DISC1在精神分裂癥發(fā)病機(jī)制中的作用

欽可為 劉秀杰

DISC1在精神分裂癥發(fā)病機(jī)制中的作用

欽可為 劉秀杰

染色體(1；11）(q42.1；q14.3）平衡易位后會(huì)引起斷點(diǎn)部位精神分裂癥斷裂基因1(disrupted-in-schizophrenia-1，DISC1）突變［1］。DISC1是很多精神疾病的潛在易感基因，已有研究表明，DISC1的基因突變、單核苷酸多態(tài)性與精神分裂癥、雙相障礙等精神疾病的發(fā)病都有密切關(guān)系［1，2］。但是DISC1參與精神疾病發(fā)病的作用機(jī)制還不清楚。近年來(lái)，有關(guān)DISC1的生物學(xué)特性，生理功能以及參與精神疾病發(fā)病的研究不斷深入。我們對(duì)目前的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 DISC1的生物學(xué)特性

1.1 DISC1的基因結(jié)構(gòu)

人類DISC1基因含13個(gè)外顯子，轉(zhuǎn)錄本全長(zhǎng)約7.5 kb。人DISC1基因可以選擇性剪切產(chǎn)生至少4個(gè)亞型：L亞型(long isoform，包括1-13外顯子，AF222980）；Lv亞型(long variant isoform，11號(hào)外顯子遠(yuǎn)端缺失66個(gè)堿基，AB007926）；S亞型(short isoform，9號(hào)內(nèi)含子選擇性3'UTR末端，AJ06177）；Es亞型(extremely short isoform，1a外顯子選擇性剪切并且在3號(hào)外顯子后終止轉(zhuǎn)錄，AJ506178）。成人腦內(nèi)海馬區(qū)主要表達(dá)DISC1全長(zhǎng)mRNA，而其他亞型的轉(zhuǎn)錄子表達(dá)很少［2］。在獼猴、小鼠、大鼠以及斑馬魚等其他物種中，研究人員也都發(fā)現(xiàn)了DISC1的表達(dá)。DISC1在進(jìn)化上較保守，但在物種之間仍存在一定差異。

1.2 DISC1的蛋白結(jié)構(gòu)

全長(zhǎng)的人DISC1蛋白含854個(gè)氨基酸，它的氨基端由1，2號(hào)外顯子編碼形成一個(gè)“球形功能域(1～350 aa）”，而羧基末端則由3～13號(hào)外顯子編碼形成富含螺旋結(jié)構(gòu)的區(qū)域(351～854 aa）。氨基端區(qū)域缺少二級(jí)結(jié)構(gòu)，富含絲氨酸、丙氨酸、甘氨酸等序列。羧基端區(qū)域則富含許多環(huán)狀結(jié)構(gòu)域，其中包括2個(gè)亮氨酸拉鏈基序，這些環(huán)狀區(qū)域有利于DISC1與其他蛋白間的結(jié)合，在進(jìn)化上也較保守。

1.3 DISC1的表達(dá)

DISC1在成體和胚胎的許多組織中都有表達(dá)，包括心臟、腦、胎盤、腎臟和胰腺等組織，尤其在胎盤、心臟和腦中表達(dá)較高。DISC1在人腦多個(gè)腦區(qū)中都有廣泛表達(dá)，其中，在海馬齒狀回中的表達(dá)較高，而在顳側(cè)和海馬旁皮層內(nèi)的表達(dá)較低［2］。DISC1的亞細(xì)胞定位具有一定的特異性，在神經(jīng)元的軸突末端、突觸后區(qū)域、線粒體、中心體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及細(xì)胞核等區(qū)域均有表達(dá)［3］。DISC1在腦組織發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。在人腦組織中，DISC1 mRNA在產(chǎn)前、新生兒期和青春期的表達(dá)較高，而在成年期則表達(dá)較低。而在海馬中，從發(fā)育期到成年DISC1都有表達(dá)。在齒狀回顆粒細(xì)胞中，DISC1在出生后第一周內(nèi)表達(dá)升高并一直持續(xù)到成年期，而CA 1區(qū)DISC1的表達(dá)在成年期則逐漸降低［4］。DISC1的表達(dá)模式表明其在神經(jīng)元發(fā)育和成熟過(guò)程中可能扮演著重要角色。

