Sema3F作用在神经元上引起改变的下游因子

Downstream Factors That Cause Changes in Neurons When Sema3F Acts on Them

摘要: 信号素(Semaphorin)作为一组多功能的蛋白质，占据神经系统功能发育的关键，包括对调节突触形成和神经元的生长的同时，还参与调控细胞周期、影响细胞形态的转变，以及在肿瘤学中，它们能够影响肿瘤细胞的生长、侵袭和转移，以及在免疫反应中发挥作用。信号素(Semaphorin, SEMA)是一类分泌型、膜结合型或糖磷脂酰肌醇锚定的糖蛋白，与神经发育、轴突引导、骨分化、心血管系统以及癌症等相关。Sema3F (Semaphorin 3F)是信号素家族轴突引导分子的一种分泌型，参与神经元的发育。Sema3F及其受体神经纤毛蛋白-2在胚胎小鼠大脑区域(包括嗅球、海马体和大脑皮层)中以互斥方式表达。Sema3F作用在神经元上，可引起下游因子的改变，包括CREBBP、CREB、VEGF等，能够下调P53表达、影响GABA能系统、下调RacGTP水平、促进CRMP2磷酸化等。本文通过综述的方法，对Sema3F在神经元下游因子进行叙述，为研究Sema3F在神经元中的功能提供帮助。

Abstract: Semaphorin, as a group of multifunctional proteins, plays a crucial role in the functional development of the nervous system. It not only regulates synapse formation and the growth of neurons but also participates in the regulation of the cell cycle, influences the transformation of cell morphology. Moreover, in oncology, it can affect the growth, invasion and metastasis of tumor cells and also plays a role in immune responses. Semaphorin (SEMA) is a type of secreted, membrane-bound or glycosylphosphatidylinositol-anchored glycoprotein, which is related to neural development, axon guidance, bone differentiation, the cardiovascular system and cancer, etc. Sema3F, a secreted form of the axon guidance molecules in the Semaphorin family, is involved in the development of neurons. Sema3F and its receptor neuropilin-2 are expressed in a mutually exclusive manner in the brain regions (including the olfactory bulb, hippocampus and cerebral cortex) of embryonic mice. When Sema3F acts on neurons, it can cause changes in downstream factors, including CREBBP, CREB, VEGF, etc. It can downregulate the expression of P53, affect the GABAergic system, downregulate the level of RacGTP and promote the phosphorylation of CRMP2, etc. Through the method of review, this article describes the downstream factors of Sema3F in neurons, aiming to provide assistance for the research on the functions of Sema3F in neurons.

1. Sema3F介绍

信号素3F (Semaphorin 3F, Sema3F)是分泌型Semaphorins3亚家族的轴突导向分子[1]，可排斥轴突并破坏生长锥[2]。Sema3F有可能到达其他邻近细胞类型，特别是肾脏近端小管，因为这种上皮细胞与小管周围毛细血管密切相关[3]。Sema3F是第三类信号素家族的信号蛋白，最初作为轴突发育的引导分子被发现，作为化学排斥剂或化学吸引剂，它们通常参与神经元网络和轴突外生长的建立，是从人类染色体3p21中分离出来的，该区域通常在小细胞肺癌中被删除，随后被证明是一种肿瘤抑制因子。Sema3F在上皮细胞中表达，是神经纤蛋白-2 (Nrp2)受体的配体，通过其全受体复合物在神经元产生增殖到神经网络的形成与功能维持等诸多步骤[4]。SEMA家族至少包括20个成员，广泛分布于神经系统，该家族成员的异常表达与肿瘤的生长有关[5]。所有Sema分子以N端“Sema”区为突出特征，该区有400~500个氨基酸并包含多个二硫键，由7叶片状β螺旋折叠区构成，类似α-整合素的胞外区，其内可见酪氨酸受体激酶Met和Ron的结合区，是进行信号传导的分子基础[6]。Sema3F是一个同源二聚体，NPN-2和PlexinA是其高亲和性受体，三者结合形成复合体传导胞内信号[6]。Sema3F位于染色体短臂3p21.3上的等位基因，在肿瘤的发生发展过程中经常表达缺失，并且通过多种机制影响着肿瘤的微环境，提示Sema3F在肿瘤的生物学行为有负性调节作用。一项研究指出[7]，颅内动脉瘤患者血清Sema3E水平与病情严重程度关系密切。血清Sema3E水平是动脉瘤患者介入治疗的预后影响因素，高Sema3E水平可作为预测动脉瘤介入治疗后不良结局的生物标记物。

