膠質(zhì)纖維酸性蛋白-星形膠質(zhì)細胞特異性標志物
日期：2019-10-30 11:05:44
膠質(zhì)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(jīng)系統(tǒng)星形膠質(zhì)細胞（AS）胞質(zhì)內(nèi)，可以作 為星形膠質(zhì)細胞特異性標志物。GFAP與微管和微絲一起構(gòu)成大多數(shù)真核細胞的細胞骨架，為 其他細胞或細胞外基質(zhì)接觸的質(zhì)膜提供機械支持，具有維護星形膠質(zhì)細胞形態(tài)穩(wěn)定、參與血 腦屏障形成、調(diào)節(jié)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。
圖1 星形膠質(zhì)細胞
1. GFAP的發(fā)現(xiàn)
膠質(zhì)纖維狀酸性蛋白最初是在多發(fā)性硬化 癥(MS)患者的大腦中被發(fā)現(xiàn)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(zhì)纖維酸性蛋白是III類中間絲狀體，存 在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的星形膠質(zhì)細胞、周圍神經(jīng)系統(tǒng)的無髓神經(jīng)雪旺細胞和腸內(nèi)成熟的膠質(zhì)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(tǒng)所表達的GFAP和中 樞神經(jīng)系統(tǒng)的GFAP可能在結(jié)構(gòu)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(nèi)含 子和9外顯子，再加上2個選擇性內(nèi)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(chǎn)生的成熟mRNA約為3 kb。
人類GFAP基因與小鼠、大鼠基因編碼區(qū)有 高度同源性[5]。
GFAP基因存在可變剪切[6]， 這導致多個轉(zhuǎn)錄變體編碼不同的亞型。已知在小鼠和人的神經(jīng)系統(tǒng)中表達了10個GFAP剪接異 構(gòu)體。在小鼠大腦中表達的異構(gòu)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(shù)發(fā)表的研究 很可能描述了GFAPα的mRNA和蛋白表達。
圖2 GFAP的基因結(jié)構(gòu)
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(zhì)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(zhì)內(nèi)中間絲（IFs）的 一種成分，與波形蛋白、結(jié)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(jié)構(gòu)域： 氨基端頭、中心螺旋桿和羧基端尾結(jié)構(gòu)域。IF蛋白的桿狀結(jié)構(gòu)域(310 - 350 aa殘基)高度保 守，而頭尾結(jié)構(gòu)域的大小和氨基酸序列在物種間高度多態(tài)性。
GFAP不同的結(jié)構(gòu)域以不同的方式參與IFs的 形成。
GFAP蛋白通過桿結(jié)構(gòu)域形成二聚體和四聚 體。二聚體是由兩個多肽鏈以螺旋結(jié)構(gòu)相互纏繞形成的，以交錯反平行方式結(jié)合形成四聚體 。
5. GFAP的表達調(diào)控
GFAP的表達受多種因素（例如腦損傷和疾 ?。┑挠绊懀⑶以跁円怪芷谙卤憩F(xiàn)出波動。GFAP基因表達受GFAP啟動子調(diào)控?；A(chǔ)啟動子 對于正確轉(zhuǎn)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(chǔ)啟動子的一個 重要元件TATA-box，它對于結(jié)合一般轉(zhuǎn)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(diào)控。這些修飾對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有重要影響。
GFAP的頭部區(qū)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(diào)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
GFAP基因的表達和修飾可影響星形膠質(zhì)細胞的功能：GFAP基 因的初始激活標志著星形膠質(zhì)細胞的分化，而它的上調(diào)通常伴隨著對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的反 應性反應。
6. GFAP的功能
星形膠質(zhì)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(jīng)元(包括神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸循環(huán)和營養(yǎng)因子釋放)提供結(jié)構(gòu)和功能 支持，在神經(jīng)生理活動、神經(jīng)組織再生及免疫、多種神經(jīng)疾病的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。
作為星形膠質(zhì)細胞內(nèi)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(nèi)細胞骨架重組、細胞黏附、維持腦內(nèi)髓鞘 形成和神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)以及作為細胞信號參與轉(zhuǎn)導通路等[8] [9]，還參與細胞遷 移、運動和有絲分裂。膠質(zhì)纖維酸性蛋白具有維護星形膠質(zhì)細胞形態(tài)穩(wěn)定、參與血腦屏障形 成、調(diào)節(jié)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(tǒng)轉(zhuǎn) 染神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞系U1242 MG和U251 MG，表明GFAP在細胞運動中發(fā)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(guān)的突變GFAP時，發(fā)現(xiàn)了關(guān) 于GFAP在運動中作用的更多證據(jù)。與用野生型GFAPα或在尾部結(jié)構(gòu)域中突變的突變型GFAPα 轉(zhuǎn)染的細胞相比，用兩個在GFAP的桿結(jié)構(gòu)域中突變的突變型GFAP（V87G和R88C）轉(zhuǎn)染的膠質(zhì) 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(zhì)細胞增殖的能力或星形膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化的其他特征。GFAP表達水平與星形膠質(zhì)細胞增殖 水平呈負相關(guān)[10]。與野生型小鼠相比，來自GFAP-/-小鼠的原代星形細胞培養(yǎng) 物的增殖能力增強。
