第四章 神经营养因子

第四章 神经营养因子,掌握要点：1.神经生长因子家族的组成和受体类型2.NGF的主要生物学效应,2,神经营养因子的发现：1934年，Hamburger在鸡胚芽上发现受神经支配的外周组织对神经中枢的发生有调节作用。1948年，Buerker发现向3日龄鸡胚植入小鼠肉瘤S-180，使鸡胚脊神经节和交感神经节明显增大。1952年，Levi-Montalcini 用鸡胚背根节组织培养技术建立了检测促进神经发育的生长因子活性的方法。1960年Cohen从蛇毒和小鼠颌下腺中分离纯化出该物质，并命名为神经生长因子(nerve growth factor, NGF)。20世纪80年代末期，相继发现一系列神经营养因子：脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)神经营养素-3、4/5和-6 （neurotrophin-3, 4/5,-6, NT-3, NT-4/5, NT-6),3,4,1934: Victor Hamburger discovered that removal of a limb bud resulted in reduced numbers of sensory and motor neurons in the spinal cord.,1939: Victor Hamburger showed that transplantation of a supernumerary limb resulted in increased numbers of sensory and motor neurons in the spinal cord.,Eight-day-old sensory ganglia from chick embryos. (a) The ganglion, which faces a fragment of chick embryonic tissue (ct), shows fibroblasts but few nerve fibers. (b) Ganglion cultured in the presence of fragments of mouse sarcoma for 24 h. (c) Ganglion cultured in the presence of fragments of mouse sarcoma for 48 h. In (b) and (c), the ganglia, facing fragments of sarcoma (s), show the typical halo effect elicited by the growth factor released from the sarcoma. In (c), note the first evidence of a neurotropic effect of the growth factor.,5,halo effect,神经营养因子的作用:1. 一种神经营养因子作用于一种神经细胞产生多种效应。促进神经元的存活促进神经元轴突的发生、分支和延伸影响神经肽和神经纤维蛋白的合成,6,营养因子理论(trophic factor theory)： 神经元的生长必须有来自靶组织的神经营养因子逆向专一的作用于支配神经元。,2.一种神经营养因子影响不同类型的神经细胞。神经生长因子：背根神经节神经元、海马胆碱能神经元睫状神经营养因子：睫状神经节神经元、背根神经节神经元、交感神经节神经元、运动神经元和黑质多巴胺能神经元 神经营养因子对不同类型神经细胞的识别统一于这些神经细胞上特定神经营养因子受体的存在。,7,3.神经营养因子不仅来源于靶细胞(靶源性/逆行转运)，也来源于传入神经元及神经鞘细胞(旁分泌)，甚至来源于支配神经元本身(自分泌)。4.不同的神经营养因子可以结合同一受体或受体亚基。 Trk受体：NGF, BDNF, NT-3和NT-4/5 不同营养因子共用一种受体或一种受体亚基，体现了同一类神经营养因子作用相似性的本质。,8,9,神经营养因子的分泌方式,表4-1 神经营养因子的分类,10,11,12,一、 神经生长因子,1952年 意大利科学家Levi-Montalcini发现了NGF。1960年美国科学家Cohen提取纯化NGF，证明其生物活性。1970年Cohen证明NGF是个复合蛋白。1984年NGF的研究重点从周围神经系统拓展到中枢神经系统，乃至非神经系统。1986年Montalcini和Cohen因对NGF研究的杰出而荣获诺贝尔生理医学奖。,13,第一节 神经生长因子基因家族,14,Stanley cohen,Rita Levi Montalcini,Photomicrographs of sensory ganglia removed from an eight-day-old chick embryo and cultured for 24 h at 37 C. Ganglia were cultured (a) in a medium containing no nerve growth factor (NGF) and (b) in a medium containing 10 ng ml1 of NGF.,神经生长因子基因家族：NGF、BDNF、NT-3和NT-4/5 基因都位于1号染色体短臂近端，活性形式均为二聚体，单体分子量14 kD左右，氨基酸序列相似。