第一回 BDNF概论

阐明BDNF-从基础到临床-

新潟大学　脑研究所肿瘤病态学　武井延之

“阐明BDNF-从基础到临床-”系列连载开始之际 金沢工业大学　生物・化学部　应用生物学科　小岛正己    1950年代，Rita Levi-Montalcini博士和Stanley Cohen博士及其研究人员开始了神经营养因子研究。继他们发现NGF（nerve growth factor） 后，Yves-Alain Barde 发现了BDNF（brain-derived neurotrophic factor）。BDNF和NGF具有高度同源性，并且还有相同的生物活性。由于 BDNF在中枢神经系统中高表达，所以关于它与记忆学习以及大脑疾病间关系的研究盛行。因此，为了更好地阐明BDNF，除了BDNF的检测技术 外，BDNF信号的分析技术也非常重要。 本系列连载会先介绍BDNF和神经营养因子的研究。关于BDNF与大脑和发育以及精神疾病间的关系，将由日本新进研究人员们对其现状和展望进行 充分地阐述，敬请期待。

 

◆前言

对BDNF研究已从最初的研究“经典”，维持神经细胞的生存和分化诱导发展为神经传递和控制突触可塑性等新机制的研究。与此同时，由于其与疾病的关系，研究人员开始将BDNF用于治疗伴随细胞死亡的神经退行性疾病，并逐渐关注治疗神经功能障碍（神经回路形成异常）的精神疾病和发育障碍的研究。图1所示为BDNF研究随时代的发展与变化，本文将主要阐述BDNF的概论。

图1：BDNF（神经营养因子）研究的历史和发展趋势

◆BDNF和受体关系

BDNF（Brain-Derived Neurotrophic Factor : 脑源性神经营养因子）是大脑中最重要的神经营养因子。神经营养因子（neurotrophic factor）是具有维持神经细胞生存、分化诱导（突触延伸和神经递质合成酶表达诱导等）、促进成熟和调节功能等作用的蛋白分子的总称，NGF（Nerve Growth Factor : 神经生长因子）的发现和鉴定的研究从Levi-Montalcini开始，但由于NGF只能在特定的神经细胞中发挥作用，所以研究人员认为应该还存在与其作用相同的分子。

1982年，Barde和Thoenen从猪脑中纯化了BDNF^1）。随后，1983年和1989年分别对NGF和BDNF克隆^2）后发现，这两个分子的同源性超过50%。利用该同源域，克隆了第三个因子NT-3，之后，NT-4被鉴定为第四个因子。NT为neurotrophic的缩写，统称为neurotrophin family。

BDNF由preproBDNF加工成matureBDNF（ 即BDNF）。BDNF由112个氨基酸残基组成，分子量为13.5 kDa，等电点为9.99，与NGF相同，具有3个S-S键。从NGF的晶体结构分析，推断BDNF具有三个扁平的β片层，并通过它们形成具有生理功能的同源二聚体。研究认为，家族之间的非保守域决定了与受体的特异性结合^3）。

从NGF结合实验的结果来看，受体有低亲和性和高亲和性2种，低亲和性受体鉴定为p75（p75NTR）。该分子与所有的neurotrophin低亲和性（Kd=10^-9）结合。它属于TNF受体家族，参与细胞凋亡，并作为与neurotrophin前体作用的受体备受关注。1991年，高亲和性（Kd＝10^-11）受体鉴定为Trk（Tropomyosin Receptor Kinase，原肌球蛋白受体激酶），最初被鉴定为在癌症中发现的trk原癌基因的基因产物，但其配体未知。

Trk有A、B、C三种，TrkA（基因名 NTRK1）是NGF的特异性受体，TrkB（NTRK2）是BDNF和NT-4的特异性受体，TrkC（NTRK3）是NT-3的特异性受体。

TrkA、TrkB、TrkC均由约800个氨基酸组成，经过糖基化成为分子量140-145 kDa的功能性分子。它是一种在细胞内具有激酶结构域的受体酪氨酸激酶。当二聚体配体结合时，Trk自身也会二聚体化，并相互磷酸化细胞的酪氨酸残基。该磷酸化酪氨酸与各种分子相结合，并通过传递细胞内信号来发挥以BDNF为首的neurotrophin生理活性^4）。细胞内的主要信号系统与受体型酪氨酸激酶相通，具有1）控制细胞凋亡和翻译的PI3K-Akt系统；2）主要通过转录调节发挥分化诱导作用的Ras-MAPK系统；3）驱动细胞内钙信号的PLCγ-Ca²⁺系统^5）。

 

◆BDNF的生理作用

BNDF研究初期主要围绕在外周神经系统中的作用，NGF是交感神经背根神经节的一部分。研究发现BDNF作用于结节神经节和部分背根神经节的感觉神经中彼此不重叠的神经细胞。针对外周神经系统的neurotrophin作用是绝对的，对于维持生存和突起延伸也是必不可少的，所以，外周神经衰竭会导致各敲除小鼠死亡。因此，神经细胞的维持生存和突起延伸作用被称为神经营养因子的“经典作用”。

