颅内肿瘤方面另辟蹊径。,（三）脑缺血,缺血性的脑损害激活神经元的离子通道,引起钙离子浓度过度增加;此外,脑细胞缺氧造成无氧酵解,进而能量耗竭,兴奋性氨基酸释放,继发自由基损害,神经元变性坏死。NTFs通过与相应受体结合,稳定体内钙离子浓度(克林澳),增强神经元抗缺血作用,维持损伤神经元存活,促进恢复。,（四）癫 癫,癫癫发作时,NTFs家族的受体数量发生变化,NGF、BDNF的mRNA表达增加,神经纤维机化程度改变,神经胶质增生,出现神经细胞死亡。NTFs可促进神经纤维再生,延缓或阻止癫痫发作引起的神经元变化。,神经营养素作用的神经元细胞类型,NGF保证交感神经元和感觉神经元突触传入的存活。 NGF促进胆碱能神经元的存活。 BDNF、NT-3和NT-4能促进某些运动皮层和海马神经元的存活。 神经营养素能促进位于脑干中的去甲肾上腺素激活的、多巴胺激活的、血清素激活的神经元的存活。,Trk受体在神经细胞中的分布,TrkA受体主要在交感和感觉神经元上发现，少量的脑内神经元上也有。 TrkB、TrkC受体存在于大多数神经元上。 Trk截断形式主要存在于星形细胞和少突胶质细胞中。,P75受体,分子量为75kDa的蛋白质 与神经营养素的结合亲和力较低 可介导Trk的信号转导。增强Trk的磷酸化作用，提高Trk的活性。 p75可能允许Trk受体应答低浓度NGF和其它神经营养素。 是细胞死亡途径的一个关键角色。,神经营养素的信号转导途径,Ras信号转导途径 Ras 蛋白： 1. 21kDa的磷酸化蛋白。 2. 在钝化的GDP-结合态和活化的GTP-结合态之间转变。 3. 与GTP结合，使细胞生长保持活性，刺激细胞过量增殖。,PC12细胞及NGF作用的机制,来源于嗜铬细胞瘤(pheochromocytoma) PC12细胞膜上有TrkA和p75受体。 NGF处理的PC12细胞可刺激神经突起的生长。 注射活化Ras可刺激神经突起的生长。 激活形式的Raf激酶使突起生长，模拟NGF的作用。 注射突变MEK酶编码的DNA也可使突起生长。,Ras信号转导途径疾病,神经营养因子激活的细胞内信号转导途径的缺陷能导致细胞过量增殖，引起各种疾病。 神经纤维瘤病（neurofibromatosis)是一种由Ras调节蛋白的突变引起的遗传性疾病。 致瘤Ras基因具有的突变体能通过以下二种状态引起Ras保持固有的活泼状态： 1. 降低Ras GTP酶活性 2. 使Ras对GTPs调节的反应迟钝。,神经营养素和Trk受体knockout小鼠,翻译NGF或TrkA的基因被钝化的小鼠，在三叉神经系统嵴根节处的交感神经元和感觉神经元丧失。 NGF和TrkA knockout小鼠，前脑基底部的胆碱能神经元部分丧失，并影响海马和小脑皮层。 TrkB knockout小鼠，头盖运动神经元、三叉神经节神经元出现死亡。 BDNF knockout小鼠，面部和脊椎运动神经元无丢失。 肌萎缩外侧硬化症(amyotrophic lateral sclerisis )以皮层和脊椎运动神经元的退化为特征。,神经营养素的作用,NGF刺激神经突起的生长。 BDNF维持运动神经元的存活。 NT-4对发育期运动神经元的存活是重要的。 NT-3维持运动神经元的存活没有BDNF、NT-4好。,二、GDNF家族,首次从中脑维持多巴胺能神经元存活的神经胶质细胞株的细胞培养中分离。Glial cell line-Derived Neurotrophic Factor GDNT，分子量为18kDa糖蛋白，通过二硫键连接成二聚体。 GDNF家族还包括Neurturin、persphin,插入受体蛋白称为GFR1，它是一个分子量约为40kDa的蛋白质，通过糖磷脂酰肌醇（GPI）GFR1被锚定在浆膜上。 GDNF结合触发GFR1与Ret联合，Ret它是一种跨膜酪氨酸激酶蛋白，分子量为150kDa。 此结合导致Ret活化，这就是通过触发特殊底物的磷酸化导致许多GDNF的生物效应。 Ret的 loss-of-function突变体与人类Hirschsprung病 一致。 