第五回 BDNF研究的未来展望
阐明BDNF-从基础到临床-
藤田医科大学 研究推进总部 小清水久嗣
◆前言
通过本系列至今为止的四回连载，我们了解到脑源性神经营养因子（BDNF）在中枢神经系统的正常发育和功能表现方面发挥着重要的作用，同时还可能与精神分裂症、自闭症等精神疾病的发病机制有关。自从40年前Barde和Thonen在报告中称成功分离出了BDNF以来1），与BDNF相关的论文至今已出版了28,800份以上（2022年4月PubMed数据）。这一数据也直观地体现了BDNF的重要性。
然而，在大家所谓的顶级期刊上刊登的相关论文数却呈现出逐年下降的趋势。这是否意味着BDNF的基本功能和机制已经大致上被阐明，围绕BDNF不再有重大谜团？BDNF的研究今后将走向何方？本文作为系列连载的最后一期，将选取热点话题和研究课题中的代表性内容，对今后BDNF研究的未来展望进行阐述。
◆前体和前肽
正如第一回连载中提及的，所谓的BDNF指的是BDNF成熟体（matureBDNF）。mRNA翻译后的直接BDNF蛋白产物被称为前体BDNF的前体（pre-proBDNF），其N端带有信号序列。pre-proBDNF插入到粗面内质网内腔后，其信号序列被切除，从而生成前体BDNF（proBDNF）2）。然而包括proBDNF 在内的神经营养因子前体，长期以来一直都被认为是能够表现出全部生理活性的成熟蛋白的半成品，关于其功能的详细了解直到进入本世纪才有了进展。美国康奈尔大学的Hempstead等首次在神经生长因子NGF中发现，前体具有不同于成熟体的独特特性和生物活性3）。
神经营养因子正如其名，它能够促进神经细胞的生存以及轴突的生长。但NGF前体能够以NGF成熟体约5倍的亲和力与神经营养因子的受体p75NTR结合，除了诱导依赖p75NTR的细胞程序性死亡（细胞凋亡）之外，对颈上神经节神经元的神经突生长也起到了抑制作用3）。另外，已知BNDF成熟体对于海马区的某种突触传递的长时程增强（LTP）的形成也是必不可少的4），但美国国立卫生研究所（NIH）的Lu等（当时）发现，BDNF前体却能够依赖p75NTR在海马区中诱导突触传递的长时程抑制（LTD）5）。
不仅如此， BDNF成熟体能够提高海马区神经元的棘密度，但作者的研究表明BDNF前体会降低该密度6）。神经营养因子的前体和成熟体是同一基因的产物，但却有着完全相反的生物活性，这样的特性被比喻为双重人格的代名词“杰基尔和海德”7），又或是东方文化中的“阴阳（Ying-Yang）”8）。不难想象，如果BDNF成熟体与其前体的生成之间失去平衡，会对大脑的功能会造成巨大影响。Hempstead等的团队和Kojima等的团队分别独立构建了表达BDNF前体且带有蛋白酶抗性的基因敲入小鼠9，10），这种小鼠表达BDNF前体但不生成BDNF成熟体。
在第二回中我们也介绍过，许多 BDNF 敲除小鼠的纯合子个体在出生后几天内因心脏发生缺陷和心肌内出血而死亡11），而BDNF前体敲入小鼠中却没有发现有心脏问题的个体，甚至纯合子个体也能够存活下来并成长为成体10）。但在该小鼠的杂合子个体中发现了海马区神经元中树突的形状异常、棘密度的降低以及电生理特性的异常（LTP的抑制和LTD的提高）9）。除此之外，在行为表型方面观察到与精神疾病相关的异常，如筑巢行为异常，接受社会性隔离的个体抑郁样行为亢进等10）。
根据这些发现表明，BDNF成熟体与其前体生产平衡的异常可能参与了精神疾病的发病机制。现在，研究认为前体在细胞内（分泌小泡或反面高尔基网）被蛋白酶furin或prohormone convertase（PC）切断2，12），又或是在细胞外被matrix metalloproteinase（MMP）或依赖于神经活动的tPA/plasmin切断13-15），从而生成成熟体。此时，被切出来的N端的一半就是BDNF前肽（pro-peptide）。前肽比起前体受到的关注要更少。正如第一回连载中所介绍的，成熟体是有着β折叠构造（β发夹体）的稳定二级结构，而与之相对的，前肽区域大半部分都被随机线圈结构占据，因此推测它不具有稳定的结构6）。Kojima等发现BDNF前肽的单体在海马区有p75NTR依赖性LTD诱导活性16）。
BDNF成熟体在海马区的低频刺激下表现出了抑制LTD诱导的效果，但在BDNF前肽存在的状态下，BDNF成熟体引发的效果就会被取消，LTD的诱导被增强16）。这可能是由于BDNF前肽与BDNF成熟体有着高亲和力的特异性结合17）所导致的结果。换句话说，可能前肽不仅仅在单体状态下拥有活性，还能够通过与BDNF成熟体的相互作用来调整其的功能表达。此外，尽管前肽和前体在功能上可能相互竞争，但其调节机制的存在及其生物学意义现阶段是完全未知的。
◆BDNF与心理遗传学 -大规模 GWAS所揭示的内容-
在第三回连载中提到的rs6265 （Val66Met）作为人BDNF基因的单核苷酸多态性（SNP）之一，因其频率之高和在高级脑功能中的表型（例如情景记忆性能下降）引起了研究者们极大的兴趣18）。众所周知，精神分裂症和双相情感障碍具有高达80%的遗传率，这些精神疾病与BDNF及其相关分子的遗传变异之间的关联（发病率和药物适应性等）也在被积极地研究中。
