原鈣粘蛋白與精神分裂癥

周勝利 陳 剛

原鈣粘蛋白(Protocadherin，PCDH)屬于鈣粘蛋白家族。鈣粘蛋白是一種同親型結(jié)合Ca2+依賴的細(xì)胞黏著糖蛋白，對(duì)胚胎發(fā)育中的細(xì)胞識(shí)別、遷移、組織分化以及成體組織器官的構(gòu)成具有重要作用。不同細(xì)胞及發(fā)育不同階段的細(xì)胞，其表面的鈣粘蛋白的種類與數(shù)量均有所不同。而PCDH主要在腦中合成，在突觸連接處也存在，在各種類型組織的發(fā)育中，PCDH似乎主要作用在中樞神經(jīng)系統(tǒng)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有多種PCDH，它們對(duì)突觸結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定具有作用。目前認(rèn)為其表達(dá)過(guò)程涉及利用不同的啟動(dòng)子和RNA剪接產(chǎn)生不同的原鈣粘蛋白，原鈣粘蛋白組合表達(dá)產(chǎn)物決定突觸連接的特異性，從而影響神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。精神分裂癥是一種常見(jiàn)的重型精神疾病，終生患病率約為0.5% ～1%［1］，精神分裂癥的發(fā)病可能與PCDH相關(guān)，本文對(duì)其進(jìn)行綜述。

1 原鈣粘蛋白(PCDH)概述

原鈣粘蛋白在胞外區(qū)通常有6～7個(gè)串聯(lián)重復(fù)單位，也有一個(gè)一次跨膜結(jié)構(gòu)域，胞質(zhì)區(qū)和經(jīng)典鈣粘蛋白有一些相似性。在基因結(jié)構(gòu)中，PCDH和經(jīng)典鈣粘蛋白的顯著差異在于，PCDH基因的外顯子異常巨大［2］。PCDH基因家族成員的胞外域都是由單個(gè)大的外顯子編碼，同樣，PCDH的跨膜結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)短的細(xì)胞質(zhì)部分也是由大的單個(gè)外顯子編碼，形成完整的PCDH分子。根據(jù)PCDH基因組結(jié)構(gòu)的不同，原鈣粘蛋白家族又可以分為兩個(gè)亞型:聚集型 PCDH和非聚集型PCDH。目前，聚集型 PCDH可被細(xì)分為 PCDHɑ，PCDHβ和PCDHγ。非聚集型PCDH可再被分為3個(gè)組群，分 別是 PCDHδ1(PCDH1、PCDH7、PCDH9、PCDH11)，PCDHδ2(PCDH8、 PCDH10、 PCDH17、PCDH18、PCDH19)和單體 PCDHs(PCDH15、PCDH16、PCDH21、MUCDHL)［3］。

