胶质纤维状酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)属于 III类中间丝状体（IFs），特异地表达于中枢神经系统星形胶质细胞（AS）胞质内，可以作 为星形胶质细胞特异性标志物。GFAP与微管和微丝一起构成大多数真核细胞的细胞骨架，为 其他细胞或细胞外基质接触的质膜提供机械支持，具有维护星形胶质细胞形态稳定、参与血 脑屏障形成、调节突触功能等多种生物学功能，还参与细胞迁移、运动和有丝分裂。
1. GFAP的发现
2. GFAP的组织特异性
3. GFAP基因
4. GFAP蛋白
5. GFAP的表达调控
6. GFAP的功能
7. GFAP相关信号通路
8. GFAP与疾病的关系
9. GFAP在诊断方面的应用
图1 星形胶质细胞
1. GFAP的发现
胶质纤维状酸性蛋白最初是在多发性硬化 症(MS)患者的大脑中被发现的[1]。1969年，GFAP的氨基酸(AA)组成被首次提出 [2]。1984年，小鼠的GFAP基因首次被克隆，这是GFAP分子生物学研究的开端。 1989年，人GFAP基因被克隆[3]。
2. GFAP的组织特异性
胶质纤维酸性蛋白是III类中间丝状体，存 在于中枢神经系统的星形胶质细胞、周围神经系统的无髓神经雪旺细胞和肠内成熟的胶质细 胞(enteric glial cells，EGCs) [4]。此外，GFAP在软骨细胞、成纤维细胞、 肌上皮细胞、淋巴细胞、肝星形细胞也有表达。
但有研究表明外周系统所表达的GFAP和中 枢神经系统的GFAP可能在结构上存在差异。
3. GFAP基因
人类GFAP基因定位于染色体17q21，包含8个内含 子和9外显子，再加上2个选择性内含子DNA、4个选择性外显子DNA，从而促进一个DNA片段的 形成，大小为10 kb左右，由其产生的成熟mRNA约为3 kb。
人类GFAP基因与小鼠、大鼠基因编码区有 高度同源性[5]。
GFAP基因存在可变剪切[6]， 这导致多个转录变体编码不同的亚型。已知在小鼠和人的神经系统中表达了10个GFAP剪接异 构体。在小鼠大脑中表达的异构体包括GFAPα、β、γ、δ、ζ、κ和Δexon 7表达， 在人脑中表达的有GFAPα、β、δ、ζ、κ、Δ135、Δ164、Δexon6和 Δexon 7[7]。
表达最丰富的亚型是GFAPα，大多数发表的研究 很可能描述了GFAPα的mRNA和蛋白表达。
图2 GFAP的基因结构
4. GFAP蛋白
GFAP属于一种酸性蛋白，由432个氨基酸组 成，相对分子质量为50 ~ 52KD，等电位点在5.7-5.8。
GFAP是AS重要的骨架蛋白。细胞骨架是在 大量GFAP单体聚合的情况下形成。GFAP单体聚合形成聚合体，属细胞质内中间丝（IFs）的 一种成分，与波形蛋白、结蛋白、外周蛋白同属IFs超家族第Ⅲ型，它们之间有70%以上的同 源性。
所有类型的IFs蛋白包含三个主要结构域： 氨基端头、中心螺旋杆和羧基端尾结构域。IF蛋白的杆状结构域(310 - 350 aa残基)高度保 守，而头尾结构域的大小和氨基酸序列在物种间高度多态性。
GFAP不同的结构域以不同的方式参与IFs的 形成。
GFAP蛋白通过杆结构域形成二聚体和四聚 体。二聚体是由两个多肽链以螺旋结构相互缠绕形成的，以交错反平行方式结合形成四聚体 。
5. GFAP的表达调控
GFAP的表达受多种因素（例如脑损伤和疾 病）的影响，并且在昼夜周期下表现出波动。GFAP基因表达受GFAP启动子调控。基础启动子 对于正确转录是必不可少的，而启动子上的其他元件决定了表达特异性。基础启动子的一个 重要元件TATA-box，它对于结合一般转录因子IID（TFIID）是必不可少的。
GFAP还受到多种翻译后修饰，主要包括磷 酸化和去磷酸化调控。这些修饰对其结构和性质有重要影响。
GFAP的头部区域的特定氨基酸残基的磷酸化和去磷酸化修饰 参与了GFAP组装的调控，这对于细胞周期中GFAP的重新分配非常重要。这些被磷酸化的氨基 酸残基通常是保守的。除了磷酸化外，其他翻译后修饰如糖基化和瓜氨酸化也会影响GFAP的 结构和性质。
GFAP基因的表达和修饰可影响星形胶质细胞的功能：GFAP基 因的初始激活标志着星形胶质细胞的分化，而它的上调通常伴随着对中枢神经系统损伤的反 应性反应。
6. GFAP的功能
星形胶质细胞在大脑中含量丰富，是大脑 中最丰富的细胞类型，为神经元(包括神经递质谷氨酸循环和营养因子释放)提供结构和功能 支持，在神经生理活动、神经组织再生及免疫、多种神经疾病的发病中发挥重要作用。
作为星形胶质细胞内的主要骨架蛋白， GFAP在细胞核和细胞膜之间形成连接，参与细胞内细胞骨架重组、细胞黏附、维持脑内髓鞘 形成和神经元的结构以及作为细胞信号参与转导通路等[8] [9]，还参与细胞迁 移、运动和有丝分裂。胶质纤维酸性蛋白具有维护星形胶质细胞形态稳定、参与血脑屏障形 成、调节突触功能等多种生物学功能。
GFAP的具体作用如下：
6.1 运动性/迁移
GFAP参与了细胞的运动和迁移，但其对不 同星形细胞亚型正常生理或病理功能的贡献程度尚不清楚。用可诱导GFAP表达的载体系统转 染神经胶质瘤细胞系U1242 MG和U251 MG，表明GFAP在细胞运动中发挥了作用。研究表明， GFAP强制性表达可抑制细胞运动。
在研究与AxD相关的突变GFAP时，发现了关 于GFAP在运动中作用的更多证据。与用野生型GFAPα或在尾部结构域中突变的突变型GFAPα 转染的细胞相比，用两个在GFAP的杆结构域中突变的突变型GFAP（V87G和R88C）转染的胶质 瘤细胞显示出增加的运动能力。
6.2 增殖
