引用本文: 黃發新, 劉磊, 王建堯, 徐金永. 神經生長相關蛋白-43基因及其蛋白在先天性巨結腸腸組織中的表達. 中國普外基礎與臨床雜志, 2015, 22(3): 339-342. doi: 10.7507/1007-9424.20150090 復制
先天性巨結腸癥(hirschsprung disease,HD)又稱無神經節細胞癥,是小兒外科常見的消化道畸形,其患病率在先天性消化道畸形疾病中位居第二位,約為0.5‰,男女比約為4∶1,以男性多見[1]。其臨床表現為患兒生后不排胎便或排胎便時間推遲,出生后2~3 d內出現部分甚至完全性腸梗阻,若延誤治療將會導致嬰兒死亡[2]。HD是腸神經系統(enteric nervous system,ENS)發育缺陷的典型例子。目前發現多種蛋白在HD腸組織中的表達異常,如HAND2蛋白(為堿性螺旋-環-螺旋轉錄因子家族的一員)[3]、HuD蛋白[4]、酪氨酸激酶受體(RET)[5]、突觸前跨膜蛋白、突觸后跨膜蛋白[6]等。這些蛋白參與了ENS的分化、發育及其突觸形成。神經生長相關蛋白-43(GAP-43)的功能與突觸前跨膜蛋白相似,是突觸前末端生長相關蛋白。其與神經系統的發育、突觸的形成、神經的可塑性及神經的再生均密切相關,是神經生長的標志性蛋白,被證實廣泛存在于哺乳動物中樞神經系統中[7]。目前,該蛋白在HD腸組織中的表達情況國外已有研究,而國內鮮見詳細報道。為此,本實驗以HD的“突觸異常”及“神經遷移異常”為研究基礎,采用免疫組化染色方法及逆轉錄聚合酶鏈式擴增反應(RT-PCR)技術研究了GAP-43蛋白在HD不同部位腸組織中的表達情況,以探索GAP-43蛋白在HD發病中的作用。
1 資料和方法
1.1 研究對象
收集2012年1月至2013年6月期間于深圳市兒童醫院行巨結腸根治術的30例患兒的腸組織標本。患兒年齡為1個月~5歲,平均1.5歲;男15例,女15例。全部病例均符合臨床診斷標準,術前均未接受任何口服藥物或手術治療,術后均經病理學檢查確診為HD。術中無菌留取切除的狹窄段腸組織、擴張段近端的腸組織及正常腸組織,放入經焦碳酸二乙酯(DEPC)水處理后再高壓消毒的Epeendorf管中,液氮中速凍后置入-76 ℃冰箱中保存備用。以痙攣段的、無神經節細胞的腸組織為痙攣組,以同一病例近端擴張的、有神經節細胞的腸組織為擴張組。痙攣組標本經病理學檢查證實無神經節細胞,擴張組標本經病理學檢查證實有神經節細胞。30例患兒家長均愿意參加本研究并簽署了知情同意書。
1.2 主要試劑和設備
小鼠抗人GAP-43多克隆抗體(武漢三鷹生物技術有限公司),即用型快捷免疫組化MaxvisionTM檢測試劑盒、蘇木精體細胞快速染色液及乙二胺四乙酸(EDTA)抗原修復緩沖液(福建邁新生物公司),RNAqueous?Kit試劑盒(深圳市賽泰克生物科技有限公司),RevertAid H Minus First St逆轉錄試劑盒(深圳研順生物科技有限公司),SYBR Premix Ex TaqTM試劑盒(大連寶生物公司)。多聚賴氨酸玻片為福建邁新生物公司產品,Axio Lab Al生物顯微鏡為廣州市千江企業有限公司產品,羅氏LightCycler 480Ⅱ熒光定量PCR儀為瑞士優利泰德(北京)科技有限公司產品,Smartspec 3000紫外分光光度計為上海元析儀器有限公司產品,Image-Pro Plus 6.0高清晰度彩色醫學圖文系統為美國MediaCybernetics公司產品。
1.3 方法
1.3.1 RT-PCR法檢測GAP-43 mRNA的表達
