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新品發布|GFAP—星形膠質細胞特異性標志物

武漢華美生物工程有限公司2019年11月20日 4:43 點擊:536

膠質纖維狀酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)屬于 III類中間絲狀體(IFs),特異地表達于中樞神經系統星形膠質細胞(AS)胞質內,可以作 為星形膠質細胞特異性標志物。GFAP與微管和微絲一起構成大多數真核細胞的細胞骨架,為 其他細胞或細胞外基質接觸的質膜提供機械支持,具有維護星形膠質細胞形態穩定、參與血 腦屏障形成、調節突觸功能等多種生物學功能,還參與細胞遷移、運動和有絲分裂。

1. GFAP的發現

2. GFAP的組織特異性

3. GFAP基因

4. GFAP蛋白

5. GFAP的表達調控

6. GFAP的功能

7. GFAP相關信號通路

8. GFAP與疾病的關系

9. GFAP在診斷方面的應用

星形膠質細

胞

圖1 星形膠質細胞

1. GFAP的發現

膠質纖維狀酸性蛋白最初是在多發性硬化 癥(MS)患者的大腦中被發現的[1]。1969年,GFAP的氨基酸(AA)組成被首次提出 [2]。1984年,小鼠的GFAP基因首次被克隆,這是GFAP分子生物學研究的開端。 1989年,人GFAP基因被克隆[3]。

2. GFAP的組織特異性

膠質纖維酸性蛋白是III類中間絲狀體,存 在于中樞神經系統的星形膠質細胞、周圍神經系統的無髓神經雪旺細胞和腸內成熟的膠質細 胞(enteric glial cells,EGCs) [4]。此外,GFAP在軟骨細胞、成纖維細胞、 肌上皮細胞、淋巴細胞、肝星形細胞也有表達。

但有研究表明外周系統所表達的GFAP和中 樞神經系統的GFAP可能在結構上存在差異。

3. GFAP基因

人類GFAP基因定位于染色體17q21,包含8個內含 子和9外顯子,再加上2個選擇性內含子DNA、4個選擇性外顯子DNA,從而促進一個DNA片段的 形成,大小為10 kb左右,由其產生的成熟mRNA約為3 kb。

人類GFAP基因與小鼠、大鼠基因編碼區有 高度同源性[5]。

GFAP基因存在可變剪切[6], 這導致多個轉錄變體編碼不同的亞型。已知在小鼠和人的神經系統中表達了10個GFAP剪接異 構體。在小鼠大腦中表達的異構體包括GFAPα、β、γ、δ、ζ、κ和Δexon 7表達, 在人腦中表達的有GFAPα、β、δ、ζ、κ、Δ135、Δ164、Δexon6和 Δexon 7[7]。

表達最豐富的亞型是GFAPα,大多數發表的研究 很可能描述了GFAPα的mRNA和蛋白表達。

GFAP的基因結構

圖2 GFAP的基因結構

4. GFAP蛋白

GFAP屬于一種酸性蛋白,由432個氨基酸組 成,相對分子質量為50 ~ 52KD,等電位點在5.7-5.8。

GFAP是AS重要的骨架蛋白。細胞骨架是在 大量GFAP單體聚合的情況下形成。GFAP單體聚合形成聚合體,屬細胞質內中間絲(IFs)的 一種成分,與波形蛋白、結蛋白、外周蛋白同屬IFs超家族第Ⅲ型,它們之間有70%以上的同 源性。

所有類型的IFs蛋白包含三個主要結構域: 氨基端頭、中心螺旋桿和羧基端尾結構域。IF蛋白的桿狀結構域(310 - 350 aa殘基)高度保 守,而頭尾結構域的大小和氨基酸序列在物種間高度多態性。

GFAP不同的結構域以不同的方式參與IFs的 形成。

GFAP蛋白通過桿結構域形成二聚體和四聚 體。二聚體是由兩個多肽鏈以螺旋結構相互纏繞形成的,以交錯反平行方式結合形成四聚體 。

5. GFAP的表達調控

GFAP的表達受多種因素(例如腦損傷和疾 ?。┑挠绊?,并且在晝夜周期下表現出波動。GFAP基因表達受GFAP啟動子調控?;A啟動子 對于正確轉錄是必不可少的,而啟動子上的其他元件決定了表達特異性?;A啟動子的一個 重要元件TATA-box,它對于結合一般轉錄因子IID(TFIID)是必不可少的。

