中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (37): 6010-6016.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.37.020
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微管相关蛋白2：调节神经元发育、结构稳定及突起形成和突触可塑性
姚中凯，吴作培，孙贵新
- 上海同济大学附属东方医院创伤外科，上海市 200120
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出版日期:2015-09-10发布日期:2015-09-10 -
通讯作者:孙贵新，博士，主任医师，硕士生导师，上海同济大学附属东方医院创伤外科，上海市 200120 -
作者简介:姚中凯，男，1987年生，山东菏泽曹县人，汉族，上海同济大学在读硕士，主要从事创伤外科方面的研究。 -
基金资助:上海市卫生局面上项目资助计划项目(20124328)；上海市周围神经显微外科重点实验室课题项目(08D22270600)
Microtubule-associated protein-2: regulating neuronal development, structural stability, projection formation and synaptic plasticity
Yao Zhong-kai, Wu Zuo-pei, Sun Gui-xin
- Department of Traumatology, East Hospital of Tongji University, Shanghai 200120, Chin
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Online:2015-09-10Published:2015-09-10 -
Contact:Sun Gui-xin, M.D, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Traumatology, East Hospital of Tongji University, Shanghai 200120, China -
About author:Yao Zhong-kai, Studying for master’s degree, Department of Traumatology, East Hospital of Tongji University, Shanghai 200120, China -
Supported by:the Funded Project of Shanghai Health Department, No. 20124328; the Project of Shanghai Key Laboratory of Peripheral Nerve Microsurgery, No. 08D22270600
摘要：
背景：微管相关蛋白2是一种调节微管蛋白组成的重要调节因子，为微管相关蛋白的主要成员之一，在神经系统的发生及功能的维持上起着重要的作用，研究发现微管相关蛋白2能够促进神经损伤的修复与重建。
目的：探讨总结微管相关蛋白2与神经损伤的关系及发挥作用的机制。
方法：由第一作者运用计算机检索系统检索自1976年1月至2015年1月所有发表的与微管相关蛋白2的相关的文献，以“microtubule-associated protein-2(MAP-2)，nerve injury，progress”为检索词在同一领域选择近期发表或发表在权威杂志上的文章。排除重复性的文献及时间跨度比较长的文献，从检索结果中共选择了82篇文章进一步的分析。
结果与结论：微管相关蛋白2主要存在于中枢神经系统神经元胞体和树突中。微管相关蛋白2参与神经损伤的修复过程，对神经元形态学和可塑性方面其促进作用。在神经损伤早期提升微管相关蛋白2的浓度可早期恢复神经元的功能。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
中图分类号:
引用本文
姚中凯，吴作培，孙贵新. 微管相关蛋白2：调节神经元发育、结构稳定及突起形成和突触可塑性[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(37): 6010-6016.
Yao Zhong-kai, Wu Zuo-pei, Sun Gui-xin. Microtubule-associated protein-2: regulating neuronal development, structural stability, projection formation and synaptic plasticity[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(37): 6010-6016.
