PKCε生物學(xué)功能及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

米國(guó)霞,李生花

(青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部, 西寧 810016)

蛋白激酶C (PKC)是由10多個(gè)不同磷脂依賴絲蘇氨酸蛋白激酶組成的家族，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和功能不同分為傳統(tǒng)PKC(cPKC，包括α、βⅠ、βⅡ、γ)、新型PKC(nPKC，包括δ、ε、η、θ)、非典型PKC(aPKC，包括ξ、λ)[1]。不同類型的活化PKC可在同一細(xì)胞中發(fā)揮協(xié)同或拮抗作用，如在心腦缺血再灌注的情況下，PKC Epsilon(PKCε)和PKCθ可分別導(dǎo)致心肌細(xì)胞存活、凋亡；PKCα和PKCε通過(guò)調(diào)節(jié)整合素和內(nèi)吞性運(yùn)輸?shù)膬?nèi)化作用協(xié)同促進(jìn)成纖維細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)[2]。PKCε是不依賴鈣但佛波醇酯/異?；视鸵蕾囆缘男滦蚉KC同工酶之一。PKCε的受控激活在心肌缺血、阿爾茨海默病(AD)的發(fā)生、發(fā)展中起保護(hù)作用，但其具體作用機(jī)制尚不明確。PKCε的慢性激活可導(dǎo)致惡性腫瘤和糖尿病等疾病[3]。現(xiàn)將PKCε的生物學(xué)功能及其在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用機(jī)制研究綜述如下。

1 PKCε生物學(xué)功能

PKCε高表達(dá)于腦部海馬、海馬回、嗅結(jié)節(jié)組織，大腦皮質(zhì)中呈低表達(dá)[4]。PKCε結(jié)構(gòu)包括N-末端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域C2、C1、假底物，C-末端催化結(jié)構(gòu)域C3和C4，包含ATP嘌呤結(jié)合位點(diǎn)、激活環(huán)和底物識(shí)別位點(diǎn)以及可變區(qū)域[1]。PKCε結(jié)構(gòu)不同于其他PKC，其在C1a和C1b兩個(gè)半胱氨酸之間有6個(gè)氨基酸(223～228，LKKQET)的肌動(dòng)蛋白結(jié)合基序，C2結(jié)構(gòu)域(14～21)具有RACK結(jié)合位點(diǎn)[2]，不是傳統(tǒng)的鈣結(jié)合位點(diǎn)。

PKCε通常以無(wú)活性的形式存在于細(xì)胞中，PKCε的活化是PLC介導(dǎo)的磷酸肌醇水解激活過(guò)程。因PKCε調(diào)節(jié)區(qū)有假底物序列，當(dāng)激活劑第二信使DAG/TPA誘導(dǎo)激酶構(gòu)象改變，暴露了底物結(jié)合位點(diǎn)，使得催化發(fā)生。PKCε磷酸化主要發(fā)在3個(gè)保守位點(diǎn)：激活環(huán)(蘇氨酸566)、C端疏水位點(diǎn)(絲氨酸729)和自我磷酸化位點(diǎn)(蘇氨酸710)。磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(PDK-1)磷酸化激活環(huán)并觸發(fā)疏水性基序磷酸化，而蛋白激酶的激活反過(guò)來(lái)激活PDK-1[1]。非磷酸化或低磷酸化PKCε的催化結(jié)構(gòu)域直接聯(lián)結(jié)錨定蛋白CG-NAP(中心體高爾基體定位的PNK蛋白)[3]。