大量研究表明，GFAP表达的改变会改变星 形胶质细胞增殖的能力或星形胶质细胞转化的其他特征。GFAP表达水平与星形胶质细胞增殖 水平呈负相关[10]。与野生型小鼠相比，来自GFAP-/-小鼠的原代星形细胞培养 物的增殖能力增强。
6.3 囊泡运输和自噬
星形胶质细胞可释放多种胶质递质，包括 经典递质、多肽、趋化因子和细胞因子。
胞吐是星形胶质细胞从囊泡中释放物质的 途径之一。在该过程中，囊泡沿着细胞骨架运输到质膜，并与质膜融合。IFs的一般解聚作 用会影响体外星形胶质细胞中囊泡的定向迁移，IF网络的破坏会减少囊泡的走线长度并降低 了囊泡的流动性。
6.4 星形胶质细胞-神经元相互作用
星形胶质细胞参与了神经元的多种功能， 包括突触的形成和可塑性，能量和氧化还原的代谢，以及神经递质和离子的突触稳态停滞。
图3 星形胶质细胞的功能
6.5 血脑屏障和髓鞘形成
血脑屏障（BBB）由毛细血管内皮细胞形成 ，周围被基底层和血管周星形胶质细胞的特定末端包围。
在小鼠模型中，突变的小鼠BBB包含一层单 层的星形胶质细胞，IF很少，与野生型小鼠相比，BBB具有更高的渗透性。GFAP-/-小鼠还表 现出迟发性中枢神经系统髓鞘形成障碍、老年小鼠白质丢失和脑积水。
7. GFAP相关信号通路
在Jak-STAT信 号通路中，通过调控GFAP的表达，从而控制细胞的分化，实现对细胞周期的调控。
8. GFAP与疾病的关系
星形胶质细胞涉及多种中枢神经系统疾病，包括 创伤、缺血和神经退行性变。
在多种疾病中，GFAP mRNA和蛋白水平升高。这 些疾病主要包括：阿尔茨海默病、痒病和库贾氏症。在中枢神经系统损伤包括脑血管意外、 刺伤和其他损伤以及实验性变应性脑脊髓炎等疾病中，GFAP的表达也同样增加。
8.1 阿尔茨海默病
星形胶质细胞病是AD中一个显著的神经病理学改 变，AD病理的严重程度与反应性星形胶质细胞的密度和GFAP在组织和脑脊液中表达的强烈上 调有关。
比其他老年大脑的海马体相比较而言，阿尔茨海 默病人海马体受到星形胶质细胞的影响更严重。GFAP mRNA水平与AD大脑额叶新皮层神经元 斑块的密度具有很强的相关性。
8.2 抑郁症
星形胶质细胞在建立和维持血脑屏障方面具有重 要作用，可以控制可溶性分子和有害物质的进出，具有调节大脑内稳态、调节神经元功能、 促进成人神经发生的作用，因此胶质细胞的功能失调可能影响抑郁症病理过程。
研究发现GFAP在精神分裂症、双相情感障碍以及 抑郁症中表达减少[11]。GFAP参与抑郁症发病过程中多种神经递质的调节。
8.3 亚历山大病（AxD）
亚历山大病的发生与GFAP基因突变有关 [12]。这是由于GFAP基因突变导致GFAP装配发生改变，GFAP聚集并在细胞内发生病理 性沉积。亚历山大病属于中枢神经系统退行性病变，它是一种遗传疾病。
该疾病的特征是伴有渐进性肌无力婴儿期发展， 并伴有进行性痉挛和精神障碍。
Messing等提出，通过靶向治疗的方法可阻止 GFAP聚集及病理性沉积，提高蛋白酶体清除突变的GFAP的速度。
研究发现反义寡核苷酸抑制GFAP可以为治疗亚历 山大病提供一种治疗策略[13]。
图5 亚历山大病与星形胶质细胞
9. GFAP在诊断方面的应用
正常情况下，GFAP在细胞内或细胞外自发的降解 ，血中GFAP水平较稳定；而在病理情况下，当患者中枢神经系统发生损伤，AS受损或死亡时 ，GFAP聚合物断裂分解，从损伤的胶质细胞中溢出，进入周围细胞间隙，通过血‐脑屏障进 入血液中，使血液中GFAP水平上调。
因此，GFAP体液水平是评估星形胶质细胞增多和 激活的重要手段，间接反馈神经损伤的程度。
9.1 脑外伤
脑损伤后中枢神经系统中星形胶质细胞常出现增 生，这是退行性病变及中枢神经损伤引发神经组织变化的主要表现。S100β蛋白和胶质纤维酸性蛋白是两种主要的神经胶质 细胞标记蛋白[14]，与NSE、S100β蛋白相比，GFAP在血性脑损伤患者的血清中出现峰值的时 间更早、特异性更强、敏感性更高[15]。
9.2 脑卒中
脑卒中早期、快速、准确的诊断，对其治疗和预 后有着积极的意义。GFAP作为反映脑部损伤的新型标志物被广泛地研究。急性缺血性脑卒中 患者的血浆GFAP水平升高，通过测定血浆GFAP水平能够反映急性缺血性脑卒中患者中枢神经 细胞的损伤和死亡情况。GFAP水平与脑梗死面积有关[16]。
References
[1] Eng L F, Vanderhaeghen J J, Bignami A, et al. An acidic protein isolated from fibrous astrocytes [J]. Brain research, 1971, 28 (2): 351-354.
[2] Eng L F, Ghirnikar R S, Lee Y L. Glial fibrillary acidic protein: GFAP-thirty-one years (1969–2000) [J]. Neurochemical research, 2000, 25(9-10): 1439-1451.
[3] Reeves S A, Helman L J, Allison A, et al. Molecular cloning and primary structure of human glial fibrillary acidic protein [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1989, 86(13): 5178-5182.
[4]Yang Z, Wang K K W. Glial fibrillary acidic protein: from intermediate filament assembly and gliosis to neurobiomarker [J]. Trends in neurosciences, 2015, 38(6): 364-374.