受体：高亲和力受体：TrkANGFTrkBBDNF和NT-4/5TrkCNT-3低亲和力受体：p75NTR蛋白,15,16,（一）基因和分子结构,NGF基因 mRNA 前体蛋白前体蛋白有两种：长 7S NGF (22三种亚基组成的复合体)短2.5S NGF(亚单位：两个肽链(每个肽链 118 aa)组成的二聚体，分子量26 kD),17,18,Three-dimensional representation of NGF. A, the NGF dimer with each subunit colored differently for clarity. B, the tertiary fold for the NGF subunit. The three disulfide bridges are drawn as whitesticks with green indicating the sulfur- atom.,该家族分子结构的保守性：起始密码子之后的信号肽；与N端相连的糖基化部位和一个蛋白水解的裂解部位；由二对不平衡的-链形成的三维结构，以及6个半胱氨酸残基形成的3个二硫键。,19,神经组织：中枢和周围神经系统的神经元和神经胶质细胞都可以合成NGF，如海马、大脑皮质、小脑、下丘脑、运动神经元、周围神经的脊神经节、自主神经节等。靶源性逆向分泌顺行性分泌旁分泌自分泌,20,（二）NGF的分布,NGF的分布,周围组织：颌下腺(雄性小鼠)、前列腺（豚鼠）、成纤维细胞、平滑肌细胞以及骨骼肌细胞。肿瘤组织（间充质）：成神经细胞瘤、神经纤维瘤、肌肉瘤、脂肪肉瘤、黑色素瘤等。其它来源： 蛇毒：Crotalidae, Viperidae, Elapidae 金鱼的脑 培养的细胞：C6胶质瘤细胞，成纤维细胞瘤细胞， 骨骼肌细胞，肉瘤37和180等,21,一、受体的类型Trk-R包括TrkA、TrkB和TrkC。NGF：TrkA；p75NTRTrk是原癌基因产物，该基因既编码原肌球蛋白，又编码酪氨酸激酶受体，因此称为原肌球蛋白受体激酶(tropomyosin receptor kinase, Trk)。,22,（三）NGF的受体,二、TrkA的分子结构TrkA(P140trkA)受体是分子量140 kD的跨膜糖蛋白，解离常数Kd=10-11mmol/L，是NGF的高亲和力受体。TrkA受体与NGF结合既可以激活内在的酪氨酸激酶活性，又可以作为底物自身磷酸化。,23,24,Alternative splicing generates many Trk receptor isoforms,Roux and Barker (2002) Prog Neurobiol 67:203-233,25,Trk signaling pathways,Ras激活的下游信号1. PI3K-Akt:cell survival2. MAPK: neurite outgrowth and neural differentiation3. PLC-IP3/DAG: activity-dependent plasticity,27,Brodeur G M et al. Clin Cancer Res 2009;15:3244-3250,27,Trk signaling pathways,MEK/MAPK pathway,图4-4,28,29,Activated Trk can signal locally and retrogradely using different signalling pathways,Miller and Kaplan (2001) Neuron 32:767-770,Slow (2-20 mm/hr),30,胞外区：4个重复的富含半胱氨酸的结构域，与配体结合有关。,胞内区：无固定的配体诱导的酶激活域，含有6个螺旋结构的死亡结构域(death domain，DD),三、NGF低亲和力受体：p75,Kd=10-9M (all neurotrophinscan bind p75NTR),31,P75 recruits cytoplasmic interactors to signal,P75 蛋白可以与神经生长因子家族的任一成员结合。增强TrkA与NGF结合；单独发挥作用，参与神经系统发育过程。 p75-小鼠：感觉神经元和交感神经元缺损 在胚胎发育的不同时期作用也不同：胚胎第12-15天：P75蛋白与TrkA共同维持神经细胞的生存和生长；胚胎第19天-产后第2天：P75蛋白可以介导细胞凋亡。,32,1. NGF对胚胎发育期神经元的作用 促进胚胎期神经元的分化，维持已分化神经元的功能，维持胚胎期神经元的存活。分化：加快分化速度，促进神经纤维生长。 促进分化的定性标志：选择性诱导神经递质合成酶活性增强(酪氨酸羟化酶、多巴胺-羟化酶、乙酰胆碱转移酶)。存活：交感神经免疫切除胚胎早期：促进有丝分裂胚胎晚期：限制神经元最终数目,33,（四）NGF的多种营养性生物学效应,34,2. NGF促进生后发育神经元的生长促进神经元蛋白质的合成；引导神经纤维的生长方向：趋化作用调节突触形成和突触重排 ：对突触部位神经活动的聚合和分散进行调节：神经活动的时间安排：先到先得NGF神经活动的空间安排：靶神经元树突多突触聚合,35,36,Campenot, RB (1977) Local control of neurite development by nerve growth factor. Proc Natl Acad Sci U S A. 74(10):4516-9.,NGF引导神经纤维的生长方向：趋化作用,3. NGF维持成熟神经元的存活外源性NGF(10 ng/ml)能够有效促进交感神经元，脊神经节细胞的长时间存活，保持细胞内适当的钙离子浓度是NGF促进存活的重要机制。