膠質(zhì)纖維酸性蛋白-膠質(zhì)細胞特異性標記物
日期：2023-11-28 08:35:00
膠質(zhì)纖維酸性蛋白(Glial fibrillary acidic protein, GFAP)屬于III類中間絲(intermediate filament, IFs)，特異性表達于中樞神經(jīng)系統(tǒng)星形膠質(zhì)細胞(central nervous system astrocytes, AS)的細胞質(zhì)中。作為一種星形膠質(zhì)細胞特異性標記物。它與微管、微絲共同構(gòu)成大多數(shù)真核細胞的細胞骨架，為其他細胞或細胞外基質(zhì)接觸的質(zhì)膜提供機械支持，維持星形膠質(zhì)細胞形態(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。此外，GFAP還參與細胞的遷移、運動和有絲分裂。
圖1. 星形膠質(zhì)細胞
1. GFAP的發(fā)現(xiàn)歷史
最早在多發(fā)性硬化癥（MS）患者的大腦中發(fā)現(xiàn)了膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）[1]。1969年首次提出了GFAP的氨基酸（AA）組成 [2]。在1984年，首次克隆了小鼠GFAP基因，這是GFAP分子生物學(xué)研究的起點。在1989年，人類GFAP基因被克隆 [3]。
2. GFAP的組織特異性
膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）是第三類中間絲，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的星形膠質(zhì)細胞、外周神經(jīng)系統(tǒng)的非髓鞘雪旺細胞以及成熟的腸膠質(zhì)細胞（EGCs）中存在 [4]。此外，GFAP還在軟骨細胞、成纖維細胞、肌上皮細胞、淋巴細胞和肝星形膠質(zhì)細胞中表達。
然而，一些研究表明，外周系統(tǒng)表達的GFAP可能在結(jié)構(gòu)上與中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達的GFAP有所不同。
3. GFAP基因
人類GFAP基因位于17q21染色體上，包含8個內(nèi)含子和9個外顯子，以及2個選擇性內(nèi)含子DNA和4個選擇性外顯子DNA，以促進形成大小約為10 kb的DNA片段，由它產(chǎn)生的成熟mRNA大小約為3 kb。
人類GFAP基因與小鼠和大鼠的基因編碼區(qū)高度同源 [5]。
GFAP基因具有選擇性剪接 [6]，導(dǎo)致產(chǎn)生編碼不同亞型蛋白的多個轉(zhuǎn)錄變體。
已知在小鼠和人類的神經(jīng)系統(tǒng)中表達了十個GFAP剪接異構(gòu)體。在小鼠大腦中表達的異構(gòu)體包括GFAPα、β、γ、δ、ζ、κ和?外顯子7，而在人類大腦中表達的異構(gòu)體包括GFAPα、β、δ、ζ、κ、?135、?164、?外顯子6和?外顯子7 [7]。最豐富的亞型是GFAPα。
圖2. GFAP基因的結(jié)構(gòu)
4. GFAP蛋白
GFAP是一種酸性蛋白，由432個氨基酸組成，相對分子量為5052KD，等電點為5.7-5.8。
GFAP是AS的重要骨架蛋白。星形膠質(zhì)細胞的細胞骨架是由大量GFAP單體聚合形成的。
GFAP單體聚合形成聚合物，成為細胞中間絲（IFs）的一個組成部分。IFs屬于III型IFs超家族，與波形蛋白、肌動蛋白和周蛋白等相同，在它們之間有70%以上的同源性。
所有類型的IFs蛋白都包含三個主要結(jié)構(gòu)域：氨基端、中心螺旋棒和羧基端尾域。
IF蛋白的棒狀域（310 - 350個氨基酸殘基）高度保守，而頭域和尾域的大小和氨基酸序列在不同物種之間高度多態(tài)。
GFAP的不同結(jié)構(gòu)域以不同方式參與了IFs的形成。
GFAP蛋白通過棒狀域形成二聚體和四聚體。
至于III型IF蛋白的尾域，目前認為它可以在體外穩(wěn)定原絲亞單元的相互作用，控制絲的寬度，從而在體內(nèi)形成適當?shù)腎F網(wǎng)絡(luò)。
5. GFAP的表達調(diào)控
GFAP的表達受多種因素影響（如腦損傷和疾病），并在晝夜周期內(nèi)波動。GFAP基因表達受到GFAP啟動子的調(diào)控。基礎(chǔ)啟動子對于正確的轉(zhuǎn)錄至關(guān)重要，啟動子上的其他元素確定了表達的特異性。TATA-box是堿基啟動子的一個重要元件，是與一般轉(zhuǎn)錄因子IID (TFIID)結(jié)合所必需的。
GFAP也受到多種翻譯后修飾的影響，包括磷酸化和去磷酸化。這些修飾對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有重要影響。
