不仅仅是发育：成人大脑中的Notch信号

循环还是不循环？

在干细胞和祖细胞中，增殖是决定细胞命运的核心，因为分化程序与细胞周期退出过程紧密耦合^27,28因此，毫不奇怪，Notch调节细胞周期，以平衡干细胞维持与子细胞生成，从而防止生态位过早耗尽。斑马鱼有一个显著的成年端脑生发区，放射状胶质细胞中高水平的Notch激活维持细胞处于静止状态，而Notch活性的降低导致NSC增殖和成年神经元净数量的增加²⁹此外，早期前体类型的细胞周期退出增加²⁴以及祖细胞池扩张受损³⁰已在成年诱导Notch基因敲除小鼠的SGZ中发现，最终导致干细胞数量减少^31,32与Notch水平调节细胞周期的观点一致，用Notch抑制剂DAPT治疗来自人类胚胎干细胞的神经干细胞可降低细胞周期蛋白依赖性激酶4（CDK4）和S相激酶相关蛋白2（SKP2）的水平，并增加细胞周期抑制剂细胞周期蛋白依存性激酶抑制剂1B（p27KIP1）的含量这延长了G1–S转换，如果Notch信号水平保持低水平，生长因子被撤回，则细胞退出周期并分化为神经元³³有趣的是，神经干细胞（NSC）中Notch信号的相对水平可以调节NSC中相反的静止状态和增殖状态，低水平导致增殖，高水平导致生长停滞³⁴然而，神经传递的双皮质素阳性（DCX阳性）祖细胞对Notch的依赖性较低，对环境信号的反应更大，从而调节增殖³⁰这表明Notch调节成人大脑增殖的能力与细胞类型有关，如下所述。

迁移和早期分化

虽然Notch在NSC维持中的作用已被很好地描述，但Notch信号在围产期和成年脑中迁移和成熟细胞中的特征尚不清楚。例如，Notch信号似乎通过改变迁移神经元的形态来干扰大脑皮层中的神经元迁移。增加Notch信号导致双极形态有利于迁移，而减少Notch信号则导致多极形态阻碍迁移³⁵Notch调节迁移的机制涉及卷轴–DAB1（禁用同源物1）信号，它抑制NICD降解³⁵值得注意的是，缺乏卷轴的卷轴小鼠的表型-其特征是由于迁移失败导致皮层神经元的异常分层-可以通过NICD转基因的过度表达来挽救³⁵虽然这些结果是神经元的细胞自主性结果（通过使用神经元特异性启动子来驱动转基因表达而建立），但值得注意的是，在出生后的齿状回中，NICD和reelin之间的类似合作机制对于放射状胶质支架的形成和维持至关重要³⁶在成年SGZ的DCX阳性未成熟神经元中，随着迁移神经元形态的改变，NICD积聚在细胞核中^24,37,38分支细胞越多，NICD的免疫染色越强，成熟细胞的免疫染色水平最高。有趣的是，这种模式与神经原蛋白3（NGN3）定位的变化一致，因为NGN3在神经元分化过程中越来越多地定位于细胞核³⁹.

Notch调节神经元迁移和早期分化的另一种可能机制来自对初级皮层神经元的研究。在这里，用Notch配体JAG1治疗下调了痉挛素，痉挛素是一种涉及切断微管的蛋白质，这导致微管稳定性增加。乙酰化α-微管蛋白免疫染色显示，这些皮层神经元的微管分支和轴突厚度显著增加。这种对微管稳定性的影响可以被γ-分泌酶抑制所阻断⁴⁰表明它依赖于NICD。总之，这些发现证明了Notch在调节微管动力学方面的作用。需要进一步研究来确定这一监管的直接程度。

也有来自以下研究的证据果蝇属Notch可能通过酪氨酸蛋白激酶ABL信号传导在发育过程中对轴突引导起非经典作用^41–43具体来说，Notch似乎与DAB和三功能域蛋白（TRIO）–ABL辅助蛋白相互作用，并通过调节生长锥来引导轴突导向和动态模式⁴³这与DAB1和Notch1之间的相互作用是一致的，这种作用发生在皮层发育过程中的新皮层神经元迁移过程中³⁵Notch和无调性之间的相互作用也已被证明会导致果蝇属⁴⁴在这项研究中，高Notch活性减少轴突分支，而低Notch活性则有相反的作用⁴⁴Notch是否调节脊椎动物神经元发育中的轴突动力学尚待观察。