2.1 微管相关蛋白2结构及分类 微管相关蛋白2异构体集中表达于人类神经元中，研究发现表达微管相关蛋白2的基因含20个外显子，位于第2条染色体片段2q34-q35上，微管相关蛋白2转录子和亚型具有多个亚型，造成这种现象的主要原因为单一基因转录后前体mRNA选择性剪切[4-5]，将哺乳动物脑内的微管相关蛋白2根据经典的SDS-PAGE电泳方式主要分为两大组：①低分子量的微管相关蛋白2(LMWMAP-2 )，相对分子质量分别为 70 000和75 000的微管相关蛋白2c和微管相关蛋白2d蛋白。②高分子量的微管相关蛋白2(HMWMAP-2)，相对分子质量分别为280 000和 270 000的微管相关蛋白2a和微管相关蛋白2b蛋白。学者Shafit-Zagard等目前已发现证实特异性包含exon13的新的异构体微管相关蛋白2e 蛋白[6]。微管相关蛋白2a和微管相关蛋白2b包含一个短的微管连接区(MTBD)和一个大的中心区，前者由3或4个不完整的重复序列构成，通过羧基末端与微管相连；后者通过与其他细胞蛋白相互作用稳定细胞骨架，保持微管空间构象。高分子量的微管相关蛋白2主要出现在成年期，选择性地集中于树突而被认为是树突特异性的蛋白质[7]。研究表明微管相关蛋白2分子具有一定的保留特性。相关研究证实微管相关蛋白2抗体在鹤鹑和爪蟾的中枢神经系统内，仅能在树突和胞体内表达。通过免疫组化实验发现高分子量的微管相关蛋白2出现在发育鹤鹑小脑内的purkinje细胞和树突中，而在成年鹤鹑purkinje细胞中通过免疫组织化学实验却没有发现微管相关蛋白2[8]。一直以来高分子量的微管相关蛋白2被认为与发育中的树突相关联，从另一个方面来讲，至少在成熟的树突中(例如鹤鹑purkinje细胞树突)，即使缺失微管相关蛋白2该树突也能维持期形态并发挥其正常的功能。综上表明高分子量的微管相关蛋白2在非成熟树突中发挥作用，然而在成熟的神经元中，其功能的发挥不是必然的，或者其功能可以推测为被其他的蛋白所代替。低分子量的微管相关蛋白2是由高分子量的微管相关蛋白2内部特定区域折叠形成的特定的结构域，主要为支链的羧基跟氨基相结合形成的区域[9-11]，例如研究证实微管相关蛋白2c就是微管相关蛋白2b中的特定的区域，但不具有中心区；再例如微管相关蛋白2d是由微管相关蛋白2c连接到其他序列后形成的。这两组异构体的相同之处就是都由多个重复的序列构成，最终在羧基末端区域形成了特定的结构域，称之为微管结合功能域(TBD)，进而发挥其作用[12-13]。微管结合功能域的功能的发挥受上游的因子调节，主要为脯氨酸富集区域(PRD)。微管相关蛋白2还能够与PKA(蛋白激酶)亚单位结合，这主要依赖于氨基末端由31个氨基酸序列组成的结合区域[15-16]。在未成熟的神经细胞中，微管相关蛋白2通过与微管结合来推动其作用上的发挥。然而低分子量的微管相关蛋白2随中枢神经系统的成熟而迅速减少至消失，仅在成年期一些脑组织区域如嗅球有持续的表达。
2.2 微管相关蛋白2的分布与表达 2.2.1 微管相关蛋白2的分布 微管相关蛋白2主要存在于中枢神经系统神经元胞体和树突中。除此之外，在激活的胶质细胞，少突胶质细胞和某些非神经元组织中也有少量表达。
