cofilin蛋白的調(diào)節(jié)機(jī)制對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

申亞輝　馮禹楠　閆曉東

(1空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院骨科, 陜西 西安 710038; 2空軍軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員旅，陜西 西安 710032)

細(xì)胞骨架中的肌動蛋白參與了一系列的重要生理活動，包括肌肉收縮、胞質(zhì)分裂、神經(jīng)纖維再生與退行性改變等。這些生理過程的實(shí)現(xiàn)除了需要肌動蛋白參與，還需要一些能夠起到調(diào)節(jié)肌動蛋白聚合和解聚作用的蛋白。根據(jù)最近的研究表明，分子量為15～20 kDa的肌動蛋白解聚因子/絲切蛋白分子家族(ADF/cofilin family)如肌動蛋白解聚因子(actin depolymerizing factor, ADF)、絲切蛋白(cofilin)、抑制蛋白(profilin)、載肌動蛋白(actophorin)等能夠在一定條件下起到使肌動蛋白微絲解聚的作用，從而影響細(xì)胞骨架蛋白動力學(xué)。

一、cofilin的蛋白結(jié)構(gòu)與信號通路

人類的ADF/cofilin蛋白能夠編碼166個氨基酸。在基因水平，cofilin基因有2種亞型，分別為cofilin-1和cofilin-2。其中cofilin-1基因定位于11q13染色體，cofilin-2基因定位于14號染色體[1]。在蛋白水平，cofilin-1主要表達(dá)在非肌肉組織，特別是腦組織。cofilin-2主要在肌肉組織中表達(dá)如骨骼肌和心肌等，且為成熟骨骼肌中唯一的亞型。cofilin家族的全序列和功能區(qū)域都是高度保守的。其中，第98位的天冬氨酸和第133位的組氨酸搭成一個鹽橋，以穩(wěn)定分子及為其提供適合的pH環(huán)境[2]。

cofilin不僅參與多種細(xì)胞調(diào)節(jié)過程，如細(xì)胞運(yùn)動、胞質(zhì)環(huán)流等，而且與多種信號通路或分子相互作用，如絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號通路。分子量為38 kDa的絲裂原活化蛋白激酶(P38/MAPK)通路作為“應(yīng)激誘導(dǎo)”的MAPK，主要參與了細(xì)胞的增殖與凋亡，在許多神經(jīng)退行性疾病中均被廣泛激活，且與神經(jīng)元增長呈負(fù)相關(guān)性。

二、cofilin蛋白對肌動蛋白的調(diào)節(jié)機(jī)制

cofilin蛋白活性受到自身磷酸化與去磷酸化的調(diào)節(jié)。cofilin可以從絲狀肌動蛋白上剪切掉肌動蛋白單體，從而減小絲狀肌動蛋白長度，進(jìn)而解聚肌動蛋白。在cofilin蛋白家族中最為保守的氨基酸位點(diǎn)為其N末端的絲氨酸3(Ser3)位點(diǎn)。當(dāng)Ser3位點(diǎn)被磷酸化時(shí)，cofilin剪切肌動蛋白單體的活性被抑制，cofilin蛋白失活形成p-cofilin。這使得絲狀肌動蛋白數(shù)量、長度增加，并在一定程度上提高了F肌動蛋白的穩(wěn)定性[3]。

涉及cofilin的磷酸化酶主要有兩類，分別是LIM激酶(lin-11/ISI-1/MCC-3, LIMK)和睪丸蛋白激酶(testicular protein kinase, TESK)。它們能特異地結(jié)合Ser3位點(diǎn)使之磷酸化。LIMK為普遍存在于Rho家族下游的激酶。Rho鳥苷三磷酸酶家族(Rho-GTPases)，活化的大鼠肉瘤相關(guān)肉毒素底物(Ras-related C3 botulinum toxin substrate, Rac)和細(xì)胞周期分裂蛋白42(cell division cycle 42, Cdc42)是與肌動蛋白(actin)和微管蛋白(tubulin)細(xì)胞骨架及神經(jīng)突觸重塑密切相關(guān)的調(diào)節(jié)因子。它們能通過效應(yīng)激酶Rho相關(guān)激酶(Rho-associated kinase, ROCK)和p21活性激酶(p21-activated kinase, PAK)分別激活LIM區(qū)域激酶1(LIM-domain kinase 1, LIMK1)，進(jìn)而促進(jìn)cofilin磷酸化[4]。Pandey等[5]的研究發(fā)現(xiàn)LIMK間接活化也可以通過溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid, LPA)刺激血小板引起。

