综 述脑源性神经营养因子前体蛋白研究进展李萍萍1,2,赵 妍1,2,朱 峰1,2,黄 炯1,2,樊栓良1,2,阎春霞1,2(1.西安交通大学医学院法医系,陕西西安710061;2.卫生部、公安部、最高人民法院共建法医学重点实验室,陕西西安710061)摘要 脑源性神经营养因子前体蛋白(pro BDNF)是成熟型脑源性神经营养因子(mBDN F)的前体形式。

最新研究表明,pro BDN F不仅作为mBDN F的前体形式存在,还可由神经细胞分泌到胞外,发挥与mBDNF不同的生物学效应。

本文综述了pro BDNF蛋白的分子结构、在中枢神经系统的分布、受体、生理效应、分泌与调节以及pro BDNF与长时程抑制、突触可塑性、记忆形成及毒品成瘾的相关性等方面的研究进展。

关键词 法医病理学;脑源性神经营养因子前体蛋白(pro BDNF);神经元突触可塑性;毒品成瘾文献标识码 A 文章编号 1001-5728(2011)03-0207-04Current advances in pro BDNF(LI P i n gping1,2,ZHAO Y an1,2,Z HU Feng1,2,HUANG Ji o ng1,2,F AN Shuanliang1,2,YAN Chunx ia1,2/1.F acult y of F orensic M ed icine,X i an J iaotong University M e d ical Co llege,X i an710061,Ch i n a;2.The K ey Laboratory for Forensic M edicine Co s upported by M inistry of H ealth,M inistry of Pub lic Securit y and P eop le s Supre m e C ourt in X i an J iao tong Universit y,X i an710061,China) Abstract Pr o BDNF is the precursor of m ature brain derived neurotroph ic factor(mBDNF).M any recent stud ies have sho wn that pro BDNF ex ists no t on ly as a precursor o fmBDNF,but also i s secreted d irectlyi n to the extracellular m atri x by neurons and p lays add iti o na l biological ro l e s d ifferent fro m mBDNF.H ere,w e rev i e w ed the current advances i n st u dies on pr o BDNF m o lecu lar struct u re,d istri b uti o n i n t h e central nervous syste m,receptors,secretion and regu lation.Specia l attention w as focus on pro BDNF i n assoc iati o n w ith long ter m depression,synaptic plastic ity,m e m ory for m ation and dr ug add iction.Key w ords f o rensic pat h ology;brai n derived neurotroph ic factor precursor(pro BDNF);neuron synaptic plasti c ity;dr ug add iction.脑源性神经营养因子前体蛋白(brain derived neurotroph ic facto r precursor,pro B DNF)是成熟型脑源性神经营养因子(m ature for m of brain derived neurotroph ic facto r,mBDNF)的前体形式[1]。

以往的研究认为,BDNF基因转录后先翻译成pro BDNF,在高尔基体和内质网内经过钙依赖的丝氨酸蛋白酶f u rin和proconvertase裂解,释放出具有生物活性的羧基端,形成mBDNF蛋白,分泌到细胞外后,与胞膜上的两大类受体TrkB和p75NTR结合调节神经细胞的生长、发育、分化及介导细胞凋亡,pro BDNF是该过程中的中间体,没有生物学功能[2 4]。

而最近的研究发基金项目 国家自然科学基金项目(30672356);陕西省留学人员科技活动资助项目(SLZ2008010)作者简介 李萍萍,女,硕士研究生,研究方向:毒品成瘾机制。

E m a i:l li p i ng.715@stu.x 通信作者 阎春霞,女,副教授,博士,主要从事毒品相关死亡及毒品成瘾机制研究。

E m ai:l yanchx@m ai.l x jt 现,pr o BDNF不仅作为mBDNF的前体形式存在,其本身也可由神经细胞突触分泌到细胞外,发挥与mBDNF相同或不同的功能,但两者作用方式不尽相同[1,5]。

本文对pr o BDNF蛋白分子结构、在中枢神经系统的分布、受体、生理效应、分泌与调节以及pro BDNF与长时程抑制、突触可塑性、记忆形成及毒品成瘾的相关性等方面的研究进行综述,旨在为法医学及相关研究及实践提供参考。