2.2.2 微管相关蛋白2分类及表达 事实证明微管相关蛋白2a不仅在发育成熟的细胞内表达，也在神经细胞的发育早期阶段表达[17]。微管相关蛋白2b存在于所有神经细胞的发育阶段，在神经的发育的早期阶段表达量较低[18]。在神经的发育过程中，微管相关蛋白2c及其mRNA的峰值主要出现在发育的早期阶段[19]，与神经元轴突形成的时间相一致，随后表达量逐渐降低。然而在成年老鼠的视网膜、嗅球微管相关蛋白2c表达也可能会升高，这可能跟这些部位损伤有关，由此推测神经损伤后其再生与重塑与微管相关蛋白2有着密切的联系[20]。虽然指导合成微管相关蛋白2的mRNA在发育整个阶段都有出现，微管相关蛋白2d主要在成熟的神经细胞中高表达。在成熟的鼠神经细胞中微管相关蛋白 2 d的表达量要高于微管相关蛋白2c[13]。微管相关蛋白2e则分布于少突胶质细胞的胞体和突起，与微管相关蛋白2c相似主要在神经细胞的早期阶段集中分布。
2.2.3 高分子量的微管相关蛋白2和低分子量的微管相关蛋白2 高分子量的微管相关蛋白2主要同微管相联系，主要存在于神经元的胞体和树突中。在树突棘和突触密集区高分子量的微管相关蛋白2与肌动蛋白高相关[21-22]，但在轴突中也有发现少量的高分子量的微管相关蛋白2[23]。同高分子量的微管相关蛋白2不同的是低分子量的微管相关蛋白2分布较广，尤其在富集于轴突和神经胶质细胞当中[6，8，24]。
2.3 微管相关蛋白2的功能
2.3.1 神经元生长及极性 微管相关蛋白2能够促进神经细胞的生长与保持神经细胞的极性。当用特定的反义寡核苷酸处理后，抑制微管相关蛋白2的表达，最终发现神经突的生长明显缓慢甚至停止[25]。另外在非神经细胞中，增加微管相关蛋白2的量，也会有类似神经突基质的物质生长[26-27]。因此可以说微管相关蛋白2能够促进神经突地生长，也或者说神经突的生长离不开微管相关蛋白2。高恐惧反应实验也证实微管相关蛋白2与海马区的记忆的重塑密切相关[28]。
2.3.2 细胞骨架 微管相关蛋白2主要同微管蛋白竣基端的酸性区域相结合[29-30]，其实研究发现微管相关蛋白2也能同微管蛋白的其他区域相联系[31]。在微管相关蛋白2微管蛋白羧基端区域旁侧区域，主要富含脯氨酸，通过结合微管，使微管更稳定[14]。微管相关蛋白2表面含有微管蛋白，通过微管蛋白纵向相互联系，增强微管蛋白的稳定性[32]，一定浓度的微管相关蛋白2密度，可以有效的阻止微管的解聚[33]。形成长的多聚体的基础就是通过微管相关蛋白2与微管相连接，增加微管蛋白的强度[34]。微管的可塑性也是因为微管蛋白与微管相关蛋白2结合后动力学特性增强[35]。微管相关蛋白2通过微管结合功能域区域与肌动蛋相互作用来调节微丝的稳定性[36-37]。在生长中的大鼠海马神经元细胞轴突中，可以观察到微丝与微管相互作用的转移[38]。通过神经丝微管相关蛋白2可以同微管、微丝相结合[39]。在神经元迁移和神经突的生长方面，微管相关蛋白2与微管相关蛋白1 B起协同作用[40]。通过肌动蛋白，微管相关蛋白2与神经调制蛋白(Gap-43)共同促进神经元细胞的生长及稳定细胞骨架[41]。可以断定微管相关蛋白2可以同其他蛋白的相结合共同促进神经元的生长细胞骨架的稳定性。
2.3.3 微管成束 微管相关蛋白2能能够促使微管包裹成束。例如借助细胞转染技术将编码微管相关蛋白2的cDNA导入到非神经元细胞中，一段时间后在宿主细胞的胞质中发现坚韧的微管束[40]。通过大量的试验研究，最终发现微管结合功能域第3个重复序列在微管成束中是必不可少的，微管相关蛋白2上的其他重复序列及旁侧区域协同微管成束作用[43]。微管相关蛋白2d的微管结合功能域区域含有4个重复序列，微管相关蛋白2c含有3个重复序列，研究发现微管相关蛋白2 d要比微管相关蛋白2c更能促使微管成束[42]。这表明，重复序列越高越能提高微管相关蛋白2微管成束的效率。