2 原鈣粘蛋白(PCDH)與神經(jīng)發(fā)育

在神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中，神經(jīng)回路的功能涉及幾乎所有階段的細(xì)胞間精確調(diào)控的相互作用，包括神經(jīng)元分化，神經(jīng)元遷移，軸突分枝，樹(shù)突分枝，突觸形成和穩(wěn)定［4］。這需要大量細(xì)胞表面受體協(xié)調(diào)行動(dòng)，細(xì)胞表面受體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)使神經(jīng)元在神經(jīng)回路發(fā)展中扮演重要角色。PCDH包含了一個(gè)在脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)的細(xì)胞表面受體家族。細(xì)胞表面受體蛋白的多樣性可能與單個(gè)神經(jīng)元起作用，單個(gè)神經(jīng)元表達(dá)多種細(xì)胞識(shí)別分子，通過(guò)形成不同的神經(jīng)元組件來(lái)生成各種腦功能。生成神經(jīng)元組件和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制涉及分子代碼，正是分子代碼賦予神經(jīng)元個(gè)性，讓其識(shí)別不同的神經(jīng)元。PCDH是一個(gè)大型亞科內(nèi)的鈣粘蛋白，集群PCDH基因是由3個(gè)串聯(lián)的基因編碼，并出現(xiàn)在所有的已知脊椎動(dòng)物基因組中。集群PCDH基因以一種隨機(jī)組合的方式在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)表達(dá)。此外，由異性多亞基蛋白PCDH亞型構(gòu)成的順式四聚體是細(xì)胞與細(xì)胞間相互作用的選擇性結(jié)合單位，顯然集群PCDH基因產(chǎn)物在軸突發(fā)生、突觸形成和神經(jīng)元的存活中起重要作用［5］。根據(jù) Yagi T［6］在哺乳動(dòng)物中的研究，集群PCDH家族包括3個(gè)基因群PCDH-ɑ，PCDH-γ，PCDH-β。在大腦發(fā)育中，這個(gè)家族由于神經(jīng)元分化呈現(xiàn)上行調(diào)節(jié)，然而PCDH-ɑ則由于髓鞘形成產(chǎn)生抑制調(diào)節(jié)。集群PCDH在嗅球，海馬和小腦中直到成年都持續(xù)表達(dá)。分析PCDH-ɑ蛋白第一個(gè)鈣粘蛋白結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有經(jīng)典鈣粘蛋白的那種需要親同種抗原粘附的特性，但包含了一個(gè)PCDH特異的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在PCDH-ɑ中，一個(gè)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)環(huán)狀超二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)合beta1整合素。基因簇的表達(dá)由多個(gè)啟動(dòng)子和獨(dú)聯(lián)體剪切調(diào)控。在單細(xì)胞水平，幾十個(gè)PCDH-ɑ和PCDH-β mRNA被調(diào)控導(dǎo)致不同的外顯子組合表達(dá)。PCDH-ɑ和PCDH-γ蛋白質(zhì)形成的低聚物在細(xì)胞表面進(jìn)一步增加了分子多樣性。

Bass T等［7］在斑馬魚(yú)的10號(hào)和14號(hào)染色體發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)PCDH基因簇，每個(gè)基因簇又被分成PCDH-ɑ和PCDH-γ亞基因簇家族，預(yù)計(jì)有100個(gè)PCDH分子。通過(guò)分析4個(gè)PCDH亞基因簇的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育中的斑馬魚(yú)神經(jīng)系統(tǒng)中PCDH轉(zhuǎn)錄物上調(diào)，在成年魚(yú)腦中，4個(gè)PCDH基因簇在分化的神經(jīng)元中都有表達(dá)，尤其在丘腦核、頂蓋和小腦中。每個(gè)基因簇的表達(dá)模式部分重疊，但有部位差異和表達(dá)強(qiáng)度的不同，PCDH-γ也在神經(jīng)元前體細(xì)胞，胚胎室管膜細(xì)胞及成年神經(jīng)系統(tǒng)表達(dá)。研究表明，不同的PCDH在分化的斑馬魚(yú)神經(jīng)元中表達(dá)，進(jìn)而表明PCDH在細(xì)胞粘附和信號(hào)傳導(dǎo)中的保守功能。

Lefebvre JL等［8］用一種條件突變?nèi)シ治鯬CDH-γ基因在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能中的作用，視網(wǎng)膜PCDH-γ特異性缺失導(dǎo)致小鼠在首次產(chǎn)后兩周中間神經(jīng)元和視網(wǎng)膜調(diào)節(jié)細(xì)胞的自然死亡率增高。通過(guò)基因敲除bax凋亡基因來(lái)阻止細(xì)胞凋亡，發(fā)現(xiàn)即使注定凋亡的細(xì)胞，在數(shù)量和質(zhì)量上也會(huì)有一定的關(guān)聯(lián)。此外，電生理分析在沒(méi)有PCDH-γ基因存在時(shí)，視覺(jué)信息的處理基本正常。結(jié)果表明，PCDH-γ基因在視網(wǎng)膜具體細(xì)化方面可有可無(wú)，但在細(xì)胞凋亡周期過(guò)程中，在確定神經(jīng)元數(shù)量、大小及比例方面起主導(dǎo)作用。