①總RNA提取與定量:腸組織總RNA的提取按照RNAqueous?Kit試劑盒說明書進行。采用紫外分光光度計測定RNA的吸光度值(A值),結果A260/A280均介于1.7和2.0之間,符合實驗要求。②逆轉錄及擴增:將提取的RNA逆轉錄合成cDNA(操作按RevertAid H Minus First St試劑盒說明書進行)。GAP-43基因引物:上游為5′-CTGACCAAGAACATGCCTGA-3′,下游為5′-GGGACTTCAGAGTGGAGCTG-3′,擴增片段長度為109 bp,由上海生工生物工程股份有限公司合成。同時以甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)基因為內參照,其引物購自上海生工生物工程股份有限公司(產品編號:PHS04),擴增長度為138 bp。取GAP-43及GAPDH的擴增產物(均為10 μL),回收純化后送交上海基康生物技術有限公司測序。將測序結果與Genebank中目的基因的mRNA序列比較,結果GAP-43和GAPDH基因的擴增產物與目的基因的mRNA序列完全一致。③熒光定量PCR:反應體系參照SYBR Premix Ex TaqTM試劑盒說明書進行;反應條件:95 ℃ 12 s,55 ℃ 12 s,72 ℃ 15 s,重復45個循環;72 ℃ 5 min終止反應。由Relative Quantification Software Ver 1.0軟件自動檢測分析,以GAP-43 mRNA和GAPDH mRNA的比值表示GAP-43 mRNA的相對表達水平。
1.3.2 免疫組化染色法檢測GAP-43蛋白的表達
取痙攣組和擴張組的腸組織標本,行4 μm厚切片,常規脫水,透明,以中性樹膠封片,行免疫組化染色(SP法,操作按試劑盒說明書進行)。同時以PBS溶液代替一抗作為陰性對照,以武漢三鷹生物技術有限公司提供的GAP-43蛋白呈陽性表達的腸組織切片作為陽性對照。于生物顯微鏡(630倍)下觀察腸組織中GAP-43蛋白的表達情況。每例標本取3個組織切面,每個組織切面隨機取5個視野,利用Image-Pro Plus 6.0高清晰度彩色醫學圖文系統細胞測量程序進行處理,以去除背景灰度,并計算得到每例標本棕黃色反應產物的平均光密度值(以5個視野光密度值的均值作為每個組織切面的數值,每例患者的平均光密度值為3個組織切面數值的均值)。
1.4 統計學方法
采用SPSS 12.0統計學軟件進行統計學分析。計量資料采用均數±標準差(
2 結果
2.1 RT-PCR檢測結果
痙攣組腸組織中GAP-43 mRNA的表達水平的中位數為0.052 8,低于擴張組的0.119 0(P<0.05),該結果表明痙攣段腸組織中GAP-43 mRNA的表達下調。
2.2 免疫組化染色的顯微鏡觀察結果
光鏡下可見,30例患兒的狹窄段腸組織和擴張段腸組織的肌間神經叢及黏膜下神經叢中GAP-43蛋白均呈陽性表達。擴張組腸組織的肌間神經叢(包括環形肌以及縱行肌,見圖 1A)和黏膜下神經叢(圖 1B)中均見縱橫連接成網絡狀的神經纖維,呈深黃色,可見神經節細胞,但神經節細胞不著色。痙攣組腸組織肌間神經叢的神經纖維增粗,失去原有的竹簍狀結構,染色較擴張組淺(圖 1C);黏膜下神經叢同樣可見神經纖維增粗紊亂,染色也較擴張組淺(圖 1D)。

2.3 平均光密度值結果
與擴張組的黏膜下神經叢和肌間神經叢比較,痙攣組相應部位的GAP-43蛋白的平均光密度值均較低(P<0.05);但同組內黏膜下神經叢和肌間神經叢中GAP-43蛋白的平均光密度值比較差異均無統計學意義(P>0.05),見圖 2。故有理由相信,GAP-43蛋白在HD腸組織痙攣段中的表達下調。

3 討論
