内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特

收稿日期：2022年11月21日；录用日期：2022年12月20日；发布日期：2022年12月27日

摘要

信号素3F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。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。在本综述中主要讨论了信号素3F如何通过其全受体复合物发挥作用，以及信号素3F在神经系统中的生理和病理中的功能。

关键词

信号素3F，神经毡蛋白-2，神经丛蛋白，信号转导，神经网络发育，癫痫

Research Progress on the Role of Semaphorin3F in Nervous System and Its Mechanism

Hao Pan, Xiaofan Yang, Guanglu Yang^*

Inner Mongolia Medical University, Hohhot Inner Mongolia

Received: Nov. 21^st, 2022; accepted: Dec. 20^th, 2022; published: Dec. 27^th, 2022

ABSTRACT

Semaphorin3F is a signaling protein of the third type of signaling element family, and was initially found as a leader molecule for axonal development. In the process of nervous system development, Semaphorin3F, as a ligand, can proliferate in neurons to form a neural network and maintain its function through its whole receptor complex. The absence of Semaphorin3F may cause developmental abnormalities such as abnormal axonal extension of the nervous system and limited synaptic plasticity in the development process, resulting in an imbalance between excitability and inhibitory activity in the nervous system. The role of Semaphorin3F in the development of epilepsy, autism spectrum disorder and malignant tumor has been recognized. In this review, we mainly discuss how Semaphorin3F works through its full receptor complex, and the physiological and pathological functions of Semaphorin3F in the nervous system.

Keywords:Semaphorin3F, Neuropilins-2, Plexins, Signal Transduction, Neural Network Development, Epilepsy

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1. 分泌性3类信号素Sema3F及其结构

信号素于1993年首次被描述为中枢神经系统轴突引导的负向调节因子，是指导神经系统发育的一个大的蛋白质家族 [1]，能够为细胞迁移和生长中的神经突(轴突和树突)提供排斥性和(或)吸引性指引。信号素家族包括分泌型蛋白和膜相关蛋白，它们的结构和功能在不同的物种之间都是较为保守的。目前被识别的信号素已有二十多种，信号素家族按照氨基酸序列的差异及蛋白结构的异同共分为八类，1~7和V [2]。该家族所有成员胞外都含有一个名为信号素(sema)的保守胞外结构域，这一结构域包含约500个氨基酸左右，负责信号素与受体的结合及同源二聚化。第3类信号素是7种100 kDa蛋白质(SEMA3A-SEMA3G)组成的分泌型蛋白家族，由包括上皮细胞、某些恶性肿瘤细胞以及神经元细胞在内的多个谱系细胞分泌 [3]。这些分泌性蛋白通过自身氨基末端的高度保守sema结构域与神经毡蛋白(Npn)结合，以自分泌或旁分泌的方式发挥作用 [4]。七种3类信号素通过不同的亲和力与不同的神经毡蛋白结合发挥其独特的功能。神经毡蛋白与3类信号素结合后与另一个蛋白质家族——神经丛蛋白形成全受体复合物，介导下游信号转导，从而影响交感神经、感觉神经元和运动神经元轴突生长 [5] [6]。信号素3F (Sema3F)是第3类信号素中的一个成员，基因位于染色体3p21.3 [7]。Sema3F是一种由两个单体亚基组成的同源二聚体，每个亚基包含4个结构域 [8] [9]。同其他的3类信号素一样，在Sema3F的氨基端有一个保守的sema结构域，这个结构域富含蛋白质拓扑结构——β-螺旋，该结构域也广泛存在于神经丛蛋白家族(信号素受体)、酪氨酸激酶受体MET和RON中 [10]。Sema结构域对于信号素生物特异性及发挥生理作用至关重要，Sema结构域下游存在一个神经蛋白–信号素–整合素(PSI)结构域，以及一个通过二硫键连接的免疫球蛋白(Ig)样结构域，用于稳定同源二聚体分子。在Sema3F的羧基端还有一个基本结构域，决定了与Npn-2结合能力的高低 [11]。

