摘要自19世纪以来的研究表明，在胚胎发育期间和出生后，包括人在内的哺乳动物神经系统的大部分神经细胞(也许是所有神经细胞)都要经过一定距离的迁移运动才能抵达它们发挥功能的部位。这些细胞如何知道往哪个方向迁移呢？我们在分子水平对这个问题进行了研究。1999年发表的结果给出这样一个答案：脑内存在导向性分子，可以指导神经细胞的迁移方向；具体的发现是，一个叫Slit的分泌性蛋白质，对神经细胞有排斥性作用，它的浓度梯度指导神经细胞迁移的方向。

学科分类号R338

The Molecular Mechanism of Neuronal Migration

RAO YiWU Ying

（University of Washington, USA and Institute of Neuroscience, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031）

AbstractA large amount of work since the late 1800 have shown that, during embrynoic and postnatal development, the majority, if not all, neurons in mammalian nervous system have to migrate a certain distance to reach their final destination. An interesting question is how neurons are guided for their migration. We are interested in the molecular mechanisms underlying neuronal migration and our work published in 1999 indicates that there are diffusible molecules in the brain which can guide the direction of migrating neurons; specifically, a secreted protein called Slit is repulsive to neurons and its concentration gradient guides neuronal migration.

Key wordsNeuronal migration; Axon guidance; Molecular gradients

近15年左右，神经发育的分子生物学原理是神经生物学进展较快的领域。神经细胞迁移的分子机制是位于神经生物学、发育生物学、细胞生物学和分子生物学等学科的交叉点上的一个有趣的问题，这方面的研究有较好的学科综合和交叉的特点。这里我们概述最近一些研究的背景、结果、和前景。详细结果见参考文献中的^［1～3］。

一、简要历史回顾

哺乳动物最早期的神经系统起源于胚胎的神经外胚层。神经外胚层卷曲形成神经管。神经管开始只有一层细胞，而成熟的大脑皮层有多层细胞。上一世纪和本世纪初的胚胎学家包括Vignal (1888)、Cajal (1891, 1911)、Kolliker (1896)、His (1904) 和 Hadesty (1904)等通过对胚胎的形态观察到细胞层数变化而提出中枢神经系统中细胞需要迁移^［4～6］。有很长一段时间，人们不能断定神经细胞是进行主动的迁移运动，还是只有被动的位置改变。因为，如果在发育过程中细胞不断产生，新形成的细胞是不是会把早形成的细胞挤出去？在这种被动位变情况下，细胞也不需要有导向机制。

主动迁移和被动位变两个假说争论较久，如1933年，Tilney还在支持被动位变假说^［7］。1950年，当时在华盛顿大学的意大利裔女神经生物学家Rita Levi-Montalcini发现在脊髓内有一群细胞，其移动方向与被动位变预计的相反^［8］。对被动位变假说的强烈否定来自于哈佛医学院的Richard Sidman实验室从50年代末开始用同位素跟踪进行的研究。1961年，Angevine和Sidman报道^［9］，大脑皮层中细胞的迁移方向与被动位变假说预计的完全相反，从而支持主动迁移学说。

Sidman以后，有很多对于神经细胞迁移的研究，有些细胞是在胚胎期进行，有些细胞是在新生期进行迁移运动。90年代的研究表明，在成年的动物，包括人，都有新的神经细胞形成和迁移。所以，中枢神经系统的细胞迁移的普遍性已经确定。

外周神经系统中，细胞迁移同样重要。它们向外周迁移，形成外周神经系统，和一些非神经组织的细胞。

二、神经细胞迁移研究的意义

因为神经细胞运动的普遍性，研究神经细胞迁移对于我们了解正常发育是必不可少的。同时，神经细胞迁移不能正常进行时，会导致神经发育异常，有多种疾病可以产生^［10］。一部分癫痫就是因为神经细胞迁移异常而造成^［11］。

在神经系统发生肿瘤时，癌细胞的迁移是病变过程的重要一步。如果能使癌细胞不迁移或迁移程度较小，造成的损害会较小。对神经细胞迁移的研究，有助于探索控制癌细胞迁移的途径和方法。

在一些神经系统疾病时，需要移植细胞。比如，有些神经退行性病变，可以采用细胞移植。一是移植正常的神经细胞来替代病变而死亡的神经细胞，二是移植一些产生神经营养性因子的细胞来救活原有的神经细胞。当不能直接把这些移植的细胞放到需要的部位时，如果我们知道细胞迁移的导向机制，也有可能帮助我们设计怎么把这些细胞引导到所需部位。

