汪晶，朱青，胡波，曹非

中枢神经系统损伤后修复的内在机制研究

汪晶a，朱青b，胡波b，曹非b

成年哺乳动物中枢神经系统（CNS）轴突受损后很难修复，最终导致神经元的死亡和神经环路功能性的缺损。前期的研究集中于探讨受损环境的抑制性因素，而对细胞内再生相关基因的调控很少涉及。本文从低等脊椎动物促进轴突再生的分子机制谈起，总结了近年来内源性神经再生的相关研究，以期为中枢轴突损伤后再生的基础和临床研究提供新的思路和研究方向。

中枢神经系统轴突再生；内源性；RNA结合蛋白

著名的西班牙神经学家Cajal[1]使用基本的组织学方法，揭示了中枢神经系统（central nervous system，CNS）和周围神经系统（peripheral nervous systems，PNS）对损伤具有迥异的反应：中枢神经元的轴突损伤后无法再生，而外周神经元则具有功能性再生的能力。自此以后，科学家通过不断研究，从细胞学、分子生物学和结构学上，对不同物种轴突再生的过程有了更深刻的认识[2]。

诸多因素影响着中枢神经元轴突损伤后的应答[3]，归纳起来，可分为2类：内源性因素和外源性因素[3]。外源性因素一般指存在于细胞外环境的抑制性因素，主要包括受损后从髓鞘、胶质细胞释放出来的抑制性配体，如Nogo跨膜蛋白、髓鞘相关蛋白（myelin associated glycoprotein，MAG）、少突胶质细胞髓磷脂糖蛋白（oligodendrocyte myelin glycoprotein，OMgp）和胶质细胞本身形成的胶质疤痕（glia scar）。抑制性配体通过与轴突膜上的受体结合，诱发特定信号通路来干扰新生轴突所需的蛋白质合成和装配，而胶质疤痕则是阻碍再生轴突通过的物理性栅栏[4]。

内源性因素一般指细胞内通过影响基因的表达从而改变信号通路的相关基因。移除外源性障碍固然重要，然而缺乏内源性的动力，CNS神经元难以在损伤后维持轴突的不断再生，从而最终实现功能上的重建。本文从探讨内源性因素入手，讨论和比较低等动物和哺乳动物再生机制的异同，以期为后续深入的研究工作提供线索。

1 低等动物内源性神经再生相关基因的研究

与哺乳动物轴突损伤的不可再生性相比，无脊椎动物和低等脊椎动物中枢神经元轴突的损伤常可完全修复。无脊椎动物中，近年对线虫的神经再生研究较为深入，比如线虫的GABA能运动神经元和感觉神经元被激光横断后轴突可完全恢复[5]。在线虫里，1个促进再生的关键蛋白是DLK1。DLK1作为促细胞分裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路的成员，其激活可以促进CEBP-1 mRNA的稳定性，从而增加其蛋白的合成。在线虫里，某些感觉神经元轴突的再生能力也随着年龄增长而衰退：比如在发育期，lin-41抑制microRNA let-7表达，这时受损的轴突可以迅速再生。随着年龄的增长，let-7表达量逐渐增加，而lin-41基因表达被抑制，神经元也从活跃生长的状态转变为稳定成熟的状态[6]。胰岛素介导的信号通路对神经元轴突再生能力年龄性的衰退也起着至关重要的作用[7]。

低等脊椎动物的神经再生研究集中于鱼类和两栖类。斑马鱼的脊髓离断后，位于脑干的神经核团中有很多神经元能够轴突再生，并最终恢复功能。这些再生的轴突并不沿原有的脊髓白质下行，而是从灰质中穿行。对比脑干中再生和非再生神经元基因的表达差异可以发现，1组再生相关基因（GAP43、L1-相关蛋白，α1tubulin等）只在具有再生能力的神经元中被激活，从而大量表达[8]。有趣的是，某些在哺乳类已知的再生抑制相关基因比如socs3在斑马鱼受损的视神经节细胞中表达上调并相应的减弱视神经的再生[9]。该研究结果提示，低等脊椎动物CNS神经元受损后的应答和哺乳类有很多的相通之处。爪蟾在变态发育后大部分CNS神经元失去了再生能力，而其视神经节细胞却终身保持轴突的完全再生能力[10]。在视神经夹断后数月至半年，受损的轴突能完全再生到达顶盖，并和目标神经元重新建立和完善突触，最终使视觉功能性地恢复。在爪蟾里，1个RNA结合蛋白（hnRNP K）在视神经损伤后的轴突再生过程中协同调控1组功能相关的细胞骨架结合蛋白mRNA的转运和翻译，这样的调控对于轴突发育也不可或缺[11,12]。