GAP-43蛋白首先由Andreasen等[8]于1983年在牛腦組織中發現,是一種磷酸蛋白,屬于鈣調素(calmodulin,CaM)結合蛋白,分子量為43×103,由神經元胞體合成,通過快速軸流轉運到神經末梢。由于GAP-43蛋白在神經纖維的生長、發育、軸突再生、突觸功能的維持等方面均發揮著重要的作用,并參與神經遞質釋放的調節,故其被認為是神經元發育和再生的一個內在的決定因子。有實驗[9]證明,GAP-43基因敲除小鼠不能在大腦前聯合、海馬以及胼胝處形成有效的神經連接,從而導致軸突生長紊亂。GAP-43蛋白作為神經元特異性的突觸前膜蛋白,通過磷酸化-去磷酸化和棕櫚酰化-去棕櫚酰化調節軸突的生長、延伸以及突觸的可塑性,以及神經遞質的釋放[10]。由于部分精神疾病患者中該蛋白呈異常表達,故認為精神疾病可能與突觸的功能以及結構異常有關[11]。目前,在該蛋白對ENS的影響方面鮮有研究報道。HD病因相關研究表明,HD患兒ENS神經的突觸異常[12],一些軸突導向蛋白的表達也異常[13],故推測GAP-43蛋白在HD腸組織中的表達也異常。
國內杜勇等[14]通過免疫組化染色及Western blot方法檢測了不同部位腸壁中HuD蛋白的表達情況,結果發現,狹窄段和移行段的HuD蛋白表達水平均低于擴張段和正常段(P<0.01)。因HuD蛋白在中樞神經系統中能與GAP-43 mRNA結合,延長GAP-43 mRNA的半衰期,從而維系并穩定GAP-43蛋白等細胞轉錄因子的功能[15-16],故推測在HD患兒中,HuD蛋白的表達下調可能引起GAP-43蛋白等神經發育相關蛋白的表達下調。1996年,Kobayashi等[17]通過免疫組化染色方法檢測了14例ENS發育不良患者(類似于HD)的腸組織后發現,GAP-43蛋白、神經連接素及神經黏附分子的表達均下調。Saeed等[18]通過RT-PCR檢測發現,同有神經節細胞的腸組織相比較,無神經節細胞的腸組織中GAP-43 mRNA的表達下調。根據以上相關研究[14-18],筆者推測,GAP-43蛋白在HD腸組織痙攣段中的表達可能下調,故筆者檢測了HD腸組織痙攣段和擴張段中GAP-43 mRNA及其蛋白的表達情況。結果顯示,HD痙攣段腸組織中GAP-43 mRNA的表達水平低于擴張段(P<0.05);30例患兒的狹窄段腸組織和擴張段腸組織的肌間神經叢以及黏膜下神經叢中GAP-43蛋白均呈陽性表達,但擴張組腸組織的染色較痙攣組深;與擴張組的黏膜下神經叢和肌間神經叢比較,痙攣組相應部位GAP-43蛋白的平均光密度值均較低(P<0.05)。本實驗的免疫組化染色結果與Grynspan等[19]的免疫組化染色結果不完全相同,可能系人種差異所致。
GAP-43 mRNA及其蛋白在腸神經發育、再生軸突延長以及突觸形成的整個時期表達水平都上調,其能調節神經元對軸突引導信號的反應,通過引導軸突生長以及調節新連接形成而影響軸突生長能力,即使在缺乏其他營養因子的情況下也能使神經元發出新的終末[6]。故通過本實驗結果可以推斷,HD患兒的ENS除神經發育和遷移異常外,神經軸突的生長發育也存在異常,最終導致突觸異常,從而不能形成良好的神經肌肉連接,這可能是導致HD發病的因素之一。此外,Sharkey等[7]研究發現,ENS中GAP-43蛋白呈持續表達,可能是因為該蛋白與腸自主神經的形態重塑有關,也就是說ENS具備不斷重建的能力,而GAP-43蛋白與神經系統可塑性(重塑)密切相關。所謂可塑性就是指神經系統具有改變其結構與功能的能力。因此,HD患兒狹窄段腸組織中GAP-43 mRNA及其蛋白的表達下調,表明其ENS可能不能在缺乏神經節細胞的情況下產生負反饋適應性變化,故筆者的結果也從側面反映了HD患兒的ENS可能缺乏內在可塑性機制,但該蛋白與神經信號的關系以及是否存在基因突變等問題,仍有待于今后更加深入的研究。