在GFAP頭區(qū)的特定氨基酸殘基的磷酸化和去磷酸化參與了GFAP組裝的調(diào)控，這對GFAP在細胞周期中的重分布很重要。這些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脲基化也影響了GFAP的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
GFAP基因的表達和修飾影響星形膠質(zhì)細胞的功能：GFAP基因的初始激活表明星形膠質(zhì)細胞的分化，其上調(diào)通常伴隨著對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的反應(yīng)。
6. GFAP的功能
星形膠質(zhì)細胞是大腦中最豐富的細胞類型。它們?yōu)樯窠?jīng)元提供結(jié)構(gòu)和功能支持（包括神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和營養(yǎng)因子的釋放），在神經(jīng)生理活動、神經(jīng)組織再生和免疫以及各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生中發(fā)揮重要作用。
膠質(zhì)纖維酸性蛋白在星形膠質(zhì)細胞中充當主要的細胞骨架蛋白。GFAP形成細胞核與細胞膜之間的連接，參與細胞內(nèi)的細胞骨架重組、細胞粘附、維持腦部髓鞘的形成和神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，以及參與細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 [8] [9]，還參與細胞遷移、運動和有絲分裂。膠質(zhì)纖維酸性蛋白可以維持星形膠質(zhì)細胞的穩(wěn)定形態(tài)，參與血腦屏障的形成和調(diào)節(jié)突觸功能。
GFAP的具體功能如下：
6.1 遷移和運動
GFAP參與細胞運動和遷移，但其對不同星形膠質(zhì)亞型的正常生理或病理功能的貢獻尚不清楚。轉(zhuǎn)染膠質(zhì)瘤細胞系U1242 MG和U251 MG的載體系統(tǒng)，誘導(dǎo)GFAP表達，表明GFAP在細胞運動中發(fā)揮作用。研究表明，強制表達GFAP會抑制細胞運動。
在與亞歷山大病相關(guān)的突變GFAP的研究中，關(guān)于GFAP在運動中的作用有更多的證據(jù)。與轉(zhuǎn)染了野生型GFAPα或在GFAP尾域發(fā)生突變的突變GFAPα的細胞相比，轉(zhuǎn)染了GFAP桿狀域中兩個突變GFAP（V87G和R88C）的突變膠質(zhì)瘤細胞表現(xiàn)出了增強的運動能力。
6.2 增殖
許多研究表明，GFAP表達的改變會改變星形膠質(zhì)細胞的增殖能力或其他轉(zhuǎn)化特征。GFAP表達水平與增殖水平呈負相關(guān)[10]。與野生型小鼠相比，來自GFAP-/-小鼠的初級星形膠質(zhì)細胞的增殖增強。
6.3 囊泡運輸和自噬
星形膠質(zhì)細胞釋放多種膠質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)體，包括經(jīng)典轉(zhuǎn)導(dǎo)體、肽類、趨化因子和細胞因子。
胞外排泄是星形膠質(zhì)細胞將物質(zhì)從囊泡釋放出來的方式之一。在這個過程中，囊泡沿著細胞骨架被運輸?shù)劫|(zhì)膜并與質(zhì)膜融合。
細胞骨架的普遍解聚會影響星形膠質(zhì)細胞中囊泡的定向遷移。細胞骨架的破壞會降低囊泡的線性長度，減少囊泡的流動性。
6.4 星形膠質(zhì)細胞與神經(jīng)元的相互作用
星形膠質(zhì)細胞參與多種神經(jīng)元功能，包括突觸形成和可塑性、能量和氧化還原代謝，以及神經(jīng)遞質(zhì)和離子的突觸穩(wěn)態(tài)。
圖3. 星形膠質(zhì)細胞的功能
6.5 血腦屏障與髓鞘生成
血腦屏障（BBB）由毛細血管內(nèi)皮細胞形成，并被基底層和血管周圍的星形膠質(zhì)細胞所包圍。
在小鼠模型中，突變小鼠的BBB包含少數(shù)星形膠質(zhì)細胞的單層，與野生型小鼠相比其滲透性更高。GFAP-/-小鼠還顯示出中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘生成延遲，年齡較大的小鼠白質(zhì)損失以及腦積水。
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，它控制細胞分化并調(diào)節(jié)細胞周期。信號圖如下所示：
圖4. Jak-STAT信號通路
8. GFAP與疾病之間的關(guān)系
星形膠質(zhì)細胞參與了多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括外傷、缺血以及神經(jīng)退行性疾病。
GFAP的mRNA和蛋白水平在多種疾病中升高。這些疾病主要包括：阿爾茨海默病、瘋牛病和克雅氏病。在包括腦血管事故、刺傷和其他損傷以及實驗性過敏性腦脊髓炎等中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中，GFAP的表達也會增加。