三、神经细胞迁移机制的研究

神经细胞迁移的机制是人们长期感兴趣的问题。从1971年起，Pasko Rakic 在哈佛医学院、耶鲁大学进行了一系列研究，对发育过程的大脑和小脑切片进行电子显微镜的观察^［6］。他发现：在大脑和小脑皮层，有辐射状分布的胶质细胞（radial glia），其纤维的排列正好与皮层内一些神经细胞迁移轨道一样，而且在不同发育时期，神经细胞好象附着在胶质细胞纤维的不同部位。Rakic总结这些结果，提出了一个神经细胞迁移运动的细胞水平的机理：神经细胞是沿着胶质细胞的纤维而迁移。

Rakic的观察是在固定了的脑组织上进行的，但他推论了细胞是如何在活体内进行迁移。以后用活体组织和细胞进行的实验证实了Rakic的推论。M.E.Hatten在80年代进行了一系列工作^［12］，把皮层的神经细胞和胶质细胞共同在体外培养，可以实时跟踪神经细胞的迁移。她们确实看到神经细胞沿着辐射状的胶质细胞进行迁移。

Rakic的理论成为经典的神经细胞迁移模型。但是，这个模型没有解决神经细胞迁移方向的问题，有两个主要原因。第一，在辐射状胶质细胞上迁移的神经细胞，虽然不会在三维空间随机迁移，但胶质细胞的纤维一条线上仍然有两个方向，神经细胞如何知道往哪个方向迁移呢？一个可能是辐射状胶质细胞的纤维有极性能指导神经细胞迁移的方向，但这与Hatten的观察不一致。她们发现，体外培养的神经细胞可以在胶质细胞上作双向的迁移：一个神经细胞可以从胶质细胞的一端走向另外一端，然后又往回走，甚至在同一胶质细胞纤维上，同时可以有两个神经细胞作相反方向的迁移。所以胶质细胞本身不足以指导神经细胞的迁移方向。

Rakic理论不能解决导向问题的第二个原因是，八十年代末以来的研究表明，除了沿着胶质细胞的辐射状迁移（radial migration）以外，还有一大类是作正切方向迁移的（tangential migration），而这一类的神经细胞迁移并不依赖于胶质细胞。依据不同实验室在不同脑区进行的研究，正切迁移占了所有迁移的10％到70％。因为正切迁移与胶质细胞的排列方向不一致，如何指导正切迁移的方向就更成了问题。

一个正切迁移模型是Luskin在1993年发现的^［13］。鼠前脑的嗅球有中间神经元，其前体细胞是出生后两周内产生的。它们生于前脑亚室管膜层(anterior subventricular zone, SVZa)，而要沿着头端迁移渠道（rostral migratory stream, RMS)向前迁移几个毫米才能到达嗅球（这些细胞本身直径只有约10微米）。洛克菲勒大学的Alvarez-Buylla实验室认为这些神经细胞是沿着同样的神经细胞迁移的，但这并没有解决导向的问题。如果没有神经细胞知道方向，其它神经细胞又怎样能够靠沿着它们而知道迁移方向呢？1996年，当时在西储大学的H.Hu和U.Rutishauser发现^［14］，前脑中线的结构隔区(septum)对SVZa的神经细胞有排斥性作用，从而提出SVZa细胞导向的一个细胞机制。1997年，Alvarez-Buylla实验室发表文章，其中指出隔区导向的两个问题：一是他们不能重复Hu和Rutishauser的结果，二是隔区不是正好在SVZa的后面，也就是说，即使隔区有排斥性作用，也难以它的作用来解释SVZa的细胞为什么会向前迁移到嗅球去。1999年我们的实验证实了Hu和Rutishauser的结果：隔区在体外对SVZa细胞确实有排斥性作用。但是，对Alvarez-Buylla的另一个问题迄今没有人能够回答，也就是说，目前还不清楚隔区在体内是否有指导SVZa迁移的作用。

因此，对神经细胞迁移，不管是辐射状迁移，还是正切型迁移，在细胞水平上都有了相当的工作。但是，另一方面，对导向的分子机制却不清楚。

四、神经纤维生长的分子生物学机制

我们近年的工作最初是研究分子信号在神经发育中的功能，特别是眼睛和神经管形态发生的分子原理。我们对一个叫Slit的分子的研究，使我们意识到可以理解神经细胞中两个与运动和导向有关的生物学过程：神经纤维生长（轴突导向）和神经细胞迁移。我们对Slit的功能研究首先在轴突导向方面取得进展。

1984年，德国女发育生物学家C.Nusslein-Volhard等在筛选影响果蝇型式发生的基因时^［15］，证明Slit基因的存在。耶鲁大学S. Artavanis-Tsakonas实验室的一位研究生J.Rothberg于1988年克隆了果蝇的Slit基因。他们发现Slit基因编码的是一个比较大的分泌性蛋白质^［16