p21活化激酶參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進(jìn)展

邵 媛，梁 濤，徐祖才，張 駿

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，貴州 遵義 563000)

p21活化激酶(p21-activated kinase，PAKs)是Rho GTP酶的下游效應(yīng)器，其參與細(xì)胞表面及細(xì)胞內(nèi)各種信號級聯(lián)過程，從而影響細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞周期、增殖、轉(zhuǎn)化、氧化還原、代謝、炎癥發(fā)生以及基因表達(dá)等生理過程[1]。PAKs包含6個(gè)成員，分為兩組，組Ⅰ：PAK1～3；組Ⅱ：PAK4～6。組ⅠPAKs可通過GTP酶-結(jié)合域與細(xì)胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)和Ras相關(guān)的C3肉毒素底物(Ras-related C3 botulinum toxin substrate，RAC)1結(jié)合而直接被激活，產(chǎn)生激酶活性調(diào)節(jié)多種重要的細(xì)胞生理及病理過程。組ⅡPAKs既不與RAC1結(jié)合也不受CDC42刺激，而是進(jìn)行自我磷酸化后產(chǎn)生活性，其激活需要自抑制偽底物的參與。PAKs在人體各組織中均有表達(dá)，雖然6種激酶在表達(dá)部位上存在差異，但在大腦中均有顯著的共同表達(dá)[2]。基因、生物化學(xué)和行為證據(jù)表明，正常的學(xué)習(xí)和記憶功能需要有正常的PAKs和相關(guān)的信號通路的參與，而這些通路在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、亨廷頓舞蹈癥(Huntington disease，HD)以及其他伴隨發(fā)育認(rèn)知缺陷的綜合征中被打亂，且這些激酶可以作為治療干預(yù)的潛在目標(biāo)[3]?，F(xiàn)就PAKs在神經(jīng)精神相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PAKs與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

1.1PAKs與AD AD是最常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其特點(diǎn)是漸進(jìn)性認(rèn)知功能減退，病理上形成了由β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)和神經(jīng)原纖維纏繞成的神經(jīng)纖維纏結(jié)(其主要成分是過度磷酸化的Tau蛋白)。AD患者認(rèn)知能力減退與突觸功能障礙直接相關(guān)，尤其是突觸和樹突棘的病理改變對其有明顯影響[4]。PAKs通過調(diào)節(jié)LIM激酶(LIM domain kinase，LIMK)-cofilin(大腦發(fā)育調(diào)節(jié)蛋白)通路來調(diào)控肌動蛋白，從而影響突觸功能，包括突觸可塑性和記憶形成[5]。而RAC/CDC42激活的組ⅠPAKs是樹突棘形態(tài)形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，因此PAKs的異常可能是參與AD的發(fā)病機(jī)制之一。Rho相關(guān)蛋白激酶(Rho-associated protein kinase,ROCK)ROCK，是Rho下游重要的效應(yīng)分子,可以誘導(dǎo)淀粉樣前體蛋白轉(zhuǎn)變?yōu)锳β，折疊反應(yīng)中介蛋白2是ROCK的一個(gè)效應(yīng)器，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在AD模型小鼠的大腦皮質(zhì)中，圍繞在淀粉樣蛋白斑塊周圍神經(jīng)細(xì)胞的磷酸化折疊反應(yīng)中介蛋白2水平增加[6]。這些觀察結(jié)果表明，異常的ROCK和下游的折疊反應(yīng)中介蛋白2信號可能參與AD的發(fā)病機(jī)制，而Rho-ROCK/LIMK/cofilin信號通路的失調(diào)也可能在AD突觸缺陷的發(fā)病機(jī)制中起作用。Rho家族與N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDARs)相互作用使鈣離子發(fā)生流動，激活G蛋白偶聯(lián)受體激酶相互作用蛋白1(G-protein-coupled receptor kinase interacting proteins 1，GIT1)和RAC，隨后導(dǎo)致下游的PAKs激活從而誘導(dǎo)突觸形成，在AD大鼠中的海馬和大腦皮質(zhì)中NMDARs的亞基NR2A和NR2B的mRNA水平均下降，并且用Aβ低聚物處理培養(yǎng)神經(jīng)元中后，NMDARs水平降低并且顯著阻斷了RAC和磷酸化PAKs轉(zhuǎn)位[7]。AD患者及AD動物模型大腦組織的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)PAK1和PAK3均出現(xiàn)丟失，而海馬體中的絲狀蛋白逐漸增多，伴隨著彌散性磷酸化PAKs逐漸減少，同時(shí)出現(xiàn)顆粒狀結(jié)構(gòu)染色，這些病理變化的出現(xiàn)也伴隨著樹突棘內(nèi)調(diào)節(jié)肌動蛋白的大腦發(fā)育調(diào)節(jié)蛋白減少[8]。此外在用Aβ纖維處理體外培養(yǎng)的神經(jīng)元會出現(xiàn)PAKs的異常激活，從而激活LIMK，誘導(dǎo)絲切蛋白磷酸化，同時(shí)伴隨著纖維狀肌動蛋白和樹突棘的迅速丟失[9]，在AD患者大腦中發(fā)生了AD典型病理改變的區(qū)域內(nèi)含磷酸化LIMK的神經(jīng)元數(shù)量也顯著增多[10]。一項(xiàng)AD動物模型的研究也表明，PAKs失活會增加磷酸化Tau蛋白,同時(shí)導(dǎo)致神經(jīng)損傷和額葉依賴性行為缺陷[11]。上述研究表明，PAKs在AD患者的神經(jīng)異常和行為缺陷中起關(guān)鍵作用，異常的PAKs可能參與AD的發(fā)病，而PAKs/LIMK/cofilin通路、Rho-ROCK/LIMK/cofilin通路以及NMDARs信號的失調(diào)可能是導(dǎo)致AD發(fā)生病理變化的機(jī)制。