2.3.4 神经元细胞器之间的转运 众所周知，在神经元之中，细胞器和蛋白质的转运主要是通过依靠动蛋白等运动蛋白来实现的[44]。微管蛋白特异区域分别能够同微管相关蛋白2及运动蛋白相结合是转运的基础[45]。因此，可以通过调整微管相关蛋白2含量，达到调节的细胞器转运的目的[46]。由于Mapmodulin蛋白可以把微管相关蛋白2从微管上分离掉，也可以影响细胞器转运[47]。
2.4 翻译后的修饰
2.4.1 磷酸化作用 微管相关蛋白2在体内有不同的磷酸化状态，可以调节其与微管及其他相关蛋白的结合。现己证明：高度磷酸化的微管相关蛋白2，最高可以连接46个磷酸基团[48]。微管相关蛋白2的磷酸化作为一种快速的调节机制，逐步调节树突分枝及突触活性[49-50]。因此微管相关蛋白2磷酸化在稳定细胞骨架方面发挥着至关重要的作用。在高分子量的微管相关蛋白2的中心区，微管相关蛋白2有大量的丝氨酸和苏氨酸结合位点。另外在C-末端有富含脯氨酸的结合区域。这些结合位点往往具有较高保守性，正是通过其磷酸化来实现微管相关蛋白2的磷酸化发挥其作用。与此同时微管相关蛋白2还是cAMP，PKA，GSK3，PKC等激酶的底物，影响不同的信号传导通路。例如：溴隐亭可以抑制催乳激素、雌激素的作用作用，对大鼠饲喂溴隐亭后，可以测到 PKC和CaM激酶的改变，从而影响相应的细胞信号通路来调节微管的动力学特征[51]。
2.4.2 微管相关蛋白2磷酸化作用 ①通过与微管特定区域结合，保持神经元的形态和保持神经元的极性。微管相关蛋白2磷酸化与微管的结合与微管相关蛋白2量的多少无关[52]。②通过钙激活蛋白酶调节蛋白的更新[53]。进一步的发现钙蛋白酶的显著增高导致微管相关蛋白2水平的降低[54]。③微管相关蛋白2的特定的功能状态主要依靠的是单个位点的磷酸化。
2.4.3 其他调节 磷脂，特别是磷脂酰肌醇，可能抑制微管束聚集；树突内高分子量的微管相关蛋白2糖基化可以诱导微管解聚。 2.5 微管相关蛋白2的特异性应用
2.5.1 可以作为来源于外胚的肿瘤即上皮肿瘤等具有神经元倾向的肿瘤标志性物质微管相关蛋白2在肺类癌、小细胞癌中表达量增多，可作为其特异性检测的标记物[55]。研究表面微管相关蛋白2也受核糖基化作用及磷脂酞肌醇的影响[56-57]，通过对黑色素瘤细胞株中微管相关蛋白2的表达进行检测发现：恶性的黑色素瘤细胞内的微管相关蛋白2的表达量较正常细胞的明显减少，甚至在恶性程度较高的黑色素留细胞内微管相关蛋白2不表达。这表明恶黑转移程度及恶性程度的同微管相关蛋白2表达呈负相关。可以大胆猜测，恶黑细胞内微管相关蛋白2的表达受到抑制，或者说微管相关蛋白2表达下降或缺失加剧了肿瘤的发生和转移，或者说高表达的量的微管相关蛋白2能够反过来抑制恶黑肿瘤的发生。有报道称在肿瘤细胞的各个阶段都可以受微管相关蛋白2的调控[58]。最近有学者研究证明在来源于人或鼠的细胞的试管中，通过增加转移性黑色素瘤及侵入性肿瘤细胞中的微管相关蛋白2的水平能够诱发肿瘤细胞的凋亡及抑制细胞分裂周期，同时在裸鼠活体的实验得到相同的结果[59]。微管相关蛋白2对黑色素瘤的影响可能与细胞中的肿瘤基因BFAR的表达有关[54]。由此为发现新的肿瘤治疗方法提供了线索。
2.5.2 微管相关蛋白2与神经元发育和可塑性的关系微管相关蛋白2作为微管的结构蛋白之一，可能参与神经元发育、结构稳定、突起形成和突触可塑性调节[60-61]，同时对神经元轴突和树突的发生、延长和稳定具有重要作用[62]。在那些损的神经元中，树突内微管相关蛋白2表达量明显减少，而在创伤后修复的神经元树突内，微管相关蛋白2表达显著增加[63]。