Ret的gain-of-function突变体与人类神经嵴恶性肿瘤一致，如多重性内分泌瘤和髓状甲状腺癌。,GDNF家族的作用,维持多巴胺能神经元的存活。 Parkinson病是由中脑多巴胺能神经元的退化引起的，GDNF可有治疗前景。 Neurturin作为治疗Parkinson病的另一因子。 是神经系统外的重要生长因子。,三、细胞因子家族 (Ciliary neurotriphic factor，CNTF),CNTF是鸡睫状节神经元存活的必需因子，分子量为24kDa。 除CNTF外，包括白血病抑制因子(LIF)、IL-6、泌乳刺激素(prolactin)、生长激素、leptin、干扰素及制瘤素-M等 CNTF、LIF及IL-6，它们最初的名称为细胞因子 。 神经胶质细胞普遍被认为是脑中CNTF、LIF、IL-6的初始和唯一的来源。,CNTF的作用,CNTF可调节交感神经元、感觉神经元、运动神经元、海马神经元及中脑多巴胺能神经元的存活和分化。 LIF和IL-6被认为有相似的调节神经元的生长、分化及血统承担义务。 IL-6促进透明隔胆碱能神经元、中脑儿茶酚能神经元及下丘脑神经元的存活。,CNTF 和CNTFR的作用,CNTF敲除小鼠发育正常，在成年期间展示仅仅中度运动神经缺乏。 约 2.5%的日本人是非活性CNTF突变纯合子，他们是人类CNTF“敲除体”，这些个体发育没有明显的缺陷。 小鼠缺乏CNTF-结合蛋白CNTFR就失去了几乎所有的运动神经元，并在出生后24小时死去。,免疫细胞因子的作用,IL-1、IL-6、TNF、转移生长因子-（TGF）也介导CNS应答免疫挑战。 神经胶质细胞（特别是小胶质细胞-CNS中的巨噬细胞）和星形胶质细胞中合成。 活化的神经胶质细胞通过重建正常动态平衡来总体帮助大脑恢复。 细胞因子免疫应答水平的提高与一些神退化疾病有关，包括Alzheimer病 。,神经损伤和凋亡,神经细胞死亡的两种机制： 神经营养因子的撤离及随后至关重要的信号转导途径失活。 触发细胞死亡的独特途径激活。,p75参于细胞死亡途径： 有一个类似于TNF结构的死亡结构域，通过细胞膜上神经鞘脂产生的神经酰胺来激活凋亡。 应答NGF撤离时触发凋亡。,细胞凋亡途径,细胞死亡或存活取决于死亡信号和存活信号之间的动力学平衡。 跨膜受体如Fas、TNF和p75的死亡结构域激活caspase。 在离体，凋亡触发物之一是神经营养因子的撤离。神经营养因子受体能激活前存活信号转导级联反应。,凋亡在神经系统中的作用,程序性细胞死亡必须被看成是一种生物体存活必要的机制。 在神经系统，它能够修剪发育期过剩的神经元，并在神经细胞间形成解剖学上精确且准确的连接。 但是，累积的证据指明神经元死亡的凋亡机制可能对几种神经退化疾病和消耗脑功能伴随老化有贡献。 应考虑将注意力集中在发展干扰这些过程的药物试剂上。,NTF在治疗神经退化疾病中的应用,BDNF、GDNF在动物模型中，能提高多巴胺能神经元的存活。 NGF治疗Alzhemer病时，年老的大鼠在完成记忆任务的能力上有所进步。 Wobbler突变小鼠患有进行性运动神经元缺失，用BDNF、CNTF治疗，显示缓慢或停止运动神经元的退化。,应用的难点,NTF是相对大的蛋白质，传输到CNS是一个显著的挑战。 BDNF有很好的耐药性；NGT高剂量产生耐药性。 病人易产生CNTF抗体。 高剂量病人，产生严重毒性。 外源性神经营养因子类药物在细胞培养中效果明显，在动物模型和临床上效果不佳。,小 结,1. 神经营养因子是一种支持神经元的生长、分化及成活的多肽。 2.与多肽的神经递质相比，神经营养因子是通过酪氨酸激酶的活化产生作用的，酪氨酸激酶也可能是神经营养因子实质上的受体或者是分离的蛋白质。 3.在适当神经营养因子缺乏的情况下，神经元通过程序性死亡（成为凋亡）而死举例。,举例,正常成人脑重1500g，占体重的23%，流经脑组织的血液7501000ml/ min，表明脑血液供应非常丰富，代谢极为旺盛。能量来源主要依赖于糖的有氧代谢，几乎无能量储备。因此脑组织对缺血、缺氧