楊玉琴

(湖南大學(xué)生物學(xué)院,中國(guó)湖南長(zhǎng)沙410082)

神經(jīng)干細(xì)胞是一類存在于神經(jīng)系統(tǒng)中的具有自我更新能力和多分化潛能的細(xì)胞,其分裂必須維持一種精確的平衡。神經(jīng)干細(xì)胞分裂不足會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷,而神經(jīng)干細(xì)胞的過(guò)度增殖則可能導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。因此,對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞維持、增殖和分化的研究,有著極其重要的意義。目前,學(xué)界對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞的深入研究有望被用來(lái)治療多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷頓病等[1～3]。因?yàn)椴溉閯?dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)極為復(fù)雜且存在倫理限制,所以哺乳動(dòng)物神經(jīng)干細(xì)胞的研究面臨極大困難。與哺乳動(dòng)物相比,果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,是研究神經(jīng)干細(xì)胞的良好模型。

果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)由視葉、中腦和腹神經(jīng)索組成。視葉位于腦半球的側(cè)面,由神經(jīng)板、腦髓神經(jīng)節(jié)和視覺(jué)小葉復(fù)合體組成,處理從眼睛獲得的視覺(jué)信號(hào)。中腦位于腦半球中間部分,其中包含學(xué)習(xí)與記憶的中心——蘑菇體。腹神經(jīng)索位于腦后方,包含胸部和腹部?jī)蓚€(gè)部分,能傳導(dǎo)信息,是大腦和周圍神經(jīng)系統(tǒng)的橋梁。視葉、中腦和腹神經(jīng)索都由不同類型和數(shù)量的神經(jīng)干細(xì)胞增殖、分化而來(lái),本文總結(jié)和歸納最新的研究進(jìn)展,對(duì)這些區(qū)域的神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行一一闡述。

1 神經(jīng)干細(xì)胞的起源

果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的干細(xì)胞也稱之為成神經(jīng)細(xì)胞(neuroblast,NB),由神經(jīng)外胚層的上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái)。其中,腹神經(jīng)索神經(jīng)干細(xì)胞起源于腹部神經(jīng)外胚層,中腦和視葉神經(jīng)干細(xì)胞起源于頭部神經(jīng)外胚層。

腹神經(jīng)索神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生于胚胎時(shí)期,由原神經(jīng)基因的表達(dá)和側(cè)向抑制共同作用產(chǎn)生[4～5]。原神經(jīng)基因 achaete(ac)、scute(sc)和 lethal of scute(l’sc)組成 achaete-scute complex(as-c),表達(dá)在腹部神經(jīng)外胚層的由5～6個(gè)細(xì)胞組成的細(xì)胞簇中,其中一個(gè)細(xì)胞由于高水平表達(dá)原神經(jīng)基因,故會(huì)從細(xì)胞簇離層,轉(zhuǎn)化為神經(jīng)干細(xì)胞,其他細(xì)胞則通過(guò)側(cè)向抑制作用而分化為表皮細(xì)胞。在側(cè)向抑制過(guò)程中,AS-C促進(jìn)Delta表達(dá),Delta激活相鄰細(xì)胞的Notch受體,促進(jìn)Notch通路靶基因E(spl)表達(dá),E(spl)蛋白作為轉(zhuǎn)錄因子能抑制AS-C的表達(dá),從而抑制相鄰細(xì)胞向神經(jīng)干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。

中腦神經(jīng)干細(xì)胞在胚胎期形成的機(jī)制尚不清楚。盡管原神經(jīng)基因ac、sc和l’sc也表達(dá)于頭部神經(jīng)外胚層,但它們極少共表達(dá)在同一區(qū)域,且在表達(dá)時(shí)間上也存在差異。研究發(fā)現(xiàn),在頭部神經(jīng)外胚層中,相鄰的神經(jīng)上皮細(xì)胞可同時(shí)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)干細(xì)胞,這一現(xiàn)象提示側(cè)向抑制可能并不參與中腦神經(jīng)干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過(guò)程[6]。因?yàn)閭?cè)向抑制作用依賴于Notch信號(hào),所以Kunz等[7]利用溫度敏感型Notchts1突變體在果蠅胚胎發(fā)育早期阻斷Notch信號(hào),結(jié)果顯示中腦蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞的數(shù)量、大小和位置都沒(méi)有改變,這表明側(cè)向抑制可能確實(shí)不參與蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