涉及cofilin的去磷酸化酶主要有兩類，分別是絲切蛋白磷酸酶家族(slingshot phosphatases, SSH)和鹵酸脫鹵酶家族(haloaciddehalogenase, HAD)的絲切蛋白活化磷酸酶(chronophin, CIN)[6]。其中，SSH廣泛分布在哺乳動物的各種組織中，CIN磷酸酶主要分布在人大腦中。兩者共同的作用是水解發(fā)生磷酸化的Ser3的磷酸基，進(jìn)而激活cofilin蛋白的促進(jìn)肌動蛋白絲的解聚活性[7]。

三、影響cofilin對肌動蛋白作用的因素

1.受到pH的調(diào)節(jié)：cofilin對肌動蛋白的作用主要受pH的調(diào)節(jié)。pH對cofilin分子的影響表現(xiàn)為pH值較低時(shí)其與纖維狀肌動蛋白(filamentous-actin, F-actin)結(jié)合，隨著pH值不斷升高，解聚活性逐漸增強(qiáng)，其與F-actin的結(jié)合能力逐漸減弱，而與球狀肌動蛋白(globular-actin, G-actin)的結(jié)合能力不斷增強(qiáng)。在pH<7.0時(shí)，人源cofilin與F-actin結(jié)合；在pH>7.5時(shí)，人源cofilin僅與G-actin結(jié)合。在pH為8.0時(shí)，cofilin既能夠解聚微絲并結(jié)合G-actin形成1 ∶1的cofilin-G-actin復(fù)合物，又能起到隔離G-actin的作用，在一定程度上阻止肌動蛋白的聚合。

2.受到細(xì)胞內(nèi)外信號分子的調(diào)節(jié)：細(xì)胞內(nèi)外信號分子也參與到了對cofilin的活性的調(diào)節(jié)。這些信號分子通過細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，即信號分子介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)部的第二信使對蛋白激酶/磷脂酶的活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使cofilin蛋白分子磷酸化或p-cofilin蛋白分子去磷酸化，實(shí)現(xiàn)對胞內(nèi)肌動蛋白微絲骨架的精細(xì)化調(diào)節(jié)。在皮層神經(jīng)元細(xì)胞中，較高水平的Ca2+濃度和環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)濃度可以加速p-cofilin去磷酸化的進(jìn)程。兩種因子均通過活化蛋白磷脂酶發(fā)揮p-cofilin去磷酸化作用。Ca2+通過激活蛋白磷脂酶2B(protein phosphatase 2B, PP2B)使p-cofilin去磷酸化，而cAMP通過激活蛋白磷脂酶1(protein phosphatase 1, PP1)使p-cofilin去磷酸化。根據(jù)Padmanabhan等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：星形膠質(zhì)細(xì)胞在用cAMP處理培養(yǎng)15 min后，即可引起肌動蛋白骨架的破裂。另外，能夠起到加速p-cofilin去磷酸化的影響因子還包括促胰島素、腎上腺素(epinephrine)、表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF)等。10%的二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide, DMSO)，二丁酰環(huán)磷酸腺苷(dibutyryl cyclic AMP, dBcAMP)，ML-9等處理也可以降低cofilin的磷酸化水平，從而導(dǎo)致胞內(nèi)微絲重排。

四、cofilin蛋白與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育

1.參與神經(jīng)元分化：作為細(xì)胞骨架的重要組成成分，actin的解聚與重塑影響著神經(jīng)元的極化以及樹突和軸突的形成。而cofilin蛋白通過調(diào)控actin分子，間接參與了神經(jīng)元的分化。Talens-Visconti等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)：Rho蛋白家族廣泛分布于神經(jīng)系統(tǒng)，其中的RhoE分子可以通過抑制ROCK/LIMK/cofilin信號通路，促進(jìn)actin的重塑誘導(dǎo)神經(jīng)元分化。Loubet等[9]則通過沉默朊病毒蛋白(PrPc)輔助發(fā)現(xiàn)：PrPc在神經(jīng)元中可以導(dǎo)致黏著斑翻轉(zhuǎn)改變以及過度活化RhoA/ROCK/LIMK/cofilin信號通路，使得actin穩(wěn)定性升高，抑制了神經(jīng)元分化。Li等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，利用神經(jīng)細(xì)胞黏附分子(NACM)激活 Pak1，當(dāng)Pak1活化LIMK1之后，后者可以磷酸化失活的cofilin引起actin骨架重組，繼而誘導(dǎo)神經(jīng)元分化。