2 DISC1基因與精神疾病的關(guān)系

1990年，St Clair等［5］首次報(bào)道在某精神病高發(fā)的蘇格蘭家族中，精神病易感性與(1；11）染色體平衡易位突變具有關(guān)聯(lián)性。在調(diào)查隨訪的77名家族成員中，有34名染色體易位攜帶者，其中發(fā)現(xiàn)有16人患精神疾??；而另外43名非易位攜帶者成員中僅有5人被診斷為精神病。通過(guò)對(duì)1和11號(hào)染色體易位突變斷點(diǎn)部位的分子遺傳學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)1號(hào)染色體斷點(diǎn)部位的兩個(gè)表達(dá)序列最具易感基因特征，將其命名為DISC1和DISC2。

3 DISC1的生理功能及其在精神疾病發(fā)病中的作用機(jī)制

迄今為止，對(duì)DISC1的生理功能及其在精神疾病發(fā)病中的作用機(jī)制的研究主要是通過(guò)尋找并解析其相互作用分子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。已有的研究發(fā)現(xiàn)了眾多DISC1的相互作用伴侶，DISC1結(jié)合分子的發(fā)現(xiàn)不但加深了我們對(duì)該分子生理功能的認(rèn)識(shí)，而且這些結(jié)果表明，DISC1的確與精神疾病的發(fā)病有著密切的聯(lián)系。

3.1 DISC1與LIS1，NUDE，NUDEL間的相互作用

無(wú)腦回基因(lissencephaly1，LIS1）是無(wú)腦回畸形病的易感基因。LIS1可以與核分布因子E(nuclear distribution factor，NUDE），和核分布因子E同源蛋白(NUDE-like，NUDEL）結(jié)合［6］。LIS1、NUDE和NUDEL基因突變會(huì)造成神經(jīng)元發(fā)生和遷移異常。LIS1、NUDEL和NUDE均可定位于中心體，而中心體在決定遷移方向以及把細(xì)胞核拉向神經(jīng)突的過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。缺乏LIS1和NUDEL的細(xì)胞中，核和中心體之間的距離異常大［7］。LIS1和NUDEL還影響微管的穩(wěn)定和形成，并會(huì)參與微管相關(guān)的的軸漿運(yùn)輸。NUDEL基因敲減引起細(xì)胞骨架和/或或軸漿運(yùn)輸異常，導(dǎo)致神經(jīng)突生長(zhǎng)抑制。

DISC1與LIS1、NUDEL、NUDE、動(dòng)力蛋白(dynein）及動(dòng)力蛋白激活蛋白(dynactin）等均可結(jié)合［8，9］。DISC1可以定位于中心體而參與控制微管動(dòng)力，過(guò)表達(dá)C末端缺失突變的DISC1可以阻斷LIS1、NUDEL、dynein及dynactin在中心體的蓄積。表達(dá)突變的DISC1可以引起微管結(jié)構(gòu)的解聚，延遲微管星體的形成。過(guò)表達(dá)全長(zhǎng)DISC1可以促進(jìn)神經(jīng)突的生長(zhǎng)，而過(guò)表達(dá)C末端缺失的DISC1或基因敲除DISC1的表達(dá)都會(huì)抑制PC12細(xì)胞突起的生長(zhǎng)，阻斷DISC1和NUDEL的結(jié)合可以抑制神經(jīng)突的生長(zhǎng)［9］。這表明，DISC1以及DISC1/NUDEL的結(jié)合參與了對(duì)神經(jīng)突生長(zhǎng)的調(diào)控。這些研究表明，DISC1參與了LIS1/NUDE/NUDEL通路參與的微管活動(dòng)。DISC1與微管蛋白(-tubulin）和中心粒旁素(pericentrin B）也有結(jié)合，這對(duì)于LIS/NUDEL蛋白復(fù)合體在中心體上的定位是極為重要的。用胚胎電轉(zhuǎn)的方法敲減孕14.5天小鼠大腦中的DISC1表達(dá)，在出生后第2天檢測(cè)發(fā)現(xiàn)從室旁區(qū)向皮層的神經(jīng)元遷移受到了抑制，出生后第14天發(fā)現(xiàn)部分神經(jīng)元遷移出現(xiàn)錯(cuò)位和異常的樹突分支［10］，這表明，DISC1參與了對(duì)神經(jīng)元遷移的調(diào)控。在小鼠腦內(nèi)，NUDEL和DISC1之間的結(jié)合是隨發(fā)育而變化的，這種結(jié)合變化與神經(jīng)元遷移、皮層發(fā)育等過(guò)程中DISC1的表達(dá)變化在一定程度上是一致的，這也表明DISC1參與了神經(jīng)發(fā)育過(guò)程的調(diào)節(jié)。總之，DISC1與NUDEL、LIS1等間的結(jié)合參與了對(duì)細(xì)胞有絲分裂、神經(jīng)元遷移、神經(jīng)元突起生長(zhǎng)以及細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等多種生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)。DISC1與這些分子間的結(jié)合可能參與了DISC1相關(guān)精神分裂癥的發(fā)病。

