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維生素A與腦發(fā)育
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Vitamin A and brain development |
毛春婷、李廷玉（重慶醫科大學(xué)兒童醫院，重慶４０００１４） 維生素A （Vitamin A，VA）是人體必需的重要微量營(yíng)養素，它在人體的視覺(jué)、免疫、生長(cháng)發(fā)育及細胞分化等方面發(fā)揮廣泛的生理學(xué)效應，VA的作用主要通過(guò)其體內活性代謝產(chǎn)物視黃酸（RA）介導二大類(lèi)視黃酸核受體RARs （α、β、γ）和RXRs （α、β、γ）調控靶基因表達。近年來(lái)，VA對胚胎和生后腦發(fā)育及功能的重要作用日益受到重視，本文就VA對腦發(fā)育及學(xué)習記憶功能的研究綜述如下。 １維生素A對腦發(fā)育的影響 神經(jīng)系統起源于神經(jīng)外胚層，由神經(jīng)管和神經(jīng)嵴分化而成，人胚第３周末，胚胎背面正中部外胚層在脊索的誘導下形成神經(jīng)板，以后發(fā)育為神經(jīng)管。人胚第４周，神經(jīng)管的頭端膨大發(fā)育成為腦，其余部分仍保持管狀，發(fā)育為脊髓。神經(jīng)板的進(jìn)一步分化，由兩個(gè)信號系統調控，一個(gè)信號系統調控前后（anter－popsterior A－P）模式的建立，另一信號系統沿背腹（dorsal－ventral ，D－V）軸調控神經(jīng)細胞的分化。 １． １維生素A與脊索和底板的極化誘導作用 極化活性帶（zone of polarizing activity，ZPA）是胚胎發(fā)生過(guò)程中肢芽后部間充質(zhì)的一個(gè)特定區域，能確定前后（A－P）軸極性。ZAP中含有豐富的RA，因此RA極可能是控制肢芽發(fā)育前后軸極性的信號分子[１，２] 。Yamada 等發(fā)現雞胚的神經(jīng)板階段，神經(jīng)上皮受來(lái)自底板和脊索的極化信號的調控，沿頭尾軸區域分化形成前部的前腦、中腦及后部的菱腦、脊髓 [１]。另外，底板細胞內視黃醇結合蛋白（cellular retinal binding protein，CRBP）的表達水平比神經(jīng)管其他區域高得多，推測RA可能直接影響發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統細胞的分化模式[２]。 １． ２維生素A與神經(jīng)嵴的發(fā)育 神經(jīng)嵴是神經(jīng)溝形成時(shí)神經(jīng)板的柱狀細胞與一般外胚層細胞相互移行處的細胞索。研究發(fā)現神經(jīng)嵴細胞的分離培養中加入RA能影響其存活、分化和移行行為。RA使神經(jīng)嵴細胞來(lái)源的胚胎交感神經(jīng)元表現出活性增強和軸突外生；使神經(jīng)嵴細胞的衍化物背根神經(jīng)節細胞出現軸突生長(cháng)[３]。Maden等發(fā)現VA缺乏的鵪鶉胚胎，起源于菱腦原節６、７水平的神經(jīng)嵴細胞消失，其他部位的神經(jīng)嵴細胞遷移于菱腦區后，也大范圍死亡[４]，表明神經(jīng)嵴細胞的正常發(fā)育和存活需要RA。 １． ３維生素A與菱腦發(fā)育 菱腦是大腦發(fā)育過(guò)程中的過(guò)渡結構，也是神經(jīng)系統中對RA最敏感的區域[５]。VA缺乏的鵪鶉胚胎，用HoxA２、HoxB１等基因的表達模式作為標志，發(fā)現菱腦原節４～８的分節被破壞且菱腦原節４和５缺失[４]。White等發(fā)現VA缺乏的SD大鼠于妊娠１２．