6.3 囊泡運輸和自噬
星形膠質(zhì)細胞可釋放多種膠質(zhì)遞質(zhì)，包括 經(jīng)典遞質(zhì)、多肽、趨化因子和細胞因子。
胞吐是星形膠質(zhì)細胞從囊泡中釋放物質(zhì)的 途徑之一。在該過程中，囊泡沿著細胞骨架運輸?shù)劫|(zhì)膜，并與質(zhì)膜融合。IFs的一般解聚作 用會影響體外星形膠質(zhì)細胞中囊泡的定向遷移，IF網(wǎng)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(zhì)細胞-神經(jīng)元相互作用
星形膠質(zhì)細胞參與了神經(jīng)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(jīng)遞質(zhì)和離子的突觸穩(wěn)態(tài)停滯。
圖3 星形膠質(zhì)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(nèi)皮細胞形成 ，周圍被基底層和血管周星形膠質(zhì)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(zhì)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(xiàn)出遲發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘形成障礙、老年小鼠白質(zhì)丟失和腦積水。
7. GFAP相關(guān)信號通路
在Jak-STAT信 號通路中，通過調(diào)控GFAP的表達，從而控制細胞的分化，實現(xiàn)對細胞周期的調(diào)控。信號 圖如下圖所示：
圖4 Jak- STAT信號通路
8. GFAP與疾病的關(guān)系
星形膠質(zhì)細胞涉及多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括 創(chuàng)傷、缺血和神經(jīng)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(jīng)系統(tǒng)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(zhì)細胞病是AD中一個顯著的神經(jīng)病理學改 變，AD病理的嚴重程度與反應性星形膠質(zhì)細胞的密度和GFAP在組織和腦脊液中表達的強烈上 調(diào)有關(guān)。
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(zhì)細胞的影響更嚴重。GFAP mRNA水平與AD大腦額葉新皮層神經(jīng)元 斑塊的密度具有很強的相關(guān)性。
8.2 抑郁癥
星形膠質(zhì)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(zhì)的進出，具有調(diào)節(jié)大腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能、 促進成人神經(jīng)發(fā)生的作用，因此膠質(zhì)細胞的功能失調(diào)可能影響抑郁癥病理過程。
研究發(fā)現(xiàn)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(fā)病過程中多種神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)。
8.3 亞歷山大?。ˋxD）
亞歷山大病的發(fā)生與GFAP基因突變有關(guān) [12]。這是由于GFAP基因突變導致GFAP裝配發(fā)生改變，GFAP聚集并在細胞內(nèi)發(fā)生病理 性沉積。亞歷山大病屬于中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(fā)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(fā)現(xiàn)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]。
圖5 亞歷山大病與星形膠質(zhì)細胞
9. GFAP在診斷方面的應用
正常情況下，GFAP在細胞內(nèi)或細胞外自發(fā)的降解 ，血中GFAP水平較穩(wěn)定；而在病理情況下，當患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生損傷，AS受損或死亡時 ，GFAP聚合物斷裂分解，從損傷的膠質(zhì)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(diào)。
因此，GFAP體液水平是評估星形膠質(zhì)細胞增多和 激活的重要手段，間接反饋神經(jīng)損傷的程度。
9.1 腦外傷
腦損傷后中樞神經(jīng)系統(tǒng)中星形膠質(zhì)細胞常出現(xiàn)增 生，這是退行性病變及中樞神經(jīng)損傷引發(fā)神經(jīng)組織變化的主要表現(xiàn)。S100β蛋白和膠質(zhì)纖維酸性蛋白是兩種主要的神經(jīng)膠質(zhì) 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(xiàn)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(jīng) 細胞的損傷和死亡情況。GFAP水平與腦梗死面積有關(guān)[16]。
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