轉(zhuǎn)錄阻抑物CTCF(Colorado Territorial Correctional Facility)，又叫11-鋅指蛋白或CCCTC-結(jié)合因子，是CTCF基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子，與絕緣體的活性相關(guān)。CTCF是染色體構(gòu)象改變的關(guān)鍵分子，Hirayama T等［9］在大鼠有絲分裂后期的神經(jīng)元中采取CTCF條件性基因敲除后，大鼠則表現(xiàn)產(chǎn)后生長(zhǎng)緩慢，行為異常，并且大腦支配的功能性軀體感覺(jué)有缺陷。在基因表達(dá)方面，CTCF缺陷大鼠和正常對(duì)照大鼠的皮層和海馬之間，390個(gè)轉(zhuǎn)錄片段的表達(dá)有顯著差異，尤其在神經(jīng)元中隨機(jī)表達(dá)的53個(gè)PCDH基因亞型的表達(dá)量顯著下降。在大腦發(fā)育中，CTCF缺陷大鼠顯示其樹(shù)突分枝和脊椎密度有缺陷。雖然它們的興奮性突觸后電流顯示正常振幅，但只在低頻率下發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CTCF通過(guò)控制PCDH的表達(dá)，調(diào)節(jié)功能性神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)元的多樣性。

3 原鈣粘蛋白(PCDH)在精神分裂癥中的研究

在精神分裂癥(SZ)患者中，神經(jīng)發(fā)育異常是最有力的病因?qū)W假說(shuō)之一。Gregório SP等［10］利用 MRI獲取SZ患者腦部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，研究了30個(gè)關(guān)于神經(jīng)發(fā)育和大腦發(fā)育的基因，發(fā)現(xiàn)32個(gè)DNA多態(tài)性與大腦層結(jié)構(gòu)之間可能存在關(guān)聯(lián)。取25名SZ患者的外周血細(xì)胞，使用多種程序進(jìn)行基因分型，用修正的Bonferroni調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方法評(píng)價(jià)這種假定的關(guān)聯(lián)。假定關(guān)聯(lián)同樣在PCDH12之間被發(fā)現(xiàn)，PCDH12是一種參與軸突指導(dǎo)和突觸特異性及細(xì)胞折疊的細(xì)胞粘附分子，故PCDH12可能與SZ有關(guān)聯(lián)。

Pedrosa E 等［11］在 SZ 和雙向障礙(Bipolar disorder，BD)的關(guān)聯(lián)分析中，定位了一些變異特別強(qiáng)的PCDH編碼基因作為候選區(qū)域，其中一個(gè)是與5q31關(guān)聯(lián)的PCDH家族。它包括超過(guò)50個(gè)外顯子編碼的3個(gè)相關(guān)的遠(yuǎn)距離基因 PCDH-ɑ，PCDH-γ 和 PCDH-β。通過(guò)利用不同的啟動(dòng)子和不同的剪切方式可產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的不同原鈣粘附蛋白。他們用抗體共價(jià)修飾H3組蛋白的芯片技術(shù)定位PCDH-ɑ增強(qiáng)子，研究增強(qiáng)子上的SNP位點(diǎn)rs31745。發(fā)現(xiàn)在BD中，此位點(diǎn)的等位基因在BD患者中純合子顯著增加，分析顯示，SNP可引起和大腦蛋白特異性有關(guān)的等位基因改變。因此，5q31關(guān)聯(lián)位點(diǎn)被看作是一個(gè)精神疾病的易感位點(diǎn)。Lachman HM 等［12］在5q31關(guān)聯(lián)位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)16.7 kb的缺失，影響PCDH-ɑ外顯子8-10，這種多態(tài)性拷貝數(shù)變異被認(rèn)為是潛在的SZ和BD易感位點(diǎn)。他們用缺失特異性引物擴(kuò)增DNA，然后通過(guò)電泳來(lái)確定一群來(lái)自美國(guó)白人SZ和一群來(lái)自捷克的BD及相應(yīng)對(duì)照樣中ɑ8-ɑ10的變異頻率。然而，在SZ和BD與正常人的對(duì)照中并未發(fā)現(xiàn)明顯的ɑ8-ɑ10頻率變異。盡管是陰性結(jié)果，但從理論和連鎖分析綜合考慮，還是認(rèn)為5q31位點(diǎn)是SZ和BD的易感位點(diǎn)。