GFAP還受到多種翻譯后修飾,主要包括磷 酸化和去磷酸化調控。這些修飾對其結構和性質有重要影響。

GFAP的頭部區域的特定氨基酸殘基的磷酸化和去磷酸化修飾 參與了GFAP組裝的調控,這對于細胞周期中GFAP的重新分配非常重要。這些被磷酸化的氨基 酸殘基通常是保守的。除了磷酸化外,其他翻譯后修飾如糖基化和瓜氨酸化也會影響GFAP的 結構和性質。

GFAP基因的表達和修飾可影響星形膠質細胞的功能:GFAP基 因的初始激活標志著星形膠質細胞的分化,而它的上調通常伴隨著對中樞神經系統損傷的反 應性反應。

6. GFAP的功能

星形膠質細胞在大腦中含量豐富,是大腦 中最豐富的細胞類型,為神經元(包括神經遞質谷氨酸循環和營養因子釋放)提供結構和功能 支持,在神經生理活動、神經組織再生及免疫、多種神經疾病的發病中發揮重要作用。

作為星形膠質細胞內的主要骨架蛋白, GFAP在細胞核和細胞膜之間形成連接,參與細胞內細胞骨架重組、細胞黏附、維持腦內髓鞘 形成和神經元的結構以及作為細胞信號參與轉導通路等[8] [9],還參與細胞遷 移、運動和有絲分裂。膠質纖維酸性蛋白具有維護星形膠質細胞形態穩定、參與血腦屏障形 成、調節突觸功能等多種生物學功能。

GFAP的具體作用如下:

6.1 運動性/遷移

GFAP參與了細胞的運動和遷移,但其對不 同星形細胞亞型正常生理或病理功能的貢獻程度尚不清楚。用可誘導GFAP表達的載體系統轉 染神經膠質瘤細胞系U1242 MG和U251 MG,表明GFAP在細胞運動中發揮了作用。研究表明, GFAP強制性表達可抑制細胞運動。

在研究與AxD相關的突變GFAP時,發現了關 于GFAP在運動中作用的更多證據。與用野生型GFAPα或在尾部結構域中突變的突變型GFAPα 轉染的細胞相比,用兩個在GFAP的桿結構域中突變的突變型GFAP(V87G和R88C)轉染的膠質 瘤細胞顯示出增加的運動能力。

6.2 增殖

大量研究表明,GFAP表達的改變會改變星 形膠質細胞增殖的能力或星形膠質細胞轉化的其他特征。GFAP表達水平與星形膠質細胞增殖 水平呈負相關[10]。與野生型小鼠相比,來自GFAP-/-小鼠的原代星形細胞培養 物的增殖能力增強。

6.3 囊泡運輸和自噬

星形膠質細胞可釋放多種膠質遞質,包括 經典遞質、多肽、趨化因子和細胞因子。

胞吐是星形膠質細胞從囊泡中釋放物質的 途徑之一。在該過程中,囊泡沿著細胞骨架運輸到質膜,并與質膜融合。IFs的一般解聚作 用會影響體外星形膠質細胞中囊泡的定向遷移,IF網絡的破壞會減少囊泡的走線長度并降低 了囊泡的流動性。

6.4 星形膠質細胞-神經元相互作用

星形膠質細胞參與了神經元的多種功能, 包括突觸的形成和可塑性,能量和氧化還原的代謝,以及神經遞質和離子的突觸穩態停滯。

星形

膠質細胞的功能

圖3 星形膠質細胞的功能

6.5 血腦屏障和髓鞘形成

血腦屏障(BBB)由毛細血管內皮細胞形成 ,周圍被基底層和血管周星形膠質細胞的特定末端包圍。

在小鼠模型中,突變的小鼠BBB包含一層單 層的星形膠質細胞,IF很少,與野生型小鼠相比,BBB具有更高的滲透性。GFAP-/-小鼠還表 現出遲發性中樞神經系統髓鞘形成障礙、老年小鼠白質丟失和腦積水。

