膠質纖維酸性蛋白-膠質細胞特異性標記物
日期：2023-11-28 08:35:00
膠質纖維酸性蛋白(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系統星形膠質細胞(central nervous system astrocytes, AS)的細胞質中。作為一種星形膠質細胞特異性標記物。它與微管、微絲共同構成大多數真核細胞的細胞骨架，為其他細胞或細胞外基質接觸的質膜提供機械支持，維持星形膠質細胞形態穩定，參與血腦屏障形成，調節突觸功能等多種生物學功能。此外，GFAP還參與細胞的遷移、運動和有絲分裂。
圖1. 星形膠質細胞
1. GFAP的發現歷史
最早在多發性硬化癥（MS）患者的大腦中發現了膠質纖維酸性蛋白（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
膠質纖維酸性蛋白（GFAP）是第三類中間絲，在中樞神經系統的星形膠質細胞、外周神經系統的非髓鞘雪旺細胞以及成熟的腸膠質細胞（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細胞中表達。
然而，一些研究表明，外周系統表達的GFAP可能在結構上與中樞神經系統表達的GFAP有所不同。
3. GFAP基因
人類GFAP基因位于17q21染色體上，包含8個內含子和9個外顯子，以及2個選擇性內含子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高度同源 [5]。
GFAP基因具有選擇性剪接 [6]，導致產生編碼不同亞型蛋白的多個轉錄變體。
已知在小鼠和人類的神經系統中表達了十個GFAP剪接異構體。在小鼠大腦中表達的異構體包括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基因的結構
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構域：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。
GFAP的不同結構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定原絲亞單元的相互作用，控制絲的寬度，從而在體內形成適當的IF網絡。
5. GFAP的表達調控
GFAP的表達受多種因素影響（如腦損傷和疾病），并在晝夜周期內波動。GFAP基因表達受到GFAP啟動子的調控。基礎啟動子對于正確的轉錄至關重要，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，是與一般轉錄因子IID (TFIID)結合所必需的。
GFAP也受到多種翻譯后修飾的影響，包括磷酸化和去磷酸化。這些修飾對其結構和性質有重要影響。
在GFAP頭區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的結構和性質。
GFAP基因的表達和修飾影響星形膠質細胞的功能：GFAP基因的初始激活表明星形膠質細胞的分化，其上調通常伴隨著對中樞神經系統損傷的反應。
6. GFAP的功能
星形膠質細胞是大腦中最豐富的細胞類型。它們為神經元提供結構和功能支持（包括神經遞質谷氨酸和營養因子的釋放），在神經生理活動、神經組織再生和免疫以及各種神經系統疾病的發生中發揮重要作用。
膠質纖維酸性蛋白在星形膠質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，參與細胞內的細胞骨架重組、細胞粘附、維持腦部髓鞘的形成和神經元結構，以及參與細胞信號轉導途徑 [8] [9]，還參與細胞遷移、運動和有絲分裂。膠質纖維酸性蛋白可以維持星形膠質細胞的穩定形態，參與血腦屏障的形成和調節突觸功能。
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亞型的正常生理或病理功能的貢獻尚不清楚。轉染膠質瘤細胞系U1242 MG和U251 MG的載體系統，誘導GFAP表達，表明GFAP在細胞運動中發揮作用。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的突變GFAP的研究中，關于GFAP在運動中的作用有更多的證據。與轉染了野生型GFAPα或在GFAP尾域發生突變的突變GFAPα的細胞相比，轉染了GFAP桿狀域中兩個突變GFAP（V87G和R88C）的突變膠質瘤細胞表現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細胞的增殖能力或其他轉化特征。GFAP表達水平與增殖水平呈負相關[10]。與野生型小鼠相比，來自GFAP-/-小鼠的初級星形膠質細胞的增殖增強。
6.3 囊泡運輸和自噬
星形膠質細胞釋放多種膠質轉導體，包括經典轉導體、肽類、趨化因子和細胞因子。
胞外排泄是星形膠質細胞將物質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到質膜并與質膜融合。
細胞骨架的普遍解聚會影響星形膠質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 星形膠質細胞與神經元的相互作用
星形膠質細胞參與多種神經元功能，包括突觸形成和可塑性、能量和氧化還原代謝，以及神經遞質和離子的突觸穩態。
圖3. 星形膠質細胞的功能
6.5 血腦屏障與髓鞘生成
血腦屏障（BBB）由毛細血管內皮細胞形成，并被基底層和血管周圍的星形膠質細胞所包圍。
在小鼠模型中，突變小鼠的BBB包含少數星形膠質細胞的單層，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系統髓鞘生成延遲，年齡較大的小鼠白質損失以及腦積水。
7. GFAP相關信號通路
在Jak-STAT信號通路中，通過調控GFAP的表達，它控制細胞分化并調節細胞周期。信號圖如下所示：
圖4. Jak-STAT信號通路
8. GFAP與疾病之間的關系
星形膠質細胞參與了多種中樞神經系統疾病，包括外傷、缺血以及神經退行性疾病。
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系統損傷中，GFAP的表達也會增加。
8.1 阿爾茨海默病
星形膠質細胞疾病是阿爾茨海默?。ˋD）的顯著神經病理學變化，AD病理的嚴重程度與反應性星形膠質細胞的密度以及組織和腦脊液中GFAP表達的強烈上調相關。
阿爾茨海默患者的海馬區受星形膠質細胞疾病的影響比其他老年腦部的海馬區更嚴重。GFAP mRNA水平與AD患者額葉皮層中神經元斑塊的密度之間存在強烈相關性。
8.2 抑郁癥
星形膠質細胞在建立和維護血腦屏障方面發揮重要作用。它們可以控制可溶性分子和有害物質的運動，調節腦內穩態，調節神經元功能，并促進成年后的神經發生。因此，星形膠質細胞的功能障礙可能會影響抑郁癥的病理過程。
研究發現，在精神分裂癥、雙相情感障礙和抑郁癥中，GFAP的表達較低。GFAP在抑郁癥發作期間參與了多種神經遞質的調節。
8.3 亞歷山大?。ˋxD）
亞歷山大病的發生與GFAP基因突變有關。GFAP基因突變導致GFAP組裝的變化，導致GFAP的積累和細胞內的病理性沉積。
亞歷山大病屬于中樞神經系統變性疾病，是一種遺傳病。
該疾病特點是嬰兒期逐漸出現的肌無力，伴有逐漸發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. 星形膠質細胞與亞歷山大氏病
9. GFAP在診斷中的應用
在正常情況下，GFAP會自發地在細胞內或細胞外降解，血液中的GFAP水平相對穩定。在病理情況下，當患者的中樞神經系統受傷、星形膠質細胞受損或死亡時，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細胞增生和激活的重要手段，間接反映了神經損傷的程度。
9.1 腦外傷
在腦外傷后，星形膠質細胞經常出現增生，這是由變性疾病和中樞神經系統損傷引起的神經變化的主要表現。 S100β蛋白和膠質纖維酸性蛋白是兩種主要的膠質細胞標記蛋白 [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細胞的損傷和死亡。GFAP水平與腦梗死區域相關 [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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