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中国临床神经科学 2013年第 21卷第4期Chin J Clin Neurosci 2013, 21 (4), 463 ̄467463进 展Notch信号通路在神经干细胞分化与再生的研究进展郭红梅,王晓梅(苏州大学附属第一人民医院 215006 )关键词    Notch信号通路; 神经干细胞; 分化; 再生摘要    Notch信号通路是旁抑制效应调控神经干细胞分化及再生的重要信号通路之一, Notch信号通路维持神经干细胞静态,抑制神经干细胞的分化,对调节神经再生具有重要作用。Research Progress of the Notch Signaling Pathway in Neural Stem Cell Differentiation and RegenerationGUO Hong-mei, WANG Xiao-mei   The First People’s Hospital Affiliated to Soochow University, Suzhou215006, ChinaKEY  WORDS   Notch signaling pathway;  neural stem cell;  differentiation;  regenerationABSTRACT   Notch signaling pathway was one of the inhibiting effect important signaling pathway in theregulation of neural stem cell differentiation and regeneration. Numerous studies showed that this pathwayplayed an important regulatory role in the differentiation of neural stem cells and regenerative process.1917年,Morgan及其同事[1]在果蝇体内发现了一种基因,因其功能部分缺失可导致果蝇翅缘出现缺口,故命名该基因为Notch。Notch信号通路在神经干细胞的分化与再生过程中发挥着重要的作用。文中综述Notch信号通路在神经干细胞(neural stem cell,NSC)的分化与再生过程中起重要作用的研究进展。Notch信号通路的结构Notch家族成员具有高度的保守性,已知的脊椎动物有4个Notch同源基因(Notch1 ̄4)和5个配体(Jagged1,2 ;Delta 1,2,3)[2 ̄4]。Notch蛋白是一种细胞表面跨膜受体,其胞外段包含表皮生长因子样重复受体,可与配体的Delta等相互作用。配体一旦与受体结合,在早老蛋白-1(presenilin-1)/γ-分泌酶[5]作用下Notch发生2次溶蛋白性裂解,向细胞膜内侧释放出NICD (Notchintracellular domain)[6]。NICD 转移进入细胞核,与相应的DNA结合蛋白(CBF1-suppressor of hairless-lag-1,CSL)结合,NICD-CSL通过多种复杂机制引起相应靶基因中枢神经系统的发育和组织特异性碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)基因家族如HES的表达(图1)[7,8]。Notch 信号通路的调节旁抑制效应   旁抑制效应是指当一群同能细胞暴露于同型细胞表达的一个特定分化信号时,少部分Notch表达水平较低的细胞发生分化,而其他表达较高的Notch细胞不发生分化。当出现第2个分化信号时,剩余的未分化细胞中表达较低水平Notch的细胞向另一方向分化,其他表达较高的仍不分化。Notch信号会上调[文章编号][基金项目][作者简介][通讯作者]1008-0678(2013)04-0463-05                 [中图分类号]  R741.02                [文献标识码]  A上海市科委自然基金(编号:11ZR1428000);上海市卫生局科研基金(编号:2010078)郭红梅,女(1986-),在读硕士研究生,主要从事神经内科临床工作。王晓梅,E-mail:wangxiaomei1962@yahoo.com.cn

464中国临床神经科学 2013年第 21 卷第4期图1   Notch信号通路示意图[8]Fig 1    Notch signal pathway[8]细胞膜表面的Notch分子,同时下调其配体Delta的表达。这种正反馈机制使发育早期细胞Notch及其配体表达的细微差别在发育过程中被逐渐放大,从而决定了细胞的不同分化方向。旁抑制效应被认为是决定NSC分化的一个关键环节[9 ̄11]。因此旁抑制效应抑制NSC的分化,促进NSC的增殖。Numb的作用   Numb是细胞内存在的一种Notch信号的对抗蛋白,它的存在是很多种属NSC分化的决定性因素[12]。后续的研究逐渐发现Musashi可以有效地抑制Numb的作用[13]。因此Musashi和Notch执行着同向功能,共同抑制NSC的分化,有利于NSC的增殖。Notch信号通路在NSC分化和再生中的作用成年NSC的来源   Reynolds等[14](1992)先后从成年小鼠纹状体和海马中分离出NSC,首先打破了成年哺乳动物中枢神经系统不能再生这一传统观念,进而提出了NSC的概念。NSC 是一类具有多项分裂潜能和自我更新能力的母细胞,其组织融合性好,可以与宿主的神经组织良好融合,在宿主体内长期存活,并具有分化形成神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的多潜能特性。然而NSC的来源仍存在争议,一项模型实验研究认为[15,16]:放射状星形胶质细胞表达GFAP阳性蛋白,是静止NSC的来源,在嗅球能够生成神经元和少突胶质细胞; 在成年海马,GFAP阳性蛋白放射状的星形胶质细胞能够产生齿状回(dentate gyrus)颗粒细胞。另一项模型实验研究认为:在成年海马模型,Sox2阳性的非放射状细胞能够产生新的神经元和胶质细胞[17],血系追踪一小部分Sox阳性细胞表达在NSC、神经元、星形胶质细胞,同时表明Sox2阳性的细胞具有自我更新和分化的能力。在这种争论下,这两种模型可能表明,在成年大脑,多能NSC类型的共存[18]。随着克隆技术的发展,追踪正常动物的血系将会从时间和空间解决这个问题[19]。Cre重组酶诱导的小鼠在特殊的NSC亚型中表达有利于促进解决这个问题[20]。而且在啮齿类动物的胚胎和成年皮质中,延时成像有利于分析NSC的组织切片[21]。类似的成像方法,甚至在体内植入后的一个微型透镜将有利于追踪个体成人NSC的切片[22]。这些方法可能有利于解决NSC的来源。