7. GFAP相關信號通路

Jak-STAT信 號通路中,通過調控GFAP的表達,從而控制細胞的分化,實現對細胞周期的調控。信號 圖如下圖所示:

Jak-STAT信號通路

圖4 Jak- STAT信號通路

8. GFAP與疾病的關系

星形膠質細胞涉及多種中樞神經系統疾病,包括 創傷、缺血和神經退行性變。

在多種疾病中,GFAP mRNA和蛋白水平升高。這 些疾病主要包括:阿爾茨海默病、癢病和庫賈氏癥。在中樞神經系統損傷包括腦血管意外、 刺傷和其他損傷以及實驗性變應性腦脊髓炎等疾病中,GFAP的表達也同樣增加。

8.1 阿爾茨海默病

星形膠質細胞病是AD中一個顯著的神經病理學改 變,AD病理的嚴重程度與反應性星形膠質細胞的密度和GFAP在組織和腦脊液中表達的強烈上 調有關。

比其他老年大腦的海馬體相比較而言,阿爾茨海 默病人海馬體受到星形膠質細胞的影響更嚴重。GFAP mRNA水平與AD大腦額葉新皮層神經元 斑塊的密度具有很強的相關性。

8.2 抑郁癥

星形膠質細胞在建立和維持血腦屏障方面具有重 要作用,可以控制可溶性分子和有害物質的進出,具有調節大腦內穩態、調節神經元功能、 促進成人神經發生的作用,因此膠質細胞的功能失調可能影響抑郁癥病理過程。

研究發現GFAP在精神分裂癥、雙相情感障礙以及 抑郁癥中表達減少[11]。GFAP參與抑郁癥發病過程中多種神經遞質的調節。

8.3 亞歷山大?。ˋxD)

亞歷山大病的發生與GFAP基因突變有關 [12]。這是由于GFAP基因突變導致GFAP裝配發生改變,GFAP聚集并在細胞內發生病理 性沉積。亞歷山大病屬于中樞神經系統退行性病變,它是一種遺傳疾病。

該疾病的特征是伴有漸進性肌無力嬰兒期發展, 并伴有進行性痙攣和精神障礙。

Messing等提出,通過靶向治療的方法可阻止 GFAP聚集及病理性沉積,提高蛋白酶體清除突變的GFAP的速度。

研究發現反義寡核苷酸抑制GFAP可以為治療亞歷 山大病提供一種治療策略[13]。

亞歷山大病與星形

膠質細胞

圖5 亞歷山大病與星形膠質細胞

9. GFAP在診斷方面的應用

正常情況下,GFAP在細胞內或細胞外自發的降解 ,血中GFAP水平較穩定;而在病理情況下,當患者中樞神經系統發生損傷,AS受損或死亡時 ,GFAP聚合物斷裂分解,從損傷的膠質細胞中溢出,進入周圍細胞間隙,通過血‐腦屏障進 入血液中,使血液中GFAP水平上調。

因此,GFAP體液水平是評估星形膠質細胞增多和 激活的重要手段,間接反饋神經損傷的程度。

9.1 腦外傷

腦損傷后中樞神經系統中星形膠質細胞常出現增 生,這是退行性病變及中樞神經損傷引發神經組織變化的主要表現。S100β蛋白和膠質纖維酸性蛋白是兩種主要的神經膠質 細胞標記蛋白[14],與NSE、S100β蛋白相比,GFAP在血性腦損傷患者的血清中出現峰值的時 間更早、特異性更強、敏感性更高[15]。

9.2 腦卒中

腦卒中早期、快速、準確的診斷,對其治療和預 后有著積極的意義。GFAP作為反映腦部損傷的新型標志物被廣泛地研究。急性缺血性腦卒中 患者的血漿GFAP水平升高,通過測定血漿GFAP水平能夠反映急性缺血性腦卒中患者中樞神經 細胞的損傷和死亡情況。GFAP水平與腦梗死面積有關[16]。

References

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(來源: 武漢華美生物工程有限公司


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