神经元发育：在发育的脑神经元树突内微管相关蛋白2磷酸化明显增强，这表明在微管相关蛋白2磷酸化对神经元形态学和可塑性方面起促进作用。使微管相关蛋白2表达受到完全抑制后，树突的生长停止，突触的数量和密度明显减少,这表明微管相关蛋白2与树突的分化密不可分[64]。学者Sanchez等[65]发现在不同发育时期大鼠海马区神经元中，在发育的早期磷酸化的微管相关蛋白2占主导地位；在发育的晚期恰恰相反。另外，在生长突触延长起始区磷酸化微管相关蛋白2比值较高。因此微管相关蛋白2同神经元形态学和可塑性密切相关。 神经元可塑性：成年后中枢神经系统仍具有高度的可塑性，这对于学习、记忆和伤害后复原是十分重要的。海马诱发的长时程记忆(LTM)与树突及突触的形态学变化有关，存在于神经元发育早期和成年后突触构成时期，受微管相关蛋白2磷酸化状态的调节[66]。
在癫痫动物的模型中，激发刺激后，通过检测发作后不同时间的微管相关蛋白2的浓度，提示微管相关蛋白2参与神经元的反应性修复[67]。也可能是由于通过激发苔状纤维来进行神经元的修复[68]，有关学者发现在癫痫动物模型中，激发之后的前3 d微管相关蛋白2蛋白表达量增高，14 d左右达到最大值，借助电镜，可以发现树突内的微管在前3 d开始逐渐增加，14 d左右达到最大值[68]。通过对鼠海马组织培养，发现微管相关蛋白2磷酸化状态的变化与神经递质的变化正相关。谷氨酸和乙酰胆碱，可以提升突触后钙离子的浓度，同时激活钙离子依赖性的转导通路促进LTM的合成。新生大鼠海马主要激活亲代谢性谷氨酸受体，通过激活ERKs而使微管相关蛋白2磷酸化升高;而成年大鼠激活NMDA谷氨酸受体，由钙依赖性的PP2B催化，或通过激活PP1而触发迟发性的 微管相关蛋白2去磷酸化[69]。另外，D1多巴胺受体(D1Rs)也可能通过调节微管相关蛋白2而影响突触生长。在小鼠皮质神经元和转基因过表达D1R亚单位D1A的新生鼠皮质观察到树突长度的减少与微管相关蛋白2磷酸化升高相一致，并证实D1Rs调节微管相关蛋白2磷酸化是通过PKA相关的胞内信号通路[70]。磷酸化的微管相关蛋白2多积聚在树突内，抑制树突的生长[71]。但是胞体内微管相关蛋白2的mRNA不受LTP的影响。较长、较强时间的突触刺激使mRNA水平的升高，微管相关蛋白2的表达量升高，通过与特异性蛋白结合，保持神经元细胞形态学高度特异性；较小、较短的突触刺激却使微管相关蛋白2表达下调。这表明在神经元树突分子构成中，突触激活具有区域特异性，可能与局部蛋白有关。
神经元极性的转变：树突特异性微管相关蛋白2能够转化为轴突特异性 tau蛋白，暗示神经元细胞的极性是可以转化的[72]。科学家Tatebayashi等[73]已经证实成纤维细胞生长因子可以促进微管相关蛋白2向tau蛋白的转化，从而诱导树突向轴突转变。
2.5.3 神经元退行性变 神经元退行性变可能为由蛋白水解导致微管相关蛋白2表达丧失所引起的。研究证实在缺血的脑 神经元细胞中微管相关蛋白2明显减少甚至表达丧失，神经元的功能不可恢复，但在损伤较小的神经元细胞中微管相关蛋白2表达量升高，与神经元恢复正相关[74]。在迟发性的神经元损伤中，微管相关蛋白2表达量急剧减少甚至丧失，神经元的功能永久不可恢复[75]。其所致的不可修复的主要机制为激活钙依赖磷酸化酶使微管相关蛋白2去磷酸化，水解蛋白水解细胞骨架；缺氧/缺血、惊厥以及其他兴奋毒性损害造成神经元损伤后均可很快出现微管相关蛋白2免疫阳性反应物的下降；学者Hatakeyama等[76]发现，MAP在缺血3 min内出现表达量下调；Pettigrew等[77]报道，大鼠脑缺血后15 min，缺血区的细小树突阳性反应减弱伴树突屈曲。微管相关蛋白2对脑缺血敏感，可以用来监测神经元细胞的损伤[78]。