2.參與神經(jīng)元運(yùn)動：神經(jīng)元的定向運(yùn)動對于神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育以及神經(jīng)系統(tǒng)損傷后神經(jīng)修復(fù)具有重要意義。富集于運(yùn)動神經(jīng)元前緣的cofilin蛋白參與調(diào)控了細(xì)胞骨架的動態(tài)變化，后者則構(gòu)成了神經(jīng)元定向運(yùn)動的基礎(chǔ)。Lee等[11]的研究發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)元的定向運(yùn)動與actin動態(tài)變化密切相關(guān)，神經(jīng)元的前緣通過F-actin的重塑推動神經(jīng)元向前運(yùn)動，在基部通過F-actin的解聚拉著神經(jīng)元前進(jìn)。Marsick等[12]的研究發(fā)現(xiàn)：將神經(jīng)生長因子(NGF)和netrin-1注射入顳視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞，激活神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)cofilin信號通路來加速F-actin的聚合，可以感受到環(huán)境中適宜生長方向的生長錐細(xì)胞(vegetative cone)最后發(fā)生轉(zhuǎn)向生長。以上實(shí)驗(yàn)研究都證實(shí)了cofilin蛋白對神經(jīng)元的運(yùn)動具有重要調(diào)控作用。

3.參與神經(jīng)突觸的可塑性：神經(jīng)突觸可塑性是指突觸在內(nèi)因或外因作用下，調(diào)整功能、改變結(jié)構(gòu)形態(tài)和增減數(shù)目的能力，從而使得神經(jīng)環(huán)路發(fā)生某些適應(yīng)性的變化[13]。研究表明cofilin蛋白參與調(diào)節(jié)突觸的可塑性，繼而參與記憶的形成與鞏固過程。Zhang等[14]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)cofilin蛋白的Ser3位點(diǎn)處于非磷酸化狀態(tài)時(shí)，cofilin蛋白被激活，促使樹突棘形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。Gu等[15]的對照試驗(yàn)顯示：當(dāng)cofilin蛋白處于過度磷酸化狀態(tài)，樹突棘密度顯著降低，并且絲狀不成熟的幼稚的樹突形成增多而蘑菇型的成熟樹突棘數(shù)量減少。DesMarais等[16]研究發(fā)顯示：cofilin蛋白通過切割作用調(diào)控肌動蛋白，從而聚合創(chuàng)造新的棘突和解聚舊的肌動蛋白纖維，致使樹突棘發(fā)生動態(tài)改變。

五、cofilin蛋白與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

1.cofilin蛋白與癲癇：癲癇是一類由于大腦神經(jīng)元異常放電，導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的慢性疾病。以異常突觸為基礎(chǔ)，所形成的異常興奮性神經(jīng)環(huán)路參與癲癇的發(fā)生發(fā)展過程[17]。研究表明，作為影響細(xì)胞骨架蛋白動力學(xué)的重要因子，cofilin蛋白的異常與癲癇的發(fā)病有密切聯(lián)系。Xiao等[18]在研究中發(fā)現(xiàn)：癲癇病患者體內(nèi)細(xì)胞周期分裂蛋白(cell division cycle 43, cdc42)的表達(dá)水平明顯升高，cdc42可以激活LIM1而促進(jìn)cofilin蛋白的磷酸化，引起神經(jīng)錐和神經(jīng)突起的形成導(dǎo)致異常神經(jīng)回路的形成。Tavazoie等[19]在研究中發(fā)現(xiàn)：編碼cofilin磷酸化位點(diǎn)突變引起的結(jié)節(jié)性硬化病患者，同樣辦法癲癇的機(jī)率大大增加。Sierra-Paredes等[20]則在對癲癇疾病的誘發(fā)因素研究中發(fā)現(xiàn)：輪替使用F-actin穩(wěn)定因子Jasplakinohde和解聚因子Latruneulin A，最后試驗(yàn)動物癲癇的發(fā)病率明顯增高，并且神經(jīng)元興奮性升高。該過程很有可能是由于以上兩種因子的輪換破壞了正常的神經(jīng)網(wǎng)路，并且促進(jìn)了新的異常神經(jīng)通路的形成，最終誘發(fā)癲癇。綜上我們可以了解到，cofilin蛋白的磷酸化和去磷酸化的平衡，對于癲癇疾病的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。

2.cofilin蛋白與帕金森?。号两鹕∈且环N人類最常見的神經(jīng)退行性疾病，臨床上以靜止性震顫、運(yùn)動遲緩、肌緊張和姿勢步態(tài)障礙為特征。其主要的病理改變是黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元的丟失和向中型多棘紋狀體投射的神經(jīng)元樹突棘密度的減低[21]。在對其病理機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)：LRRK2-PKA-cofilin信號通路與帕金森病的發(fā)生有關(guān)。最早參與該方面研究的是美國國立衛(wèi)生院，他們研究發(fā)現(xiàn)：二型富亮氨酸重復(fù)激酶(leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)與帕金森病的發(fā)病存在有相關(guān)性。當(dāng)敲出該基因之后，cofilin蛋白被過度磷酸化，樹突棘的密度明顯降低，病理表現(xiàn)為突觸發(fā)育遲緩，呈現(xiàn)出帕金森病顯著的臨床特征。在對其機(jī)制的研究過程中，Parisiadou等[22]發(fā)現(xiàn)：敲出LRRK2基因之后，導(dǎo)致了紋狀體投射神經(jīng)元(striatal projection neurons, SPNs)部位的蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)活性降低。后者引起突觸后致密蛋白-95(post-synaptic density protein-95, PSD-95)表達(dá)相應(yīng)減少，繼而使得cofilin蛋白過度磷酸化，樹突棘的成熟受到阻礙。同時(shí)他們在對照研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)LRRK2基因被敲出之后，除了cofilin蛋白之外的其余幾種可以影響actin可塑性的肌動蛋白結(jié)合蛋白如Arp2/3、CAP1的表達(dá)并不會受到影響，表明了LRRK2僅僅通過cofilin蛋白來調(diào)控樹突棘的發(fā)育。

