膠質細胞源性神經營養因子

膠質細胞源性神經營養因子(glial cell derived neurotrophie factor，GDNF)是由Lin等(1993)從鼠膠質細胞株B49的條件培養基中分離純化獲得的一種神經營養因子，且由此而命名。以純化的GDNF的氨基端序列製作探針，克隆得到大鼠和人的GDNF基因。人GDNF前體蛋白為211個氨基酸殘基(其中信號肽19個氨基酸)，加工處理後才形成分泌型的成熟蛋白，有134個氨基酸，是一個糖基化的二硫鍵連結的同源二聚體蛋白質，分子量為32~34kD，為鹼性蛋白質。

1996年，在中國金黃地鼠和人的卵巢中還發現另一種與GDNF結構和功能相似的神經營養因子一Neuorturin(NTN)，氨基酸序列與GDNF有42%相同。隨後針對GDNF和NTN的高度同源區設計引物，克隆並發現了GDNF家族的兩個新成員——persephin(PSP)和artemin(ART)。GDNF、neuroturin、persephin和artemin是一類結構相似、功能相關的分泌型蛋白質，都具有7個保守的半胱氨酸殘基，具有相似的空間結構，核苷酸序列、氨基酸順序也具有較高的同源性。它們共同構成轉化生長因子一β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族的一個亞家族，在生理功能、受體、信號傳導途徑等方面都具有相似性。

GDNF在中樞神經系統的不同腦區均有表達，較為肯定的細胞來源有Ⅰ型星狀膠質細胞、黑質一紋狀體系統和基底前腦的神經元等。在DA神經元投射區如基底節、嗅結節，與某些運動有關的神經結構如無名質、小腦蒲肯野細胞和三叉神經運動核，與某些感覺有關的結構如丘腦、三叉神經感覺核、脊髓后角和背根節以及藍斑核等均有相當的GDNF mRNA表達。人腦的海馬、皮質和脊髓中也有GDNF mRNA表達。發育期GDNF表達的量較多，而成年期則很少，不易測出。

體外培養顯示Schwann細胞與星狀膠質細胞一樣，能合成和分泌GDNF。外周神經的交感神經節和脊神經後根節有較低的GDNF mRNA表達。許多外周器官如松果體、腎、心、肺等內臟和唾液腺、性腺(睾丸Seaoli細胞)、肢芽細胞、骨骼肌及皮膚、觸鬚、視網膜等在發育形成中卻有很高的GDNF mRNA表達。GDNF在周圍器官中的表達程度比在神經組織要高。

1、結構

GDNF受體(GDNF receptor)是多成分複合物，複合受體由兩部分組成，一部分是由固定於胞膜外層的GPI(糖基磷脂酰肌醇)鍵錨定在細胞表面的糖GPI連接蛋白，稱為GDNF家族受體α(GDNFRα，GFRα)，另一部分為酪氨酸激酶Ret蛋白。Ret為GDNF的功能性受體，是c—ret原癌基因的編碼產物，為受體酪氨酸激酶超家族的一員。GFRα能特異性地結合GDNF家族成員，促使Ret磷酸化，磷酸化的Ret激活其下游的絲裂原活化蛋白激酶MAPK、P13激酶等，導致一系列胞內途徑的激活，從而發揮GDNF家族神經營養因子的生理功能。

研究表明GFRα至少有4種，即GFRα1、GFRα2、GFRα3、GFRα4。不同的因子與不同的受體結合，其親和力不同。GFRα1是GDNF的高親和力受體，NTN與GFRα2結合；ART與GFRα3結合；PSP的受體GFRα4只在雞的組織中表達。這4種受體分子中GFRα1和GFRα2的同源性最高，GFRα3、GFRα4的同源性最低。

2、信號轉導

由於GFRα是GPI連接的胞外蛋白，缺乏跨膜和胞內結構域，無法單獨完成信號傳導。神經營養因子與GFRQ特異結合之後，尚需跨膜蛋白即Ret介導、協同作用，共同完成GDNF家族神經營養因子的信號傳導。GDNF同源二聚體分子可直接與單亞基或雙亞基的GFRα1結合形成複合物與Ret相互作用，導致Ret的二聚體化，激活Ret，引起自身的磷酸化。Ret可激活幾條經典的酪氨酸激酶信號途徑。包括：Ras—MAPK、PI—3K、JNK和PLC—γ等。與NTs信號途徑類似，GDNF的促神經元存活和突起生長的作用是通過Ras—MAPK信號途徑實現的，GDNF對培養的多巴胺能神經元促生長和分化的作用則是通過PI—3K信號途徑實現。

一般認為只有GFRα和Ret同時存在，GDNF才能發揮作用。最近有實驗表明，GDNF也能與Ret直接作用，或GDNF亦可不借助Ret而直接通過GFRα1受體激活細胞內信號轉導途徑。

3、分佈

已知對GDNF有效應神經元的腦區均發現有GDNFR的表達，如嗅球、梨狀皮質、隔核、斜角帶核、終紋牀核、杏仁體、黑質緻密部、導水管周圍灰質、上丘、腳間核、新皮質、扣帶回、海馬的CA1、CA3區和齒狀回，小腦蒲肯野細胞，間腦內、外側繮核、網狀核、未名帶和下丘腦，腦幹的下丘、三叉神經運動核、舌下神經核、面神經核、藍斑和脊髓的前、后角等。在脊髓前角α一運動神經元和背根節的大、小神經元均有GDNFR—αmRNA和Ret mRNA的表達，陽性物質主要位於胞體和突起上，脊髓白質的神經纖維和背根節的神經突起上也有GDNFRα的分佈。