结构塑性

在发育中的皮层细胞中，Notch似乎可以调节树突轴的复杂性。转基因NICD表达、配体呈递和高细胞密度——所有这些都导致典型的Notch活化——导致更复杂但通常发育不良的树突状树^4,45,46相反，功能丧失实验表明，缺少Notch信号会减少神经突起数量^4,45,46Notch对树突状树突状轴突复杂性的调节似乎依赖于典型的Notch信号，因为NICD的核易位很突出，并且据报道在这一过程中发生了依赖RBPJ的Notch活性^4,46类似地，Notch信号水平与出生后和成年SGZ神经元树突状树丛的复杂性相关²⁴最近，人们注意到，成人可诱导槽口1敲除小鼠的齿状回中有颗粒细胞神经元和较小的树突树³⁰NGN3可能参与结构塑性的调节^39,47以及新皮质细胞中的NUMB和NUMBL⁴和感觉神经元⁴⁸在NGN3促进神经突起生长的情况下，Notch激活导致赫斯抑制的基因Ngn3号机组表达与神经突起生长⁴⁷因此，NGN3和Notch活性的平衡调节树突复杂性。然而，NUMB和NUMBL通过内吞控制直接对抗Notch信号⁴⁹，防止表面定位，并可能阻止Notch的激活。

令人惊讶的是，与未成熟神经元的基因操作效应相反，在成熟、有丝分裂后皮质神经元中进行Notch转基因操作的啮齿动物似乎具有正常的树突大体形态，这表明Notch信号在神经元过度发育调控中可能存在一个关键时期，可能与新神经元整合的关键期一致⁵⁰.优雅的Cre/液氧磷该系统用于在成年小鼠皮层锥体细胞中选择性表达活性Notch1⁵¹这种操作导致脊椎和丝状体密度降低，而树突中央区没有任何明显变化。这些发现表明，虽然Notch在成年早期可能无法重组成熟的树突树突，但它可以继续微调树突棘。

突触可塑性

一些研究表明，Notch的基因操作会影响可塑性和行为。一份初步报告描述了成年人空间学习和记忆的特定缺陷槽口1杂合子突变小鼠⁵².成人卢比杂合子突变小鼠在这种记忆形式上有类似但更严重的破坏⁵²然而，Notch的剂量依赖性很强，很难解释这些发现，因为这些小鼠可能有发育缺陷，例如髓鞘过早形成⁵³以及潜在的神经元总数的变化⁵⁴为了避免这些发育障碍，我们使用了一个温度敏感的等位基因来检测记忆任务中Notch功能障碍的影响果蝇属这项研究发现，短期记忆得以保留，而长期记忆受损⁵⁵。另一项研究果蝇属，使用条件槽口突变体或诱导显性阴性槽口，发现长期记忆中有类似的缺陷，可以通过野生型的过度表达来弥补槽口转基因⁵⁶Neuralized（Neural），另一种调节Notch信号通路的分子（以及其他分子），也与果蝇属⁵⁷然而，该角色是否依赖于Notch仍有待确定。

在成年小鼠的海马中，Notch水平降低（通过表达转基因反义结构）导致长期增强（LTP）受损和长期抑郁（LTD）增强⁵⁸此外，用激活的锯齿状肽处理这些小鼠的海马脑片可促进LTP⁵⁸然而，正如Notch在神经元分化过程中短暂衰减一样，有证据表明Notch信号被中断，并且Notch靶基因的mRNA水平赫斯1减少-在被动回避条件作用后10-12小时的长期记忆巩固期间⁵⁹事实上，给予Notch特异性抗体，刺激受体激活，阻止了巩固。也许令人惊讶的是，这项研究在溶解的齿状回神经元的核部分发现了一个66kDa的NICD片段（使用两个单独的抗体进行可视化），这个片段远小于通常的大小⁵⁹需要进一步研究来证实这些发现，并确定这是否是NICD的分解产物、新的功能片段或可能是不精确的卵裂事件，如前所述在体外⁶⁰.