2. Sema3F全受体复合物

Sema3F发挥其生理作用需要通过结合由神经毡蛋白-2 (Npn-2)与神经丛蛋白A3 (Plexins A3)组成的全受体复合物 [12] [13]。Npn-2是一种130~140 kDa跨膜糖蛋白，由不同的结构域组成，包括细胞外结构域(两个补体样结合结构域：CUB/a1、a2；两个凝血因子V/VIII同源结构域：b1、b2；和肌动蛋白样结构域：MAM/c)、1个跨膜结构域和一个42~44个氨基酸的细胞内结构域 [3] [14] [15]。两个“a”结构域与sema3F中的sema结构域结合，“a”和“b”结构域之间的区域负责与sema3F中的Ig样结构域、基础结构域结合 [14] [16],“c”结构域则介导神经毡蛋白的同源二聚化和异源二聚化，这可能是其发挥功能的重要基础。Npn-2虽有一个胞内结构域，但没有明显的信号传导序列。此外，Sema3F无法与PlexA3直接结合 [16]，因此，Npn-2需要与Plexins A3结合形成受体复合物转导Sema3F信号。在该复合物中，Npn-2充当Sema3F的受体，而Plexins A3在细胞内转导信号。Plexins A3是一种分子量约为200 kDa的大型跨膜糖蛋白，由细胞内和细胞外结构域组成，其胞外结构域由1个sema结构域，3个Met相关序列(PSI结构域)和3个神经丛蛋白和转录因子共享的富含甘氨酸-脯氨酸的免疫球蛋白结构域(IPT)构成 [17] [18]，而细胞内区域始终包含GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein, GAP)结构域，这也是发挥其信号转导的重要结构 [19]。近年发现，NrCAM (神经细胞粘附分子)也是Sema3F的全受体复合物的一个亚单位，NrCAM是免疫球蛋白(Ig)类识别分子的L1家族(L1、NrCAM、CHL1、神经束蛋白)成员，其胞外区有6个免疫球蛋白(Ig)结构域和5个纤维连接蛋白III重复序列 [20] [21]，NrCAM胞质结构域含有一个羧基末端PDZ结合位点(SFV)，可以与PDZ支架蛋白SAP102结合 [22]，Npn2羧基末端也有PDZ结合基序(CEA) [23]，因此，在NrCAMIg1和Npn-2a1结构域之间，NrCAM Ig1通过TAR120NER基序中的Arg120与Npn-2 a1结构域中的Glu56 (E56)通过各自的 PDZ结合基序与支架蛋白SAP102结合，完成NrCAM 与Npn2的接合 [15] [21]。在Sema3F存在的情况下，两个NrCAM都与Npn-2结合，同时NrCAM进一步促进神经元细胞膜上Npn-2对Plexins A33的招募与二者的聚集，通过与细胞质内PDZ支架蛋白相互作用，使得Npn-2-Plexins A3的结合更加稳固，之后Sema3F二聚体可以更为高效的结合全受体复合物 [13]。

3. 细胞内信号转导

Sema3F被认为可执行包括神经、心血管和免疫等多系统和肿瘤进展期间的各种功能。Sema3F通过激活不同的信号转导途径来执行各种任务。参与轴突导引和影响其他神经功能是非常重要的途径。在此过程中，Sema3F被证实通过受体复合物作用于多个细胞内分子，但最终需要肌动蛋白和微管组分来调节神经细胞骨架 [19] [24]。