視葉神經(jīng)干細(xì)胞起源于胚胎期的神經(jīng)上皮細(xì)胞。在胚胎發(fā)育第11期,頭部外胚層背側(cè)區(qū)域的30～40個(gè)神經(jīng)上皮細(xì)胞內(nèi)陷,緊貼于中腦,形成視葉原基[8]。其中,少量神經(jīng)上皮細(xì)胞經(jīng)過(guò)一次分裂后轉(zhuǎn)化為神經(jīng)干細(xì)胞,這些神經(jīng)干細(xì)胞可通過(guò)不對(duì)稱分裂產(chǎn)生少量的視葉神經(jīng)元[9]。隨后,這些神經(jīng)干細(xì)胞和視葉神經(jīng)上皮細(xì)胞進(jìn)入靜息狀態(tài),直到一齡幼蟲(chóng)期才重新進(jìn)入細(xì)胞周期。此時(shí),視葉神經(jīng)上皮細(xì)胞開(kāi)始進(jìn)行對(duì)稱細(xì)胞分裂,以擴(kuò)增神經(jīng)上皮細(xì)胞群體,最終分離為外部增殖中心(outer proliferation center,OPC)和內(nèi)部增殖中心(inner proliferation center,IPC)。在二齡幼蟲(chóng)晚期,原神經(jīng)基因l’sc在OPC區(qū)域瞬時(shí)表達(dá),形成原神經(jīng)波(proneural wave)。原神經(jīng)波從OPC中間向側(cè)面移動(dòng),使得神經(jīng)上皮細(xì)胞逐漸轉(zhuǎn)化為腦髓神經(jīng)節(jié)神經(jīng)干細(xì)胞[10～11]。OPC神經(jīng)上皮細(xì)胞向神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化受到許多信號(hào)通路的調(diào)控,如JAK/STAT、Notch、EGFR、Fat/Hippo 以及 Wingless/Wnt信號(hào)通路[12]。與OPC類似,IPC在幼蟲(chóng)發(fā)育早期通過(guò)對(duì)稱分裂擴(kuò)增神經(jīng)上皮細(xì)胞群體,到三齡幼蟲(chóng)早期開(kāi)始轉(zhuǎn)化為神經(jīng)干細(xì)胞,其轉(zhuǎn)化機(jī)制與OPC神經(jīng)干細(xì)胞的轉(zhuǎn)化機(jī)制不同。IPC可分為3個(gè)區(qū)域,即近端-IPC、表面-IPC和遠(yuǎn)端-IPC。研究發(fā)現(xiàn),近端-IPC的神經(jīng)上皮細(xì)胞首先轉(zhuǎn)化為遷移性的前體細(xì)胞,它不表達(dá)神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)記蛋白質(zhì),遷移后形成遠(yuǎn)端-IPC。隨后,遠(yuǎn)端-IPC細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)干細(xì)胞,產(chǎn)生遠(yuǎn)端細(xì)胞(distal cells)和視小葉板的神經(jīng)元[13]。表面-IPC神經(jīng)上皮細(xì)胞不遷移,直接轉(zhuǎn)化為神經(jīng)干細(xì)胞,產(chǎn)生視小葉神經(jīng)元。

2 神經(jīng)干細(xì)胞的類型與分布

根據(jù)分裂方式的不同,果蠅神經(jīng)干細(xì)胞可分為Ⅰ型、Ⅱ型和0型。

Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞是果蠅中最普遍的干細(xì)胞類型,大多數(shù)神經(jīng)干細(xì)胞屬于這種類型,包括腹神經(jīng)索神經(jīng)干細(xì)胞、大部分中腦神經(jīng)干細(xì)胞、視葉的腦髓神經(jīng)節(jié)干細(xì)胞(圖1A)[14]。Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞每次不對(duì)稱分裂產(chǎn)生1個(gè)神經(jīng)干細(xì)胞和1個(gè)小的神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞(ganglion mother cell,GMC)。GMC通常分裂一次產(chǎn)生兩個(gè)神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞(圖1B)。

