综述：脑源性神经营养因子通过调节分泌途径的运输：机制与疾病意义

《Molecular Neurobiology》：Brain-Derived Neurotrophic Factor Trafficking via the Regulated Secretory Pathway: Mechanisms and Disease Implications

　　这篇综述系统阐述了脑源性神经营养因子(BDNF)通过调节分泌途径(RSP)的运输机制及其在神经系统疾病中的意义。文章详细解析了从生物合成、分选（涉及sortilin、CPE等受体）、运输（依赖动力蛋白、驱动蛋白等分子马达）到胞吐释放（涉及CAPS2、syt4等）的全过程，并探讨了运输异常与自闭症、精神分裂症、抑郁症、阿尔茨海默病、亨廷顿病等疾病的关联，为相关疾病治疗提供了潜在靶点。

　　

脑源性神经营养因子(BDNF)运输概述

脑源性神经营养因子(BDNF)是神经营养因子家族的重要成员，广泛表达于大脑中，在神经发育、树突分化、神经发生、突触可塑性以及学习记忆中扮演关键角色。BDNF的功能高度依赖于其亚细胞定位和调节性分泌。具体而言，BDNF通过调节分泌途径(RSP)进行运输，在高尔基体反式网络(TGN)被分选进入分泌颗粒，并在神经元活动引发Ca²⁺浓度升高时，以钙依赖的方式在质膜处释放。BDNF在RSP中的运输对其功能至关重要，运输过程的失调与多种神经系统疾病密切相关。

分泌颗粒的生物发生、成熟与运输

跨膜蛋白和分泌蛋白首先在内质网(ER)合成，然后通过运输囊泡运送至高尔基体。在高尔基体反式网络(TGN)，这些货物分子被分选并包装进 destined for 不同运输途径的囊泡中。一部分囊泡运输至内吞体或溶酶体，另一部分则通过组成型分泌途径运往质膜进行胞吐。调节分泌途径(RSP)负责神经肽、神经营养因子、颗粒蛋白(granins)、神经激素和跨膜蛋白的钙依赖性释放。研究表明，BDNF在神经元中优先通过RSP进行运输。

在RSP中，BDNF前体(proBDNF)在内质网合成，并运输至高尔基体。在TGN，它与分选受体（如sortilin和羧肽酶E(CPE)）相互作用，被包装进未成熟分泌颗粒(ISG)。这些ISG经历同型融合并逐渐酸化，促进货物凝聚并创造有利于蛋白酶切加工的环境。在ISG内，proBDNF被弗林蛋白酶(furin)和前蛋白转化酶(PC)2等肽酶切割，生成成熟的、有活性的BDNF。这一蛋白酶切步骤影响着运输命运，未切割的proBDNF被转向组成型分泌途径，而成熟BDNF则优先被分选进入RSP，以备活动依赖性释放。

ISG内的其他蛋白质和脂质（如甘露糖-6-磷酸受体、羧肽酶D和Golgi-associated γ-ear-containing ARF-binding protein）通过网格蛋白包被的囊泡被选择性移除，并通过逆向运输回收至TGN或通过顺向运输至其他区室（如内吞体）。这些重塑步骤促进了成熟分泌颗粒(MSG)的形成。随后，BDNF-containing MSG通过募集驱动蛋白(kinesin)等分子马达被运输至质膜。这些马达蛋白通过与羧肽酶E(CPE)、动力蛋白(dynactin)和亨廷顿蛋白相关蛋白1(HAP1)等蛋白质的相互作用被招募至BDNF-containing MSG。

一旦靠近质膜，BDNF的调节性胞吐作用会在由去极化依赖的电压门控钙通道激活或细胞内钙释放触发的钙水平升高后发生。这一最终步骤受钙传感器（如分泌的钙依赖性激活蛋白2(CAPS2)和突触结合蛋白(synaptotagmins)）以及SNARE复合体蛋白的调控。

BDNF运输的调节因子

分选受体

BDNF在TGN被优先分选至RSP。促成此分选的过程之一是BDNF与位于TGN的分选受体的相互作用。具体来说，BDNF在其前结构域和成熟区域含有分选基序，可与分选受体CPE和sortilin相互作用。

