脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是神经营养因子家族中研究最为广泛的核心成员,在中枢神经系统发育、神经元存活及突触可塑性调控中发挥不可替代的作用。BDNF通过TrkB受体激活PI3K/Akt、MAPK/ERK等下游信号通路,调控神经元存活、轴突生长及认知功能。其表达异常与阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症、精神分裂症等多种神经精神疾病密切相关,同时在疼痛调控、药物依赖及神经损伤修复中也具有重要功能。本文系统梳理BDNF的基因结构、蛋白加工、信号通路、疾病关联及靶向治疗进展,为相关研究与临床转化提供参考框架。
1. BDNF的生物学特性与信号通路
2. BDNF相关疾病
3. BDNF靶向药物最新研究进展
4. BDNF研究工具推荐:重组蛋白、抗体与ELISA试剂盒选型指南
1. BDNF的生物学特性与信号通路
1.1 BDNF基因结构与蛋白加工
BDNF基因具有复杂的转录调控结构,包含多个启动子及外显子。不同启动子驱动的转录可产生多种mRNA亚型,这些转录本在编码区基本一致,但在5′非翻译区存在差异,从而赋予其不同的表达调控特性 [1]。神经元活动可通过Ca²⁺信号及cAMP反应元件结合蛋白(CREB)等转录因子调控BDNF表达,但这种调控在不同脑区之间存在明显差异 [2]。
除了神经活动调控外,多种激素及转录因子同样参与BDNF表达调节。例如,雌二醇、糖皮质激素以及myocyte enhancer factor-2(MEF2)均可通过作用于BDNF启动子区域影响其转录水平 [3]。此外,DNA甲基化及microRNA等表观遗传机制也被证明能够调节BDNF表达 [4,5]。
在蛋白水平,BDNF首先以前体形式pro-BDNF合成,随后经蛋白酶加工生成成熟BDNF。两者在功能上存在明显差异:pro-BDNF通常通过p75NTR受体介导突触削弱或细胞凋亡,而成熟BDNF则通过TrkB受体促进神经元存活及突触增强 [7]。因此,pro-BDNF与成熟BDNF之间的动态平衡被认为是调控神经可塑性的关键机制。
此外,BDNF基因Val66Met(rs6265)多态性可影响BDNF的细胞内运输和分泌效率,并与多种神经系统疾病风险相关 [6]。结构生物学研究进一步表明,BDNF蛋白关键残基突变可能改变其构象稳定性及受体结合能力,从而影响信号传导效率 [8]。
1.2 BDNF-TrkB信号通路
BDNF的主要生物学功能通过高亲和力受体TrkB(tropomyosin receptor kinase B)介导。BDNF与TrkB结合后可诱导受体二聚化并发生酪氨酸残基自磷酸化,从而激活多个下游信号通路,包括PI3K/Akt、MAPK/ERK以及PLC-γ通路等 [9,10]。这些信号网络共同调控神经元存活、轴突生长和突触可塑性。
1.2.1 MAPK/ERK通路
MAPK/ERK通路是BDNF-TrkB信号最经典的下游通路之一。TrkB受体磷酸化后可通过Shc和Grb2等接头蛋白激活Ras-Raf-MEK-ERK级联反应。活化的ERK进入细胞核后可磷酸化多种转录因子,如CREB,从而调控神经元分化和突触相关基因表达。
该通路在树突生长、突触形成以及长期记忆形成中发挥重要作用,是BDNF调控学习和记忆的关键分子基础。
1.2.2 PI3K-Akt通路
PI3K-Akt信号通路主要参与细胞存活及抗凋亡调控。TrkB激活后可招募PI3K并促进Akt磷酸化。Akt进一步磷酸化Bad和GSK-3β等蛋白,从而抑制细胞凋亡并增强神经元存活能力 [10]。
在多种神经退行性疾病模型中,PI3K-Akt通路的激活通常与神经保护效应相关,因此被认为是BDNF介导神经保护的重要机制之一。
1.2.3 PLC-γ通路
PLC-γ通路主要参与细胞内钙信号调控。TrkB激活后可磷酸化PLC-γ,使其催化PIP2水解产生IP3和DAG。IP3可促进内质网Ca²⁺释放,而DAG则激活蛋白激酶C(PKC)。这些信号共同调控神经递质释放及突触可塑性。
PLC-γ信号在长时程增强(long-term potentiation,LTP)等突触可塑性过程中具有重要作用。
1.2.4 p75NTR信号通路
除TrkB外,BDNF前体pro-BDNF还可通过低亲和力受体p75NTR发挥作用。p75NTR通常与神经元凋亡、轴突修剪以及突触削弱相关。该受体可通过JNK和NF-κB等信号通路调控细胞命运。
因此,pro-BDNF/p75NTR 与 mBDNF/TrkB 两种信号轴之间的平衡被认为是决定神经元存活与突触可塑性的关键因素。
2. BDNF相关疾病
2.1 神经退行性疾病
在阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病中,BDNF表达普遍下降,这与神经元丢失及突触功能障碍密切相关。BDNF减少会削弱TrkB信号通路,从而降低神经元生存信号并加速神经退行过程。