2.6 微管相关蛋白2的基因调控 微管相关蛋白2的异构体上大都含有特定的功能区。例如微管相关蛋白2c上含有高度保守的PXXP基序，被认为是同源子SH3区的配体，酪氨酸激酶可以促使微管相关蛋白2c磷酸化从而抑制微管相关蛋白2与SH3区的特异性结合，进一步影响细胞骨架稳定性[79]。在指导合成微管相关蛋白2的mRNA链的上游包含一个顺式作用元件(DTE)。RNA连接蛋白 Staufen最早在酵母菌细胞中分离出来，试验证实它能够促使微管相关蛋白2上DTE同树突的微管骨架紧密连接[80]。
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1.1 资料来源 由第一作者运用计算机检索系统检索1976年1月至2015年1月在PubMed和CNKI发表的相关文献，以“microtubule-associated protein-2，nerve injury，progress”为检索词进行检索，语言设定为英文，经过筛查，从中选取82篇相关的文献。
1.2 检索方法
纳入标准：①文献的内容与微管相关蛋白、神经元的损伤密切相符。②可靠性较高、引用次数较多的原创文章。③主题层次鲜明的文章。
排除标准：重复性研究，时间跨度较大的文章。
质量评估：符合要求的所有文章中，文献[1-24]主要涉及微管相关蛋白2的结构及分类；文献[24-54]主要描述微管相关蛋白2维持神经元的极性，促进损伤神经元修复的机制；文献[55-82]主要描述微管相关蛋白2的特异性应用及今后的展望。
1 此问题的已知信息：微管相关蛋白2主要分布中枢神经系统神经元胞体和树突中，在神经损伤后，微管相关蛋白2参与到损伤神经元的修复及重建。 2 文章增加的新信息：文章分析了微管相关蛋白2结构及分类，微管相关蛋白2的分布与表达，微管相关蛋白2功能，翻译后的修饰，微管相关蛋白2特异性应用及微管相关蛋白2的基因调控。微管相关蛋白2保持神经元形态学及可塑性，参与修复损伤神经元胞体、树突的分子机制，及其特异性的应用。 3 临床应用的意义：微管相关蛋白应用神经损伤后检测及治疗，也可应用于某些肿瘤的临床筛查。
微管蛋白有两种类型：α微管蛋白(α-tubulin)和β微管蛋白(β-tubulin)，这两种微管蛋白具有相似的三维结构，能够紧密地结合成二聚体，作为微管组装的亚基。α亚基由450个氨基酸组成，β亚基是由455个氨基酸组成，它们的相对分子质量约55 000。这两种亚基有35%-40%的氨基酸序列同源，表明编码它们的基因可能是由同一原始祖先演变而来。另外，这两种微管蛋白与细菌中一种叫作FysZ的GTPase(相对分子质量为40000)同源，这种酶具有和微管蛋白相似的功能，能够聚合并且参与细胞分裂。α和β微管蛋白的亚基都是直径为4nm的球形分子，它们组成的异源二聚体的长度为8nm。α和β微管蛋白各有一个GTP结合位点, 位于α亚基上的GTP结合位点，是不可逆的结合位点，结合上去的GTP不能被水解，也不能被GDP替换。位于β亚基上的GTP结合位点结合GTP后能够被水解成GDP，所以这个位点又称为可交换的位点(exchangeable site，E位点)。还有一种微管蛋白，即γ微管蛋白，不是微管的组成成分，但是参与微管的组装。
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