Sortilin是Vps10结构域分选受体家族的成员，在神经元中大量表达。大约90%的sortilin定位于TGN、未成熟分泌颗粒和内吞体，表明其在细胞内运输中具有多功能作用。Sortilin被证明可以调节神经生长因子(NGF)的运输。基于NGF和BDNF前结构域的序列同源性及其在促进高尔基体运输中的作用，研究发现sortilin与BDNF的前结构域相互作用，促进其向RSP的分选。sortilin的细胞质尾部含有分选基序，对于衔接蛋白、Golgi-associated γ-ear-containing ARF-binding proteins(GGAs)和其他对sortilin运输至关重要的蛋白质的结合是必需的。

羧肽酶E(CPE)是一种定位于分泌颗粒的酶，是肽类激素和神经肽生物合成所必需的。CPE也被鉴定为一种分选受体，促进前神经肽（如脑啡肽原、胰岛素原和前神经营养素）向调节分泌颗粒的分选。CPE通过与其分选信号域上的两个酸性残基和两个疏水残基相互作用，将货物在TGN分离并分选至RSP。对BDNF晶体结构的X射线分析鉴定出了一个分选基序，该基序的突变导致BDNF的组成型分泌增加。此外，在CPE基因敲除小鼠中，BDNF是组成型分泌的。这些数据表明BDNF可通过其与CPE的相互作用被分选至RSP。

衔接蛋白

TGN是新合成蛋白质的关键分选站。为了确保分选的保真度，神经元使用分选受体和精细的货物分选机制。具体而言，货物衔接蛋白、ADP核糖基化因子(Arfs)、包被蛋白和辅助蛋白对于TGN的货物分选至关重要。迄今为止，只有一种辅助蛋白被证明能促进BDNF运输。

亨廷顿蛋白相关蛋白1(HAP1)是第一个被鉴定的亨廷顿蛋白(htt)结合伴侣。在神经元中，HAP1分布于整个大脑，对神经元功能至关重要。HAP1定位于细胞质、TGN、囊泡和微管，表明其在介导顺向细胞内运输中的作用。HAP1与动力蛋白(dynactin)的p150^Glued亚基共定位并相互作用，后者是促进动力蛋白(dynein)和驱动蛋白(kinesin)募集至分泌颗粒的马达协调蛋白。HAP1还共定位并与驱动蛋白轻链相互作用。在活神经元中抑制HAP1功能会导致驱动蛋白依赖的囊泡运输抑制。HAP1介导BDNF的轴突运输，研究表明HAP1基因敲除小鼠表现出异常的BDNF运输。进一步表征HAP1在BDNF顺向运输中作用的研究发现，HAP1与动力蛋白复合物相互作用，该复合物促进驱动蛋白和动力蛋白马达蛋白募集至分泌颗粒。研究还发现内源性HAP1与培养的皮层神经元中的proBDNF和sortilin共定位，并且这三种蛋白质形成一个复合物，对于proBDNF从高尔基体的运输、通过弗林蛋白酶的切割促进成熟BDNF的释放以及防止proBDNF降解是必需的。

支架复合物

分子马达向BDNF包含分泌颗粒的募集是通过支架蛋白的协调作用介导的。这些蛋白质是更大复合物的组成部分，能够结合货物分选受体（如sortilin）、分子马达（如驱动蛋白和动力蛋白）以及运输所需的其他蛋白质，如衔接蛋白和GTP酶。

亨廷顿蛋白(Htt)是一种大蛋白，分布于细胞质中，与囊泡、微管、分子马达和囊泡运输相关的其他蛋白质相关联，表明htt在调节细胞内运输中的潜在作用。htt与HAP1相关联。HAP1是一种与马达协调蛋白动力蛋白相关联的蛋白质，并促进马达蛋白（如驱动蛋白和动力蛋白）募集至分泌颗粒。研究表明，亨廷顿蛋白和动力蛋白存在于囊泡上并直接相互作用，并且动力蛋白负责htt在细胞中的定位。这些发现表明htt与动力蛋白协同作用以促进囊泡运输。此外，表达突变形式的亨廷顿蛋白或亨廷顿蛋白的缺失会导致神经元中轴突运输受损，进一步指向亨廷顿蛋白在调节细胞内运输中的作用。

