膠質纖維狀酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)屬於 III類中間絲狀體（IFs），特異地表達於中樞神經系統星形膠質細胞（AS）胞質內，可以作 為星形膠質細胞特異性標誌物。GFAP與微管和微絲一起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，具有維護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，還參與細胞遷移、運動和有絲分裂。
1. GFAP的發現
2. GFAP的組織特異性
3. GFAP基因
4. GFAP蛋白
5. GFAP的表達調控
6. GFAP的功能
7. GFAP相關信號通路
8. GFAP與疾病的關係
9. GFAP在診斷方面的應用
圖1 星形膠質細胞
1. GFAP的發現
膠質纖維狀酸性蛋白最初是在多發性硬化 症(MS)患者的大腦中被發現的[1]。1969年，GFAP的氨基酸(AA)組成被首次提出 [2]。1984年，小鼠的GFAP基因首次被克隆，這是GFAP分子生物學研究的開端。 1989年，人GFAP基因被克隆[3]。
2. GFAP的組織特異性
膠質纖維酸性蛋白是III類中間絲狀體，存 在於中樞神經系統的星形膠質細胞、周圍神經系統的無髓神經雪旺細胞和腸內成熟的膠質細 胞(enteric glial cells，EGCs) [4]。此外，GFAP在軟骨細胞、成纖維細胞、 肌上皮細胞、淋巴細胞、肝星形細胞也有表達。
但有研究表明外周系統所表達的GFAP和中 樞神經系統的GFAP可能在結構上存在差異。
3. GFAP基因
人類GFAP基因定位於染色體17q21，包含8個內含 子和9外顯子，再加上2個選擇性內含子DNA、4個選擇性外顯子DNA，從而促進一個DNA片段的 形成，大小為10 kb左右，由其產生的成熟mRNA約為3 kb。
人類GFAP基因與小鼠、大鼠基因編碼區有 高度同源性[5]。
GFAP基因存在可變剪切[6]， 這導致多個轉錄變體編碼不同的亞型。已知在小鼠和人的神經系統中表達了10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Δexon 7表達， 在人腦中表達的有GFAPα、β、δ、ζ、κ、Δ135、Δ164、Δexon6和 Δexon 7[7]。
表達最豐富的亞型是GFAPα，大多數發表的研究 很可能描述了GFAPα的mRNA和蛋白表達。
圖2 GFAP的基因結構
4. GFAP蛋白
GFAP屬於一種酸性蛋白，由432個氨基酸組 成，相對分子質量為50 ~ 52KD，等電位點在5.7-5.8。
GFAP是AS重要的骨架蛋白。細胞骨架是在 大量GFAP單體聚合的情況下形成。GFAP單體聚合形成聚合體，屬細胞質內中間絲（IFs）的 一種成分，與波形蛋白、結蛋白、外周蛋白同屬IFs超家族第Ⅲ型，它們之間有70%以上的同 源性。
所有類型的IFs蛋白包含三個主要結構域： 氨基端頭、中心螺旋杆和羧基端尾結構域。IF蛋白的桿狀結構域(310 - 350 aa殘基)高度保 守，而頭尾結構域的大小和氨基酸序列在物種間高度多態性。
GFAP不同的結構域以不同的方式參與IFs的 形成。
GFAP蛋白通過杆結構域形成二聚體和四聚 體。二聚體是由兩個多肽鏈以螺旋結構相互纏繞形成的，以交錯反平行方式結合形成四聚體 。
5. GFAP的表達調控
GFAP的表達受多種因素（例如腦損傷和疾 病）的影響，並且在晝夜週期下表現出波動。GFAP基因表達受GFAP啟動子調控。基礎啟動子 對於正確轉錄是必不可少的，而啟動子上的其他元件決定了表達特異性。基礎啟動子的一個 重要元件TATA-box，它對於結合一般轉錄因子IID（TFIID）是必不可少的。
GFAP還受到多種翻譯後修飾，主要包括磷 酸化和去磷酸化調控。這些修飾對其結構和性質有重要影響。
GFAP的頭部區域的特定氨基酸殘基的磷酸化和去磷酸化修飾 參與了GFAP組裝的調控，這對於細胞週期中GFAP的重新分配非常重要。這些被磷酸化的氨基 酸殘基通常是保守的。除了磷酸化外，其他翻譯後修飾如糖基化和瓜氨酸化也會影響GFAP的 結構和性質。
GFAP基因的表達和修飾可影響星形膠質細胞的功能：GFAP基 因的初始激活標誌著星形膠質細胞的分化，而它的上調通常伴隨著對中樞神經系統損傷的反 應性反應。
6. GFAP的功能
星形膠質細胞在大腦中含量豐富，是大腦 中最豐富的細胞類型，為神經元(包括神經遞質穀氨酸循環和營養因子釋放)提供結構和功能 支持，在神經生理活動、神經組織再生及免疫、多種神經疾病的發病中發揮重要作用。
作為星形膠質細胞內的主要骨架蛋白， GFAP在細胞核和細胞膜之間形成連接，參與細胞內細胞骨架重組、細胞黏附、維持腦內髓鞘 形成和神經元的結構以及作為細胞信號參與轉導通路等[8] [9]，還參與細胞遷 移、運動和有絲分裂。膠質纖維酸性蛋白具有維護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。
GFAP的具體作用如下：