中国临床神经科学 2013年第 21卷第4期465成年神经再生的部位   目前已经证实,成年哺乳动物中枢神经系统中存在2个高密度NSC聚集区:侧脑室壁的脑室下区(subvent ricular zone,SVZ)和海马齿状回的颗粒下层(subgranular zone,SGZ)。SVZ能够产生瞬时增殖细胞,依次生成神经细胞[23],生成的新生神经元通过喙侧迁移流(rostral migratory stream,RMS)迁移到嗅球。到达嗅球的未成熟神经元迅速离开RMS,迁移到小球,在小球分化为不同亚型的中间神经元,大部分成为γ-氨基丁酸(GABA)能神经元。这些神经元缺乏轴突,形成树突,一小部分变成GABA能的球旁细胞层神经元,有一部分是多巴胺能神经元,还有一部分新生的神经元是谷氨酸能的近血管球的神经元[24]。在成年SGZ,增殖的放射状颗粒细胞和非放射状颗粒细胞生成中间体NSC,它们依次生成神经元。未成熟的神经元迁移到颗粒细胞层内侧,在海马分化为新的齿状回颗粒细胞[15]。新生神经元的树突到分子层,轴突通过门区到达CA3区[25]。与成熟神经元相比,新生神经元表现超兴奋性和突触可塑性的增加[26]。新生神经元长期的成熟阶段,表现与成熟神经元相似的电生理特性,例如:激发行为、振幅、GABA能的动力学和谷氨酸能[27]。成年神经再生是一个动态、精细调节的过程。在多种生理、病理、药理情况下调节神经再生。神经再生在生理情况下是有限的,但是损伤能够诱导神经再生[28]。成年神经再生可以概括为神经发育的整个过程,即从NSC的激活、命运选择、分化、迁移,新生神经元轴突和树突发育、突触形成,功能整合成存在的神经环路[29]。Notch信号通路与神经再生的关系Notch抑制NSC向神经元及前体少突胶质细胞分化,并促进向星形胶质细胞分化[30,31]。星形胶质细胞通过Jagged1介导的Notch信号通路,负调节神经再生[32]。关键转录因子(Rbpj)是Notch信号的受体,在成年大脑缺乏Rbpj时,细胞增殖和神经再生只是暂时的。在缺乏Rbpj时,表达Hes5的B型细胞的分化增加。在Notch信号失活时,NSC逐渐成为瞬时增殖细胞和神经元,促进成年海马齿状回神经元的分化,Notch信号通路对于NSC的长期维持是必需的。NSC的缺失将导致神经再生的缺失[33]。Notch和TGF-β形成一个相互调节的循环,抑制小鼠前列腺基底干细胞/祖细胞活动, Notch激活抑制前列腺细胞的增殖、诱导分化[34]。在肌肉中TGF-β也促进干细胞静止,Notch激活有相反的作用,能够逆转这条途径,允许成肌细胞增殖和再生[35]。表明Notch信号具有组织依赖性,在不同的组织中,Notch可能具有不同的作用。Delta-like homologue 1(DlK 1)是Notch信号的非典型配体,在体内外,多个发展过程中D1K 1编码膜结合和分泌功能亚型。在缺乏DlK 1时,中成年小鼠SVZ神经再生缺陷[36]。Savary等[37]在耳蜗干细胞体外培养的过程中发现,抑制Notch通路能明显减少细胞球形成的数量,而活化Notch通路则促进细胞球的形成,并使其表达毛细胞的特异性抗原。Snippert等[38]通过对鼠大脑皮质神经元成熟过程的研究发现,低水平的Notch信号可能与神经细胞的伸展有关,并有利于神经细胞间的联接数目增加[39]。Notch信号通路对脑缺血后神经分化与再生的调节作用Jin等[40]发现,脑缺血不但可以促使海马齿状回NSC增殖,也可以影响SVZ的NSC增殖,而未缺血侧大脑半球NSC的增殖也有增加,其中缺血侧齿状回NSC增殖最为明显。Notch受体mRNA分布在出生后脑的不同区域包括SVZ、齿状回。 当这些区域发生局灶性的缺血损伤后,在4 ̄24 h,HES-1,NICD表达的水平皆有所升高。研究证明[41]当Notch信号通道被抑制时,大脑这些区域的NSC分化为神经元的过程也受阻。这表明Notch信号通路在脑缺血损伤后被激活,并且在NSC的存活、增生和分化过程中具有重要意义。Notch信号对中枢神经系统肿瘤的调节作用Fan等[42]发现Notch-2在髓母细胞瘤中呈高表达,而Notch-1很少表达或检测不到。在体外细胞实验及裸鼠皮下肿瘤模型中,激活的Notch-2能够促进髓母细胞瘤细胞的生长和增殖,而激活的Notch-1则抑制其生长和增殖。这提示Notch-1和Notch-2在髓母细胞瘤中可能具有相反的作用。Purow等[43]发现Notch-1及其配体Delta 1和Jagged 1在多种胶质瘤细胞系和原发性人胶质瘤中过度表达,以RNAi下调Notch、Delta 1和Jagged 1在多种胶质瘤细胞系引起凋亡及抑制增殖,并明显延长了一种鼠类原位脑肿瘤模型的生存期。如果能够有效调节Notch信号通路,可能为治疗中枢神经系统肿瘤带来希望。Notch信号对阿尔海默茨病和帕金森病的调节早老素(presenilin)是Notch剪切、介导CSL信号传递所必需跨膜蛋白。通过细胞的自主机制涉及Notch信号通路,早老素突变影响SVZ NSC的自我更新和分化[44]。α-突触核蛋白的表达改变和突变与帕金