Sema3F发挥功能都需要通过Sema3F与神经丛蛋白受体家族成员Plexins A3的相互作用。Plexins A3的细胞质部分具有高度保守的GAP结构域(GTPase激活蛋白)，GTPases是Ras和Rho家族的G蛋白，这一蛋白家族被认为是信号传导的开关，对调节细胞粘附、迁移、增殖等过程意义非凡，GTPases通过提升整合素的功能以影响细胞粘附，同时也影响肌动蛋白细胞骨架 [25]。在非激活态，神经丛蛋白的两个GAP结构域被RBD (Rho GTPase结合结构域)分开，RBD自身也充当Rho结合GTP酶 [10]。信号素与丛蛋白的结合使得丛蛋白构象出现变化，两个不挨着的GAP结构域互相作用而被激活，之后通过下游信号分子(GTPases、蛋白激酶和细胞骨架相关蛋白等)发出相应的信号进行信号转导，和活化的G蛋白相连接，活性Ras的水平下降，并提升GTP去磷酸化速度，生成GDP，相继发生的下游信号传导事件也受此影响 [10] [24]。Plexin A3与Sema3F结合后，GTPase的活性GTP结合形式水平下降，减少了整合素的活化 [25] [26]。

对神经元的研究表明，Sema3F会导致细胞突的极剧崩塌等细胞变化 [27]。这是通过Sema3F介导引起的一系列细胞变化，包括但不限于细胞骨架和细胞粘附 [25]。除了GAP活性，plexin还具有与控制细胞形态和运动的肌动蛋白细胞骨架排列的Rho家族GTPases相互作用的Rho结合结构域(RBD) [28]。目前尚未了解丛蛋白与Rho蛋白结合的全部作用。有研究表明，Sema3F诱导的信号转导始于Npn2-PlexA3全受体和配体Sema3F之间的结合，之后受体复合物发生构象变化，这些变化启动了PlexA3细胞内部分的RapGAP活性，导致Rap1失活。推测Rap依赖性RhoGAP被灭活，使RhoA-GTP具有活性。GTP与RhoA，ROCK1/2结合，然后通过磷酸化肌球蛋白轻链(MLC)激活肌球蛋白II。磷酸化的MLC II诱导肌动球蛋白收缩，这可能会产生张力，导致肌动蛋白解聚，为收缩提供所需的框架 [15]。此外，一条控制细胞迁移并与Sema3F介导的肌动蛋白细胞骨架重组相关的关键信号素依赖性信号通路涉及肌动蛋白结合蛋白cofilin。Cofilin活性受羧基末端磷酸化的调节，这是一种抑制其已知的肌动蛋白结合和肌动蛋白切断活性的事件。PlexA3与Rac1 (一种Rho家族GTPase)的结合可将Rac1与p21激活激酶(PAK)隔离，招募Tiam1从而在Rac1上将GDP转换成GTP，之后激活PAK1-3。PAK可以磷酸化LIMK1/2，这会使Cofilin1磷酸化，从而失活。Cofilin失活会拉长肌动蛋白丝，为张力产生提供框架，这对Sema3F诱导的神经元生长锥塌陷反应、树突细胞细胞粘附等变化均有影响 [15] [29]。

除了改变肌动蛋白聚合外，信号素/丛蛋白信号也在各种情况下影响细胞—细胞/基质粘附作用。例如，在神经元中，丛蛋白信号通过灭活Ras家族成员进而促进整合素介导的粘附作用，同时在轴突排斥期间促进FARP2对PIPKIγ661的抑制 [24] [30]。近期也有体外研究表明，活性Ras水平的降低通过PI3K-AKT-GSK3β信号通路在S522、T514和T555位点使微管解聚蛋白(CRMP-2、CRMP-4)磷酸化而激活，这会抑制其与微管蛋白异二聚体的相互作用，并通过负调控微管组装，进一步抑制轴突生长 [12] [19]。

4. 神经网络发育中的Sema3F

Sema3F/Npn-2信号最初被发现是一种排斥性轴突导向线索，用于指导延伸神经网络间连接的轴突 [1] [31]。Sema3F代表神经元投射的排斥性指导线索，指导它们到达相应的区域。对其在神经系统中的发育功能进行的广泛的研究发现，Sema3F通过其全受体复合物，介导发育中的神经系统轴突导向 [32]，轴突修剪 [33]，树突棘重塑 [34] [35]，此外，越来越多的证据表明，Sema3F在维持神经系统的稳态、调节突触可塑性过程中同样意义重大 [36] [37]，以及神经再生的调节和各种神经疾病中发挥重要作用，尽管我们对此领域的认识还较为浅薄。