Notch在突触可塑性中的作用可能很复杂果蝇属神经肌肉接头（NMJ）。在这里，Notch对于适当的NMJ复杂性是必要的（根据轴突分支和突触前神经束来测量），可以通过表达显性负Notch受体来阻断这种复杂性⁶¹然而，同一研究发现，较高水平的转基因Notch或组成活性Notch的表达会阻碍NMJ的可塑性，这表明适度水平的Notch可能是理想的⁶¹-并再次证明了Notch信号的剂量依赖性。有趣的是，NMJ中Notch的表达与神经元活动相关⁶¹.本研究的发现⁶¹Notch可以根据受体激活水平发挥相反的作用，这可以解释不同研究中的不同发现。例如，一项研究发现Notch激活降低LTP⁵¹而另一项研究表明，它增强了LTP⁵⁸这种自相矛盾的模式也见于神经发育过程中对Notch的研究，如下文所述，可能是由于Notch信号的精细背景和剂量依赖性。

我们对Notch在神经元形态和突触可塑性中的作用的理解仍处于初级阶段，有待进一步研究。例如，刺激神经元Notch分裂的信号体内直到最近发表的工作，我们才清楚Notch信号在哺乳动物神经可塑性中的作用⁶²和果蝇属⁶³大脑。Gaiano及其同事使用转基因槽口报告小鼠和Notch1抗体以确认Notch1在神经元中的表达和活性⁶²并证明JAG1主要沿着轴突定位于突触。他们注意到Notch1的表达和分裂随着突触活动而增加，Notch1分裂依赖于神经元活动相关基因弧（活性调节细胞骨架相关蛋白；也称为Arg3.1系列). 令人着迷的是，这种对弧当NICD大量存在时，仅存在于神经元中，而在胚胎神经干细胞维持期间不存在。槽口1成熟神经元的敲除并没有改变大体形态，但导致树突棘的改变和LTP和LTD的破坏，导致一些记忆任务的表现出现明显缺陷⁶²Struhl及其同事在果蝇属，Notch在对不同气味作出反应的大脑区域被特异激活⁶³值得注意的是，Notch活性在气味暴露后24小时达到峰值，随后几天下降。作者推测，长时间的衰退期可能对长时间的刺激配对至关重要⁶³尽管Gaiano及其同事注意到JAG1可能是啮齿类动物大脑突触上Notch的配体⁶²，Struhl和他的同事们发现果蝇属是由于Delta刺激⁶³从这些研究中可以明显看出，对Notch进行越来越精确的时间和空间操作，无疑将对阐明Notch在神经元可塑性中的精确功能（或多个功能）非常有价值。

老化神经元

一些关于Notch表达的初步研究是在与年龄相关的人类疾病（尤其是阿尔茨海默病）的背景下进行的，因为-分泌酶裂解在Notch信号和淀粉样前体蛋白（APP）处理中都很常见^三,64.现场杂交研究表明，编码Notch和早老素（γ-分泌酶复合体的一种蛋白质）的mRNA在海马和内嗅神经元的正常大脑中强烈表达，在皮层神经元和浦肯野细胞中也有额外表达^三值得注意的是，与对照组相比，阿尔茨海默病患者大脑中的Notch分裂显著增加^三为了进一步支持在阿尔茨海默病动物模型中Notch处理可能异常高的假设，一些研究表明，正常大脑中Notch和APP的γ-分泌酶活性随年龄而降低^65,66此外，与家族性阿尔茨海默病相关的早老蛋白突变的神经元培养经常显示Notch信号改变^11,67，一些研究报告了Notch和APP之间的相互作用^10,68–72，以及APP和NUMB⁷³最近的研究表明，尽管不是病因，但NUMB失调导致的异常Notch信号，以及早老素和APP的改变，可能会导致阿尔茨海默病的进行性神经变性特征⁷⁴不幸的是，到目前为止，γ-分泌酶抑制剂作为阿尔茨海默病的潜在治疗手段并不是很成功。