466中国临床神经科学 2013年第 21 卷第4期森病有关,在转基因小鼠的海马和胚胎NSC,α-突触核蛋白改变Notch-1的表达和神经再生,α-突触蛋白通过Notch信号通路的介导,可能影响神经元前体细胞(neuronal precursor cells,NPCs)的存活[45]。通过调节Notch信号通路,从而为治疗阿尔茨海默病和帕金森病提供了临床思路,延缓阿尔海默茨病和帕金森病的进展。[4][5][6][7]Ming GL, Song H. Adult neurogenesis in the mammalian centralnervous system[J]. Neurosci,2005,28:223-250Imayoshi I, Sakamoto M, Ohtsuka T, et al. Continuous neurogenesisin the adult brain[J]. Dev Growth Differ,2009,51:379-386Kriegstein A, Alvarez-Buylla A. The glial nature of embryonic andadult neural stem cells[J]. Annu Rev Neurosci,2009,32:149-184Alvarez-Buylla A, García-Verdugo JM, Tramontin AD. A unifiedhypothesis on the lineage of neural stem cells[J]. Nat Rev Neurosci,2001,2:287-293[8]ücker JC. T-cell development made simple[J]. Natureúiga-PflZReviews Immunology,2004,44:67-72Mizutani K, Yoon K, Dang L, et al. Differential Notch signallingdistinguishes neural stem cells from intermediate progenitors[J].Nature,2007,449:351-355.Notch信号对多发性硬化的调节[9]在多发性硬化中,一些患者的损伤部位含少突胶质细胞祖细胞(oligodendrocyte progenitor cell,OPC),鉴定出调节分化的因子是提高这些损伤髓鞘再生的关键。Notch信号是OPC分化的抑制剂,可能促成髓鞘再生失败。在中枢神经系统髓鞘形成过程中,通过Notch-1受体及其下游效应子Hes,轴突表达的Jagged 1抑制OPC分化,并且在控制OPC分化和髓鞘形成的时间上起着重要作用[46],在慢性多发性硬化中这一信号机制解释了OPC分化失败。如果能够有效调节Notch信号通路,从而有利于少突胶质细胞的再生,为多发性硬化患者的治疗带来前所未有的希望,避免了应用糖皮质激素的各种不良反应,且可能避免多发性硬化患者时间和空间的多发性,从根本上解决多发性硬化的治疗。展       望Notch信号转导机制具有高度保守性,是一个复杂的信号通路。 Notch维持NSC状态,如果适当的诱导NSC增殖、分化,形成适当的突触联系,将为治疗退行性疾病、脑缺血、脑肿瘤提供临床治疗方法。研究敲除Notch信号通路,NSC的增殖分化只是暂时的,并且在Notch敲除一段时间以后,NSC的数量明显减少。如果能够有效的保持NSC的数量,并且诱导NSC向目的细胞发育,将为治疗神经系统的各种疾病带来很大的希望。这需要进一步研究Notch信号通路的各个环节,及其调节因子和微环境,从而为有效利用Notch信号通路提供基础。参考文献[1]Artavanis-Tsakonas S, Rand MD, Lake RJ. Notch signaling: cell fatecontrol and signal integration in development[J]. Science,1999,284:770-776[2][3]Gage FH. Mammalian neural stem cells[J]. Science,2000,287:1433-1438Temple S. The development of neural stem cells[J]. Nature,2001,414:112-117[24][23][21][20][19][18][15][16][17][13][14][12][11][10]Nagao M, Sugimori M, Nakafuku M. Cross talk between notch andgrowth factor/cytokine signaling pathways in neural stem cells[J].Mol Cell Biol,2007,27:3982-3994Shimojo H, Ohtsuka T, Kageyama R. Oscillations in notch signalingregulate maintenance of neural progenitors[J]. Neuron,2008,58:52-64Gold K, Cotton JA, Stollewerk A. The role of Notch signalling andnumb function in mechanosensory organ formation in the spiderCupiennius salei[J]. Dev Biol,2009,327:121-131Okano H, Kawahara H, Toriya M, et al. Function of RNA-bindingprotein Musashi-1 in stem cells[J]. Exp Cell Res,2005,306:349-356Reynolds BA, Weiss S. Generation of neurons and astrocytes fromisolated cells of t he adult mammalian central nervous system[J].Science,1992,255:1707-1710Gage FH. Mammalian neural stem cells[J]. Science,2000,287:1433-1438Duan X, Kang E, Liu CY, et al. Development of neural stem cell inthe adult brain[J]. Curr Opin Neurobiol,2008,18:108-115Suh H, Consiglio A, Ray J, et al. In vivo fate analysis reveals themultipotent and self-renewal capacities of Sox2+ neural stem cellsin the adult hippocampus[J]. Cell Stem Cell,2007,1:515-528Deng W, Aimone JB, Gage FH. New neurons and new memories: howdoes adult hippocampal neurogenesis affect learning and memory?