2008年,一種新型的神經(jīng)干細(xì)胞被發(fā)現(xiàn),稱為Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞[15～17]。Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞不表達(dá)Ase(Asense),其通過(guò)不對(duì)稱分裂產(chǎn)生1個(gè)神經(jīng)干細(xì)胞和1個(gè)小的中間神經(jīng)前體細(xì)胞(intermediate neural progenitor,INP)。每個(gè)INP可進(jìn)行4～6次不對(duì)稱分裂,每次產(chǎn)生1個(gè)GMC,這樣一共產(chǎn)生4～6個(gè)GMC細(xì)胞和8～12個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或膠質(zhì)細(xì)胞(圖1B)。Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生的家系是Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞家系的3～5倍(370～580個(gè)細(xì)胞)。Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞在胚胎期形成,每個(gè)大腦半球共有8個(gè),其中6個(gè)在中腦的背中部,2個(gè)在中腦的背側(cè)部[17](圖1A)。目前,Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞的來(lái)源尚不清楚,可能由神經(jīng)外胚層轉(zhuǎn)化而來(lái),也有可能由Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái)[18]。

0型神經(jīng)干細(xì)胞經(jīng)過(guò)一次分裂,產(chǎn)生1個(gè)自我更新的神經(jīng)干細(xì)胞和1個(gè)神經(jīng)元(圖1B)。0型神經(jīng)干細(xì)胞可由Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái),也能由神經(jīng)上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來(lái),是一類廣泛存在的細(xì)胞類型。例如:胸部的腹神經(jīng)索干細(xì)胞表達(dá)時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子Cas(Castor)、Grh(grainy head)以及 Hox蛋白Atpn(Antennapedia),它們可共同激活Dacapo蛋白的表達(dá),從而抑制周期蛋白Cyc E和E2f的活性,使Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)?型神經(jīng)干細(xì)胞[19]。腹部的腹神經(jīng)索干細(xì)胞NB7-3可分裂3次,在第3次分裂時(shí)Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)?型神經(jīng)干細(xì)胞,產(chǎn)生的GMC不經(jīng)過(guò)分裂而是直接分化為神經(jīng)元,隨后神經(jīng)干細(xì)胞凋亡[20]。在視葉外部增殖中心的尾端(tOPC),神經(jīng)上皮細(xì)胞首先轉(zhuǎn)化為0型神經(jīng)干細(xì)胞,分裂一次后又轉(zhuǎn)變成Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞[21]。

3 參與神經(jīng)干細(xì)胞不對(duì)稱分裂的關(guān)鍵蛋白質(zhì)

盡管神經(jīng)干細(xì)胞有幾種不同類型,但是參與不對(duì)稱分裂的關(guān)鍵蛋白質(zhì)是保守的[22]。神經(jīng)干細(xì)胞不對(duì)稱分裂的過(guò)程主要受頂端蛋白復(fù)合體、細(xì)胞命運(yùn)決定因子和細(xì)胞周期因子的調(diào)節(jié)(表1)。

圖1 果蠅神經(jīng)干細(xì)胞的分類和分布(A)果蠅三齡幼蟲(chóng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)背面觀。Ⅰ型NB分布于腹神經(jīng)索、中腦和腦髓神經(jīng)節(jié)區(qū)域,其中包括位于中腦的8個(gè)蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞(紅色)；Ⅱ型NB位于中腦,共16個(gè)(綠色)；(B)果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)干細(xì)胞按照增殖方式可分為0型、Ⅰ型、Ⅱ型。0型NB不對(duì)稱分裂產(chǎn)生1個(gè)自我更新的干細(xì)胞和1個(gè)神經(jīng)元；Ⅰ型NB不對(duì)稱分裂產(chǎn)生1個(gè)自我更新的干細(xì)胞和1個(gè)GMC,GMC分裂一次產(chǎn)生兩個(gè)神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞；Ⅱ型NB不對(duì)稱分裂產(chǎn)生1個(gè)自我更新的干細(xì)胞和1個(gè)INP,INP不對(duì)稱分裂產(chǎn)生1個(gè)新的INP和1個(gè)GMC,GMC分裂一次產(chǎn)生兩個(gè)神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞。CB:中腦；OL:視葉；OPC:外部增殖中心；IPC:內(nèi)部增殖中心；VNC:腹神經(jīng)索；La:神經(jīng)板；Me:腦髓神經(jīng)節(jié)；Th:胸部；Ab:腹部；A:前面；P:后面；NB:神經(jīng)干細(xì)胞(也稱為成神經(jīng)細(xì)胞)；INP:中間神經(jīng)前體細(xì)胞；GMC:神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞；MB:蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞。Fig.1 Types and distributions of neuroblasts in Drosophilia(A)Dorsal view of the CNS of Drosophila third instar larvae.TypeⅠNBs are distributed in the VNC,CB and Me regions,including eight mushroom body NBs(red circles)in the central brain；sixteen typeⅡ NBs(green circles)also reside in the central brain；(B)Neuroblasts(NBs)of the CNS can be divided into type 0,typeⅠ and typeⅡ according to their proliferation modes.Type 0 NBs divide asymmetrically to produce a self-renewing NB and a neuron.TypeⅠNBs divide asymmetrically to produce a self-renewing NB and a GMC,and then the GMC divides once to produce two neurons or glial cells.TypeⅡNBs divide asymmetrically to produce a self-renewing NB and an INP,and then the INP divides asymmetrically to produce another INP and a GMC,which subsequently divides once to produce two neurons or glial cells.CB:Central brain；OL:Optic lobe；OPC:Outer proliferation center；IPC:Inner proliferation center；VNC:Ventral nerve cord；La:Lamina；Me:Medulla；Th:Thorax；Ab:Abdomen；A:Anterior；P:Posterior；NB:Neuroblast；INP:Intermediate neural progenitor；GMC:Ganglion mother cell；MB:Mushroom body neuroblast.

