丙戊酸钠对神经干细胞增殖与分化过程的调控*

在成年哺乳动物脑内有一类多能性干细胞,即神经干细胞(neural stem cells,NSCs),它们可以分化产生构成神经系统的3个主要细胞类型——神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞[1]。NSCs替代疗法是治疗中枢神经系统损伤和退行性病变的策略之一[2],如何能够促进成体NSCs向神经元分化是研究热点[3]。丙戊酸钠(valproate)是一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂,可上调组蛋白乙酰化水平,在表观遗传层面调控基因的表达[4-5]。丙戊酸钠是临床常用的治疗癫痫以及双相情感障碍等疾病的药物[6],研究表明丙戊酸钠可抑制NSCs增殖,促进NSCs向神经元分化,并抑制其向星形胶质细胞和少突胶质细胞分化[7]。现就丙戊酸钠调控NSCs增殖与分化过程的机制进行综述,以期为丙戊酸钠治疗中枢神经系统损伤和退行性病变等的潜在临床价值提供线索。

1 丙戊酸钠概述

在哺乳动物胚胎期间的神经发育和成年之后的神经发生过程中,众多分子和信号通路都参与其中,而表观修饰能通过DNA 甲基化、组蛋白修饰等方式来调控这些重要功能分子的表达水平[8]。在过去的几十年中,组蛋白乙酰化修饰被广泛研究,组蛋白乙酰化主要发生在组蛋白H3、H4的氮端较保守的赖氨酸位置上,主要通过组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferases,HATs)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)协调进行,前者使组蛋白乙酰化水平升高,后者则能下调组蛋白的乙酰化[4]。组蛋白乙酰化修饰可以改变组蛋白和DNA间的相互作用,从而调控基因的表达[5]。丙戊酸钠作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂家族中的一员,可以抑制组蛋白去乙酰化酶活性,参与表观遗传水平的基因表达调控。

丙戊酸钠是一种临床上常用的抗癫痫药物,并广泛应用于治疗双相情感障碍、神经性疼痛、急性躁狂和偏头痛等疾病[9],其药理作用涉及调控神经信号传递的多种机制。癫痫、神经性疼痛和偏头痛等是由于大脑神经元突发性异常放电导致的大脑短暂性功能障碍[10]。研究表明丙戊酸钠能够抑制γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)代谢酶,抑制GABA的降解,使脑内 GABA 聚集,抑制钠离子通道开放,减弱T型钙离子电流,抑制病灶神经元过度放电同时遏制异常放电的扩散,从而缓解症状[11]。丙戊酸钠不仅可用于治疗上述疾病,目前也有很多研究提示其可能成为一些中枢神经系统损伤和退行性疾病等的潜在治疗药物。阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)是临床常见的神经退行性疾病,以学习记忆等认知功能丧失为主要特征[12],研究显示口服丙戊酸钠可以显著改善小鼠记忆缺陷,同时可以发挥抗炎作用[13]。此外,丙戊酸钠能够改善大鼠在失血性休克后的生存质量并保护神经元防止低氧损伤,减少细胞凋亡的发生并减轻脑部水肿[14]。另有研究人员观察到创伤性脑损伤大鼠在接受400mg/kg的丙戊酸钠治疗后30min脑损伤显著减轻,海马树突损伤、大脑皮层挫伤体积减少,运动功能和空间记忆得到明显改善[15]。另外,近年来有研究显示丙戊酸钠可通过激活某些肿瘤抑制因子,抑制癌细胞增殖[16],或诱导肿瘤细胞凋亡的发生[17],诱导癌细胞分化[18]从而达到治疗癌症的目的。由此可见,丙戊酸钠具有重要的神经保护功能,并能调控细胞的增殖与分化过程。

