020902关于神经再生-最新发现及应用前景-科里·古曼-第1章
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像许多科学家一样，我一开始是对一个基本的问题感兴趣，这个基本问题就是大脑是如何构成的。我今天想告诉大家的是，从某种意义上来说，我们是通过个人对大脑结构的了解来向应用和治疗方面发展的，即从学术研究到生物技术。虽然最初是出于好奇而试图了解大脑的结构，但我明确地知道，我和其他科学家一样，最根本的动机还是出于对现在种种疾病的思考，因为许多神经和精神方面的疾病仍然没有得到解决，大多数这类疾病仍需要更好的治疗方法和药物。
我首先从基础研究讲起，就是说大脑细胞是如何构建的。我先介绍一下有关脑细胞构造的基础研究进展，由此再试图说明，当受到损伤时，神经细胞是如何再生和重新建立连接的。神经细胞是通过伸出生长锥而生长的，在这个过程中，像我的手一样的生长锥正向右方伸出。我来简单回顾一下我们对生长锥的了解过程，西班牙伟大的神经解剖学家Ｒamony Cajal在19世纪90年代，首先观察到了生长锥，他注意到了它们是向着特定的方向生长的，神经细胞的生长具有很强的特异性，他发现神经细胞似乎是被一个目标吸引着或牵引着，他把这种现象叫做化学趋向性。后来在20世纪60年代，Sperry通过一个出色的试验而形成了一种叫化学特异性的概念，他指出在发育的大脑中一定有许多特殊的分子，吸引神经细胞向着正确的方向生长。到20世纪80年代，许多相关的领域都开始研究胚胎发育过程，由此我们了解了大量的有关特异性的情况。通过对神经系统发育过程的研究，我们发现了神经细胞是按一种固定的、特异的方式生长，去寻找它们的目标。最后，在20世纪90年代，发现了在其中起重要作用的某些分子是什么，发现了编码不同的配体和受体的基因群，它们可以指导神经系统内生长锥的生长。这些分子的发现还带来了许多新的、有趣的认识。因为数十年来我们一直在寻找起积极作用的或起吸引作用的分子，就是牵引神经细胞向其目标生长的分子，但是20世纪90年代的一个重要发现是，许多基因群把这些分子编码成排斥性的或抑制性的，即排斥和吸引在大脑内部起着同样重要的作用。于是我们知道有不同的力量在控制着神经细胞的生长，既有吸引的也有排斥的，它们既可以在远程起作用，也可以就在细胞表面分泌，近距离起作用。我们来看几个例子的图片以便于我们的讨论。第一个在神经系统内分泌的吸引因子，是由我的同事，加州大学洛杉矶分校的Tessier…Laviane发现的，就是Netrim的发现。在左边这个图中，可以看到上部的神经细胞表面，不放射神经纤维。在右边，可以看到同一组来自脊髓的神经细胞开始向下面另一组分泌Netrim的细胞发射神经纤维。在同一时期，我的实验室和我以前的一个博士后研究生的实验室，发现了神经系统内的第一个排斥因子家族，这类分子被称为Semaphorin。这是个相似的例子，在左边白圈里是一群神经细胞，感觉神经细胞，它们向外放射纤维，可以看见它们围绕着整个细胞，这个细胞对它下面的细胞所分泌的Semaphorin不起反应。但是右边是另一种感觉神经细胞，它们避开下面向上生长，因为它们受到了排斥因子Semaphorin的排斥。这些分子代表了人类和动物大脑中最大的排斥因子家族，我们对它的受体和受体机制也有很多了解。同样是在20世纪90年代，许多实验室都发现了不同的吸引因子和排斥因子的受体。通过这些发现我们了解了一个有趣的情况，我们原以为我们所发现的这些因子应该分为两大类，一类是吸引因子，如Netrin，另一类是排斥因子，如Semaphorin，但是有一个意外的发现，对于Netrin；Semaphorin；Slit；Ephrin这四种我们了解最多的指导因子家族来说，意外的是我们发现这四类因子都具有双重作用，即同一种分子可以对一个神经细胞是吸引因子，而对于另一个神经细胞却是排斥因子。这种情况部分是由其所作用的神经细胞的受体表达所决定的。Semaphorin和Slit以及它们的受体是由我们的实验室发现的，我想用一点时间来介绍一下它们是如何被发现的，以便你们了解基础研究是怎样进展的。你们也许会奇怪我是如何发现大脑中的这些分子的。答案是你必须为你要解决的问题找到一个合适的动物模型，在这个例子中，我们选择的是果蝇。尽管它是一种很简单的生物，但它依然有着由数十万个神经细胞所组成的神经系统，更为重要的是我们可以使它的全部基因发生突变，这样我们就可以分析它的整个基因组，并通过了解哪一个基因突变时导致大脑结构的哪些方面出现特定的变化，来发现一些有关吸引因子和排斥因子的关键的内容。通过果蝇来了解人类似乎有点伤自尊，但实际上我们大家都知道，人类的基因序列与果蝇的基因序列是密切相关的，其实我们就是把果蝇看成是一个长了翅膀的小“人”。下面我用几分钟时间来告诉大家我们是怎样做出那些发现的。我们可以进入果蝇的胚胎内部进行研究，如图所示，我们可以用抗体染色的方法来显示胚胎的神经系统内部的线路模式。例如，在右边可以看到一个放大加强了的线路模式，一系列的神经轴突纵向生长，另一些则穿过中线左右生长，这样就形成了后来的中枢神经系统的模式。