[J]. Nat Rev Neurosci,2010,11:339-350Sestan N, Artavanis Tsakonas S, Rakic P. Contact-dependentinhibition of cortical neurite growth mediated by notch signaling[J].Science,1999,286:741-746Dhaliwal J, Lagace DC. Visualization and genetic manipulation ofadult neurogenesis using transgenic mice[J]. Eur J Neurosci,2011,33:1025-1036Hansen DV, Lui JH, Parker PR, et al. Neurogenic radial glia in theouter subvent ricular zone of human neocortex[J]. Nature,2010,464:554-561[22]Barretto RP, Ko TH, Jung JC, et al. Time-lapse imaging of diseaseprogression in deep brain areas using fluorescence microendoscopy[J]. Nat Med,2011,17:223-228Ming GL, Song H. Adult neurogenesis in the mammalian brain:significant answers and significant questions[J]. Neuron,2011,70:687-702Brill MS, Ninkovic J, Winpenny E, et al. Adult generation ofglutamatergic olfactory bulb interneurons[J]. Nat Neurosci,2009,12:1524-1533

中国临床神经科学 2013年第 21卷第4期467[37]Savary E, Sabourin JC, Santo J, et al. Cochlear stem/progenitor cellsfrom a postnatal cochlea respond to Jagged1 and demonstrate thatnotch signaling promotes sphere formation and sensory potential[J]. Mech Dev,2008,125:674-686[38]Snippert HJ, Clevers H. Tracking adult stem cells[J]. EMBO Rep,2011,12:113-122[39]Ge W, Martinowich K, Wu X, et al. Notch signaling promotesastrogliogenesis via direct CSL-mediated glial gene activation[J]. JNeurosci Res,2002,69:848-860[40]Jin K, Minami M, Lan JQ, et al. Neurogenesis in dentate subgranularzone and rostral subventricular zone after focal cerebral ischemiain the rat[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2001,98:4710-4715[41]Wang X, Mao X, Xie L, et al. Involvement of Notch signaling inneurogenesis in the subventricular zone of normal and ischemic ratbrain in vivo[J]. J Cereb Blood Flow Metab,2009,29:1644-1654[42]Fan X, Mikolaenko I, Elhassan I, et al. Notch1 and  Notch2 haveopposite effects on embryonal brain tumor growth [J]. CancerRes,2004,64:7787-7793[43]Purow BW, Haque RM, Noel MW, et al. Expression of Notch-1and its ligands, Delta-like-1 and Jagged-1, is critical for glioma cellsurvival and proliferation[J]. Cancer Res,2005,65:2353-2363[44]Veeraraghavalu K, Choi SH, Zhang X, et al. Presenilin 1 mutantsimpair the self-renewal and differentiation of adult murineSubventricular zone-neuronal progenitors via cell autonomousmechanisms involving notch signaling[J]. J