膠質(zhì)纖維酸性蛋白-星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性標(biāo)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(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)星形膠質(zhì)細(xì)胞（AS）胞質(zhì)內(nèi)，可以作 為星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性標(biāo)志物。GFAP與微管和微絲一起構(gòu)成大多數(shù)真核細(xì)胞的細(xì)胞骨架，為 其他細(xì)胞或細(xì)胞外基質(zhì)接觸的質(zhì)膜提供機(jī)械支持，具有維護(hù)星形膠質(zhì)細(xì)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(xué)功能，還參與細(xì)胞遷移、運(yùn)動和有絲分裂。
圖1 星形膠質(zhì)細(xì)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(xué)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(xì)胞、周圍神經(jīng)系統(tǒng)的無髓神經(jīng)雪旺細(xì)胞和腸內(nèi)成熟的膠質(zhì)細(xì) 胞(enteric glial cells，EGCs) [4]。此外，GFAP在軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、 肌上皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、肝星形細(xì)胞也有表達(dá)。
但有研究表明外周系統(tǒng)所表達(dá)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(gè)內(nèi)含 子和9外顯子，再加上2個(gè)選擇性內(nèi)含子DNA、4個(gè)選擇性外顯子DNA，從而促進(jìn)一個(gè)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(dǎo)致多個(gè)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(dá)了10個(gè)GFAP剪接異 構(gòu)體。在小鼠大腦中表達(dá)的異構(gòu)體包括GFAPα、β、γ、δ、ζ、κ和Δexon 7表達(dá)， 在人腦中表達(dá)的有GFAPα、β、δ、ζ、κ、Δ135、Δ164、Δexon6和 Δexon 7[7]。
表達(dá)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(dá)。
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(gè)氨基酸組 成，相對分子質(zhì)量為50 ~ 52KD，等電位點(diǎn)在5.7-5.8。
GFAP是AS重要的骨架蛋白。細(xì)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(xì)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(gè)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(gè)多肽鏈以螺旋結(jié)構(gòu)相互纏繞形成的，以交錯(cuò)反平行方式結(jié)合形成四聚體 。
5. GFAP的表達(dá)調(diào)控
GFAP的表達(dá)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(dá)受GFAP啟動子調(diào)控。基礎(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(dá)特異性?；A(chǔ)啟動子的一個(gè) 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(xì)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(dá)和修飾可影響星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能：GFAP基 因的初始激活標(biāo)志著星形膠質(zhì)細(xì)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(yīng)性反應(yīng)。
6. GFAP的功能
星形膠質(zhì)細(xì)胞在大腦中含量豐富，是大腦 中最豐富的細(xì)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(xì)胞內(nèi)的主要骨架蛋白， GFAP在細(xì)胞核和細(xì)胞膜之間形成連接，參與細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架重組、細(xì)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(xì)胞信號參與轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等[8] [9]，還參與細(xì)胞遷 移、運(yùn)動和有絲分裂。膠質(zhì)纖維酸性蛋白具有維護(hù)星形膠質(zhì)細(xì)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(xué)功能。
GFAP的具體作用如下：
6.1 運(yùn)動性/遷移
GFAP參與了細(xì)胞的運(yùn)動和遷移，但其對不 同星形細(xì)胞亞型正常生理或病理功能的貢獻(xiàn)程度尚不清楚。用可誘導(dǎo)GFAP表達(dá)的載體系統(tǒng)轉(zhuǎn) 染神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系U1242 MG和U251 MG，表明GFAP在細(xì)胞運(yùn)動中發(fā)揮了作用。研究表明， GFAP強(qiáng)制性表達(dá)可抑制細(xì)胞運(yùn)動。
在研究與AxD相關(guān)的突變GFAP時(shí)，發(fā)現(xiàn)了關(guān) 于GFAP在運(yùn)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(xì)胞相比，用兩個(gè)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(xì)胞顯示出增加的運(yùn)動能力。
6.2 增殖
大量研究表明，GFAP表達(dá)的改變會改變星 形膠質(zhì)細(xì)胞增殖的能力或星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化的其他特征。GFAP表達(dá)水平與星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖 水平呈負(fù)相關(guān)[10]。與野生型小鼠相比，來自GFAP-/-小鼠的原代星形細(xì)胞培養(yǎng) 物的增殖能力增強(qiáng)。
6.3 囊泡運(yùn)輸和自噬
星形膠質(zhì)細(xì)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(xì)胞因子。
胞吐是星形膠質(zhì)細(xì)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(xì)胞骨架運(yùn)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(xì)胞中囊泡的定向遷移，IF網(wǎng)絡(luò)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(xì)胞-神經(jīng)元相互作用
星形膠質(zhì)細(xì)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(xì)胞的功能
6.5 血腦屏障和髓鞘形成
血腦屏障（BBB）由毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞形成 ，周圍被基底層和血管周星形膠質(zhì)細(xì)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(xì)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(dá)，從而控制細(xì)胞的分化，實(shí)現(xiàn)對細(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)性變應(yīng)性腦脊髓炎等疾病中，GFAP的表達(dá)也同樣增加。
8.1 阿爾茨海默病
星形膠質(zhì)細(xì)胞病是AD中一個(gè)顯著的神經(jīng)病理學(xué)改 變，AD病理的嚴(yán)重程度與反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的密度和GFAP在組織和腦脊液中表達(dá)的強(qiáng)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(xì)胞的影響更嚴(yán)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(qiáng)的相關(guān)性。