Dean B等［13］用限制性片段差異顯示(RADD)測(cè)量了波特曼地區(qū)46個(gè)精神分裂癥患者和對(duì)照組的mRNA表達(dá)水平，確定的mRNA利用實(shí)時(shí)定量PCR，PCR和免疫印記技術(shù)再做進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)MBNL1和PCDH17的mRNA水平在病程較短的患者中增高，而非慢性患者。研究表明，基因表達(dá)水平差異可能緣于精神分裂癥的持續(xù)時(shí)間。MBNL1和PCDH17應(yīng)作為精神分裂癥的易感基因需要進(jìn)一步研究。

突觸發(fā)生是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的重要一環(huán)，參與這個(gè)過(guò)程的PCDH基因是細(xì)胞突觸形成和相應(yīng)細(xì)胞識(shí)別的主要因子。Durand CM等［14］分別研究了位于X和Y染色體上兩個(gè)表達(dá)和變異緊密相聯(lián)的PCDH家族成員PCDH11X/Y。PCDH11Y是人類特有的罕見(jiàn)基因，PCDH11X/Y轉(zhuǎn)錄主要在大腦皮層。對(duì)30個(gè)自閉癥患者基因篩查發(fā)現(xiàn)兩個(gè)PCDH11Y多態(tài)性變異氨基酸F885V和K980N，與本病完全關(guān)聯(lián)。他們又在男性自閉癥(n=110)，多動(dòng)癥(n=61)，躁郁癥(n=61)，強(qiáng)迫癥(n=51)，精神分裂癥(n=61)和相應(yīng)的對(duì)照組之間做了變異頻率的研究，卻未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。Giouzeli M等［15］用變性高效液相色譜技術(shù)檢測(cè)精神分裂癥和分裂情感性精神病患者在PCDHX和 PCDHY基因組編碼序列及相鄰內(nèi)含子序列上的差異。發(fā)現(xiàn)PCDHX有3個(gè)編碼變異，PCDHY有2個(gè)變異，但是均和家族性精神病無(wú)關(guān)。盡管PCDHX和PCDHY的序列變異與精神疾病無(wú)關(guān)，但發(fā)現(xiàn)了該區(qū)域X染色體失活的特有狀態(tài)，因此，PCDHX/Y控制的表觀遺傳學(xué)與精神疾病的關(guān)系值得深入研究。

PCDH8基因定位于13號(hào)染色體，有證據(jù)表明和SZ的發(fā)生有關(guān)。Bray NJ等［16］用DHPLC對(duì)30例SZ患者的PCDH8基因表達(dá)序列和5端超過(guò)800bp的側(cè)翼序列進(jìn)行了多態(tài)性篩查，發(fā)現(xiàn)了9個(gè)SNP位點(diǎn)，其中包括PCDH8基因第一個(gè)外顯子內(nèi)的3個(gè)位點(diǎn)。多態(tài)性可引起氨基酸的改變，可使SZ患者和對(duì)照組中產(chǎn)生氨基酸的表達(dá)差異，然而這種多態(tài)性在家族遺傳上并未優(yōu)先傳遞。另外，在SZ患者和其兄弟姐妹中發(fā)現(xiàn)的稀有單核苷酸變異也未在大樣本中得到驗(yàn)證，這些結(jié)果表明似乎PCDH8多態(tài)性對(duì)SZ易感性可能僅有微弱作用。

4 小結(jié)

原鈣粘蛋白在生物發(fā)育，尤其是中樞性神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中起重要作用，并且與精神疾病有密切關(guān)聯(lián)。盡管其在精神疾病發(fā)病機(jī)制中的研究還處在初級(jí)階段，但隨著新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其進(jìn)一步的研究將會(huì)對(duì)精神疾病的診斷與治療產(chǎn)生重大的意義。

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