GDNF屬於NTFs，它的作用方式主要是靶源性的，另外可能還有旁分泌和自分泌的作用方式。GDNF作用力強，且有更為廣譜的神經營養作用。

1、促進DA能神經元的存活

體內、外實驗均證明GDNF對DA神經元有高度的親和力，是DA神經元的一個高度特異性神經營養因子。它不僅對體外培養的胚胎中腦DA能神經元有明顯的營養和促存活與分化作用，使神經元胞體增大、軸突延長；而且在體內，對黑質、紋狀體DA能系統亦有保護和修復作用。用MPTP處理小鼠，或用6一羥基多巴(6-OHDA)處理大鼠，處理之前或之後注射GDNF於黑質或紋狀體，能降低MPTP或6—OHDA對DA能神經元的損傷，阻止DA能神經元的退變，誘導殘存的DA能神經元長出新的突起，恢復其DA水平和DA能神經纖維的密度，動物的運動行為亦有明顯改善。由此可見，GDNF有可能應用於人類Parkinson病的治療。

2、支持運動神經元的存活

GDNF還是最強的膽鹼能運動神經營養因子，幾十至幾百倍於BDNF和CNTF對運動神經元的作用，支持運動神經元的存活。如用海人酸或毛果芸香鹼損傷腦內神經元，能導致癲癇發作並能誘發海馬、紋狀體和皮質等區的GDNFmRNA表達，提示GDNF在神經元的損傷過程中同樣起保護作用。

GDNF和GFRα1缺陷的大鼠胚胎呈現出脊髓和顱內運動神經元的顯著性丟失及其瀕死細胞的相應增加，而Ret敲除大鼠的所有運動神經元種羣均發生顯著性丟失。相反，GDNF肌肉特異性過表達或子宮內給予GDNF治療能促進運動神經元的存活，由此可得出，GDNF確實是運動神經元賴以生存的營養因子。GDNF對出生後運動神經元的主要作用是促進軸突末端的分支及突觸構建。

將GDNF基因轉染細胞(BHK細胞)放進含有腦和脊髓運動神經元培養液中，能增加這些神經元膽鹼乙酰轉移酶(ChAT)活性，延長軸索長度，減少它們的正常凋亡。在切斷新生或成年大鼠面神經後，系統或局部使用GDNF能防止離斷軸突的面神經運動神經元的死亡和萎縮，並可明顯降低因損傷導致的面神經核ChAT的免疫反應減弱。在切斷雞和小鼠的軸突後，應用GDNF還能防止脊髓運動神經元死亡和萎縮。在用損傷誘導成年小鼠脊髓運動神經元退變的模型中發現，用GDNF治療可防止50%神經元的丟失，且使運動神經元體積增大。因此，GDNF有可能用於神經移植或神經再生的應用領域。

3、對交感、副交感和感覺神經元的營養作用

GDNF能促進多種外周神經元包括交感神經元、副交感神經元及感覺神經元的存活。GDNF不僅對發育中的神經元有營養作用，而且能促進培養的交感和副交感神經元及本體感覺、內臟感覺和皮膚感覺神經元的存活。GDNF、GFRα1或Ret缺陷大鼠中副交感神經節一耳神經節和蝶齶神經節缺失，來源於迷走神經和骶部副交感的腸道神經元和膠質細胞亦呈現出顯著性丟失，出生時完全缺乏腸源性的神經供應，表明GDNF及其受體對這些副交感神經節的發育以及副交感神經元前體的遷移和增殖是至關重要的。

在缺乏GDNF基因家鼠中，感覺神經元的分化受阻，C—Ret明顯減少。位於顳骨巖部神經節的初級感覺神經元支配頸動脈球參與呼吸調控，出生前，這些神經元需要靶源性GDNF(或BDNF)才可存活，因此，GDNF和Ret缺陷的大鼠會出現呼吸紊亂。

GDNF對其他神經元也有促進存活作用。它可促進藍斑的去甲腎上腺素能神經元的存活，使藍斑神經元免遭6-OH多巴的毒害和促進中樞去甲腎上腺素能神經元的表型；也能防止因基底前腦膽鹼能神經元損傷造成的死亡和萎縮；對小腦蒲肯野細胞的存活及分化也同樣起重要作用。

4、影響神經元的發育和分化

不同腦區在不同發育期的GDNFmRNA表達的量有所不同，如紋狀體在生後零天(P₀)表達量達高峯；小腦在出生時和成年期有一個短暫的高表達。隨年齡的增長，中樞神經系統的GDNFmRNA水平出現明顯下降趨勢，到成年期，大部分區域僅有很低表達。因此，GDNF可能對發育期的多種神經元的存活和分化起重要作用。

5、對非神經系統的作用

除神經系統以外，GDNF對非神經系統也有作用，GDNF對腎臟的發育也是必需的。缺乏GDNF的小鼠腎臟發育不全，出現腎畸形。進一步的研究提示，GDNF對於輸尿管肢芽的發育也有重要作用，腎臟集合管的形態發生與GDNF有關。可見，除了促進神經系統的存活之外，GDNF對非神經系統的發育也起重要作用。

6、GDNF的基因敲除動物模型

gdnf-、gfmα1-或vet-knockout小鼠表現出相同的表型，即腎臟發育不全和胃腸道神經支配缺失，出生後不久全部死亡。gdnf-knockout大鼠中腦DA能神經元無明顯改變，可能有其他NT代償GDNF的作用。腰部脊髓運動神經元僅減少21%，頸上交感神經節中減少23%的神經元，睫狀節神經元減少40% ^[1]  。