在阿尔茨海默病模型中,BDNF表达降低与海马突触可塑性受损和认知功能下降密切相关。恢复BDNF信号可在一定程度上改善突触功能并减轻认知损伤。
2.2 精神疾病
BDNF在抑郁症、焦虑症及精神分裂症等精神疾病中同样发挥重要作用。研究表明,抑郁症患者血清BDNF水平通常降低,而抗抑郁治疗可部分恢复其表达。
BDNF通过调节海马神经发生及突触可塑性参与情绪调控,因此其表达异常可能导致情绪调节功能紊乱。
2.3 神经损伤
在脑卒中、脊髓损伤及创伤性脑损伤等情况下,BDNF表达会发生动态变化。BDNF可通过促进轴突再生、突触重建以及神经网络重塑参与神经功能恢复。
实验研究表明,提高BDNF水平能够促进神经再生并改善神经功能恢复。
2.4 疼痛与药物依赖
BDNF在慢性疼痛和阿片类药物耐受形成中具有重要作用。在脊髓水平,BDNF可增强突触传递并调节疼痛信号传导。
在吗啡耐受模型中,脊髓BDNF表达显著升高,而干预BDNF信号能够部分缓解耐受现象 [1]。这些研究提示BDNF可能是疼痛调控及药物依赖研究的重要分子靶点。
2.5 神经发育相关疾病
BDNF在神经发育过程中参与神经元迁移、轴突导向以及突触形成。因此,其表达异常可能影响神经网络形成并导致神经发育障碍。
近年来研究发现,BDNF与自闭症谱系障碍及注意缺陷多动障碍等疾病存在一定关联,特别是pro-BDNF向成熟BDNF转化异常可能影响突触可塑性并参与发育异常 [7]。
3. BDNF靶向药物最新研究进展
BDNF是促进神经元存活与可塑性的关键分子,其靶向药物研发已覆盖多种神经精神疾病。目前拉喹莫德已获批用于多发性硬化症,多项临床研究正探索BDNF调节剂在抑郁症、躁郁症等精神障碍中的疗效。临床前阶段项目则广泛布局阿尔茨海默病、帕金森病、青光眼及中枢神经系统损伤,涉及小分子化药、基因治疗及中药等多种技术路径,整体呈现多元化发展态势。部分在研管线整理如下表:
药物
类型
适应症
研发阶段
研发机构
拉喹莫德 小分子调节剂 多发性硬化症 已上市 Teva Pharmaceuticals
TrkB激动剂 小分子化合物 抑郁症/阿尔茨海默病 临床2期 多家药企
BDNF基因疗法 基因治疗 帕金森病/青光眼 临床1期 生物技术公司
7,8-二羟基黄酮 小分子TrkB激动剂 阿尔茨海默病 临床前 多个研究机构
中药活性成分(黄芩苷、人参皂苷Rb1等) 天然产物 抑郁症/神经损伤 临床前 国内科研院所
BDNF纳米递送系统 纳米制剂 中枢神经系统损伤 临床前 高校合作项目
(数据截止到2026年3月11日,来源于synapse)
4. BDNF研究工具推荐:重组蛋白、抗体与ELISA试剂盒选型指南
BDNF作为中枢神经系统中分布最广、研究最深入的神经营养因子,是连接神经可塑性、认知功能与多种神经精神疾病病理机制的核心分子,其信号通路调控已成为治疗阿尔茨海默病、抑郁症等难治性疾病的战略性靶点。华美生物提供BDNF重组蛋白、抗体及ELISA试剂盒产品,助力您进行相关机制研究及靶向药物开发。
● BDNF 重组蛋白
Recombinant Human Neurotrophic factor BDNF precursor form (BDNF)
CSB-EP002655HU(A4)
Recombinant Rat Brain-derived neurotrophic factor (Bdnf), partial
CSB-RP166394r
Recombinant Dog Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)
CSB-EP002655DO
● BDNF 抗体
BDNF Recombinant Monoclonal Antibody; CSB-RA567297A0HU
BDNF Recombinant Monoclonal Antibody; CSB-RA989910A0HU
● BDNF ELISA 试剂盒
Human Brain derived neurotrophic factor,BDNF ELISA Kit
CSB-E04501h
Mouse Brain derived neurotrophic factor,BDNF ELISA Kit
CSB-E04505m
Rat Brain derived neurotrophic facor,BDNF ELISA Kit
CSB-E04504r
Monkey Brain-derived neurotrophic factor(BDNF) ELISA kit
CSB-EL002655RH
参考文献:
[1] Zahra Khoshdel, Somayeh Ahmadpour Jirandeh, Mohammad Ali Takhshid, Farideh Jalali Mashayekhi, Shahla Shojaei, Ali Akbar Owji.(2019). The BDNF Protein and its Cognate mRNAs in the Rat Spinal Cord during Amylin-induced Reversal of Morphine Tolerance.