Neurosci,2010,30:6903-6915[45]Crews L, Mizuno H, Desplats P, et al. Alpha-synuclein alters Notch-1 expression and neurogenesis in mouse embryonic stem cells andin the hippocampus of transgenic mice[J]. J Neurosci,2008,16:4250-4260[46]Brosnan CF, John GR. Revisiting Notch in remyelination ofmultiple sclerosis lesions[J]. J Clin Invest,2009,119:10-13(2013-03-01收稿  2013-05-08修回)[25]Zhao C, Teng EM, Summers RG Jr, et al. Distinct morphologicalstages of dentate granule neuron maturation in the adult mousehippocampus[J]. Neurosci,2006,26:3-11[26]Ge S, Sailor KA, Ming GL, et al. Synaptic integration and plasticityof new neurons in the adult hippocampus[J]. J Physiol,2008,586:3759-3765[27][28][29][30]Mongiat A, Schinder AF. Adult neurogenesis and the plasticity ofthe dentate gyrus network[J]. Eur J Neurosci,2011,33:1055-1061Gould E. How widespread is adult neurogenesis in mammals?[J]. NatRev Neurosci,2007,8:481-488Alvarez-Buylla A, Lim DA. For the long run: maintaining germinalniches in the adult brain[J]. Neuron,2004,41:683-686Tanigaki K, Nogaki F, Takahashi J, et al. Notch 1 and Notch 3instructively restrict bFGF-responsive multipotent neural progenitorcells to an astroglial fate [J]. Neuron,2001,29:45-55[31]Grandbarbe L, Bouissac J, Rand M, et al. Delta-Notch signalingcontrols the generation of neurons/ glia from neural stem cells ina stepwise process [J]. Development,2003,130:1391-1402[32]Wilhelmsson U, Faiz M, de Pable Y, et al. Astrocytes negativelyregulate neurogenesis through the Jagged1-mediated Notch pathway[J]. Stem Cell,2012,30:2320-2329[33]Imayoshi I, Sakamoto M,Yamaguchi M, et al. Essential roles ofNotch signaling in maintenance of neural stem cells in developingand adult brains[J] . J Neurosci,2010,30:3489-3498[34]Valdez JM, Zhang L, Su Q, et al. Notch and TGFβ form a reciprocalpositive regulatory loop that suppresses murine prostate basal stem/progenitor cell activity[J]. Cell Stem Cell,2012,11:676-688[35]Carlson ME, Hsu M, Conboy IM. Imbalance between pSmad3 andNotch induces CDK inhibitors in old muscle stem cells[J]. Nature,2008,454:528-532[36]Ferrón SR, Charalambous M, Radford E, et al. Postnatal loss of Dlk1imprinting in stem cells and niche astrocytes regulates neurogenesis[J]. Nature,2012,475:381-385《神经流行病学》出版《神经流行病学》由复旦大学附属华山医院洪震、丁玎、江澄川教授主编,复旦大学出版社出版。该书介绍了国外近年来神经系统疾病流行病学研究的经典方法和学术进展,以及中国神经流行病学的发展和主要研究成果。该书含方法学和各论2篇共11章。除科研设计和数据统计分析外,着重介绍了疾病负担、临床试验、卫生服务、遗传流行病学等新理论。在各论中,主要介绍了脑血管病、癫、痴呆、运动障碍、偏头痛、肌萎缩性侧索硬化、多发性硬化、颅脑创伤、感染、颅内肿瘤、神经发育等疾病的流行病学新进展。该书可作为各相关临床学科医生、科研人员、大专院校教师、研究生、进修生、医学生的专业书籍和参考读物。为神经流行病学的临床和科研工作提供指导和启示。邮购地址:复旦大学出版社,上海市国权路579号,邮政编码:200433,联系电话:65642857

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