活化的PKCε從細(xì)胞質(zhì)易位到細(xì)胞膜。PKCε的激活與第二信使結(jié)合Cb1有關(guān)，二酰甘油和十三酸激活PKCε定位到質(zhì)膜或細(xì)胞骨架，但是在花生四烯酸(AA)和亞麻酸定位到高爾基體上[3]。激活后的PKCε暴露肌動(dòng)蛋白結(jié)合基序，與肌動(dòng)蛋白微絲結(jié)合，這種蛋白與蛋白相互作用穩(wěn)定地錨定PKCε到細(xì)胞骨架的基質(zhì)，且肌動(dòng)蛋白微絲作為分子伴侶維持激酶催化位點(diǎn)的構(gòu)象[3]。衣被蛋白β-cop (RACK2，高爾基膜上參與囊泡運(yùn)輸?shù)牡鞍?是PKCε的接頭蛋白，其與C2結(jié)構(gòu)域結(jié)合將PKCε定位到高爾基體，RACK1蛋白將PKCε定位到整合蛋白(integrin βⅡ)，參與細(xì)胞外基質(zhì)的細(xì)胞附著和移動(dòng)[1]。由PKCε的C2結(jié)合位點(diǎn)鑒定一些PKC選擇性激活劑和選擇性抑制劑，在保護(hù)心腦缺血損傷和預(yù)防糖尿病，減輕疼痛和保護(hù)移植心臟的并發(fā)癥具有重要影響[5]。

2 PKCε在神經(jīng)系統(tǒng)性疾病發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制

2.1 PKCε在腦卒中發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制 中風(fēng)死亡率位居世界第三，也是發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期致殘的最常見原因。導(dǎo)致腦中風(fēng)的主要原因可能是短暫或永久性限制腦血液和氧供應(yīng)。由缺血缺氧引起腦中風(fēng)的機(jī)制到現(xiàn)在還不太清楚。有學(xué)者[6]認(rèn)為，在腦缺血或再灌注損傷中，過(guò)表達(dá)的活性氧簇(ROS)對(duì)腦脂肪、蛋白和DNA引起氧化損傷，導(dǎo)致神經(jīng)元功能紊亂及細(xì)胞凋亡。另有學(xué)者[7]認(rèn)為飲酒獲得的乙醇等毒性物質(zhì)可導(dǎo)致腦中風(fēng)，而線粒體醛脫氫酶2(ALDH2)活性降低。

目前PKCε被認(rèn)為是治療腦中風(fēng)的一個(gè)潛在藥物靶點(diǎn)。激活的PKCε可抵抗不同的應(yīng)激性損傷。比如PKCε激活轉(zhuǎn)錄核因子紅系2相關(guān)因子2(Nrf2)，Nrf2調(diào)節(jié)血紅素加氧酶(HO-1)基因表達(dá)，最終啟動(dòng)抗氧化反應(yīng)元件(ARE)區(qū)域，對(duì)腦中風(fēng)具有保護(hù)作用[6]。異鼠李素(Iso)抑制Ca2+超載，促進(jìn)PKCε磷酸化，清除RSO有效抑制細(xì)胞凋亡，PKCε抑制劑(εV1-2)則減弱Iso對(duì)N2a的保護(hù)作用[7]。PKCε的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化增強(qiáng)了線粒體醛脫氫酶2(ALDH2)翻譯后的活性，升高ALDH2水平有利于減輕中風(fēng)和其他氧化應(yīng)激和醛毒相關(guān)疾病[8]。

在腦缺氧預(yù)處理(HPC)的腦保護(hù)中，PKCε參與HPC的大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO)誘導(dǎo)的缺血性損傷[9]。在全腦缺血/缺氧的氧糖剝奪(OGD)期間， PKCε的激活通過(guò)BDNF/TrkB路徑增加活性調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架(Arc)表達(dá)，內(nèi)化GluR2，降低AMPA受體電流幅度延長(zhǎng)缺氧去極化潛伏期，對(duì)興奮性毒素?fù)p傷起神經(jīng)保護(hù)作用[10]。

PKCε可通過(guò)調(diào)控離子通道發(fā)揮抗缺氧保護(hù)神經(jīng)元受損傷的作用。PKCε激活后磷酸化線粒體ATP敏感K+通道(mK+ATP )上Kir6.2亞基的Thr-224位點(diǎn)，降低興奮性谷氨酸能離子通道通透性而起到了保護(hù)作用[11]。重組組織型纖溶酶原激活物(r-tPA)是聯(lián)邦藥物管理局批準(zhǔn)用于缺血性中風(fēng)的唯一治療藥物。r-tPA給藥的時(shí)間窗口為3～4.5 h，患者發(fā)生出血性轉(zhuǎn)化(HT)的風(fēng)險(xiǎn)升高，僅不到5%的中風(fēng)患者能采用r-tPA治療。有學(xué)者[12]對(duì)缺血性老年雌性中風(fēng)(BBB)模型大鼠灌注r-tPA的同時(shí)，加用苔蘚抑素灌胃，發(fā)現(xiàn)大鼠血漿基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-9)、PKCε水平均升高，大鼠發(fā)生HT風(fēng)險(xiǎn)降低。