神經(jīng)干細(xì)胞分裂時(shí)具有不對(duì)稱性,其主要表現(xiàn)為子細(xì)胞大小不對(duì)稱、紡錘體不對(duì)稱、細(xì)胞命運(yùn)決定因子在子細(xì)胞中的分布不對(duì)稱,而這些都與頂端蛋白復(fù)合體息息相關(guān)。頂端蛋白復(fù)合體包括Bazooka/aPKC(atypical protein kinase C)/Par6復(fù)合體和Gαi/Pins/Mud復(fù)合體,它們之間通過(guò)Insc(In-scuteable)蛋白相連[23]。在有絲分裂間期,Bazooka/aPKC/Par6復(fù)合體在中心體附近聚集,形成神經(jīng)干細(xì)胞的頂端,建立神經(jīng)干細(xì)胞極性,使得神經(jīng)干細(xì)胞在分裂時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)大小不對(duì)稱的子細(xì)胞[24]。Gαi/Pins/Mud復(fù)合體中的Mud蛋白可與星體微管相連,被Bazooka/aPKC/Par6復(fù)合體中aPKC磷酸化的Dlg(discs large)可與微管連接蛋白結(jié)合,故這兩個(gè)復(fù)合體都能調(diào)控紡錘體的方向,使得神經(jīng)干細(xì)胞在分裂時(shí)產(chǎn)生不對(duì)稱的紡錘體[25]。此外,aPKC還能夠直接磷酸化Numb、Miranda等細(xì)胞命運(yùn)決定因子[26],造成神經(jīng)干細(xì)胞在分裂時(shí)出現(xiàn)細(xì)胞命運(yùn)決定因子在子細(xì)胞中的分布不對(duì)稱[27～28]。

細(xì)胞命運(yùn)決定因子Prospero和Brat(brain tu mor)都與Miranda結(jié)合,而Numb蛋白與Pon(partner of Numb)結(jié)合。Prospero是一種轉(zhuǎn)錄因子,在不對(duì)稱分裂后隨著Miranda的降解被釋放進(jìn)入細(xì)胞核,抑制細(xì)胞周期蛋白cyclin A、cyclin E和Cdc25的表達(dá),激活分化基因fasciclinⅡ和netrin B的表達(dá)[29]。Brat是一個(gè)含有NHL結(jié)構(gòu)域的翻譯調(diào)節(jié)子,能在轉(zhuǎn)錄后水平抑制Myc和核糖體蛋白質(zhì)的生物合成,促進(jìn)分化。Numb含有PTB結(jié)構(gòu)域,在神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞中抑制Notch的活性,抑制細(xì)胞增殖,促進(jìn)分化[14]。由此可知,這些細(xì)胞命運(yùn)決定因子都具有促進(jìn)細(xì)胞分化的作用,它們的正確定位對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞不對(duì)稱分裂具有重要作用。