在朊病毒疾病中也可以看到Notch和神经元疾病之间的联系。患有朊病毒病的小鼠皮层中NICD蛋白升高，并且随着PrP水平的升高而增加^Sc公司（参考。75). 尤其是，槽口1mRNA丰度和NICD易位与神经元树突状萎缩相关⁷⁵.使用小干扰RNA（siRNA）敲除槽口1神经母细胞瘤（N2a）细胞中在体外神经细胞模型），确定激活的Notch1主要负责神经突起的减少⁷⁵此外，用γ-分泌酶抑制剂（加上奎那克林以降低PrP）治疗小鼠^Sc公司水平）足以防止树突状萎缩⁷⁶将这些发现与Dahlhaus的发现进行对比是很有趣的等。⁵¹和Alberi等。⁶²，在NICD转基因表达或条件表达后，他在成熟的、有丝分裂后的皮层神经元中未发现树突树枝状结构的变化槽口1年轻得多的无病啮齿动物的消融。这表明NICD可以在疾病期间以年龄依赖的方式调节树突复杂性。

衰老和病理学通常与端粒缩短有关。最近证实了p53、Notch和端粒缩短在神经细胞生成过程中的一种新的机制联系⁷⁷端粒酶缺乏的小鼠表现出神经发生减少，并且具有较不复杂的轴突中枢，这种作用依赖于p53。γ-分泌酶抑制在神经炎复杂性方面表型复制了p53敲除，并且这种作用可以通过NICD过表达逆转。然而，p53并没有直接调节Notch1或Notch3的水平⁷⁷表明p53和Notch信号并行或协同作用。Notch和p53可以在RHO-associated protein kinase 1（ROCK1）和ROCK2（REF）上聚合。77)-RHOA下游效应器-调节肌动蛋白动力学，从而调节神经突起延伸。探索这些互动将很有趣体内以及确定来自老年干细胞的神经元是否在Notch依赖性树状结构中显示出内在差异，这一事实可能会影响老年大脑内源性修复策略的制定。

定向信号：发送方还是接收方？

如果细胞要使用Notch信号进行选择，它必须拥有功能性的Notch受体，并与表达配体的细胞接触。一般认为，Notch通路的激活导致非细胞自主（配体介导）和细胞自主（受体介导）效应的混合。事实上，Notch配体的破坏似乎会导致神经发生的非细胞自主损伤⁹⁹而据报道，Notch受体或RBPJ的破坏会导致细胞自主效应^31,32这表明Notch信号在一个方向上发生，从信号发送（即配体呈递）细胞到信号接收（即Notch呈递）电池¹²(图1). 决定一个细胞是信号发送者还是信号接收者的机制基本上仍然未知。一些研究表明，这个过程可能是随机的¹⁰⁰，而Kageyama及其同事的研究，使用优雅的生物发光研究，将其归因于通路成分水平的振荡，尤其是HES1（参考。101)或影响受体和配体亲和力和可用性的翻译后修饰¹⁰²内源性和外源性因子以及转录反馈调节配体和受体的水平，从而放大配体与受体比率的细微初始差异，并建立信号或接收模式^13,103.Cis公司配体-受体相互作用抑制Notch激活¹⁰⁴，蛋白质如deltex、NUMB和NEUR调节Notch的细胞分布和表面可用性，非标准配体调节信号强度，即激活足够数量的Notch受体以引发反应的概率¹⁴可用的功能性受体水平决定了细胞接收信号的能力，特别是考虑到每个受体只能被激活一次，因为信号传递所必需的不可逆分裂事件^12,13,34.