8.1 阿爾茨海默病
星形膠質(zhì)細胞疾病是阿爾茨海默病（AD）的顯著神經(jīng)病理學(xué)變化，AD病理的嚴重程度與反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞的密度以及組織和腦脊液中GFAP表達的強烈上調(diào)相關(guān)。
阿爾茨海默患者的海馬區(qū)受星形膠質(zhì)細胞疾病的影響比其他老年腦部的海馬區(qū)更嚴重。GFAP mRNA水平與AD患者額葉皮層中神經(jīng)元斑塊的密度之間存在強烈相關(guān)性。
8.2 抑郁癥
星形膠質(zhì)細胞在建立和維護血腦屏障方面發(fā)揮重要作用。它們可以控制可溶性分子和有害物質(zhì)的運動，調(diào)節(jié)腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能，并促進成年后的神經(jīng)發(fā)生。因此，星形膠質(zhì)細胞的功能障礙可能會影響抑郁癥的病理過程。
研究發(fā)現(xiàn)，在精神分裂癥、雙相情感障礙和抑郁癥中，GFAP的表達較低。GFAP在抑郁癥發(fā)作期間參與了多種神經(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)。GFAP基因突變導(dǎo)致GFAP組裝的變化，導(dǎo)致GFAP的積累和細胞內(nèi)的病理性沉積。
亞歷山大病屬于中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，是一種遺傳病。
該疾病特點是嬰兒期逐漸出現(xiàn)的肌無力，伴有逐漸發(fā)展的痙攣和精神障礙。
Messing等人提出了靶向治療方法，可以防止GFAP聚集和病理性沉積，提高GFAP的蛋白酶體清除速率。
研究表明，反義寡核苷酸抑制GFAP可能為亞歷山大病的治療提供了治療策略。
圖5. 星形膠質(zhì)細胞與亞歷山大氏病
9. GFAP在診斷中的應(yīng)用
在正常情況下，GFAP會自發(fā)地在細胞內(nèi)或細胞外降解，血液中的GFAP水平相對穩(wěn)定。在病理情況下，當患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)受傷、星形膠質(zhì)細胞受損或死亡時，GFAP聚合物會分解并分解，從受傷的星形膠質(zhì)細胞泄漏到周圍的細胞間隙，并通過血腦屏障進入血液，從而提高血液中的GFAP水平。
因此，GFAP的體液水平是評估星形膠質(zhì)細胞增生和激活的重要手段，間接反映了神經(jīng)損傷的程度。
9.1 腦外傷
在腦外傷后，星形膠質(zhì)細胞經(jīng)常出現(xiàn)增生，這是由變性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起的神經(jīng)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膠質(zhì)細胞標記蛋白 [14]。與NSE和S100β蛋白相比，GFAP在出血性腦外傷患者的血清中具有更早的高峰時間，更強的特異性和更高的敏感性 [15]。
9.2 腦卒中
早期、快速、準確地診斷腦卒中對于其治療和預(yù)后具有積極的影響。
GFAP已被廣泛研究作為反映腦損傷的新型標志物。急性缺血性卒中患者的血漿GFAP水平升高。血漿GFAP水平在急性缺血性卒中患者中增加。血漿GFAP水平的測量可以反映急性缺血性卒中患者中中樞神經(jīng)細胞的損傷和死亡。GFAP水平與腦梗死區(qū)域相關(guān) [16]。
GFAP重組蛋白
Recombinant Human Glial fibrillary acidic protein(GFAP) （CSB-EP009369HU）
Recombinant Mouse Glial fibrillary acidic protein(Gfap) （CSB-EP009369MOb1）
Recombinant Rat Glial fibrillary acidic protein(Gfap) （CSB-EP009369RAa0）
GFAP ELISA kit
Human glial fibrillary acidic protein,GFAP ELISA Kit （CSB-E08601h）
Mouse glial fibrillary acidic protein,GFAP ELISA Kit （CSB-E08603m）
Rat glial fibrillary acidic protein,GFAP ELISA Kit （CSB-E08602r）
Pig glial fibrillary acidic protein,GFAP ELISA Kit （CSB-E14950p）
參考文獻：
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