先天性巨結腸癥(hirschsprung disease,HD)又稱無神經節細胞癥,是小兒外科常見的消化道畸形,其患病率在先天性消化道畸形疾病中位居第二位,約為0.5‰,男女比約為4∶1,以男性多見[1]。其臨床表現為患兒生后不排胎便或排胎便時間推遲,出生后2~3 d內出現部分甚至完全性腸梗阻,若延誤治療將會導致嬰兒死亡[2]。HD是腸神經系統(enteric nervous system,ENS)發育缺陷的典型例子。目前發現多種蛋白在HD腸組織中的表達異常,如HAND2蛋白(為堿性螺旋-環-螺旋轉錄因子家族的一員)[3]、HuD蛋白[4]、酪氨酸激酶受體(RET)[5]、突觸前跨膜蛋白、突觸后跨膜蛋白[6]等。這些蛋白參與了ENS的分化、發育及其突觸形成。神經生長相關蛋白-43(GAP-43)的功能與突觸前跨膜蛋白相似,是突觸前末端生長相關蛋白。其與神經系統的發育、突觸的形成、神經的可塑性及神經的再生均密切相關,是神經生長的標志性蛋白,被證實廣泛存在于哺乳動物中樞神經系統中[7]。目前,該蛋白在HD腸組織中的表達情況國外已有研究,而國內鮮見詳細報道。為此,本實驗以HD的“突觸異常”及“神經遷移異常”為研究基礎,采用免疫組化染色方法及逆轉錄聚合酶鏈式擴增反應(RT-PCR)技術研究了GAP-43蛋白在HD不同部位腸組織中的表達情況,以探索GAP-43蛋白在HD發病中的作用。
1 資料和方法
1.1 研究對象
收集2012年1月至2013年6月期間于深圳市兒童醫院行巨結腸根治術的30例患兒的腸組織標本。患兒年齡為1個月~5歲,平均1.5歲;男15例,女15例。全部病例均符合臨床診斷標準,術前均未接受任何口服藥物或手術治療,術后均經病理學檢查確診為HD。術中無菌留取切除的狹窄段腸組織、擴張段近端的腸組織及正常腸組織,放入經焦碳酸二乙酯(DEPC)水處理后再高壓消毒的Epeendorf管中,液氮中速凍后置入-76 ℃冰箱中保存備用。以痙攣段的、無神經節細胞的腸組織為痙攣組,以同一病例近端擴張的、有神經節細胞的腸組織為擴張組。痙攣組標本經病理學檢查證實無神經節細胞,擴張組標本經病理學檢查證實有神經節細胞。30例患兒家長均愿意參加本研究并簽署了知情同意書。
1.2 主要試劑和設備
小鼠抗人GAP-43多克隆抗體(武漢三鷹生物技術有限公司),即用型快捷免疫組化MaxvisionTM檢測試劑盒、蘇木精體細胞快速染色液及乙二胺四乙酸(EDTA)抗原修復緩沖液(福建邁新生物公司),RNAqueous?Kit試劑盒(深圳市賽泰克生物科技有限公司),RevertAid H Minus First St逆轉錄試劑盒(深圳研順生物科技有限公司),SYBR Premix Ex TaqTM試劑盒(大連寶生物公司)。多聚賴氨酸玻片為福建邁新生物公司產品,Axio Lab Al生物顯微鏡為廣州市千江企業有限公司產品,羅氏LightCycler 480Ⅱ熒光定量PCR儀為瑞士優利泰德(北京)科技有限公司產品,Smartspec 3000紫外分光光度計為上海元析儀器有限公司產品,Image-Pro Plus 6.0高清晰度彩色醫學圖文系統為美國MediaCybernetics公司產品。
1.3 方法
1.3.1 RT-PCR法檢測GAP-43 mRNA的表達