細(xì)胞周期調(diào)控因子Cdc2/Cdk1、Aurora A、Polo激酶、APC/C復(fù)合體以及cyclin E也可調(diào)節(jié)不對(duì)稱分裂[30]。Cdc2與周期蛋白結(jié)合成有活性的Cdk1蛋白激酶,促進(jìn)有絲分裂的進(jìn)行。果蠅神經(jīng)干細(xì)胞NB4-2第一次分裂會(huì)產(chǎn)生1個(gè)GMC4-2a細(xì)胞,該細(xì)胞不對(duì)稱分裂產(chǎn)生兩種不同類型的子細(xì)胞,而在Cdc2E51Q突變體中,GMC4-2a對(duì)稱分裂產(chǎn)生同一種神經(jīng)元,這一結(jié)果證明Cdc2對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞不對(duì)稱分裂具有調(diào)控作用[31]。Aurora A和Polo都是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,與中心體的成熟有關(guān)。這兩種激酶一旦在神經(jīng)干細(xì)胞中缺失,Numb的定位就會(huì)被打亂,從而使神經(jīng)干細(xì)胞分裂為兩個(gè)能自我更新的子細(xì)胞[32～33]。后期促進(jìn)復(fù)合物/細(xì)胞周期體(anaphase-promoting complex/cyclosome,APC/C)是一種泛素連接酶,至少包含11個(gè)亞基,參與調(diào)節(jié)多種細(xì)胞周期因子的泛素化。在APC/C的突變體中,Miranda堆積在中心體周圍區(qū)域,導(dǎo)致Prospero、Brat定位錯(cuò)誤,影響細(xì)胞不對(duì)稱分裂[34]。Cyclin E是細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期必需的周期蛋白,在cyclin E突變體中,Prospero定位被打亂,細(xì)胞由不對(duì)稱分裂轉(zhuǎn)變成對(duì)稱分裂[35]。

此外,還有其他因子調(diào)節(jié)果蠅神經(jīng)干細(xì)胞的不對(duì)稱分裂。例如:kinesin heavy chain(Khc-73)定位于星體微管正極,其通過(guò)Dlg與頂端極性復(fù)合物相連,參與細(xì)胞不對(duì)稱分裂[36]；在myosinⅡ(Zipper)和Ⅵ (Jaguar)突變體中,Miranda定位紊亂,細(xì)胞命運(yùn)決定因子定位出現(xiàn)異常[30]。

4 神經(jīng)元多樣性產(chǎn)生的機(jī)制

為了滿足中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的復(fù)雜性,神經(jīng)干細(xì)胞必須分化產(chǎn)生多種不同類型的子代細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)有3種機(jī)制可產(chǎn)生神經(jīng)元的多樣性,即空間位置、時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子(temporal transcription factors,TTFs)表達(dá)和神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞不對(duì)稱分裂。

不同的空間位置有不同類型的神經(jīng)干細(xì)胞。在早期胚胎發(fā)育中,體節(jié)極性基因(segment-polarity genes)的表達(dá)建立前后體軸,柱狀基因(columnar genes)的表達(dá)建立背腹體軸,前后體軸和背腹體軸垂直相交建立一個(gè)迪卡爾式的分子坐標(biāo)圖。每個(gè)體節(jié)的神經(jīng)外胚層細(xì)胞在這個(gè)坐標(biāo)圖中都有自己獨(dú)特的坐標(biāo),表達(dá)不同的基因組合,形成特異的神經(jīng)干細(xì)胞,從而產(chǎn)生不同類型的神經(jīng)元。

時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)增加了神經(jīng)元產(chǎn)生的多樣性。在胚胎期,Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞有序表達(dá)Hb(Hunchback)→Kr(Krüppel)→Pdm(Pdm1/Pdm2)→Cas 4種轉(zhuǎn)錄因子[22]。這些時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子會(huì)保留到子代細(xì)胞中,產(chǎn)生不同類型的神經(jīng)元。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,Hb→Kr→Pdm→Cas轉(zhuǎn)錄因子有序表達(dá)是通過(guò)細(xì)胞內(nèi)部正反饋和負(fù)反饋兩種機(jī)制共同作用完成的,Hb會(huì)誘導(dǎo)Kr的表達(dá),而Kr在誘導(dǎo)Pdm表達(dá)的同時(shí)會(huì)抑制Hb的表達(dá),同樣,Pdm誘導(dǎo)Cas表達(dá)的同時(shí)抑制Kr的表達(dá)[37]。除了這4種時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子外,Svp(seven up)也參與了神經(jīng)元多樣性的產(chǎn)生。Svp在Hb+神經(jīng)干細(xì)胞中表達(dá),參與關(guān)閉Hb的表達(dá)并促進(jìn)Kr的表達(dá)[38]。在胚胎期,Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞不表達(dá)Hb和Kr,Pdm在早期形成的Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞中短暫表達(dá),Cas和Grh在所有的Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞中表達(dá)。此外,胚胎期Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生的子細(xì)胞INP表達(dá)的時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子與Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞完全不同,其表達(dá)順序?yàn)镈(Dichaete)→Grh→Ey(Eyeless)[18,39]。在幼蟲(chóng)期,不同區(qū)域的神經(jīng)干細(xì)胞也會(huì)表達(dá)不同的時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子。OPC的神經(jīng)干細(xì)胞有序表達(dá)Hth(Homothorax)→Klu(Klumpfuss)→Ey→Slp1 and Slp2(sloppy paired 1 and 2)→D→Tll(Tailless),而OPC尾部(tOPC)神經(jīng)干細(xì)胞遵循Dll(Distalless)→Ey→Slp→D的順序[21]。在幼蟲(chóng)期的中腦和腹神經(jīng)索中,Ⅰ型神經(jīng)干細(xì)胞表達(dá)Cas和Svp,Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞表達(dá)D→Cas→Svp[25],INP有序表達(dá)D→Grh→Ey。這些時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子的存在,使神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生了不同類型的子代細(xì)胞。