4.1. 轴突导向及轴突修剪

神经系统最显著的特征是其复杂且精确的连接。形成这些连接需涉及多种机制，最重要的机制之一是引导数十亿个神经元的轴突精确的到达它们的目的地形成突触——轴突引导。在引导轴突到达目的地的过程中，起作用的是位于轴突顶端的高度活跃的结构——生长锥，它拥有许多受体，可以识别并结合轴突导向分子。这些轴突导向分子部分可以吸引轴突，将轴突引导向正确的地方，另一部分可以排斥轴突，防止轴突去到错误的地方。

Sema3F是一个重要的排斥性轴突引导分子，对神经系统发育过程中轴突导向影响颇深。在小鼠胚胎发育期间，Sema3F主要表达于中枢神经系统(CNS)的外周感觉区域和运动投射的周围区域，可有效避免神经元在发育过程中错误出芽 [37] [38]。Sema3F是海马发育过程必需的。Sema3F是最早被描述的位于皮质区的分子屏障之一，Sema3F及其受体Npn-2在海马中保持表达，它使内嗅轴突进入海马区，而远离其他新皮质区 [6]。在小鼠发育过程中，由于Sema3F的正确表达，经由内嗅–海马通路(EH)的海马主要传入神经连接顺利建立，胚胎发育第15天(E15)时，内嗅皮层II层和III层的轴突到达海马白质和海马伞，在E16~E17开始侵入海马，到达海马的分子层(SLM)，从E19开始，轴突穿过裂缝，到达齿状回分子层(OML)的正确位置 [19]。起源于间隔区的间隔投射是海马另一个重要的传入神经。在Sema3F和Sema3A的协同配合下，中隔/对角带复合体中的GABA能神经元和胆碱能神经元轴突在E17到达海马区，最终支配辐射层和SLM以及分子层的中间部分(MML)，并且在E15就建立了海马–中隔连接 [19] [39] [40]。Sema3F在发育过程中沿皮质/海马GABA能神经元迁移途径表达，异位表达可能会引起GABA能神经元迁移改变，在DLX5/6^Cre-Sema3F^F/F小鼠中，海马所有区域的GABA能中间神经元数目、神经突生长和推测的突触数目均显著减少 [41]。在神经网络建立过程中，轴突修剪机制——剪切掉额外的或错误的轴突分支的过程，也同样重要。包括两种类型的修剪：小规模轴突末端修剪及定型轴突修剪，小规模修剪通过竞争消除目标区域的轴突末端分支，定型修剪则消除不恰当的侧支分叉 [42]。Sema3F在轴突修剪过程中的作用同样举足轻重。苔藓纤维的正常生长和投射需要Sema3F等趋化因子的精确调控。Npn-2主要在成年海马齿状回苔藓纤维和分子内层(IML)上表达；Sema3F由海马区锥体下束内的中间神经元上调，齿状回的细胞在此延伸其苔藓纤维分支；实验表明，Sema3F会减少轴突侧枝的数量和长度，在敲除Npn-2的大鼠中，随着Sema3F/Npn-2信号的减少甚至消失，苔藓纤维会产生额外错误的分支并且异常延伸，从而导致苔藓纤维相比于对照组产生更多的错误发芽，进而与颗粒细胞的树突棘连接形成错误的突触，并形成异常兴奋性神经回路，导致毛果芸香碱诱导的大鼠模型癫痫发作增加 [12] [32]。