3.2 DISC1與PDE4B間的結(jié)合

PDE4B是磷酸二酯酶(phosphodiesterase-4s，PDE4s）家族成員之一，PDE4s可以水解cAMP而廣泛參與細(xì)胞內(nèi)多種活動(dòng)的調(diào)節(jié)。在基因敲除，精神病藥物治療等實(shí)驗(yàn)中，已有很多遺傳及生化研究證明PDE4s與精神疾病相關(guān)。Millar等［11］發(fā)現(xiàn)PDE4B的UCR2調(diào)節(jié)域能與DISC1的N端結(jié)合，這種結(jié)合是cAMP依賴性的，cAMP水平升高會(huì)導(dǎo)致PDE4B與71kDa的DISC1解離，同時(shí)伴有PDE4B催化活性增加。由這些結(jié)果可以推斷，cAMP水平升高可以使DISC1與PDE4B間的結(jié)合解離，從而解除DISC1對(duì)PDE4B活性的抑制。N-乙基-N-亞硝基脲(N-ethyl-N-nitrosourea，ENU）誘導(dǎo)產(chǎn)生小鼠第二個(gè)外顯子編碼區(qū)Q31L與L100P兩個(gè)位點(diǎn)突變，突變小鼠表現(xiàn)出抑郁樣、精神分裂樣癥狀，這些表型可以被抗抑郁及抗精神分裂藥物所緩解，這兩個(gè)位點(diǎn)的突變可以使DISC1與PDE4B間的結(jié)合減少［12］。顯然，DISC1可以通過(guò)與PDE4B的結(jié)合對(duì)其活性產(chǎn)生調(diào)控，這個(gè)過(guò)程很可能參與了DISC1相關(guān)精神疾病的發(fā)病。

3.3 DISC1-FEZ1間的結(jié)合

Miyoshi等［13］發(fā)現(xiàn)DISC1與成束和延伸因子ζ-1 (fesciculation and elongation factor zeta 1，F(xiàn)EZ1）可以結(jié)合，它們與肌動(dòng)蛋白(F-actin）也可以結(jié)合形成復(fù)合體。DISC1和FEZ1在神經(jīng)元發(fā)育早期即有表達(dá)，在大鼠海馬，皮層和嗅球等多個(gè)腦區(qū)兩者存在廣泛共存。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)合可能參與了神經(jīng)突的生長(zhǎng)過(guò)程。在PC12細(xì)胞中，神經(jīng)生長(zhǎng)因子刺激可以增強(qiáng)DISC1與FEZ1間的結(jié)合，促進(jìn)神經(jīng)突生長(zhǎng)。而阻斷兩者間的結(jié)合后，神經(jīng)突的生長(zhǎng)也受到抑制。這些結(jié)果提示，DISC1有可能在發(fā)育期通過(guò)與FEZ1以及F-actin的結(jié)合來(lái)參與調(diào)節(jié)神經(jīng)突生長(zhǎng)。在一個(gè)日本人群的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EZ1的SNP與精神分裂癥的發(fā)病存在關(guān)聯(lián)［14］，F(xiàn)EZ1基因敲除小鼠表現(xiàn)出明顯的活動(dòng)過(guò)度和對(duì)精神類興奮藥反應(yīng)增加的表現(xiàn)。那么，在DISC1基因發(fā)生易位斷裂后，是否影響到了FEZ1與DISC1之間的結(jié)合，從而影響到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育成熟并引起精神分裂癥的發(fā)病呢？這是一個(gè)需要深入探討的問(wèn)題。