[2] Eli-Eelika Esvald, Jürgen Tuvikene, Andra Moistus, Käthy Rannaste, Susann Kõomägi, Tõnis Timmusk.(2022). Differential Regulation of the BDNF Gene in Cortical and Hippocampal Neurons.
[3] R Chow, J M Wessels, W G Foster.(2020). Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression and function in the mammalian reproductive Tract.
[4] Te Zhao, Lian-Hua Piao, Dan-Ping Li, Shi-Han Xu, Shu-Yi Wang, Hai-Bo Yuan, Chun-Xiao Zhang.(2023). BDNF gene hydroxymethylation in hippocampus related to neuroinflammation-induced depression-like behaviors in mice.
[5] Gilmara Gomes De Assis, Eugenia Murawska-Ciałowicz.(2024). BDNF Modulation by microRNAs: An Update on the.
[6] Iwona Przybylska, Jarosław Marusiak, Beata Toczyłowska, Adam Stępień, Bogdan Brodacki, Józef Langfort, Małgorzata Chalimoniuk.(2024). Association between the Val66Met (rs6265) polymorphism of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) gene, BDNF protein level in the blood and the risk of developing early‑onset Parkinson's disease.
[7] Feng Yang, He You, Toshiyuki Mizui, Yasuyuki Ishikawa, Keizo Takao, Tsuyoshi Miyakawa, Xiaofei Li, Ting Bai, Kun Xia, Lingling Zhang, Dizhou Pang, Yiran Xu, Changlian Zhu, Masami Kojima, Bai Lu.(2024). Inhibiting proBDNF to mature BDNF conversion leads to ASD-like phenotypes in vivo.
[8] V M Datta Darshan, Natarajan Arumugam, Abdulrahman I Almansour, Venketesh Sivaramakrishnan, Subbarao Kanchi.(2024). In silico energetic and molecular dynamic simulations studies demonstrate potential effect of the point mutations with implications for protein engineering in BDNF.
[9] Peiyuan Huang, Aofei Liu, Yutong Song, Jen M Hope, Bianxiao Cui, Liting Duan.(2020). Optical Activation of TrkB Signaling.
[10] Si-Rui Sun, Jia-Ning Zhao, Peng-Wei Bi, Hui-Ying Zhang, Guang-Xiang Li, Jiao-Zhao Yan, Yun-Feng Li, Yong-Yu Yin, Hao Cheng.(2025). Pharmacologically activating BDNF/TrkB signaling exerted rapid-acting antidepressant-like effects through improving synaptic plasticity and neuroinflammation.