4.2. 树突棘重塑

大脑信息的高效传递靠发育过程中建立起来的兴奋与抑制(E/I平衡)的复杂平衡维系。哺乳动物脑中90%以上的兴奋性突触位于锥体神经元的树突棘上 [43]。在新皮质的发育过程中，树突棘最初过度产生，然后在青春期经历大量消除(修剪)后最终稳定下来 [44]。Sema3F的存在会明显降低皮质锥体神经元上的树突棘密度。丘脑皮层输入的主要靶标——星形锥体神经元是最重要的一类兴奋性神经元 [45]。Sema3F的全受体复合物中的NrCAM主要分布于星形锥体细胞的树突上，而Npn-2则大多分布在皮质神经元的顶端树突而非基底树突上 [34] [46]。敲除小鼠NrCAM后发现位于锥体神经元的兴奋性树突棘突触数量增加、顶端树突棘密集程度也增加，而用Sema3F-Fc处理野生型的神经元及NrCAM缺失神经元，可以观察到与NrCAM缺失神经元顶端树突上的树突棘相比野生型密度明显减少，反式杂合遗传实验表明，在体内，Sema3F和NrCAM相互作用，从而限制顶端树突上的树突棘密度，其机制类似于NrCAM通过Npn-2促进Sema3F的轴突排斥和引起生长锥塌陷 [46] [47]。

4.3. 稳态突触可塑性

稳定的突触是神经元之间联系的基础，是产生更高认知能力的基础，其可塑性是一个长期动态调节的过程 [48] [49]。稳态可塑性是指神经元及其回路在遭受干扰时通过一系列机制将稳定其活动于某个调定点附近的生物过程，期间突触不断更新(消除和新形成)，但它们在确定树突上的总体密度相对稳定，并使神经元放电速率维持在一个合理的较小波动范围，同时使突触连接保持在相对强度上，神经兴奋性也在这一动态过程中保持着平衡 [50]。稳态可塑性的一种形式是稳态缩放，它允许神经元在神经元活动发生变化的情况下保持其放电频率。例如：在体外阻断神经元活性会增大突触强度，反之提高神经元活性会降低突触强度。突触后神经递质受体的分布和功能会极大的影响突触强度的调节，神经网络动态调节控制突触强度主要依靠突触处AMPA型谷氨酸受体(AMPAR)数量 [51]。在体外实验中，荷包牡丹碱可提高神经元活性促进Sema3F分泌，降低细胞突触后膜上AMPAR数量。在Sema3F 敲除的神经元中则没有发现AMPAR的变化。因此，Sema3F可能通过其全受体复合物，减少神经元活性增加后的AMPAR数量，达到降低突触强度的效果 [36]。

5. Sema3F同中枢神经系统疾病关系密切

小儿神经系统疾病的病因包括离子通道、遗传代谢、感染及免疫等。鉴于Sema3F在神经元连接的形成和维持过程中的许多作用，Sema3F被认为与许多以神经元网络功能失调为特征的神经系统疾病有关。越来越多的证据表明，Sema3F及其全受体复合物与癫痫和一些神经发育异常疾病有关。虽然这些疾病的病因不尽相同，但一系列相似的病理改变在这些疾病均有发生，包括但不限于Sema3F异常表达引起的突触重组、突触丢失或突触功能改变等。

5.1. Sema3F与儿童自闭症谱系障碍

自闭症谱系障碍(ASD)是一系列高度遗传的，但遗传异质的神经发育疾病，其特征是语言缺陷，社交障碍和重复行为。该病通常表现为获得性语言和行为技能的退化，除了核心症状外，ASD患者还表现出一系列合并症，包括癫痫、智力残疾、焦虑和抑郁等 [52]。研究表明，在ASD病例中发生的罕见的新生拷贝数变异(CNV)主要与突触发育，轴突靶向和神经元运动相关的基因有关 [53]。研究证明，包括Sema3F在内的多种信号素与ASD相关。Sema3F及其受体Npn-2缺失的小鼠都表现出运动活动减少、异常的焦虑、小鼠的情境记忆增强和恐惧感增多等自闭症行为 [54]，中间神经元Sema3F特异性敲除小鼠也表现出社交行为减少及重复行为增加 [41]。