1 pro BDNF的分子结构、分布及其受体pro BDNF N端为糖基化和硫酸化,由于糖基化和硫酸化类型和数量不同,其分子量在28~36kDa之间[4,6]。

生理状态下,pro BDNF以二聚体形式分泌,肽链长度为249个氨基酸,其序列内第57和58位点为酶切部位[2 3]。

在分泌过程中,前体蛋白转化酶如furi n、PC1/3、PC5/6 B、PACE4及血纤维蛋白溶酶、基质金属蛋白酶MM P 3和MMP 7可作用于此酶切位点,将207对大鼠的研究发现:正常生理状态下pro BDNF 分布在延髓网状核、孤束核、三叉神经脊髓束和中央管区域的末梢、尾部和延髓腹外侧、下橄榄核腹外侧;脑桥核、被盖背核、背侧旁核、三叉神经感觉核、面核、前庭耳蜗核;中脑导水管周围的灰质、外侧膝状体;海马中神经元突起末梢和胞体、锥体细胞层的神经元和分子层的神经末梢;小脑齿状回颗粒细胞层的神经元胞体和神经突起末梢等部位[7 9]。

徐丹等[10]对pro BDNF在成年恒河猴中枢神经系统内的定位研究显示,pr o BDNF广泛分布于大脑皮质、海马、丘脑、小脑、中脑、脑桥、延髓和脊髓。

与大鼠中枢神经系统pr o BDNF分布比较,两个物种之间pr o BDNF表达模式和作用可能存在差异。

Pro BDNF在灵长类动物中枢神经系统的亚细胞定位以核染色为主,各类神经元和胶质细胞均有核染色,说明该蛋白可能作为转录因子调控基因表达[10]。

pro BDNF和mBDNF通过结合不同的受体发挥其生物学效m BDNF受体有p75NTR和T r kB2种;而pro BDNF受体有3种,分别为p75NTR、T r kB 和sortilin[6]。

其中p75NTR为mBDNT低亲和力受体[11],T r kB为m BDNT高亲和力受体,而so rtili n是最近发现的Vps10p D受体家族成员。

3种受体的基因定位、蛋白质分子结构及信号转导通路各有差异,但又有一定的相互作用[11]。

2 pro BDNF的分泌调节pro BDNF在神经元内主要由与活动依赖性有关的囊泡调节其产生和分泌[5]。

这种分泌途径可以释放pr o BDNF和mBDNF,但不同形式的BDNF具体在何种情况下分泌目前尚不清楚。

但有研究显示,当mBDNF过度表达时,树突产生和分泌的大部分蛋白是pr o BDNF,而不是m B DNF[12 13]。

pro BDNF可能通过以下几种不同机制转化为mBDNF(图1)[1]: 在神经元内质网内,pro BDNF被前体蛋白内切酶furi n分解形成mBDNF; 在神经元调节分泌囊泡中,通过PC酶分解; 在细胞外,pro BDNF可以被p l a s m in分解,形成的mBDNF可以活化细胞表面的TrkB受体; 细胞外的pr o BDNF可以结合p75NTR,内吞后再裂解产生m BDNF; mBDNF也可以在内涵体内激活TrkB受体,并在之后能反馈生成pr o BDNF。

m B DNF再循环至细胞表面。

BDNF 基因的释放形式可能在神经元胞核内就已决定, mBDNF主要在胞体高尓基器中被水解形成,大多数图1 中枢神经系统中BDNF的分泌和调节(a和b)F i g1 BDNF produc ti on and processing in thecen tral nervous s ystem研究表明,不同的外源性刺激可以影响pr o BDNF 和mBDNF的表达及分泌比例[6]。

N agappan等[5,14]采用针对pro BDNF和mBDNF的特异抗体,研究在不同频率电刺激条件下海马神经元中两种BDNF蛋白的比例,结果显示高频刺激可促进细胞外分泌的pr oB DNF向mBDNF转化。

3 pro BDNF与神经元突触可塑性以及学习记忆的相关性越来越多的研究表明,pr o BDNF在体内除用于合成mBDNF外,其本身作为具有生物活性的独立蛋白分子,也在神经系统内发挥重要的生理功能[15],参与了精神性疾病、老年退行性脑疾病的发生,并且是神经元突触可塑性、学习记忆形成过程中重要的蛋白质分子,比如在精神分裂症和心境障碍的海马组织及其它中枢神经部位均有mBDNF、pro BDNF和受体TrkB(NTRK2编码)、p75(NTRNGFR编码)表达[9,15 16]。

pr o BDNF和mBDNF还通过t P A纤溶系统途径参与抑郁病发病机制[17]。

Fahnestock等[18]研究208发现,A lzhei m er病患者脑顶叶皮质内pro BDNF蛋白含量较正常对照组下降2.25倍。

且有研究显示,海马中pro B DNF表达量在不同的生理阶段呈现动态变化,在轴突投射和突触形成时表达量显著升高[15]。

长时程增强(LTP)与长时程抑制(LTD)是突触可塑性的重要形式之一,也是学习记忆的一种机制。

W ool 等[19]研究发现,mBDNF通过与Tr kB受体结合,促进海马突触增强,而pro BDNF通过激活p75NTR受体,增强海马区域NMDA NR2B受体依赖的LTD和NR2B 介导的突触电流。