正如第三回连载中所介绍的，有相当多的报告表明存在显着相关性，但其中的大多数都只是以单一或者少数的民族/人种为对象取得的结果，因此也有着样本规模通常较小的局限性（limitation）。那么，调查更大规模的样本的结果又如何呢？国际财团Psychiatric Genomics Consortium（PGC）以精神分裂症和躁郁症等精神疾病为目标，进行了世界级规模的全基因组关联研究（Genome Wide Association Study；GWAS）的荟萃分析19）。其样品规模巨大，SNP荟萃分析的数据量甚至达到了数十万人份。
在SNP的GWAS中，p 值小于5.0×10-8被视为全基因组显著性水平，但BDNF与其受体的基因结构上不包含满足该显著性水平的基因座。举例来说，有报告称BDNF rs6265（Val66Met）与精神分裂症相关的p 值为7.95×10–5，并没有达到全基因组显著性水平，优势比为1.052，即只有5%的差距20，21）。
然而，即使是达到全基因组显著水平的上百个风险基因座，其总的效果量也仍然很小。越来越多的数据表明，能用于诊断的SNP并不存在的可能性非常高22）。除了一部分例外，可以认为是多因素效果的共同作用才导致了这类精神疾病的发生。当然，我们也不能否认BDNF信号在这之中参与生化、生理学功能的可能性。另外，不可否认的是，在转染了BDNF或相关分子遗传变异体的小鼠中观察到的表型可能与人类的某些病理状况相同。
◆BDNF及相关分子与药物发现
正如至今为止所说明的，BDNF是一种在各种细胞以及组织中具有广泛关键功能的分子，有许多资料表明它参与了精神疾病及其他各种疾病的发病机制。因此，BDNF与其相关分子作为治疗的目标分子和诊断的候补生物标志物引起了广泛的关注。
在第四回连载的说明中，BDNF/TrkB信号有时也会成为细胞癌变、促进癌细胞的侵袭和转移的原因。在各种癌症中发现了神经营养因子受体Trk基因（NTRK）通过染色体转座与完全不同的基因（ETV6、LMNA、TPM3等）融合产生的异常基因“NTRK融合基因”23），由同一基因生物合成的NTRK融合蛋白被认为能够促进癌细胞的增殖，目前正在积极开发抑制该分子酪氨酸激酶活性的药物，靶向治疗表达此融合蛋白的癌症23）。它们通过抑制NTRK融合蛋白质的磷酸化和下游信号传导来抑制肿瘤的增生。目前罗氏公司生产的恩曲替尼（产品名：Rozlytrek）和拜耳医药生产的拉罗替尼（产品名：Vitrakvi）已经上市并用于癌症治疗24，25）。
在精神和神经系统疾病方面，欧美和中国等世界各国也在进行以BDNF为重点的临床研究。就像第四回连载中所介绍的以AMPA型谷氨酸受体为直接靶点的AMPAkine一样，通过刺激其他分子间接地增加BDNF的生成量，根据BDNF的生理活性，尝试开发以治疗疾病为目标的药剂（由于AMPAkine中的Org 24448引起了不良反应，现已停止临床试验（NCT00113022））。另外，有研究将血清BDNF浓度作为评估药剂（如抗抑郁药等）和刺激（如运动和营养等）的效果的指示数据，尝试使用Val66Met（rs6265）SNP等BDNF的基因变体对各种治疗效果的敏感性进行评估的研究也有很多。
也有研究者开始尝试直接对BDNF本身进行操作。美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究团队正在开展针对早期阿尔茨海默病（eAD）和轻度认知障碍（MCI）基因治疗的P1临床试验（NCT05040217）。这是一次雄心勃勃的尝试，在术中核磁共振成像辅助下，用腺相关病毒（AAV）载体将BDNF基因导入患者大脑的内嗅皮质和海马区，利用表达的BDNF蛋白质抑制神经性细胞凋亡、促进突触的再生，从而阻止eAD和MCI的进展。目前该项目仍正在推进中，其成功与否备受瞩目。
◆结语
正如本文开头所指出的，在所谓的顶级期刊上刊登的有关BDNF的论文数量在呈现逐年下降的趋势。然而，每年发表的与BDNF相关的论文总数仍在持续增加（2001年：391份→2011年：1,365份→2021年：2,512份）。这表明关于BDNF的功能及其机制已经在一定程度上得到了很好的理解，正在评估和应用于各种系统。
关于BDNF的基本性质，除了上文提到的前肽的功能之外，在本文没有提及的根源性问题上仍然还有许多尚未解开的谜团，如BDNF在外周组织中的功能、参与BDNF的调控性/结构性分泌的分子机器的实体研究等等。
在精神以及神经疾病的临床研究中，间接地使BDNF表达上升的方法是目前研究的主流，直接控制BDNF本身的尝试才刚刚开始。其中一个主要原因可能是BDNF在不同细胞和不同时间具有不同的活动，因此难以控制其在特定的部位和时间点上产生特定的效果。通过应用强大的新技术，如光遗传学、基因组编辑和各种输送介质，使时间和空间的精确控制成为可能，以BDNF及其相关分子为直接靶标，开发精神、神经疾病的治疗和预防方法有望取得进展。
BDNF是一个拥有历史但人们又知之甚少的分子，尽管BDNF的基础研究至今还留有许多谜团，但长久以来的研究成果也已经被切实地联系到了临床研究当中。今后无论是在基础还是在临床研究中，相信会有更多令人惊叹的成果出现，并成为大众的福音。
◆致谢
在此向日本神经营养因子研究的先驱——原大阪大学蛋白质研究所 畠中宽26，27）教授表示由衷的敬意以及感谢。
◆参考文献
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