随后，研究的中心转移至中枢神经系统，研究表明，NGF作用于基底神经节的乙酰胆碱活性神经细胞，BDNF作用于黑质多巴胺能神经细胞和脊髓运动神经细胞。这些作用都是经典作用，据报告还有诱导各神经递质的合成酶的表达，增加递质数量和维持生存等作用。NGF和TrkA的表达仅限于大脑内的部分细胞，但是BDNF，尤其是TrkB的表达在大脑中的大范围（几乎所有）的神经细胞中都有发现。因此，BDNF对中枢神经细胞的作用得到了更广泛的研究，此外，研究表明除了经典作用的维持生存和分化诱导以外，它还参与依赖于神经活动的神经可塑性。

神经可塑性是指通过释放递质和控制受体功能来改变传递效率以及突触重塑等，导致特定的神经回路发生强化或消除的可逆性变化。无需形态的变化，通过调节转录、翻译和分解来改变作用于突触中的分子数量（特定的分子数和分子类型）、翻译后的修饰（磷酸化等）以及位置的变化（易位）等。对于中枢神经细胞，BDNF可以诱发和增强神经递质的释放，以及增强受体的功能。此外，研究人员认为它还可以长期作用于形成和稳定神经回路。结果表明，它还参与了记忆学习等^6,7）。

 

◆BDNF的表达和释放

BDNF的表达与神经活动密切相关。使用谷氨酸刺激原代培养神经细胞会诱导 BDNF mRNA 的表达，而GABA 刺激会降低表达 ^8）。BDNF在生理条件下会在神经细胞中表达，通过兴奋性神经传递升高，抑制性神经传递降低。BDNF的表达可以诱导被认为是记忆细胞基础的长时程增强（LTP）。在个体水平中，也能在视觉皮层中观察到依赖于感觉（视觉）输入的BDNF mRNA 表达水平的变化。此外，学习训练过程引起大鼠和猴子大脑中BDNF表达上升，阐明了通过激活神经回路诱导的活动依赖性表达^9）。

不仅仅是表达调节，BDNF的释放也依赖于神经活动。在经典作用中，不仅BDNF，神经营养因子也是组成型分泌的。这是因为在维持生存中始终保持定量供给才是合理的。但是，为了引起参与神经传递的快速反应，需要调节性释放。实际上，BDNF是通过响应去极化刺激进行释放的。通过外周神经系统的NGF作用形态分析，研究人员认为BDNF的作用方式，是通过轴突投射到的靶细胞产生和分泌的，然后神经细胞向轴突方向延伸。但是，BDNF包含在突触前方的囊泡中，与递质相同会响应刺激进行释放。像这样的表达和释放机制可以支持其参与神经可塑性，由此表明，神经活动和BDNF是相互作用的。

 

◆BDNF和疾病

研究人员尝试使用神经营养因子的维持生存作用对神经退行性疾病进行治疗。虽然该作用在培养细胞和动物实验中非常有效，但是在治疗中还没有成功^10）。首先是关于分子量的问题，由于BDNF是蛋白，所以无法通过血脑屏障。虽然也有小分子激动剂的开发，但其作用还有待证实。另一方面，由于BDNF直接参与神经功能，所以如本文所述，它在功能性脑疾病的精神疾病和发育障碍中的作用备受关注。虽然由于上述的理由无法直接用于治疗，但还是有望作为生物标记物发挥作用，并开发出模拟BDNF作用的试剂。

BDNF 还具有中枢拒食作用 ¹¹⁾，并且出于某种原因，它在血小板中含量丰富，还能调节性释放。因此，有报告称它还参与肥胖、糖尿病（生活方式疾病）和心血管疾病等，阐明BDNF的非中枢性作用相关的研究还在进一步扩大^12）。

◆参考文献

1.	B arde, Y. A. et al. : EMBO. J., 1, 549 (1982).
2.	L eibrock, J. et al. : Nature, 14, 341149 (1989).
3.	Lewin, G. R. and Barde, Y. A. : Annu. Rev. Neurosci., 19, 289 (1996).
4.	武井延之：脳科学辞典（2020）．https://bsd.neuroinf.jp/wiki/高親和性ニューロトロフィン受容体，DOI：10.14931/bsd.9306（2021年6月21日閲覧）
5.	Huang, E. J. and Reichardt, L. F. : Annu. Rev. Biochem., 72, 609 (2003).
6.	Thoenen, H. : Prog. Brain. Res., 128, 183 (2000).
7.	武井延之、那波宏之：生化学，76，111（2004）.
8.	Lindholm, D. et al. : J. Neurobiol., 25, 1362 (1994).
9.	Nawa, H. and Takei, N. : Trends Neurosci., 24 (12), 683 (2001).
10.	Thoenen, H. and Sendtner, M. : Nat. Neurosci., 1046 (2002).
11.	Takei, N. et al. : Front Psychol., 5, 1093 (2014).
12.	Marosi, K. and Mattson, M. P. : Trends. Endocrinol. Metab., 25, 89 (2014).

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