8.2 抑郁癥
星形膠質(zhì)細(xì)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(jìn)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(jìn)成人神經(jīng)發(fā)生的作用，因此膠質(zhì)細(xì)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(dá)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 亞歷山大病（AxD）
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(dǎo)致GFAP裝配發(fā)生改變，GFAP聚集并在細(xì)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(jìn)性肌無力嬰兒期發(fā)展， 并伴有進(jìn)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(xì)胞
9. GFAP在診斷方面的應(yīng)用
正常情況下，GFAP在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)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(dāng)患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生損傷，AS受損或死亡時(shí) ，GFAP聚合物斷裂分解，從損傷的膠質(zhì)細(xì)胞中溢出，進(jìn)入周圍細(xì)胞間隙，通過血‐腦屏障進(jìn) 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(xì)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(xì)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(xì)胞標(biāo)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(shí) 間更早、特異性更強(qiáng)、敏感性更高[15]。
9.2 腦卒中
腦卒中早期、快速、準(zhǔn)確的診斷，對其治療和預(yù) 后有著積極的意義。GFAP作為反映腦部損傷的新型標(biāo)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(xì)胞的損傷和死亡情況。GFAP水平與腦梗死面積有關(guān)[16]。
References
[1] Eng L F, Vanderhaeghen J J, Bignami A, et al. An acidic protein isolated from fibrous astrocytes [J]. Brain research, 1971, 28 (2): 351-354.
[2] Eng L F, Ghirnikar R S, Lee Y L. Glial fibrillary acidic protein: GFAP-thirty-one years (1969–2000) [J]. Neurochemical research, 2000, 25(9-10): 1439-1451.
[3] Reeves S A, Helman L J, Allison A, et al. Molecular cloning and primary structure of human glial fibrillary acidic protein [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1989, 86(13): 5178-5182.
[4]Yang Z, Wang K K W. Glial fibrillary acidic protein: from intermediate filament assembly and gliosis to neurobiomarker [J]. Trends in neurosciences, 2015, 38(6): 364-374.
[5] Brenner M. Structure and transcriptional regulation of the GFAP gene [J]. Brain pathology, 1994, 4(3): 245-257.
[6]Blechingberg J, Holm I E, Nielsen K B, et al. Identification and characterization of GFAPκ, a novel glial fibrillary acidic protein isoform[J]. Glia, 2007, 55(5): 497-507.
[7]Hol E M, Pekny M. Glial fibrillary acidic protein (GFAP) and the astrocyte intermediate filament system in diseases of the central nervous system [J]. Current Opinion in Cell Biology, 2015, 32: 121-130.
[8] Rutka J T, Murakami M, Dirks P B, et al. Role of glial filaments in cells and tumors of glial origin: a review [J]. Journal of neurosurgery, 1997, 87(3): 420-430.
[9]Kamphuis W, Kooijman L, Orre M, et al. GFAP and vimentin deficiency alters gene expression in astrocytes and microglia in wild‐type mice and changes the transcriptional response of reactive glia in mouse model for Alzheimers disease [J]. Glia, 2015, 63(6): 1036-1056.
[10]Toda M, Miura M, Asou H, et al. Suppression of glial tumor growth by expression of glial fibrillary acidic protein [J]. Neurochemical research, 1999, 24(2): 339-343.
[11]Johnston-Wilson N L, Sims C D, Hofmann J P, et al. Disease-specific alterations in frontal cortex brain proteins in schizophrenia, bipolar disorder, and major depressive disorder [J]. Molecular psychiatry, 2000, 5(2): 142.
[12]Brenner M, Johnson A B, Boespflug-Tanguy O, et al. Mutations in GFAP, encoding glial fibrillary acidic protein, are associated with Alexander disease [J]. Nature genetics, 2001, 27(1): 117.
[13]Hagemann T L, Powers B, Mazur C, et al. Antisense suppression of glial fibrillary acidic protein as a treatment for Alexander disease [J]. Annals of neurology, 2018, 83(1): 27-39.
[14]Hua Y A N, Zhang H, WU Q, et al. Increased leakage of brain antigens after traumatic brain injury and effect of immune tolerance induced by cells on traumatic brain injury [J]. Chinese medical journal, 2012, 125(9): 1618-1626.
[15]Senn R, Elkind M S V, Montaner J, et al. Potential role of blood biomarkers in the management of nontraumatic intracerebral hemorrhage [J]. Cerebrovascular Diseases, 2014, 38 (6): 395-409.
[16]Wunderlich M T, Wallesch C W, Goertler M. Release of glial fibrillary acidic protein is related to the neurovascular status in acute ischemic stroke [J]. European journal of Neurology, 2006, 13(10): 1118-1123.