2 丙戊酸钠对NSCs增殖的影响及其机制

神经发生过程中神经干细胞的增殖受到多种因素的影响,其所涉及的机制十分复杂。已有研究指出丙戊酸钠对NSCs的增殖过程发挥抑制作用。

数据挖掘过程始于数据预处理，在数据挖掘过程中数据的预处理占据很很重要的地位[8]，数据挖掘结果在很大程度上是由数据决定的。在数据库中数据是海量的，而且具有很多种不同的不可用的数据形式，这些数据会导致数据挖掘结果不理想，所以有必要预处理数据库中的数据样本。

2.1 丙戊酸钠调控细胞外调节蛋白激酶信号通路

细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族的一员,是将信号从细胞表面受体传递至细胞核的关键分子,参与调节细胞的生长、发育和死亡[19]。研究指出,丙戊酸钠对NSCs增殖过程的调控与ERK信号通路的激活有关。丙戊酸钠处理可抑制神经球形成,这种抑制作用是通过抑制细胞周期的S期,即DNA合成期来实现的[20]。DNA合成的抑制与早期生长反应蛋白1(early growth response 1,Egr1)的表达上调有关,Egr1是与神经发生相关的基因,可被ERK信号通路中的神经生长因子(nerve growth factor,NGF)激活[21]。因此,丙戊酸钠可通过激活ERK信号通路上调Egr1的表达,从而抑制NSCs增殖。

2.2 丙戊酸钠调控p21Cip/WAF1的表达

很多研究表明丙戊酸钠可以促进NSCs向神经元分化,并抑制其向星形胶质细胞和少突胶质细胞分化,丙戊酸钠促进神经元发生的过程有多种分子和信号通路参与。

3 丙戊酸钠对NSCs分化的影响及其机制

细胞周期素依赖性激酶抑制剂p21Cip/WAF1是重要的细胞周期负调控因子,可结合并抑制细胞周期素和细胞周期素依赖性激酶1(cyclin dependent kinase 1,CDK1)、CDK2以及CDK4/6复合物的活性,从而调控细胞周期进程[22]。有研究人员分离培养外伤性脊髓损伤大鼠的脊髓多能神经干/前体细胞(neural stem/precursor cells,NSPCs),并用丙戊酸钠处理,显示NSPCs的增殖受到明显抑制,进一步研究表明细胞周期调节因子p21Cip/WAF1的mRNA和蛋白水平均显著增加,细胞阻滞于G0/G1期[23]。

Wnt蛋白是富含半胱氨酸的脂质修饰蛋白,在细胞发育过程中发挥重要作用[27]。研究人员用丙戊酸钠处理胚鼠来源的NSCs,于分化后第3、7和10天检测经典Wnt信号通路的重要组成成员Wnt-3α和β-连环蛋白的表达水平,结果显示在分化后第3、7和10天,Wnt3a和β-连环蛋白的表达均高于对照组，并伴随神经元数量的增加。但第7天和第10天Wnt3a和β-连环蛋白的表达水平均低于第3天,并没有随着分化的进程表达进一步增加[28],因此推测Wnt3a和β-连环蛋白主要在NSCs分化早期表达,且丙戊酸钠可以通过上调Wnt3a和β-连环蛋白的表达从而激活Wnt信号通路,进而诱导NSCs分化为神经元。

3.1 丙戊酸钠调控碱性螺旋家族基因的表达

经过调研，国内重点大学和省属老牌院校几乎都成功申请了“省级、国家级计算机实验教学示范中心”建设项目。国内高校的计算机实验教学示范中心蓬勃发展，地方院校认识到了计算机实验中心建设与创新发展的重要性和迫切性，开始研究探索中心建设与改革措施。从现状看，地方高校计算机实验教学中心建设还存在许多问题，主要表现在以下方面。