①總RNA提取與定量:腸組織總RNA的提取按照RNAqueous?Kit試劑盒說明書進行。采用紫外分光光度計測定RNA的吸光度值(A值),結果A260/A280均介于1.7和2.0之間,符合實驗要求。②逆轉錄及擴增:將提取的RNA逆轉錄合成cDNA(操作按RevertAid H Minus First St試劑盒說明書進行)。GAP-43基因引物:上游為5′-CTGACCAAGAACATGCCTGA-3′,下游為5′-GGGACTTCAGAGTGGAGCTG-3′,擴增片段長度為109 bp,由上海生工生物工程股份有限公司合成。同時以甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)基因為內參照,其引物購自上海生工生物工程股份有限公司(產品編號:PHS04),擴增長度為138 bp。取GAP-43及GAPDH的擴增產物(均為10 μL),回收純化后送交上海基康生物技術有限公司測序。將測序結果與Genebank中目的基因的mRNA序列比較,結果GAP-43和GAPDH基因的擴增產物與目的基因的mRNA序列完全一致。③熒光定量PCR:反應體系參照SYBR Premix Ex TaqTM試劑盒說明書進行;反應條件:95 ℃ 12 s,55 ℃ 12 s,72 ℃ 15 s,重復45個循環;72 ℃ 5 min終止反應。由Relative Quantification Software Ver 1.0軟件自動檢測分析,以GAP-43 mRNA和GAPDH mRNA的比值表示GAP-43 mRNA的相對表達水平。
1.3.2 免疫組化染色法檢測GAP-43蛋白的表達
取痙攣組和擴張組的腸組織標本,行4 μm厚切片,常規脫水,透明,以中性樹膠封片,行免疫組化染色(SP法,操作按試劑盒說明書進行)。同時以PBS溶液代替一抗作為陰性對照,以武漢三鷹生物技術有限公司提供的GAP-43蛋白呈陽性表達的腸組織切片作為陽性對照。于生物顯微鏡(630倍)下觀察腸組織中GAP-43蛋白的表達情況。每例標本取3個組織切面,每個組織切面隨機取5個視野,利用Image-Pro Plus 6.0高清晰度彩色醫學圖文系統細胞測量程序進行處理,以去除背景灰度,并計算得到每例標本棕黃色反應產物的平均光密度值(以5個視野光密度值的均值作為每個組織切面的數值,每例患者的平均光密度值為3個組織切面數值的均值)。
1.4 統計學方法
采用SPSS 12.0統計學軟件進行統計學分析。計量資料采用均數±標準差(
2 結果
2.1 RT-PCR檢測結果
痙攣組腸組織中GAP-43 mRNA的表達水平的中位數為0.052 8,低于擴張組的0.119 0(P<0.05),該結果表明痙攣段腸組織中GAP-43 mRNA的表達下調。
2.2 免疫組化染色的顯微鏡觀察結果
光鏡下可見,30例患兒的狹窄段腸組織和擴張段腸組織的肌間神經叢及黏膜下神經叢中GAP-43蛋白均呈陽性表達。擴張組腸組織的肌間神經叢(包括環形肌以及縱行肌,見圖 1A)和黏膜下神經叢(圖 1B)中均見縱橫連接成網絡狀的神經纖維,呈深黃色,可見神經節細胞,但神經節細胞不著色。痙攣組腸組織肌間神經叢的神經纖維增粗,失去原有的竹簍狀結構,染色較擴張組淺(圖 1C);黏膜下神經叢同樣可見神經纖維增粗紊亂,染色也較擴張組淺(圖 1D)。

2.3 平均光密度值結果
與擴張組的黏膜下神經叢和肌間神經叢比較,痙攣組相應部位的GAP-43蛋白的平均光密度值均較低(P<0.05);但同組內黏膜下神經叢和肌間神經叢中GAP-43蛋白的平均光密度值比較差異均無統計學意義(P>0.05),見圖 2。故有理由相信,GAP-43蛋白在HD腸組織痙攣段中的表達下調。

3 討論