2 哺乳动物内源性神经再生相关基因的研究

成年哺乳动物CNS神经元并没有完全丧失再生的能力。因为如果把PNS神经移植入CNS，通过改变抑制性环境，某些成年期神经元受损的轴突能够一定程度的再生[13]，只是生长速度非常缓慢。因在损伤后中枢的抑制环境下，由于活力太低，成年CNS神经元受损轴突难以再生。

与之相反，胚胎期的CNS神经元通常具有强大的再生能力，且这种再生能力随着发育而逐渐减退直至消失。如果把胚胎期神经干细胞植入受损的大鼠脊髓内，即使周围充斥着各种抑制生长的因子，它们仍然可以增殖分化，并且将轴突延伸到未损坏部位，作为神经信号传导的桥梁，从而促进功能性恢复[14]。

3 内源性神经再生研究进展及展望

上述结果提示，如果神经元处于“活化”状态，外部的抑制因素是完全可以克服的。随着发育的进行，神经元由活化状态慢慢过渡到静止状态，再生能力也随之丧失。因此，一个可行的研究思路是比较神经元发育过程中胞内环境的变化。

研究表明，神经元胞体内一磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）的浓度随着发育而减退。cAMP通过激活蛋白激酶A（proteinkinase A，PKA）介导的信号通路，使神经元保持旺盛生长的状态。用神经营养因子（BDNF或GDNF）活化培养的小脑神经元，即使培养液中加入抑制分子MAG，小脑神经元的轴突延伸也不受影响。进一步的研究表明，神经营养因子正是通过提高细胞内cAMP浓度来激活下游信号通路。

PKA介导的信号通路，主要通过促进下游基因的转录来实现。精氨酸酶1（enzyme Arginase 1）就是一个很好的例子。该酶的表达随着胞内cAMP水平的提高而增加，从而下调多胺的合成。无论过表达cAMP还是精氨酸酶1，神经元的轴突都可以在有MAG等抑制分子存在的前提下生长[15,16]。有趣的是，大鼠出生后中枢神经元精氨酸酶1的表达急剧下降，其抵抗MAG抑制作用的能力也随之降低。

利用相同的思路，科学家试图通过比较不同时期相同神经元基因表达谱的变化来推测“再生”相关基因。一个成功的例子来自于对比胎鼠和成年鼠视网膜节细胞（retinal ganglion cells，RGCs）中基因表达差异的研究。高通量的筛选揭示KLF基因家族成员对于调控RGCs的内在再生能力起着极为关键的作用[17]。有趣的是，这样的结果与之前KLF基因家族在斑马鱼神经再生中的报导结果相呼应[18]，再次证明低等脊椎动物神经再生的研究可以给哺乳类提供很有益的线索。

第二条思路是从控制细胞生长的基因入手。众所周知，在发育完成后，细胞的生长处于抑制状态，很多抑制生长基因的表达使细胞处于一个相对稳定的状态。这些基因的失调/突变往往导致癌症的发生。较早的发现来自于抗凋亡基因Bcl2。如果在抑制胶质细胞疤痕的同时，促进Bcl2的表达，成年小鼠的受损视神经能成功恢复再生能力[19]。一个最成功的例子来自于对抑癌基因PTEN的研究。当PTEN在成年小鼠视网膜里被条件敲除后，小鼠的神经节细胞轴突损伤后很大程度上能恢复再生能力[20]。进一步的机制研究揭示，移除PTEN能够激活mTOR下游通路，大大活化了核糖体合成蛋白的能力，从而保证了轴突生长中所需的大量新蛋白的合成。如果把PTEN基因敲除和其它已知的促进再生的条件相结合，能起到非常好的协同作用。比如，在眼内注射cAMP类似物和促炎药Zymosan，结合PTEN基因敲除可以使部分受损的视神经轴突延伸至脑部，并形成功能性突触连接[21]。又如，把PTEN和细胞因子信号抑制分子3（suppressor of cytokine signaling 3，SOCS3）同时敲除，能够实现长距离的视神经再生，并且视神经节细胞保持正常形态和基因表达谱[22,23]。这些研究都为进一步的功能性康复打下了物质基础。另一个例子是原癌基因B-Raf，在成年老鼠外周和中枢神经元增加Raf基因的表达，可以大幅促进外周和中枢神经元受损轴突的再生能力。同样，过表达该基因和PTEN基因敲除具有协同叠加作用[24]。

表观遗传学（epigenetics）在神经再生中的作用也逐渐进入人们的视野。最新的一些研究表明，组蛋白去乙酰化酶（HDACs）可通过对微管的去乙酰化来促进轴突的再生[25,26]。

4 结语

从进化的角度来看，中枢神经元丧失再生能力可能有助于保持稳定的内环境。要重启生长程序，毫无疑问，需要内外的协调。探明必需的内源性因素，可以为研究轴突再生的动力找到源头和方向，从而促进临床相关药物的开发与研究。

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（本文编辑：雷琪）

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