2.2 PKCε在阿爾茨海默病(AD)發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制 AD是年齡相關(guān)神經(jīng)退行性病變，其致病原因是β淀粉樣蛋白(Aβ)的積聚和tau蛋白的磷酸化。Aβ分子沉積形成了低聚物，原纖維和成熟纖維，Aβ低聚物是AD研究的關(guān)鍵[13]。Aβ低聚物通過(guò)刺激磷脂成分和膜的負(fù)電荷而損害神經(jīng)炎細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙層，Aβ低聚物促進(jìn)對(duì)細(xì)胞系統(tǒng)的毒性作用并且激活神經(jīng)元死亡[14]。AD的主要臨床表現(xiàn)為癡呆及記憶障礙。癡呆程度與AD患者腦部突觸損傷相關(guān)，其分子機(jī)制可能是突觸生成的PKCε和下游突觸生成底物BDNF的表達(dá)降低[15]。載脂蛋白E4(APOE4)是幾種神經(jīng)變性疾病(包活A(yù)D)的主要遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素，APOE4增加人神經(jīng)元中組蛋白脫乙酰酶(HDAC)的核易位，從而降低BDNF表達(dá)[16]。APOE3誘導(dǎo)PKCε的表達(dá)以及保留HDAC在細(xì)胞質(zhì)，PKCε激活和APOE3補(bǔ)充阻止APOE4介導(dǎo)的BDNF下調(diào)，PKCε活性也逆轉(zhuǎn)Aβ低聚物和APOE4誘導(dǎo)的HDAC的核易位[17]。臨床前小鼠研究發(fā)現(xiàn)，苔蘚蟲素1治療AD，逆轉(zhuǎn)突觸的喪失并促進(jìn)阿爾茨海默病動(dòng)物模型中的突觸成熟，激活PKCε并增加了BDNF和PSD-95的水平[18]。目前，AD沒有治療療法，但是現(xiàn)階段設(shè)計(jì)和開發(fā)PKCε選擇性配體，側(cè)鏈不同的DAG-內(nèi)酯的合成，發(fā)現(xiàn)具有環(huán)丙烷環(huán)的亞油酸衍生物充當(dāng)PKCε的選擇性和直接激活劑8-[2-(2-戊基 - 環(huán)丙基甲基) - 環(huán)丙基] -辛酸DCP-LA可有效地防止淀粉樣蛋白斑的沉積和突觸連接的喪失[19]。

2.3 PKCε在學(xué)習(xí)記憶中的作用機(jī)制 持續(xù)閉塞雙側(cè)頸總動(dòng)脈引起的腦缺血/缺氧，以及手術(shù)完全恢復(fù)后的短暫缺氧，對(duì)年輕Wistar大鼠的空間學(xué)習(xí)和記憶產(chǎn)生了顯著和持續(xù)的損害。多種信號(hào)通路和基因表達(dá)參與學(xué)習(xí)和記憶的過(guò)程，主要與神經(jīng)元可塑性和大腦電路的持久變化有關(guān)。突觸可塑性是持續(xù)的活動(dòng)依賴性引起突觸強(qiáng)度變化現(xiàn)象，突觸可塑性分為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng) (LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)，LTP是對(duì)海馬高頻電刺激后興奮性突觸強(qiáng)度長(zhǎng)期增強(qiáng)的主要形式[20]。有研究[21]發(fā)現(xiàn)佛波酯(PMA)通過(guò)激活PKCε和δ引起細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)激活并促進(jìn)海馬神經(jīng)元CA1區(qū)LTP增強(qiáng)。使用兩種PKCε選擇肽對(duì)老鼠的短期治療，研究結(jié)果表明，使用PKCε抑制肽εV1-2顯著損傷大鼠的識(shí)別記憶；而使用 PKCε的激活肽ψεRACK以時(shí)間依賴性方式增加MARCKS的磷酸化，激活Src,Raf和ERK[22]。研究[23]證實(shí)，PKCε激活劑DCPLA-ME和苔蘚蟲素1通過(guò)JNK1和CaMKⅡ信號(hào)通路直接磷酸化PSD-95s-295，增加PSD-95的水平而促進(jìn)突出生成。