神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞不對(duì)稱分裂可產(chǎn)生兩種不同類型的子細(xì)胞[20,40]。在神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞分裂過(guò)程中,Numb不對(duì)稱分裂到其中一個(gè)子細(xì)胞,該子細(xì)胞的Notch信號(hào)被抑制,成為Notchoff細(xì)胞,另外的子細(xì)胞中Notch處于激活狀態(tài),變成Notchon細(xì)胞。Notchon和Notchoff不僅可以決定子細(xì)胞的類型,也能決定子細(xì)胞的死亡與存活。例如:在果蠅觸角葉前背部神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞分裂時(shí),Notchon子細(xì)胞發(fā)生凋亡,Notchoff細(xì)胞發(fā)育為投射神經(jīng)元；在果蠅觸角葉腹部神經(jīng)節(jié)母細(xì)胞分裂時(shí),Notchon細(xì)胞發(fā)育為投射神經(jīng)元,Notchoff子細(xì)胞發(fā)生凋亡[40]。

5 神經(jīng)干細(xì)胞的靜息與激活

在果蠅胚胎期,神經(jīng)干細(xì)胞的體積會(huì)隨著分裂次數(shù)的增加逐漸減小。當(dāng)細(xì)胞大小減小到4～5 μm時(shí),中腦和腹神經(jīng)索中的大部分神經(jīng)干細(xì)胞會(huì)進(jìn)入靜息狀態(tài)。靜息的神經(jīng)干細(xì)胞在幼蟲(chóng)期被激活,重新進(jìn)入細(xì)胞周期。

神經(jīng)干細(xì)胞的靜息不僅受到細(xì)胞大小的調(diào)控,也受到細(xì)胞內(nèi)部因素的調(diào)控(表1)。Hox蛋白Antp和AbdA(abdominal-A)分別表達(dá)于胸部和腹部的腹神經(jīng)索,研究報(bào)道在Antp和AbdA的突變體中,神經(jīng)干細(xì)胞推遲進(jìn)入靜息,從而使其產(chǎn)生子細(xì)胞的數(shù)量增加[41]。在時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子Pdm的突變體中,神經(jīng)干細(xì)胞靜息提前,而在Cas的突變體中神經(jīng)干細(xì)胞靜息推遲。果蠅神經(jīng)干細(xì)胞的細(xì)胞核中缺失Prospero會(huì)促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新,過(guò)表達(dá)Prospero會(huì)促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的終末分化[42]。此外,細(xì)胞核中Prospero的低水平表達(dá)還與靜息相關(guān),在Pdm和Cas的突變體中,細(xì)胞核中出現(xiàn)低水平Prospero的時(shí)間分別提前和延遲；在幼蟲(chóng)期誘導(dǎo)細(xì)胞核Prospero低水平表達(dá),大量神經(jīng)干細(xì)胞會(huì)進(jìn)入靜息狀態(tài)[42]。Nab、Squeeze蛋白是被Pdm負(fù)調(diào)控的下游因子,其突變會(huì)推遲神經(jīng)干細(xì)胞的靜息狀態(tài)[41]。Trbl(Tribbles)是一類缺少激酶活性的假激酶,具有誘導(dǎo)和維持神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)入靜息狀態(tài)的作用。在G2期的神經(jīng)干細(xì)胞中,Trbl能促進(jìn)Cdc25(String)蛋白的降解,誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)入靜息狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)入靜息后,Trbl還能抑制Akt的活性,維持靜息狀態(tài)[43]。