3.4 DISC1與14-3-3蛋白和Kinesin-1間的相互作用

14-3-3蛋白約占可溶性腦蛋白總數(shù)的1%，它們參與了許多重要的腦功能活動(dòng)。14-3-3可以通過(guò)與-synuclein結(jié)合參與帕金森病的發(fā)病，而14-3-3、LIS1和NUDEL蛋白在生長(zhǎng)錐中的蓄積有賴于DISC1和Kinesin-1的存在。在精神分裂癥患者前額葉大腦皮層中14-3-3基因的表達(dá)下降，某些14-3-3基因在精神藥物用藥過(guò)程中表達(dá)有變化［15］。DISC1有可能作為轉(zhuǎn)運(yùn)體參與轉(zhuǎn)運(yùn)14-3-3ε、LIS1和NUDEL等蛋白到生長(zhǎng)錐中而調(diào)節(jié)軸突生長(zhǎng)。Cecconi等［16］用抗抑郁藥物氟西汀治療小鼠，對(duì)其腦皮層神經(jīng)元進(jìn)行蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，14-3-3家族中的兩種亞型14-3-3η與14-3-3ζ與精神疾病有關(guān)聯(lián)。這提示，DISC1與14-3-3可能參與了精神疾病的發(fā)病。

眾多DISC1結(jié)合蛋白的發(fā)現(xiàn)表明，DISC1在大腦中可能起到一個(gè)樞紐作用，通過(guò)與多種分子形成復(fù)合體參與調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架形成、細(xì)胞周期循環(huán)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等眾多細(xì)胞內(nèi)事件。DISC1功能的重要性和廣泛性可以用來(lái)解釋它與精神分裂癥發(fā)病的關(guān)系。盡管眾多遺傳學(xué)證據(jù)表明精神疾病是受多基因、多因素影響的，但由于DISC1是一個(gè)參與了多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過(guò)程的樞紐蛋白，DISC1單基因的突變就可能導(dǎo)致精神疾病的發(fā)生。

3.5 DISC1的其他功能

在整體動(dòng)物水平進(jìn)行基因操控是研究基因生理功能的最佳途徑，例如進(jìn)行條件性基因敲除、轉(zhuǎn)基因等人為改變某一基因的時(shí)空表達(dá)模式，觀察對(duì)動(dòng)物各項(xiàng)表征的影響。然而，可能是由于DISC1的剪切機(jī)制復(fù)雜，剪切體眾多，DISC1的基因敲除小鼠一直沒(méi)能夠制備成功。Hikida等［17］制備了DISC1負(fù)性突變體的轉(zhuǎn)基因小鼠，該小鼠表現(xiàn)出精神分裂樣表現(xiàn)，并伴有側(cè)腦室的不對(duì)稱擴(kuò)大，這些表現(xiàn)與人類患者很相似。有研究者將慢病毒介導(dǎo)的RNA干擾載體注射至成體小鼠海馬齒狀回區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新生神經(jīng)元中DISC1在單細(xì)胞水平的敲減。他們的研究發(fā)現(xiàn)，DISC1表達(dá)水平的下調(diào)可以加速海馬新生神經(jīng)元的發(fā)育，導(dǎo)致神經(jīng)元胞體過(guò)大、樹突和突觸過(guò)度發(fā)育、動(dòng)作電位增強(qiáng)以及新生神經(jīng)元遷移異常等［18］。也有研究報(bào)道，通過(guò)病毒介導(dǎo)的RNA干擾減少DISC1的表達(dá)可以抑制神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖，使其退出細(xì)胞循環(huán)周期并開始分化。這一效應(yīng)被認(rèn)為是DISC1與糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase3β，GSK3β）相互結(jié)合并通過(guò)β-catenin信號(hào)通路所作用的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然，隨著對(duì)DISC1結(jié)合蛋白相關(guān)功能的研究，我們對(duì)DISC1這種精神疾病風(fēng)險(xiǎn)因子的特性以及致病過(guò)程等都有更深入的認(rèn)識(shí)。但是，仍然存在許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。首先，DISC1的遺傳學(xué)特性及其與精神病發(fā)病的確切關(guān)聯(lián)還不十分清楚。其次，DISC1的多個(gè)亞型及DISC2的功能還有待深入研究。另外，有關(guān)DISC1基因上游轉(zhuǎn)錄調(diào)控事件也有待深入研究，這對(duì)于闡明DISC1家族成員功能及參與精神疾病發(fā)病是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。與疾病相關(guān)的基因突變引起DISC1在生化學(xué)特性、生理學(xué)功能變化并參與相關(guān)疾病的發(fā)病研究仍將是本領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

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2009-06-08）

(本文編輯：張文霞）

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(30970999）

第二軍醫(yī)大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所，長(zhǎng)征醫(yī)院神經(jīng)科學(xué)研究中心 200433(欽可為，第二軍醫(yī)大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)2008級(jí)學(xué)員）。通信作者：劉秀杰，電子信箱lxj186517@126.com