研究人员用丙戊酸钠处理大鼠海马神经前体细胞,显示丙戊酸钠处理可诱导NSCs分化,使神经元数量明显增加,神经元发育因子——神经元素1(neurogenin,Ngn1)和无调性碱性螺旋(basic helix-loop-helix,bHLH)转录因子1(atonal bHLH transcription factor 1,Math1)表达上调,它们的启动子区域H4乙酰化水平增高[24]。另有研究指出从大鼠海马中分离出神经前体细胞,经丙戊酸钠处理后会诱导其向神经元分化,表达神经源性分化蛋白1(neurogenic differentiation 1,NeuroD)等转录因子,并抑制其向星形胶质细胞和少突胶质细胞分化[25]。众所周知,Ngn1、Math1和NeuroD均是bHLH家族的成员,主要功能是调节NSCs向终末细胞分化[26]。以上结果表明丙戊酸钠通过抑制HDACs活性,促进bHLH家族与神经元分化有关的基因高表达,从而促进神经元分化。

3.2 丙戊酸钠调控Wnt信号通路

6）机遇因素。近年来，甘肃省积极推进中医药产业转型升级。甘肃省食药监局起草制定了《甘肃省中药配方颗粒质量管理暂行规定》，引导企业做好中药配方颗粒研发生产准备工作。甘肃省工信委研究制定《甘肃当归全产业链实施方案》，“岷县当归”获得中国驰名商标。与此同时，甘肃省中医药服务贸易迈出坚实步伐，在“一带一路”沿线8国建立岐黄中医学院，在 5 国成立岐黄中医中心，推动多批甘肃中医药产业注册认证与出口。2017 年 7 月，经国务院同意，原国家卫计委、原发改委、原中医药管理局联合批复，甘肃省正式成为国家中医药产业发展综合试验区，为甘肃省破解瓶颈、推动中医药产业发展带来了难得的机遇。

3.3 丙戊酸钠调控哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路

雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一种在进化上比较保守的丝氨酸/苏氨酸激酶,属于磷脂酰肌醇激酶相关蛋白家族的成员,可调控细胞生长和增殖,在神经发育过程中参与神经元分化和胶质细胞发生[29]。有研究表明,丙戊酸钠可激活mTOR,诱导NSCs向神经元分化,而应用mTOR抑制剂后丙戊酸钠诱导的神经元分化受到抑制,提示由丙戊酸钠诱导的神经元分化可由mTOR通路活化介导。进一步研究显示,丙戊酸钠通过抑制细胞中DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases,DNMT)1(DNMT1)和DNMT3a的表达[30],促进Ngn1去甲基化;而抑制mTOR信号可阻断Ngn1调节元件的去甲基化,这些结果提示了mTOR信号通路可通过DNA去甲基化调节Ngn1的表达,从而介导了丙戊酸钠诱导的NSCs向神经元的分化[31]。

3.4 丙戊酸钠调控c-Jun氮末端激酶信号通路

c-Jun氮末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)是MAPK的亚类,具有多种生理功能,参与细胞存活、细胞凋亡和程序性细胞死亡过程[32],此外,JNK还参与神经突生长、神经元分化和神经系统记忆形成等过程[33]。研究人员用丙戊酸钠处理小鼠胚胎NSCs,显示丙戊酸钠可促进JNK的激活,增加c-Jun的磷酸化水平,促进小鼠胚胎NSCs向神经元分化和神经突的生长,且上调脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)、神经胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)和人脑多巴胺神经营养因子(cerebral dopamine neurotrophic factor,CDNF)的表达;利用JNK抑制剂抑制JNK的激活,则会抑制丙戊酸钠诱导的神经元分化以及丙戊酸钠诱导的BDNF、GDNF和CDNF高表达[34],这些结果证明JNK的激活参与丙戊酸钠诱导的神经元分化和神经突起生长。

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成年动物脑内具有自我更新和多向分化潜能的NSCs可以为中枢神经系统损伤和退行性疾病的治疗提供良好的细胞来源,掌握促进NSCs分化为神经元的方法对于提高治疗效果是十分重要的。许多研究都已证明丙戊酸钠在NSCs的命运决定中发挥着重要作用,它能够调控多基因的表达,促进神经元再生,改善认知和运动功能,因此可能成为治疗中枢神经系统损伤或退行性疾病的潜在药物,了解其发挥作用的机制有助于为其临床应用价值提供依据。

参 考 文 献

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