在幼蟲(chóng)期,靜息神經(jīng)干細(xì)胞的激活需要一個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)的過(guò)程,該過(guò)程主要依賴于InR(insulinlike receptor)/PI3K/TOR(target of rapamycin)信號(hào)通路[44]。幼蟲(chóng)攝入食物后,足量的氨基酸信號(hào)被脂肪體細(xì)胞膜上的陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLIF(Slinfast9)感知,激活細(xì)胞內(nèi)的TOR信號(hào)通路并產(chǎn)生脂肪體信號(hào)分子(fat body derived signal,FDS),分泌的FDS再激活膠質(zhì)細(xì)胞中的PI3K/TOR通路,誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞釋放類胰島素多肽分子(insulin-like peptides,ILPs),ILPs與神經(jīng)干細(xì)胞上的受體InR結(jié)合,激活神經(jīng)干細(xì)胞中的InR/PI3K/TOR信號(hào)通路,促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞生長(zhǎng)。Chro(Chromator)是一種紡錘體基質(zhì)蛋白質(zhì),對(duì)中腦的神經(jīng)干細(xì)胞激活是必需的,在Chro的突變體中,神經(jīng)干細(xì)胞無(wú)法退出靜息[45]。遺傳互作分析表明Chro在Insulin/PI3K信號(hào)通路下游起作用,Chro可促進(jìn)Grh的表達(dá)并抑制Prospero在細(xì)胞核中的表達(dá),降低靜息的神經(jīng)干細(xì)胞中Prospero的含量,導(dǎo)致細(xì)胞核中Prospero蛋白缺失,從而促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞激活和增殖[45]。此外,SHW(Salvador/Hippo/Warts)信號(hào)通路對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞的靜息和生長(zhǎng)也具有調(diào)節(jié)作用,敲低Hippo或Warts的活性,中腦神經(jīng)干細(xì)胞提早生長(zhǎng),退出靜息狀態(tài)[46]。其具體作用機(jī)制如下:Hippo激酶可激活Warts激酶的活性,一旦Hippo或Warts激酶失活,Yorkie蛋白就不會(huì)被磷酸化,未被磷酸化的Yorkie可進(jìn)入細(xì)胞核并調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子如Scalloped的表達(dá),促進(jìn)中腦神經(jīng)干細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖。Crumb和Echinoid蛋白是SHW信號(hào)通路的上游調(diào)節(jié)因子,它們失活也會(huì)導(dǎo)致SHW信號(hào)通路受阻,從而促進(jìn)中腦神經(jīng)干細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖[46]。

6 神經(jīng)干細(xì)胞的凋亡與終末分化

在果蠅成蟲(chóng)形成前,大腦的神經(jīng)干細(xì)胞會(huì)有一個(gè)大規(guī)模消除的過(guò)程[47]。

腹部的腹神經(jīng)索神經(jīng)干細(xì)胞存在兩次凋亡。第一次凋亡發(fā)生在胚胎15/16期,每半個(gè)體節(jié)中的30個(gè)神經(jīng)干細(xì)胞有27個(gè)凋亡。神經(jīng)干細(xì)胞的Notch受體被相鄰的子細(xì)胞產(chǎn)生的Delta激活,促使AbdA在腹部神經(jīng)干細(xì)胞高水平表達(dá)[48],足量的AbdA激活細(xì)胞凋亡基因reaper和grim之間的enh1(enhancer 1),使促凋亡基因RGH(reaper/grim/hid)表達(dá)上調(diào),從而促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的凋亡。第二次凋亡發(fā)生在中三齡幼蟲(chóng)期,每半個(gè)體節(jié)剩余的3個(gè)神經(jīng)干細(xì)胞凋亡。此時(shí)的凋亡仍受到AbdA調(diào)控,但單獨(dú)表達(dá)AbdA并不使神經(jīng)干細(xì)胞凋亡,只有滿足D-Grh+Cas-AbdA+的組合條件,才能啟動(dòng)凋亡[49](表 1)。

蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞在化蛹96 h后才全部消失,該類細(xì)胞的消除不僅僅依靠細(xì)胞凋亡的方式,還依靠細(xì)胞自噬,兩種機(jī)制協(xié)調(diào)運(yùn)行,最終確保蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞被消除[50]。在化蛹90 h后,蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞的caspase被激活,DNA斷裂,推測(cè)蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞的消失依賴于caspase的凋亡形式。促凋亡基因RHG可調(diào)控caspase蛋白的表達(dá),當(dāng)RHG失活,依賴于caspase的細(xì)胞凋亡會(huì)受到抑制。在缺失RHG的果蠅突變體中,蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞還能在成蟲(chóng)果蠅中存活并分裂,這一觀察結(jié)果支持蘑菇體干細(xì)胞可通過(guò)凋亡的方式被消除。另外,在蛹期,蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞中的Insulin/PI3K信號(hào)下調(diào),下游蛋白Foxo進(jìn)入細(xì)胞核,引起蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞自噬。新近的研究表明轉(zhuǎn)錄因子E93能下調(diào)Insulin/PI3K信號(hào),以激活細(xì)胞自噬的方式消除蘑菇體神經(jīng)干細(xì)胞[51]。

表1 果蠅神經(jīng)干細(xì)胞分裂與分化的調(diào)控因子Table 1 Division and differentiation regulators of Drosophila neuroblasts

中腦和胸部腹神經(jīng)索的大部分Ⅰ型、Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞以及INP,在化蛹后20 h會(huì)停止分裂,開(kāi)始終末分化。Prospero在細(xì)胞核內(nèi)聚集能誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞終末分化,其過(guò)程受到時(shí)序因子的調(diào)控。在一齡幼蟲(chóng)向二齡幼蟲(chóng)轉(zhuǎn)變的時(shí)期,Cas在神經(jīng)干細(xì)胞中表達(dá),激活Hh(Hedgehog)信號(hào),Hh會(huì)隨著時(shí)間的進(jìn)程逐步升高,以致在蛹期Hh抑制Grh的表達(dá),促進(jìn)Prospero入核,促使終末分化[52]。RanGAP是RanGTPase的激活蛋白,能調(diào)控Prospero的核質(zhì)運(yùn)輸。一旦RanGAP缺失,Prospero就會(huì)滯留在神經(jīng)干細(xì)胞核內(nèi),使神經(jīng)干細(xì)胞終末分化提前,產(chǎn)生的子細(xì)胞數(shù)目減少[53]。另外,蛻皮激素(ecdysone)和Mediator復(fù)合體也可調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的終末分化。Mediator復(fù)合體與蛻皮激素受體EcR結(jié)合,在蛻皮激素的激活下,中腦神經(jīng)干細(xì)胞氧化磷酸化的水平上調(diào),耗氧速率增加,細(xì)胞生長(zhǎng)被抑制,導(dǎo)致中腦神經(jīng)干細(xì)胞終末分化,退出細(xì)胞周期[54]。

視葉神經(jīng)干細(xì)胞的消除機(jī)制目前還不太清楚。相關(guān)研究報(bào)道,OPC的Tll+神經(jīng)干細(xì)胞中會(huì)聚集Prospero,這可能是OPC神經(jīng)干細(xì)胞消除的原因[55]。

7 展望

在過(guò)去十多年中,果蠅作為一種經(jīng)典的模式生物,在神經(jīng)干細(xì)胞生物學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展。從細(xì)胞水平上看,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了3種不同分裂方式的神經(jīng)干細(xì)胞,這3種神經(jīng)干細(xì)胞在哺乳動(dòng)物中均存在。其中,果蠅中新發(fā)現(xiàn)的Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞通過(guò)分裂大大增加了神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量,這一分裂方式與哺乳動(dòng)物大腦基底放射膠質(zhì)細(xì)胞(basal radial glia,bRG)擴(kuò)增神經(jīng)元的方式相似。從分子水平上看,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些可調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞不對(duì)稱分裂、神經(jīng)元多樣性、神經(jīng)干細(xì)胞靜息與激活、凋亡與終末分化的信號(hào)通路與調(diào)控因子,而參與這些生命活動(dòng)的許多因子都是高度保守的,這提示哺乳動(dòng)物神經(jīng)干細(xì)胞可能存在同樣的調(diào)控機(jī)制。盡管神經(jīng)干細(xì)胞生物學(xué)研究進(jìn)展迅速,但還有一些問(wèn)題尚未解決,比如:果蠅Ⅱ型神經(jīng)干細(xì)胞是怎樣產(chǎn)生的？神經(jīng)干細(xì)胞是如何進(jìn)入靜息的,它們又怎樣被激活？時(shí)序轉(zhuǎn)錄因子怎樣調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的凋亡？這些方面的深入了解對(duì)神經(jīng)再生和修復(fù)具有重大意義。