1.2PAKs與HD HD是一種常染色體顯性遺傳的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，主要累及基底神經(jīng)節(jié)，臨床上表現(xiàn)為明顯的運(yùn)動、認(rèn)知和行為缺陷。HD是由于編碼亨廷頓蛋白(Huntingtin，HTT)的基因中一個(gè)擴(kuò)增的CAG三核苷酸重復(fù)序列編碼多聚谷氨酰胺導(dǎo)致突變型HTT蛋白產(chǎn)生，HD患者編碼的多聚谷氨酰胺均≥36個(gè)[12]。HD和AD患者有許多相同的臨床表現(xiàn)，HD的特點(diǎn)是運(yùn)動障礙，但其認(rèn)知缺陷通常沒有AD嚴(yán)重。

正常的HTT蛋白可能參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、細(xì)胞內(nèi)吞和分泌以及抑制細(xì)胞凋亡等過程，突變后的HTT蛋白會產(chǎn)生細(xì)胞毒性[13]，但目前其引起細(xì)胞毒性的具體機(jī)制尚不清楚。有研究顯示，PAK1可以修改突變HTT蛋白毒性，并且通過促進(jìn)可溶性突變型HTT進(jìn)行自身相互作用，從而增強(qiáng)HD細(xì)胞模型的毒性，表明PAK1可能在HD發(fā)病機(jī)制中起重要作用[14]。在HD患者大腦和HD細(xì)胞模型中PAK1與突變型HTT產(chǎn)生局部聚集，且PAK1過度表達(dá)能增強(qiáng)突變型HTT聚合，同時(shí)使其毒性增加，而敲除PAK1后突變型HTT的聚集和毒性均受到抑制，若PAK1與突變型HTT不發(fā)生結(jié)合時(shí)，HTT的毒性則不會產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)。這表明PAK1在增強(qiáng)HTT的交互作用中扮演重要角色，它與擴(kuò)展的多聚谷氨酰胺通道的“黏性”效果相結(jié)合，增強(qiáng)了突變型HTT聚合的毒性[14]。此外，PAK-相互作用交換因子(PAK-interacting exchange factor，PIX)也被認(rèn)為是一種新型的HTT交互蛋白，PIX能與PAKs及GIT1結(jié)合形成GIT1-PIX-PAKs復(fù)合物，從而參與調(diào)控肌動蛋白-細(xì)胞骨架重組動力學(xué)[2]。PIX與HTT的N-終端區(qū)域結(jié)合，并在突變型HTT聚集的細(xì)胞中與突變HTT結(jié)合，同時(shí)增強(qiáng)突變型HTT的聚合，相反，PIX敲除會減少突變型HTT的聚合[15]。這些發(fā)現(xiàn)表明，在HD中突變型HTT的聚合及其所產(chǎn)生的細(xì)胞毒性均離不開PIX和PAKs的參與。研究還發(fā)現(xiàn)，在HD患者中HTT蛋白與Rho GTP酶信號通路中的成員(包括PAK2和 RAC1等)相互作用，從而調(diào)控絲狀蛋白的動力學(xué)[16]。上述研究均提示PAKs與HD的發(fā)病機(jī)制相關(guān)，而且PAKs及PIX可能作為之后研究HD患者治療的潛在目標(biāo)之一。