分子上下文

许多因素共同决定Notch激活的结果，但可能最重要的一个因素是接受激活的细胞类型。这是因为可用于调节的基因库（即“分子背景”）在细胞类型之间差异很大。在成人SGZ和SVZ神经发生的不同阶段，Notch和通路之间存在广泛的串扰，正是这种串扰使信号得以整合和巩固(图3). SHH途径成分蛋白补丁同源物1（PTCH1）的条件性敲除小鼠¹⁰⁵纤毛蛋白¹⁰⁶（似乎介导SHH信号）显示出类似的缺陷槽口1-可诱导突变小鼠-尤其是初级放射状胶质样SGZ前体的耗竭^81,107–109-提示这两种途径对前体维持是必要的。同样，WNT–β-catenin¹¹⁰Notch信号似乎在几个层面上相互作用。WNT刺激祖细胞中Notch配体的表达¹¹¹从而在相邻NSC中激发Notch信号，而Notch激活调节WNT信号的阈值¹¹²这两条途径也通过糖原合成酶激酶-3β（GSK3β）相互作用¹¹³和成纤维细胞生长因子（FGF）¹¹⁴将分化抑制与增殖联系起来，并协同调节生成的新神经元数量。Notch还可以整合来自成人神经干和祖细胞中多种生长因子的信号。色素上皮衍生因子（PEDF）通过上调Notch靶基因提高成人SVZ干细胞的自我更新能力Egfr公司（表皮生长因子受体）²³然而，另一份报告表明，在成人SVZ中，EGFR-表达细胞通过NUMB-依赖机制限制Notch信号¹¹⁵并建议Notch和EGFR合作平衡干细胞和祖细胞数量。

与促进干细胞维持和存活的作用相反，Notch激活也可以促进循环细胞的凋亡。使用诱导物推定去抑制Notch信号麻木的和Numbl（数字）基因敲除小鼠损害祖细胞存活¹¹⁶然而，Notch与货物特异性衔接蛋白NUMB及其密切相关和部分冗余NUMBL蛋白之间的关系相当复杂。在果蝇属，NUMB通过在有丝分裂期间不对称定位和抑制其中一个子细胞中的Notch而起到细胞-脂肪决定因子的作用¹¹⁷然而，尽管Notch在脊椎动物细胞中维持神经干的作用与它在果蝇中的作用非常相似，但NUMB的作用显然没有得到很好的保护¹¹⁷例如，尽管槽口导致功能获得的操作始终维持神经干细胞的命运，导致功能丧失的NUMB和NUMBL的操作，以及预期会导致Notch上调的操作，都没有显示出神经源性疾病大量减少的预期结果¹¹⁸然而，形态发生被严重破坏。这可能是由于NUMB在钙粘蛋白回收中的作用^116,118以及它与其他途径和分子的相互作用，如p53（REF。119)、SHH¹²⁰、整合素和分配缺陷（PAR）家族蛋白¹²¹事实上，NUMB的过度表达促进了放射状胶质细胞形态的异常持续性，这是Notch激活后更常见的表型，这是因为粘附连接的钙粘蛋白维持¹¹⁸在出生后的大脑中，在麻木的和Numbl（数字）烧蚀，烧蚀¹¹⁶然而，Notch可以通过过度表达而被抑制麻木的有丝分裂后神经元⁴此外，多个小组发现了Notch、NUMB和APP之间的相互作用^69,72,73考虑到动态变化的可能性¹²²这些相互作用可能与阿尔茨海默病的发病机制有关。综上所述，由于NUMB对许多不同信号通路的影响，其作用无法简单地归类为Notch抑制剂¹¹⁷.

成人神经干细胞中发现了几个超出本综述范围的Notch相互作用途径^123,124然而，对有丝分裂后神经元中的相互作用途径知之甚少。Notch信号可以通过成年海马中的α-突触核蛋白促进有丝分裂后新生神经元的存活³⁸如上所述，神经元中的Notch信号依赖于活动诱导基因⁶²与神经生长因子（NGF）及其受体p75协同调节突触可塑性⁴⁷希望有一天，有关这些信号传导途径及其与环境相关的细胞类型特异性相互作用的知识的不断增长，可以让我们将分子层次整合在一起，创建成人大脑中Notch信号神经生物学的机械模型。

物理上下文

神经原生态位是大脑中的离散区域，只有在这些生态位中，成年人才能正常发生神经发生²²众所周知，利基本身提供了外部线索，Notch整合这些线索以相应地调节细胞输出¹²⁵因此，毫不奇怪，从SVZ分离的神经干细胞与SGZ中的干细胞不同。例如，SVZ干细胞产生抑制性中间神经元，而SGZ干细胞则产生兴奋性颗粒细胞神经元¹²³因此，在从一个生态位推断到另一个时应谨慎。然而，结果来自条件和诱导槽口敲除小鼠表明，Notch信号通过阻止分化来维持SVZ和SGZ中的星形胶质干细胞³².