如图所示，大部分神经轴突的一个特性就是它们首先是横穿中线，然后再在另一边向上或向下生长，果蝇是这样，人类的脊髓也是这样，即大多数长的轴突是穿过中线到对侧向上或向下生长的。现在我们来总结一下突变的结果，基因突变在这个过程中起了很重要的作用。例如，我们发现有一种基因突变造成神经细胞不能穿过中线，它们只在一侧向上、下生长，另一种突变是造成所有的神经细胞都穿过中线，以前穿过中线的现在是来回穿过，正常状态下不穿过中线的也开始穿过。还有一种突变是所有的细胞都在中线生长，并停留在那里不出来了。通过这些突变我们可以发现相应的基因，通过基因可以了解其所控制的蛋白质。在这些例子中，有一个突变叫做“来回穿越”，简称Robo； 这个突变的基因编码一种受体，这种受体位于神经细胞的表面，阻止神经细胞穿越中线。在突变中，去除这个基因的功能，神经细胞就可以来回绕着中线生长，不再停留在一侧。这个发现导致了一个受体家族的发现。在线虫中有一个Robo受体，在果蝇中有三个，在这里仅标出人类的两个Robo受体，但我们知道在人类中至少有三个，可能是四个这类受体，所以这个受体家族在进化过程中是很稳定的。我们已经知道这种蛋白质在神经细胞膜上是如何表达的，一旦神经细胞穿过中线，这种受体的表达就增强，这就阻止了神经细胞再次穿越中线，使之停留在神经系统的另一侧。通过同样的基因学的方法，我们也发现了这个受体的配体，并通过生物化学的方法显示了受体和配体的关系。这个配体是称为Slit的大分子蛋白质，这种很大的分子从果蝇到人类都稳定地存在着。让我用一点时间来向你们说明配体与受体是如何表达的，因为排斥因子的存在对神经系统的构建过程起着重要的作用。在这个例子中，排斥因子Slit在果蝇的中线表达，同样也在哺乳动物包括人类的神经系统的中线表达，这就使那些高水平表达Robo受体的神经元，远离中线；保持一定的距离，沿着侧面生长。在某种意义上，我认为这对我们来说是一个意外的发现，通过基因学的研究，发现了排斥因子和它们的受体在神经系统的构成上起着重要的作用，即它们可以制定界限，限制神经细胞的生长，基本上是通过把神经细胞驱离一定的范围而指引它们生长。现在我们再来看看生长中的神经细胞是如何接收和解释各种信号的。我已说过我们发现了许多不同的吸引因子和排斥因子，这个框代表细胞膜和生长锥的膜，现在我们来看看里面。第一个问题，吸引和排斥是在哪里编码的；告诉生长锥一个信号是吸引信号还是排斥信号的信息在什么地方。这个Robo受体被标为红色，现在我们将其在细胞质里的受体尾巴，与在正常情况下是吸引因子 Netrin的受体相接，我们就把吸引受体变成了排斥受体。现在只要当神经细胞遇到Netrin 时，就会排斥、远离它。这就得出一个结论，信息不在于信号本身，也不在于受体的外部部分，信息是吸引还是排斥，是在细胞内部编码和解释的。下面我们要问的一个问题是，这种信息是如何被衡量的，因为从我们所做的试验中知道，生长锥可以衡量不同的吸引和排斥信号的相对平衡，如果吸引大于排斥，它们就向着那个方向生长，如果排斥大于吸引，它们就远离那个方向。所以，它们是如何对此进行衡量的。对这方面的了解还在不断地深入，我们认为有许多不同的信号传导系统在进行这种衡量。但至少有一个部位（是可以确定的），一部分的衡量机制存在于很小的Rac…Rho 族的GTP酶中。似乎此族GTP酶在衡量吸引和排斥的平衡中起着重要的作用。目前认为，如果有更多的Rac处于活性状态，这种GTP酶就会增加这个方向的活性；也就是吸引的力量；如果Roh更活跃；信号就减少活性；这就表示是排斥的信息，神经细胞就远离这种排斥信号。最后我们来问另一个问题，就是细胞是否能转换其反应的方式，即通过某种信号传导机制，细胞有能力把平衡由正变负或由负变正吗。这里有一个重要的发现，做出这个发现的人就是我的同事，加州大学伯克利分校的蒲慕明博士。蒲慕明博士和他的合作者发现，如果改变生长锥内的环核苷酸，即cAMP或cGMP的水平，就可以明显地改变神经细胞的反应方式，就是说，增加环核苷酸的浓度，就可以将排斥信号转化为吸引信号。让我来总结一下以上所谈的内容。在发育中的神经系统内有许多不同的分子家族在进行信号编码，这些信号可以是吸引的也可以是排斥的。细胞可以通过改变其受体表达的种类，即把不同的受体置于细胞表面的方式，对信号产生反应。它们也可以通过改变细胞内的某些信号传导环节和信号分子而改变其反应方式。
了解了这些以后，我们现在来讨论脊髓损伤的问题。我想提醒大家注意这个问题的一个有趣的方面，就是说像鱼和青蛙之类的低等动物，当它们的神经受损以后，神经会再生，非常特异性地再生。但是到了哺乳动物，特别是人类，当我们的中枢神经系统，即脊髓、大脑受损以后，它们就不会再生。这个问题一直是一个无法解决的问题，但我认为这个问题可以在下一个十年中得到解决。但是，解决脊髓损伤问题，使神经细胞再生，是一个需要多方合作来共同解决问题的好例子。科研机构的基础研究，生物技术的发展，大型制药公司的工作，国家和私人资金的投入，所有这些部门联合起来，才能够提供解决这个问题所需要的研究成果和资金。
首先我要告诉你们一点关于神经再生问题的思想的转变；我已说过在胚胎中神经细胞是受到排斥因子和吸引因子指导的；许多年以来人