2.4 PKCε在肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制 ALS是一種神經(jīng)退行性疾病，導(dǎo)致延髓和肢體功能逐漸喪失。5%～10%的ALS患者是家族性ALS(fALS)，大約20%的遺傳性ALS病例是超氧化物歧化酶1(SOD1)基因突變引起的[24]。資料表示ALS的發(fā)病機(jī)制與線粒體功能紊亂、RNA錯(cuò)誤加工、谷氨酸興奮性毒性、蛋白的錯(cuò)誤折疊和累計(jì)、生長(zhǎng)因子缺陷等有關(guān)[25]。但PKCε是引起運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的一個(gè)上游信號(hào)。一些學(xué)者[26,27]認(rèn)為ALS的發(fā)病機(jī)制是由于PKCε顯著增強(qiáng)了外周蛋白的聚集，隨后導(dǎo)致了神經(jīng)細(xì)胞的死亡，根據(jù)這個(gè)機(jī)制認(rèn)為通過(guò)隔離PKCε的C1b結(jié)構(gòu)域，PKCε誘導(dǎo)的蛋白聚集和神經(jīng)元凋亡可以被抑制。另有學(xué)者[28,29]認(rèn)為在SOD1突變的ALS中，其星形膠質(zhì)細(xì)胞中PKCε下調(diào)，導(dǎo)致mGluR5激活的鈣震動(dòng)丟失，如果上調(diào)PKCε，則恢復(fù)mGluR5介導(dǎo)的鈣震動(dòng)并且促進(jìn)mGluR5介導(dǎo)的谷氨酸攝取的上調(diào)，說(shuō)明星形膠質(zhì)細(xì)胞中PKCε的表達(dá)下調(diào)是ALS發(fā)病的原因，也是損害神經(jīng)細(xì)胞的原因。PKCε專門是位于神經(jīng)肌接頭(NMJ)的神經(jīng)末梢處，受到突觸活性調(diào)節(jié)并且參與藥物佛波醇酯誘導(dǎo)的NMJ的ACh釋放增強(qiáng)[28]。抑制PKCε阻止了成肌細(xì)胞和原代衛(wèi)星細(xì)胞的肌原性分化，抑制PKCε會(huì)導(dǎo)致肌肉再生受損并減少肌細(xì)胞生成素和Mrf4的表達(dá)[31]。

綜上所述，PKCε可通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄核因子紅系2相關(guān)因子2(Nrf2)調(diào)控血紅素加氧酶(HO-1)表達(dá)；被絲蘇氨酸磷酸化可升高線粒體醛脫氫酶2(ALDH2)活性，對(duì)腦中風(fēng)起保護(hù)作用。同時(shí)PKCε可通過(guò)調(diào)節(jié)BDNF/TrkB路徑、調(diào)控離子通道的關(guān)閉發(fā)揮抗缺血性損傷的神經(jīng)保護(hù)作用。PKCε可通過(guò)抑制載脂蛋白E4(APOE4)的表達(dá)，進(jìn)一步抑制下游突觸生成底物BDNF表達(dá)，逆轉(zhuǎn)Aβ低聚物和APOE4誘導(dǎo)的HDAC的核易位參與AD的發(fā)生發(fā)展。PKCε可激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶，促進(jìn)海馬神經(jīng)元CA1區(qū)突觸可塑性長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)參與學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程。PKCε是引起運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的一個(gè)上游信號(hào)，可顯著增強(qiáng)了外周蛋白的聚集，促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞中mGluR5激活的鈣震動(dòng)丟失，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡，參與ALS的發(fā)生發(fā)展。