1.3PAKs與智力障礙相關(guān)性疾病 智力遲鈍的特點(diǎn)是認(rèn)知功能障礙，智力遲鈍常出現(xiàn)在成人之前，其中25%～35%的人有X染色體突變的遺傳背景，即X染色體連鎖智力缺陷(X-linked mental retardation，XLMR)。XLMR在臨床上可分為綜合征型及非綜合征型(non-syndromic XLMR，MRX)，其中最常見的綜合征形式即脆性X綜合征(fragile X syndrome，F(xiàn)XS)，F(xiàn)XS突出的臨床表現(xiàn)及特點(diǎn)是進(jìn)行性加重的自閉癥表現(xiàn)及智力障礙，它是由于單個(gè)基因即脆性X智力缺陷1基因突變所致，F(xiàn)XS也是X染色體相關(guān)的智力缺陷最常見的病因[17]。

對人類MRX患者PAK3基因突變的檢測顯示PAK3基因突變會導(dǎo)致智力障礙,且PAK3基因敲除小鼠在聯(lián)想學(xué)習(xí)測驗(yàn)中表現(xiàn)出學(xué)習(xí)能力喪失的特點(diǎn)，這均提示PAK3基因突變會導(dǎo)致MRX,并使受累患者的認(rèn)知能力降低[18]。已有相關(guān)個(gè)案介紹了PAK3相關(guān)的智力障礙患者有智力殘疾，嚴(yán)重的自殘行為和癲癇等表現(xiàn)，同時(shí)報(bào)道還稱低劑量的多巴胺和5-羥色胺治療后能明顯改善了其自殘行為[19]。在與MRX相關(guān)的基因缺陷中存在一種名為oligin-1(Ophn1)的基因，Ophn1能編碼一種Rho GTP酶活化蛋白(Rho GAP)，Rho GAP能加速Rho GTP酶水解，使其從活性狀態(tài)變?yōu)閺臒o活性狀態(tài)，Ophn1發(fā)生突變能使Rho GAP酶失活，導(dǎo)致Rho GTP酶發(fā)生激活而影響細(xì)胞遷移和軸突生長，從而導(dǎo)致X染色體相關(guān)的智力缺陷中認(rèn)知障礙等相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)癥狀[20]。缺乏Ophn1的小鼠齒狀回新生神經(jīng)元的數(shù)量減少，軸突生長也受限，并且表現(xiàn)出明顯的ROCK/PAKs激活，研究發(fā)現(xiàn)，用ROCK/PAKs抑制劑處理后的Ophn1敲除鼠神經(jīng)元缺陷明顯改善，并且神經(jīng)元的存活時(shí)間延長[21]。PAK3作為Rho GTP酶關(guān)鍵的下游效應(yīng)器，其基因編碼的蛋白激酶通過Rho GTP通路將胞外信號連接到細(xì)胞骨架上,進(jìn)而影響樹突及樹突棘形成中的重要生物學(xué)功能,因此PAK3參與MRX的發(fā)病機(jī)制可能通過影響Rho相關(guān)通路來實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在FXS(脆性X智力缺陷1敲除)模型小鼠突觸中RAC/PAKs信號的生理激活減少，使用PAKs抑制劑可以逆轉(zhuǎn)脆性X智力缺陷1敲除小鼠的樹突棘表型，減少突觸形態(tài)學(xué)及可塑性的異常，同時(shí)能改善FXS表現(xiàn)型(包括多動、重復(fù)行為和癲癇以及類似的樹突棘密度異常等)[22-23]。上述研究結(jié)果均提示，PAKs異常激活可能直接參與MRX及FXS的發(fā)病機(jī)制，同時(shí)提示PAKs抑制劑可能是改善該病相關(guān)神經(jīng)缺陷癥狀的研究方向。