6.1 運動性/遷移
GFAP參與了細胞的運動和遷移，但其對不 同星形細胞亞型正常生理或病理功能的貢獻程度尚不清楚。用可誘導GFAP表達的載體系統轉 染神經膠質瘤細胞系U1242 MG和U251 MG，表明GFAP在細胞運動中發揮了作用。研究表明， GFAP強制性表達可抑制細胞運動。
在研究與AxD相關的突變GFAP時，發現了關 於GFAP在運動中作用的更多證據。與用野生型GFAPα或在尾部結構域中突變的突變型GFAPα 轉染的細胞相比，用兩個在GFAP的杆結構域中突變的突變型GFAP（V87G和R88C）轉染的膠質 瘤細胞顯示出增加的運動能力。
6.2 增殖
大量研究表明，GFAP表達的改變會改變星 形膠質細胞增殖的能力或星形膠質細胞轉化的其他特徵。GFAP表達水平與星形膠質細胞增殖 水平呈負相關[10]。與野生型小鼠相比，來自GFAP-/-小鼠的原代星形細胞培養 物的增殖能力增強。
6.3 囊泡運輸和自噬
星形膠質細胞可釋放多種膠質遞質，包括 經典遞質、多肽、趨化因子和細胞因子。
胞吐是星形膠質細胞從囊泡中釋放物質的 途徑之一。在該過程中，囊泡沿著細胞骨架運輸到質膜，並與質膜融合。IFs的一般解聚作 用會影響體外星形膠質細胞中囊泡的定向遷移，IF網絡的破壞會減少囊泡的走線長度並降低 了囊泡的流動性。
6.4 星形膠質細胞-神經元相互作用
星形膠質細胞參與了神經元的多種功能， 包括突觸的形成和可塑性，能量和氧化還原的代謝，以及神經遞質和離子的突觸穩態停滯。
圖3 星形膠質細胞的功能
6.5 血腦屏障和髓鞘形成
血腦屏障（BBB）由毛細血管內皮細胞形成 ，周圍被基底層和血管周星形膠質細胞的特定末端包圍。
在小鼠模型中，突變的小鼠BBB包含一層單 層的星形膠質細胞，IF很少，與野生型小鼠相比，BBB具有更高的滲透性。GFAP-/-小鼠還表 現出遲發性中樞神經系統髓鞘形成障礙、老年小鼠白質丟失和腦積水。
7. GFAP相關信號通路
在Jak-STAT信 號通路中，通過調控GFAP的表達，從而控制細胞的分化，實現對細胞週期的調控。
8. GFAP與疾病的關係
星形膠質細胞涉及多種中樞神經系統疾病，包括 創傷、缺血和神經退行性變。
在多種疾病中，GFAP mRNA和蛋白水平升高。這 些疾病主要包括：阿爾茨海默病、癢病和庫賈氏症。在中樞神經系統損傷包括腦血管意外、 刺傷和其他損傷以及實驗性變應性腦脊髓炎等疾病中，GFAP的表達也同樣增加。
8.1 阿爾茨海默病
星形膠質細胞病是AD中一個顯著的神經病理學改 變，AD病理的嚴重程度與反應性星形膠質細胞的密度和GFAP在組織和腦脊液中表達的強烈上 調有關。
比其他老年大腦的海馬體相比較而言，阿爾茨海 默病人海馬體受到星形膠質細胞的影響更嚴重。GFAP mRNA水平與AD大腦額葉新皮層神經元 斑塊的密度具有很強的相關性。
8.2 抑鬱症
星形膠質細胞在建立和維持血腦屏障方面具有重 要作用，可以控制可溶性分子和有害物質的進出，具有調節大腦內穩態、調節神經元功能、 促進成人神經發生的作用，因此膠質細胞的功能失調可能影響抑鬱症病理過程。
研究發現GFAP在精神分裂症、雙相情感障礙以及 抑鬱症中表達減少[11]。GFAP參與抑鬱症發病過程中多種神經遞質的調節。
8.3 亞歷山大病（AxD）
亞歷山大病的發生與GFAP基因突變有關 [12]。這是由於GFAP基因突變導致GFAP裝配發生改變，GFAP聚集並在細胞內發生病理 性沉積。亞歷山大病屬於中樞神經系統退行性病變，它是一種遺傳疾病。
該疾病的特徵是伴有漸進性肌無力嬰兒期發展， 並伴有進行性痙攣和精神障礙。
Messing等提出，通過靶向治療的方法可阻止 GFAP聚集及病理性沉積，提高蛋白酶體清除突變的GFAP的速度。
研究發現反義寡核苷酸抑制GFAP可以為治療亞歷 山大病提供一種治療策略[13]。
圖5 亞歷山大病與星形膠質細胞
9. GFAP在診斷方面的應用
正常情況下，GFAP在細胞內或細胞外自發的降解 ，血中GFAP水平較穩定；而在病理情況下，當患者中樞神經系統發生損傷，AS受損或死亡時 ，GFAP聚合物斷裂分解，從損傷的膠質細胞中溢出，進入周圍細胞間隙，通過血‐腦屏障進 入血液中，使血液中GFAP水平上調。
因此，GFAP體液水平是評估星形膠質細胞增多和 激活的重要手段，間接反饋神經損傷的程度。
9.1 腦外傷
腦損傷後中樞神經系統中星形膠質細胞常出現增 生，這是退行性病變及中樞神經損傷引發神經組織變化的主要表現。S100β蛋白和膠質纖維酸性蛋白是兩種主要的神經膠質 細胞標記蛋白[14]，與NSE、S100β蛋白相比，GFAP在血性腦損傷患者的血清中出現峰值的時 間更早、特異性更強、敏感性更高[15]。
9.2 腦卒中
腦卒中早期、快速、準確的診斷，對其治療和預 後有著積極的意義。GFAP作為反映腦部損傷的新型標誌物被廣泛地研究。急性缺血性腦卒中 患者的血漿GFAP水平升高，通過測定血漿GFAP水平能夠反映急性缺血性腦卒中患者中樞神經 細胞的損傷和死亡情況。GFAP水平與腦梗死麵積有關[16]。
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