虽然需要做大量工作才能充分了解生态位环境在调节神经干细胞的特性、效力和增殖方面的作用，但我们已经了解到，细胞外信号和邻近细胞都有助于这种调节。血管内皮细胞和星形胶质细胞（包裹大脑血管系统）刺激成年神经干细胞的神经发生^126,127这导致了这样一种假设，即神经发生优先发生在SVZ和SGZ中由血管和星形胶质细胞网络创建的“血管龛”中^128,129一项引人入胜的研究表明，成人SVZ中的内皮细胞通过候选因子PEDF间接诱导NSC中的Notch活化，从而使细胞命运偏向于放射状胶质细胞²³PEDF以非规范的方式激活NF-κB，这诱导了NFκB的p65亚单位和核受体辅阻遏物（NCOR）蛋白的核输出赫斯1和埃及。通过去除NCOR，从而解除对Notch靶基因的抑制，干细胞更有可能激活负责自我更新、不对称分裂的Notch靶基因。

与预期相反，血管生态位并不依赖于高水平的氧合来支持成人大脑中的神经干细胞。与成熟神经元不同，神经干细胞耐缺氧，甚至在1%氧浓度下表现出更快的扩张和增强的自我更新₂与20%O相比₂（参考。130). 事实上，证据表明，缺氧——这是胚胎发育期间的一种生理条件——有助于形成支持干细胞的生态位，这是通过Notch信号传导实现的¹³¹低氧诱导因子1α（HIF1α）在低氧条件下稳定，并与Notch信号协同促进Notch靶基因的表达和成年脑（如某些肿瘤）中NSC和祖细胞的增殖^130,132尽管迄今为止还没有研究检测成年脑缺血后Notch和HIF1α的相互作用。有趣的是，在高度常氧条件下，HIF1α在成人大脑的神经干细胞和祖细胞中特异性表达并稳定¹³³这表明，缺氧的生理作用可能在成人干细胞生态位中持续存在。

相邻的祖细胞构成神经源性生态位的第二个重要组成部分，提供直接Notch配体和无数其他细胞-细胞相互作用。在SVZ和SGZ中，干细胞被祖细胞和成熟细胞包围^134,135以及NSC和祖细胞之间的细胞-细胞相互作用，它们提供了主要的Notch配体输入¹³⁶虽然很少有研究正式检测成年祖细胞发送信号的能力，但它们是神经发生所必需的。尽管有证据表明这些壁龛中的成熟细胞（例如神经元或室管膜细胞）表达配体，但尚未证明这些细胞类型中的任何一种都可以直接激活成人大脑中的Notch信号。需要进一步研究，以了解Notch信号在神经原生态位以外以及干细胞和祖细胞以外的不同脑区的含义。例如，大脑皮层神经元中的Notch激活是否与小脑神经元中的作用相同？

J.L.A.感谢位于美国德克萨斯州达拉斯的德克萨斯大学西南医学中心和位于美国纽约州纽约州纽约市的西奈山医学院的医学科学培训计划（MSTP），以及美国国家心理健康研究所（NIMH）和国家药物滥用研究所（NADA）的支持。J.J.B.在编写本手稿期间得到了康涅狄格州干细胞研究资助计划的支持，目前得到了美国加利福尼亚州洛杉矶Cedars-Sinai再生医学研究所的支持。J.E.得到了美国国立卫生研究院（NIH）的资助，包括NIDA（DA016765、DA016765-07S、DA023555）、国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK）（DK079328）、国家精神分裂症和抑郁症研究联盟、国家航空航天局和挪威公共卫生部的拨款。P.R.由美国国家神经疾病和中风研究所（NINDS）、NIDA和美国康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学医学院卡夫利神经科学研究所资助。