NGF与凋亡相关基因c-myc共同调节细胞凋亡双信号模式：细胞增殖：生长因子 (+) ；c-myc (+)细胞凋亡：生长因子 (-)； c-myc (-)诱导神经元轴突出芽生长,37,4. NGF促进神经损伤的修复和再生运动神经元胚胎和生后发育早期：表达NGF受体成年期：不表达NGF受体神经纤维损伤向胚胎期逆转，启动NGF受体 mRNA表达增加5.NGF对神经变性性疾病的作用Alzheimers disease,38,6.NGF对肿瘤的潜在性治疗作用正常嗜铬细胞：促有丝分裂生长繁殖PC12嗜铬细胞瘤细胞：拮抗有丝分裂，并促进其分化为正常的神经细胞7.NGF在炎性疾病中的作用NGF在关节炎、哮喘、气道炎症、周围组织炎症的水平明显升高；增加气道高反应性8.NGF在糖尿病周围神经病变中的治疗作用主要机制：靶源性NGF的逆行运输受阻周围神经靶组织内NGF mRNA表达下降，病人血清中NGF下调针对周围神经病变，给予重组人NGF,39,40,The Role of Nerve Growth Factor (NGF) in Asthma.,During an allergic asthma attack, increased amounts of NGF are produced by bronchiolar smooth muscle cells, endothelial cells, and infiltrating immune cells. The interaction of NGF with NGF Receptors (NGF R/p75 NTR; TrkA) on sensory neurons amplifies neuronal sensitivity, while the interaction of NGF with its receptors on hematopoietic cells promotes cellular activation and infiltration of the bronchiole.,41,Release of NGF produces sensitization of the peripheral terminals of sensory neurons.,1. 对胆碱能神经元的作用促使培养的胆碱能神经元的存活和表型分化(ChAT) BDNF胆碱能神经元的早期发育NGF 胆碱能神经元的晚期发育2.对多巴胺能神经元的作用促使培养的多巴胺能神经元的存活和分化NGF没有类似的作用BDNF多巴胺神经元的早期发育(与P75结合 增加酪氨酸羟化酶基因表达),二、脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor, BDNF)的生物学作用,42,3. 对运动神经元的作用促进运动神经元的发育，防止发育中的运动神经元凋亡，维持成年运动神经元的存活，促进受损伤的运动神经元的存活和轴突再生。4. 对感觉神经元的作用 维持外周感觉神经元的存活所必需：脊神经节、前庭神经节、结状神经节感觉神经元可以表达BDNF和TrkB，通过自分泌和旁分泌环路维持感觉神经元的存活5. 对神经元变性性疾病有治疗作用。AD: 胆碱能神经元退行性变PD: DA能神经元退行性变,43,二、NT-3的作用1.维持神经元的存活，促进其分化与增殖对多种神经元均有营养作用促进在体少突胶质细胞前体细胞的增殖分化对神经元的保护作用的机制：维持细胞内钙离子稳态，抑制细胞凋亡，促进细胞功能恢复。2.诱导神经元轴突生长促进背根节感觉神经元、迷走神经结状神经节、交感神经节的轴突生长促进发育和损伤的轴突出芽3.促进神经损伤修复,44,三、NT-4/5的作用1.维持神经元的分化和存活胆碱能神经元、去甲肾上腺素能神经元、GABA能神经元、多巴胺神经元增强神经元对钙介导损伤的抵抗力2.对外周神经损伤有修复作用对受损伤的脊髓前角运动神经元有保护作用3.对味觉发育的作用维持菌状乳头的发育和生长4.对视觉中枢发育中的作用影响眼优势柱和外侧膝状体分层结构的发育,45,1940年，Trowell和Hoffman在脑和垂体组织提取液中发现一种可以促进成纤维细胞增殖的物质；1974年，该物质被Gospodarwicz从牛脑垂体中分离纯化，并命名为成纤维细胞生长因子（FGF）； 酸性纤维细胞生长因子（aFGF） 碱性纤维细胞生长因子（bFGF）目前，FGF家族有23个成员,46,第二节 成纤维细胞生长因子,一、分子结构,FGF-1, acidic FGF, 140AAFGF-2, basic FGF, 146AAFGF-3, interleukin-2, 243AAFGF-4, kaposi-FGF或Hst-1, 206AAFGF-5, 267AAFGF-6 194AAFGF-7, Keratinocyte growth factor,FGF-8, androgen inducible growth factor,FGF-9, glial activating factor,Until now FGF-23,47,二、分布,(一) central neuron system, bFGF胚胎期：端脑：神经细胞核周质、大突起间脑、中脑和脊髓：神经纤维星形胶质细胞和血管内皮细胞成年期：室管膜细胞、脉络丛上皮细胞、血管内皮细胞、海马CA2区机械性、化学性脑损伤或脑缺血 bFGF mRNA和蛋白表达上调(二)other systems皮肤、肝、泌尿生殖、胃肠道、循环、内分泌和淋巴各种类型