动力蛋白(Dynactin)复合物定位于分泌颗粒，并通过与马达蛋白动力蛋白、驱动蛋白-2(kinesin-2)和驱动蛋白-3(kinesin-3)的结合，促进分泌颗粒的双向运输。通过募集这些马达蛋白，动力蛋白介导BDNF的逆向和顺向运输。动力蛋白是一种马达协调器，它将介导顺向或逆向运输的马达蛋白招募到神经元中的BDNF包含分泌颗粒上。破坏该复合物已被证明会破坏BDNF的运输。使用活细胞成像研究神经元中分泌颗粒的运输，观察到添加动力蛋白破坏剂会导致分泌颗粒运输减少。类似地，在亨廷顿病的细胞和小鼠模型中，观察到亨廷顿蛋白/HAP1/动力蛋白复合物发生改变，并且这种复合物的改变导致BDNF运输和随后释放的减少。此外，研究发现分选受体CPE与动力蛋白相互作用，并且动力蛋白与KIF3A、KIF1A和动力蛋白相互作用。这些数据表明BDNF运输是通过动力蛋白促进的。

分子马达

分泌颗粒向突触终末的运输需要分子马达的作用。有三个马达蛋白超家族，肌球蛋白(myosins)、驱动蛋白(kinesins)和动力蛋白(dynein)，它们与肌动蛋白丝和微管相互作用以运输货物。肌球蛋白与肌动蛋白丝结合以促进顺向运输。相反，驱动蛋白和动力蛋白马达与微管结合。动力蛋白马达促进轴突中货物的逆向运输以及树突中的双向（顺向和逆向）运输，而驱动蛋白则促进顺向运输。马达蛋白在亚细胞区室的定位对于其促进特定货物运输的功能至关重要。驱动蛋白超家族的分子马达在BDNF包含颗粒沿微管的顺向运输中起关键作用。其中，驱动蛋白-3家族的成员已被鉴定为促进BDNF顺向运输的分子马达。KIF1A对于致密核心囊泡的轴突运输至关重要。使用活细胞成像，研究表明荧光标记的嗜铬粒蛋白A和BDNF与荧光标记的KIF1A在原代培养的海马神经元中沿顺向和逆向方向移动，表明KIF1A在BDNF运输中的作用。通过shRNA降低KIF1A表达导致BDNF包含分泌颗粒的运输显著减少，进一步表明其参与BDNF运输。类似地，除了作为分选受体的作用外，CPE还与动力蛋白、KIF1A和驱动蛋白-2家族的成员KIF3A相互作用，以介导BDNF的顺向运输。CPE也与动力蛋白相互作用以进行逆向运输。

已知BDNF经历区室特异性运输，一些颗粒被运输到树突或轴突。最近的研究表明，驱动蛋白-3家族的成员KIF13A和KIF13B参与这种靶向。在原代海马神经元中，这些马达定位于TGN，其中KIF13A专门在树突特异性运输中发挥作用，而KIF13B促进树突特异性和轴突特异性运输。

促进颗粒锚定、停靠和融合的蛋白质

鉴于BDNF在神经元功能中的作用，已有更多工作致力于鉴定促进BDNF包含分泌颗粒胞吐的蛋白质。这些蛋白质包括Rab3a-Rim1、CAPS2、突触结合蛋白和SNARE复合体蛋白。

Ras相关结合(Rab)蛋白是最大的小GTP酶家族，在人类基因组中有超过60种已鉴定的蛋白质亚型。许多这些蛋白质通过与其囊泡膜的结合和效应蛋白（如rab相互作用分子(RIM)）的招募来调节囊泡融合和胞吐。Rab3s是大脑中主要的Rab蛋白，包括Rab3A、Rab3B、Rab3C和Rab3D。Rab3A、Rab3B和Rab3C促进BDNF包含颗粒与质膜的融合。与此一致，研究发现神经元中所有Rab3基因的失活导致分泌颗粒融合的消除，而在重新表达Rab3a后融合得以恢复，表明Rab3a在融合过程中的关键作用。类似地，在缺乏Rim1的神经元中检测不到致密核心囊泡(DCV)的胞吐，但在表达全长RIM1和包含Rab3结合域的短N端RIM1片段后得以恢复。

CAPS2是与包含BDNF的分泌颗粒相关的CAPS蛋白家族成员，在其胞吐中发挥作用。在结构上，CAPS2包含一个动力蛋白1相互作用域，表明它可能协调马达复合物的招募，以及Munc13-1同源域，该域与囊泡启动(priming)有关。小鼠中CAPS2的基因破坏导致BDNF分泌减少和突触可塑性缺陷。先前研究表明，CAPS2基因敲除小鼠BDNF分泌受损，表达缺乏与动力蛋白1结合区域的可变剪接CAPS2变体的小鼠也表现出BDNF分泌改变。这些数据表明CAPS2作为