GAP-43蛋白首先由Andreasen等[8]于1983年在牛腦組織中發現,是一種磷酸蛋白,屬于鈣調素(calmodulin,CaM)結合蛋白,分子量為43×103,由神經元胞體合成,通過快速軸流轉運到神經末梢。由于GAP-43蛋白在神經纖維的生長、發育、軸突再生、突觸功能的維持等方面均發揮著重要的作用,并參與神經遞質釋放的調節,故其被認為是神經元發育和再生的一個內在的決定因子。有實驗[9]證明,GAP-43基因敲除小鼠不能在大腦前聯合、海馬以及胼胝處形成有效的神經連接,從而導致軸突生長紊亂。GAP-43蛋白作為神經元特異性的突觸前膜蛋白,通過磷酸化-去磷酸化和棕櫚酰化-去棕櫚酰化調節軸突的生長、延伸以及突觸的可塑性,以及神經遞質的釋放[10]。由于部分精神疾病患者中該蛋白呈異常表達,故認為精神疾病可能與突觸的功能以及結構異常有關[11]。目前,在該蛋白對ENS的影響方面鮮有研究報道。HD病因相關研究表明,HD患兒ENS神經的突觸異常[12],一些軸突導向蛋白的表達也異常[13],故推測GAP-43蛋白在HD腸組織中的表達也異常。
國內杜勇等[14]通過免疫組化染色及Western blot方法檢測了不同部位腸壁中HuD蛋白的表達情況,結果發現,狹窄段和移行段的HuD蛋白表達水平均低于擴張段和正常段(P<0.01)。因HuD蛋白在中樞神經系統中能與GAP-43 mRNA結合,延長GAP-43 mRNA的半衰期,從而維系并穩定GAP-43蛋白等細胞轉錄因子的功能[15-16],故推測在HD患兒中,HuD蛋白的表達下調可能引起GAP-43蛋白等神經發育相關蛋白的表達下調。1996年,Kobayashi等[17]通過免疫組化染色方法檢測了14例ENS發育不良患者(類似于HD)的腸組織后發現,GAP-43蛋白、神經連接素及神經黏附分子的表達均下調。Saeed等[18]通過RT-PCR檢測發現,同有神經節細胞的腸組織相比較,無神經節細胞的腸組織中GAP-43 mRNA的表達下調。根據以上相關研究[14-18],筆者推測,GAP-43蛋白在HD腸組織痙攣段中的表達可能下調,故筆者檢測了HD腸組織痙攣段和擴張段中GAP-43 mRNA及其蛋白的表達情況。結果顯示,HD痙攣段腸組織中GAP-43 mRNA的表達水平低于擴張段(P<0.05);30例患兒的狹窄段腸組織和擴張段腸組織的肌間神經叢以及黏膜下神經叢中GAP-43蛋白均呈陽性表達,但擴張組腸組織的染色較痙攣組深;與擴張組的黏膜下神經叢和肌間神經叢比較,痙攣組相應部位GAP-43蛋白的平均光密度值均較低(P<0.05)。本實驗的免疫組化染色結果與Grynspan等[19]的免疫組化染色結果不完全相同,可能系人種差異所致。
GAP-43 mRNA及其蛋白在腸神經發育、再生軸突延長以及突觸形成的整個時期表達水平都上調,其能調節神經元對軸突引導信號的反應,通過引導軸突生長以及調節新連接形成而影響軸突生長能力,即使在缺乏其他營養因子的情況下也能使神經元發出新的終末[6]。故通過本實驗結果可以推斷,HD患兒的ENS除神經發育和遷移異常外,神經軸突的生長發育也存在異常,最終導致突觸異常,從而不能形成良好的神經肌肉連接,這可能是導致HD發病的因素之一。此外,Sharkey等[7]研究發現,ENS中GAP-43蛋白呈持續表達,可能是因為該蛋白與腸自主神經的形態重塑有關,也就是說ENS具備不斷重建的能力,而GAP-43蛋白與神經系統可塑性(重塑)密切相關。所謂可塑性就是指神經系統具有改變其結構與功能的能力。因此,HD患兒狹窄段腸組織中GAP-43 mRNA及其蛋白的表達下調,表明其ENS可能不能在缺乏神經節細胞的情況下產生負反饋適應性變化,故筆者的結果也從側面反映了HD患兒的ENS可能缺乏內在可塑性機制,但該蛋白與神經信號的關系以及是否存在基因突變等問題,仍有待于今后更加深入的研究。