5.2. Sema3F与癫痫

癫痫是一种最常见的慢性神经系统疾病之一，其特征是由于大脑神经元群的异常放电引起的不可预测的反复的自发性癫痫发作。癫痫发作有两种类型，其中局灶性发作只影响大脑的部分区域；全面性癫痫发作则广泛累及两个大脑半球。这是一种无法治愈且易致残的疾病，目前的药物治疗只能针对症状控制惊厥发作，无法有效的针对病因治疗或者抑制疾病的进展，探究其病因意义重大。

癫痫发生的基础是分子和细胞层面发生改变后引起一系列解剖学改变，包括苔藓纤维异常发芽、神经网络重组以及海马胶质增生等 [55]。临床试验和数据表明，海马在癫痫发作中起重要作用，苔藓纤维的错误发芽被认为会引起海马的异常兴奋。在内侧颞叶癫痫模型中，海马CA1区的锥体细胞以及位于齿状回的颗粒细胞均存在过度兴奋性突触。癫痫模型中的癫痫发作可能由轴突、突触重塑引起，由于Sema3F参与轴突修剪过程、抑制轴突异常发芽，因此这一系列改变可能与观察到癫痫模型CA1区Sema3F水平降低有关。此外，在锂–毛果芸香碱诱导的癫痫持续状态小鼠模型中，检测到齿状回中Sema3F水平随着苔藓纤维的异常发芽逐渐降低，表明Sema3F表达下降可能促进苔藓纤维的异常生长 [56]。体内实验证实，将海人酸注入FVB/NJ大鼠(致痫敏感大鼠)后出现癫痫发作，同时发现Sema3F在海马CA1和CA3区的表达均下降，但向C57Bl/6J小鼠(具有致痫性抵抗性)注射海人酸，Sema3F则没有明显变化，也没有引起癫痫发作 [57] [58]。尽管Sema3F在癫痫发生中直接作用还不十分清楚，但研究发现，无论是缺乏Sema3F还是其受体Npn-2的小鼠都更容易发生癫痫，海马依赖性的记忆任务和运动能力也受损，甚至产生焦虑恐惧等 [54] [59] [60]。近年研究发现，癫痫发作可能与GABA能神经元异常发育有关。中间神经元源性Sema3F表达影响皮质和海马GABA能回路的正常发育。在DLX5/6^Cre-Sema3F^F/F小鼠中，海马所有区域的GABA能中间神经元数目、突触数目均明显下降，中间神经元兴奋性增加且有自发性癫痫发作 [41]。

6. 讨论与展望

越来越多的数据表明，Sema3F是神经系统发育过程中神经通路结构形成和正常功能产生的关键调节因子。笔者总结了现有的证据，说明Sema3F通过其全受体复合物对神经元及其周围细胞具有多方面影响，从神经发生到神经网络的建立及维持稳定都离不开Sema3F。Sema3F及其受体是监测神经系统疾病进展的重要生物标志物，也是治疗神经系统疾病的靶点之一。Sema3F在神经系统中作用的了解尚处于初级阶段，与癫痫、自闭症谱系障碍、免疫性疾病乃至许多恶性肿瘤的发生均相关。对神经系统的研究已经进入基因领域，这有助于我们在不久的将来阐明Sema3F在神经发育中详细作用，我们有理由相信Sema3F影响神经系统疾病发生的分子机制及病理生理即将被彻底揭露，指导我们更好地治疗小儿神经系统疾病。

文章引用

潘 浩,杨晓帆,杨光路. 信号素3F在神经系统中的作用及其机制研究进展
Research Progress on the Role of Semaphorin3F in Nervous System and Its Mechanism[J]. 临床医学进展, 2022, 12(12): 11770-11779. https://doi.org/10.12677/ACM.2022.12121695

参考文献