[5] Brenner M. Structure and transcriptional regulation of the GFAP gene [J]. Brain pathology, 1994, 4(3): 245-257.
[6]Blechingberg J, Holm I E, Nielsen K B, et al. Identification and characterization of GFAPκ, a novel glial fibrillary acidic protein isoform[J]. Glia, 2007, 55(5): 497-507.
[7]Hol E M, Pekny M. Glial fibrillary acidic protein (GFAP) and the astrocyte intermediate filament system in diseases of the central nervous system [J]. Current Opinion in Cell Biology, 2015, 32: 121-130.
[8] Rutka J T, Murakami M, Dirks P B, et al. Role of glial filaments in cells and tumors of glial origin: a review [J]. Journal of neurosurgery, 1997, 87(3): 420-430.
[9]Kamphuis W, Kooijman L, Orre M, et al. GFAP and vimentin deficiency alters gene expression in astrocytes and microglia in wild‐type mice and changes the transcriptional response of reactive glia in mouse model for Alzheimers disease [J]. Glia, 2015, 63(6): 1036-1056.
[10]Toda M, Miura M, Asou H, et al. Suppression of glial tumor growth by expression of glial fibrillary acidic protein [J]. Neurochemical research, 1999, 24(2): 339-343.
[11]Johnston-Wilson N L, Sims C D, Hofmann J P, et al. Disease-specific alterations in frontal cortex brain proteins in schizophrenia, bipolar disorder, and major depressive disorder [J]. Molecular psychiatry, 2000, 5(2): 142.
[12]Brenner M, Johnson A B, Boespflug-Tanguy O, et al. Mutations in GFAP, encoding glial fibrillary acidic protein, are associated with Alexander disease [J]. Nature genetics, 2001, 27(1): 117.
[13]Hagemann T L, Powers B, Mazur C, et al. Antisense suppression of glial fibrillary acidic protein as a treatment for Alexander disease [J]. Annals of neurology, 2018, 83(1): 27-39.
[14]Hua Y A N, Zhang H, WU Q, et al. Increased leakage of brain antigens after traumatic brain injury and effect of immune tolerance induced by cells on traumatic brain injury [J]. Chinese medical journal, 2012, 125(9): 1618-1626.
[15]Senn R, Elkind M S V, Montaner J, et al. Potential role of blood biomarkers in the management of nontraumatic intracerebral hemorrhage [J]. Cerebrovascular Diseases, 2014, 38 (6): 395-409.
[16]Wunderlich M T, Wallesch C W, Goertler M. Release of glial fibrillary acidic protein is related to the neurovascular status in acute ischemic stroke [J]. European journal of Neurology, 2006, 13(10): 1118-1123.
閱讀更多 小酷cusabio 的文章