3.cofilin蛋白與脊髓損傷：脊髓損傷是一種由于外界直接或者間接因素導(dǎo)致脊髓受損，在損害的相應(yīng)節(jié)段出現(xiàn)各種運(yùn)動、感覺和括約肌功能障礙，肌張力異常以及病理反射等相應(yīng)改變[23]。在對cofilin蛋白與脊髓損傷相關(guān)性的研究中，國內(nèi)學(xué)者有突出的貢獻(xiàn)。侯偉健等[24]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)機(jī)體包括脊髓在內(nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生損傷后，cofilin蛋白與p-cofilin蛋白之間的平衡狀態(tài)會被改變，且與損傷及修復(fù)的時(shí)間長短相關(guān)。在對“無骨折脫位型頸脊椎損傷”的研究中發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)組羊的損傷脊髓細(xì)胞中cofilin蛋白呈高表達(dá)，而在對照組同節(jié)段的脊髓細(xì)胞中表達(dá)明顯較低。在對大鼠脊髓損傷模型研究發(fā)現(xiàn)：Mst3b/LIMK1/cofilin系統(tǒng)與參與了脊髓損傷的發(fā)病與修復(fù)。當(dāng)過度激活損傷脊髓細(xì)胞中的Mst3b/LIMK1/cofilin系統(tǒng)，該類損傷的脊髓細(xì)胞有更多的生長錐分支生成；而在對比試驗(yàn)中,通過沉默Mst3b分子使得該通路被抑制，發(fā)現(xiàn)該類脊髓細(xì)胞有極少神經(jīng)錐生成。以上實(shí)驗(yàn)提示，cofilin蛋白有助于損傷脊髓細(xì)胞內(nèi)的骨架形成、促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù)。

4.cofilin蛋白與神經(jīng)性疼痛：神經(jīng)性疼痛是一種由于在沒有外界刺激的條件下而感到的疼痛，又稱自發(fā)痛。其主要是由坐骨神經(jīng)等外周神經(jīng)發(fā)生損傷或者功能障礙所引。Wang等[25]在研究中發(fā)現(xiàn)：作為細(xì)胞骨架的重要組成成分，actin的解聚與重建的平衡異常與神經(jīng)性疼痛的發(fā)生相關(guān)；Qiu等[26]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)各種因素刺激坐骨神經(jīng)引起其損傷后，Rho/LIMK/cofilin系統(tǒng)將被激活，引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生神經(jīng)源性疼痛；而在對比試驗(yàn)中，利用Simvastain處理損傷神經(jīng)元，可以降低Rho/LIMK/cofilin系統(tǒng)的活性，神經(jīng)源性疼痛的癥狀也得到緩解。綜上可以得出cofilin蛋白與神經(jīng)性疼痛的發(fā)生過程密切相關(guān)，該蛋白可能成為未來治療神經(jīng)性疼痛的靶向分子。

六、總結(jié)與展望

近些年來，通過科研工作者的不斷努力，作為調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架動態(tài)平衡的關(guān)鍵因子，cofilin蛋白的相關(guān)結(jié)構(gòu)、功能以及調(diào)節(jié)機(jī)制的研究得以不斷深入。研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病與cofilin蛋白以及其調(diào)解網(wǎng)絡(luò)之間存在密切聯(lián)系，這也更加深刻地表明了cofilin蛋白在機(jī)體正常發(fā)育中的重要性。然而我們也不得不正視cofilin蛋白研究所面對的難題：cofilin蛋白切割actin纖絲以及重建細(xì)胞骨架的具體機(jī)制；各種分子因素如何影響cofilin的活性；cofilin如何影響神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育；如何決定神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床表現(xiàn)類型。這些都對于正確認(rèn)識兩者之間的關(guān)系，并且針對cofilin蛋白通路采取特異性的靶向治療至關(guān)重要。我們有理由相信，通過醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，以及醫(yī)務(wù)工作者們的不斷努力，神經(jīng)系統(tǒng)疾病難以治愈的困境一定會被打破，從而能夠?yàn)楦嗟幕颊邘砜祻?fù)的曙光。