2. Sema3F对下游因子影响

1) Sema3F对下游因子CREBBP的影响

CREBBP基因全长约155kb，编码产生CREB (cAMP效应元件结合蛋白)结合蛋白(CBP)，一种由2441个氨基酸组成的核蛋白，分子量有26531Da。CBP是一种大的多功能转录辅激活蛋白，在多数细胞中表达并调节各细胞过程，还具有组蛋白乙酰胺转移酶活性[8] [9]。该基因普遍表达并参与许多不同转录因子的转录共激活。据相关实验结果统计，在大鼠海马神经元中，Sema3F的添加导致CREBBP在DNA和RNA层面上的表达均有所增加，并且在该通路中HIG-1α和VEGF的表达也上调[8]。随着Sema3F作用时间的推移，CREBBP mRNA的表达呈先下降后上升，CREBBP蛋白的表达同样呈先下降后升高的趋势。CBP可诱导苔藓纤维出芽，在加入Sema3F后，早期其mRNA表达下降，研究表明Sema3F可通过抑制CREBBP的表达来抑制苔藓纤维出芽和癫痫的发生[9]。

2) Sema3F对下游因子CREB影响

CREB，全称为cAMP反应元件结合蛋白，属于丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族的重要成员，同时也是转录因子家族中的亮氨酸拉链类成员[10]。环腺苷酸(Cyclic Adenosine Monophosphate cAMP)反应元件结合蛋白1 (cAMP-Response Element Binding Protein, CREB)是一种43kDa刺激诱导的转录因子，可能控制了400多个基因，它可以与CRE序列TGACGTCA或保守的半CRETGACG结合[11]。此外，CREB可调节许多中枢神经系统功能，包括神经发生、神经元存活和神经元激活等。组成型CREB活性是神经祖细胞扩增和存活是必需的[12]。相关实验研究表明，在加入Sema3F后CREB DNA和mRNA均差异性表达且上调。CREB活化介导VEGF-A保护神经元和脑血管内皮细胞。实验发现，加入Sema3F的实验组VEGF基因和mRNA表达量以及CREB DNA和mRNA表达量都呈现上调。由此确定，CREB可能在Sema3F介导的VEGF表达上调中发挥作用[10]。

3) Sema3F对VEGF影响

血管内皮生长因子(Vascular Endothelial Growth Factor，简称VEGF)，亦称为血管通透性因子(Vascular Permeability Factor)，是一种具有高度特异性的信号蛋白，它主要作用于血管内皮细胞，发挥促进血管通透性增加及新血管形成的关键作用。一方面，VEGF在体内和体外都能促进广泛的神经元功能[10]，促进肌动蛋白聚合，促进神经细胞生长及神经再生，具有神经保护作用，也能促进神经血管单元的重构和脑修复[13]。相关文献阐明，VEGF是通过促进内皮细胞的迁移和有丝分裂，进而来促进血管的生成；Sema3F是血管生成抑制剂，Sema3F与Npn-1结合时，与VEGF竞争来抑制VEGF与Npn-1的结合，抑制血管生成[13]。VEGF在生理上由肿瘤细胞和处于缺氧状态的肿瘤周围组织分泌[14]。有实验证明，VEGF在中枢神经系统和周围神经系统中，参与了神经保护和神经再生机制，且VEGF不仅使神经元存活，对其他细胞也有保护作用[15]。另一方面，Sema3F能够抑制肿瘤，而VEGF促进肿瘤生长，二者之间的联系及作用可以存在于肿瘤方面。在正常生理情况下，血管生成受到严格调控，VEGF主要参与胚胎发育、伤口愈合等过程的血管生成。而在肿瘤环境中，肿瘤细胞会产生VEGF，导致肿瘤血管异常增生，这些新的血管为肿瘤生长提供营养物质，支持肿瘤细胞的生长繁殖。根据实验得出，当以最适浓度Sema3F作用于原代大鼠海马神经元时，VEGF mRNA表达和蛋白质表达升高，可以证明Sema3F和VEGF在神经元上具有相关性[10]。当神经元生长锥塌陷时，最适浓度的Sema3F作用于原代大鼠海马神经元后，VEGF因子浓度迅速提高。因此，Sema3F会影响VEGF的分泌[13]。在原代大鼠海马神经元的实验结果总结出，在转录水平上，Sema3F可以抑制VEGF mRNA的表达和VEGF蛋白的合成[16]。