５d，胚胎發(fā)育出現肉眼可見(jiàn)的異常，最明顯的缺陷位于菱腦區，表現為大量后側顱神經(jīng)（Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ）和后部咽弓的缺失及異位耳泡的出現和腫脹的前置主靜脈[６] 。故胚胎形成過(guò)程中需要RA參與尾部的菱腦及其相關(guān)結構的發(fā)育[３]。近期的研究還發(fā)現，RA的作用可能建立能授予菱腦原節特殊性質(zhì)基因表達的頭尾區域。 １． ４維生素A與小腦 小腦對RA有天然反應性，RA在適當的時(shí)間和濃度對小腦發(fā)育具有生理學(xué)作用[７]。小腦本身表達RA合成酶—— —視黃醛脫氫酶（RALDH－２）水平低，它的RA主要由富含RALDH－２的第４腦室脈絡(luò )叢提供[８]。大鼠小腦細胞的體外培養發(fā)現，脈絡(luò )叢和RA都有促進(jìn)小腦軸突生長(cháng)的作用，脈絡(luò )叢的RA合成酶出生后開(kāi)始增長(cháng)的時(shí)間與小腦內RARγ受體表達高峰相對應，也正好與顆粒細胞分化和從中間顆粒層遷移出的時(shí)間一致[９] 。 １． ５維生素A與中腦的發(fā)育 中腦，尤其是紋狀體，是多巴胺（DA）能神經(jīng)元存在的區域。在大鼠胚胎１７d的紋狀體細胞培養基中加入１×１０～５molL的RA，能顯著(zhù)提高DA受體（D２R）的mRNA水平[１０]。RA受體異二聚體的雙重突變使紋狀體DA受體１（D１R）和D２R基因轉錄水平下降３０％～４０％，且其他DA受體及神經(jīng)遞質(zhì)傳導通路也受到影響，致小鼠運動(dòng)障礙[１１]。Nurro l是發(fā)育中的中腦DA神經(jīng)元形成和具有活性的關(guān)鍵蛋白，它通過(guò)與RXR形成二聚體發(fā)揮促進(jìn)信號傳導的作用，對DA能神經(jīng)元的標志物———醛脫氫酶的合成有重要作用[１２]。因此，對于發(fā)育中的DA神經(jīng)元，RA可能起著(zhù)激活[２０]RXR－Nurro１異二聚體的作用。 中腦DA能神經(jīng)元對運動(dòng)、行為、情感和垂體激素的釋放具有重要作用。許多疾病，例如智能遲緩（MR）、帕金森病、精神分裂癥等都與DA分泌過(guò)多或過(guò)少密切相關(guān)[１０，１２～１４]。Krezel 等發(fā)現，在空地實(shí)驗中，RARβ－RXRβRARβ－RXRγ和RXRβ－RXRγ突變小鼠與對照組相比，其向前運動(dòng)能力明顯下降，并且４０％的RARβ－RXRβ突變小鼠同時(shí)表現出向后運動(dòng)障礙。用旋轉實(shí)驗測定發(fā)現RARγ、RARβ－RXRβ和RARβ－RXRγ突變小鼠的運動(dòng)協(xié)調能力降低，大多數在旋轉開(kāi)始不久即從旋轉柱上落下[１１] ，因此提出由于RA受體在中樞神經(jīng)系統廣泛分布，許多腦功能可能由RA信號調節，而這些信號的改變參與了一些疾病（帕金森病、精神分裂癥等）的發(fā)生。 ２VA對學(xué)習記憶功能的影響 腦的重要功能之一——學(xué)習記憶功能是人們最為關(guān)注的，目前廣大學(xué)者公認長(cháng)時(shí)程增強（long －term potentiation，LTP）是突觸可塑性的標志，是神經(jīng)系統存貯信息最基本的機制，認為L(cháng)TP是在突觸水平研究哺乳動(dòng)物學(xué)習記憶功能的模型[１５]。 海馬皮質(zhì)含有的RA占大腦RA總量的２７．２±２．９％，居首位[１６]。同時(shí)海馬也是RA合成活力非常強的區域[１７]。由此推測，RA在海馬的功能中具有重要作用。 Cocco發(fā)現維生素A缺乏（VAD）的成年鼠，海馬乙酰膽堿遞質(zhì)分泌減少，海馬CA１區有核細胞數減少，LTP明顯改變，空間學(xué)習記憶功能?chē)乐厝毕荩蔑暳辖o予足量維生素A補充后，LTP得以恢復，學(xué)習記憶障礙也可完全恢復[１８]；若給予孵育腦片的人工腦脊液（ACSF）中加入１×１０－７ mol/L RA，則４h后，LTP的誘發(fā)恢復正常，提示控制LTP和LTD的基因是RA依賴(lài)的[１９]。本課題組最近發(fā)現在VAD幼鼠腦片的ASCF中加入RA，能明顯提高LTP誘發(fā)率，對VAD組幼鼠海馬腦片的ACSF只加入鐵劑，LTP的誘發(fā)率沒(méi)有改變，在VA充足組幼鼠海馬腦片的ACSF加入RA受體拮抗劑SR１１３３５，其LTP的誘發(fā)率顯著(zhù)降低。由此可認為RA對LTP的作用是直接的，不是通過(guò)鐵的間接作用。 Chiang用基因敲除技術(shù)發(fā)現RARβ敲除鼠會(huì )致海馬CA１區LTP和長(cháng)時(shí)程抑制（long －term depres－sion，LTD）消失，隨之，學(xué)習記憶功能明顯下降；RXRγ敲除鼠LTD消失而LTP正常[２０]，Etchamendy 發(fā)現成年小鼠VAD時(shí)，小鼠海馬的RARβ、RXRβ/γmRNAs 降低２５％～３０％，同時(shí)其空間學(xué)習記憶功能也明顯下降[２１]。提示VA對維持LTP和LTD有重要的作用。本課題組前期研究發(fā)現孕鼠邊緣性VA缺乏（MVAD）雖對新生鼠的體重、腦重、腦蛋白質(zhì)含量、腦細胞增殖周期無(wú)明顯影響，但視黃酸受體發(fā)育已受到損害，表現為RARβ、RXRβ和Hoxa１、Hoxb１的表達明顯降低[２２]；從胚胎始到出生后７周一直邊緣性VA缺乏（MVAD）的幼鼠腦發(fā)育及腦功能受損，表現為學(xué)習記憶能力下降（跳臺實(shí)驗）、腦組織蛋白質(zhì)含量下降、海馬神經(jīng)細胞間突觸數量減少、突觸小泡減少、海馬星形膠質(zhì)細胞增生和變性等方面，腦細胞RARβ和RXRβ的表達降低[２３]。 VA對海馬的發(fā)育及對其功能的影響機制目前尚不完全確定，有各種推測，本課題組從與LTP形成直接相關(guān)的兩種基因：神經(jīng)顆粒素（neurog ranin，RC３）[２４]和轉谷氨酰胺酶（transg lutaninase，tTG）[２１]入手，發(fā)現４周和７周齡的MVAD大鼠海馬RC３和tTG mRNA與RARβ、RXRβ、RXRγmRNA同步降低，與VA充足組有顯著(zhù)差異，LTP的誘發(fā)率及行為學(xué)測試（穿梭實(shí)驗）的結果也提示MVAD大鼠的學(xué)習記憶功能明顯低于VA充足組。因此，VA可能通過(guò)其核受體調控靶基因RC３和tTG的轉錄，從而影響LTP的產(chǎn)生，致學(xué)習記憶功能的改變。 ３小結 VA是人體必需的微量營(yíng)養素，對機體的正常生長(cháng)發(fā)育有重要作用，尤其是對于大腦發(fā)育和學(xué)習記憶功能具有舉足輕重的作用。攝入足夠量的VA是維系健康、擁有聰明的大腦的前提。 參考文獻： １． Yamada T， Placzek M，Tanaka H， et al．Control of cell pattern in the developing nervous systempolarizing cativity of the floor plate and notochord．Cell， １９９１， ６４∶６３５－６４７． ２． Wag ner M， Thaller 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