4) Sema3F下调P53表达

P53为肿瘤抑制蛋白，属于最早发现的肿瘤抑制基因之一。包括转录激活结构域、脯氨酸富集结构域、DNA结合结构域、四聚化结构域和羧基末端结构域，能够发挥DNA损伤修复、细胞周期阻滞、细胞凋亡等一系列功能[17]。P53亚型在原代海马神经元的轴突生长锥中高度特异性表达，p53过表达使生长锥增大，而抑制剂、小干扰RNA或显性阴性形式抑制p53功能从而导致生长锥塌陷[18]。P53缺陷的小鼠呈现出神经管闭合的缺陷和高频神经元异常，p53与神经元特异性转录因子相互作用可能促进神经元存活，是细胞生长和分化的关键，也是多功能协调剂[18]。一系列研究表明p53可以促进神经元生长锥延伸，而Sema3F下调p53的表达诱导生长锥的塌陷，这一过程可能与CREBBP有关系。P53的过度表达则会减弱Sema3F诱导的轴突生长锥塌陷[8]。

5) Sema3F下调RacGTP水平

RacGTP是一种GTP酶激活蛋白，是重要的生物分子，在细胞信号传导和生物过程中扮演关键角色。RacGTP属于Rac家族成员，通过调节细胞形态和运动来影响细胞功能。RacGTP酶激活蛋白1 (Recombinant Rac-GTPase Activating Protein 1, RacGTP1)能够影响RacGTP活性，进而影响细胞生长、分化、和迁移等生物学过程，是RacGTP的重要调节因子。一项实验结果指出，使用P21蛋白(Rho GTPasea, Cdc42/Rac)激活激酶1 (P21-Activated Kinases, PAK1)的P21结合域(Platform-Based Design, PBD)对Rac/Cdc42-GTP进行了免疫细胞化学检测，并对照处理。当用Sema3F处理培养的海马神经元时，轴突中激活的Rac/Cdc42显著减少[19]。可见，Sema3F负调控RacGTP水平，即Sema3F下调海马神经元中的RacGTP水平[20]。Sema3F发挥作用需要Plexins A3相互作用，Plexins A3具有高度保守的GTPase激活蛋白，GTPases能够影响细胞黏附和肌动蛋白子(GTPases等)进行信号传导。

6) Sema3F缺失与GABA能神经元减少有关

在神经发育的早期阶段，信号素3F作为配体通过其全受体复合物在神经元产生增殖到神经网络的形成与功能维持等诸多步骤。信号素3F缺失会造成发育过程中的神经系统轴突异常延伸，造成神经系统兴奋性与抑制性失衡。已被发现与细胞特异性的GABA能标志物在中间神经元及其神经突和mRNA水平上的减少有关。这种减少可能导致抑制性神经传递的不足，进而增加了癫痫发作的风险和自闭症样行为的出现[21]。经研究表明，缺乏Sema3F信号传导可能导致神经炎症和氧化应激[21]。

3. 总结

Sema3F与多种疾病关系密切，例如自闭症[22]、癫痫[23]、结直肠癌[24]、肝细胞癌[25]、卵巢癌[26]等，同时，又与神经系统相关联，在神经系统的发育过程中起着关键作用。Sema3F对神经元及其受体和下游因子有很大影响，通过全受体复合物，介导发育中的神经系统轴突导向。另外，SEMA3F不仅可以作为生物标记物，还可以指导治疗决策。在结直肠癌模型中发现Sema3F是影响化疗敏感性的一个因素[24]。对Sema3F进行更深程度的研究，会让我们更清楚地认识到Sema3F在神经系统中的功能和作用机理。探寻Sema3F与其他信号通路之间的相互作用，可能发现Sema3F与相关其他疾病的联系，通过对Sema3F靶向药物的研发，也一定对癌症及其他疾病的治疗有所帮助。

在神经系统发育过程中，信号素3F作为配体通过其全受体复合物在神经元产生增殖到神经网络的形成与功能维持等诸多步骤。信号素3F缺失会造成发育过程中的神经系统轴突异常延伸，突触可塑性受限等发育异常，造成神经系统兴奋性与抑制性失衡。信号素3F在癫痫、孤独症谱系障碍、恶性肿瘤发生中的作用被识别。综上所述，Sema3F作用在神经元上，能够影响CREBBP、CREB、VEGF、P53、RacGTP以及GABA能神经元一系列下游因子，从而影响神经系统的发育及功能。

资金项目

1. 《癫痫大鼠模型中Sema3F与VEGF相关性研究》，国家自然科学基金项目，项目编号：8226050455；

2. 《蒙药朝伦雄胡-5对难治性癫痫大鼠模型干预作用机制研究》，内蒙古医科大学面上项目，项目编号：YKD2022MS032；

3. 《周细胞调控血脑屏障通透性参与细菌性脑膜炎的机制研究》项目编号：2024SGGZ076；

4. 《原代大鼠海马神经元中Sema3F通过Npn-2受体介导CREBBP改变的研究》，大学生创新训练计划国家级创新训练项目，项目编号：202410132006。

NOTES

^*共同第一作者。

^#通讯作者。