1.4PAKs與精神障礙 精神分裂癥斷裂基因1是多種精神疾病的潛在易患基因，研究發(fā)現(xiàn)[24]在培養(yǎng)的神經(jīng)元中精神分裂癥斷裂基因1敲除可以導(dǎo)致突觸退化(包括樹突棘的缺損和萎縮)，影響神經(jīng)元的可塑性，而應(yīng)用PAKs抑制劑不僅能顯著改善精神分裂癥斷裂基因1敲除引起的樹突棘損傷，還能在一定程度上逆轉(zhuǎn)受損的突觸大小。同時(shí)在精神分裂癥斷裂基因1敲除小鼠模型中，PAKs抑制劑可以減少小鼠前額皮質(zhì)內(nèi)突觸的丟失，并改善小鼠成年后的前脈沖抑制缺陷[24]。一項(xiàng)關(guān)于合并精神障礙的AD研究發(fā)現(xiàn)，在該動物模型中，敲除PAKs的上游蛋白kalirin可以導(dǎo)致大腦皮質(zhì)樹突棘密度的降低，減少kalirin能夠改善精神行為[25]。這均說明研究PAKs及其抑制劑可能在精神分裂癥和相關(guān)神經(jīng)精神疾病的治療中有一定的應(yīng)用前景。GIT1能與PAKs以及PIX結(jié)合形成復(fù)合物參與調(diào)控肌動蛋白-細(xì)胞骨架重組動力學(xué)[2]。注意缺陷多動障礙是一種影響5%學(xué)齡兒童的精神疾病，其特點(diǎn)是注意力不集中，過度活躍和易沖動。研究發(fā)現(xiàn)，GIT1敲除(GIT1-/-)小鼠具有類似于注意缺陷多動障礙患者的癥狀和病理變化，并在其大腦中檢測到PIX、Rac1和PAK3活動明顯減少[26]，由于PAK3能調(diào)節(jié)γ氨基丁酸在神經(jīng)細(xì)胞間的遷移和生長發(fā)育，因此PAK3活動減少可能抑制細(xì)胞分化或突觸前發(fā)育，從而減少海馬CA1椎體神經(jīng)元的抑制性突觸前輸入。關(guān)于GIT1-PIX-RAC-PAKs通路失調(diào)參與注意缺陷多動障礙的發(fā)病機(jī)制還需進(jìn)一步探討及研究。

壓力可以導(dǎo)致突觸可塑性改變，包括突觸的結(jié)構(gòu)和功能異常，這種改變可能是導(dǎo)致抑郁癥的原因[27]。一項(xiàng)檢測抑郁癥受試者尸檢大腦內(nèi)PAK1和PAK3 mRNA水平變化的研究發(fā)現(xiàn)，在抑郁癥患者的前額皮質(zhì)中PAK1表達(dá)受到抑制，同時(shí)在抑郁癥患者的海馬體中PAK3 mRNA水平也明顯下降[28]。在抑郁癥患者的大腦中觀察到PAK1和PAK3失調(diào)表明，PAKs信號的中斷也可能對人類抑郁癥的病理產(chǎn)生影響。由于PAKs參與神經(jīng)發(fā)育的各個(gè)階段，此研究還提出抑郁癥患者海馬及前額皮質(zhì)的體積減小可能是因?yàn)镻AKs參與的信號途徑失調(diào)所致。

2 PAKs與其他神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病

PAKs調(diào)節(jié)的細(xì)胞骨架、細(xì)胞形態(tài)和生存以及突觸可塑性的功能在唐氏綜合征患者的神經(jīng)元中均受損，在唐氏綜合征的體外神經(jīng)模型(16-三體胎鼠細(xì)胞，即CTb細(xì)胞)中，過度表達(dá)的唐氏綜合征黏附分子會解除對PAKs活動的控制并影響調(diào)節(jié)突觸可塑性的信號通路，PAK1及其下游效應(yīng)器LIMK和絲切蛋白活化時(shí)間會延長，導(dǎo)致肌動蛋白基底纖維狀肌動蛋白/球狀肌動蛋白比率增加(即肌動蛋白聚合增多)從而減少神經(jīng)生長，上述研究結(jié)果表明，唐氏綜合征黏附分子基因過表達(dá)會引起PAKs通路失調(diào)，從而導(dǎo)致三體細(xì)胞系神經(jīng)元可塑性的改變[29]，PAK1的異常激活可能是唐氏綜合征發(fā)病機(jī)制之一。

目前認(rèn)為富亮氨酸重復(fù)激酶2基因突變在帕金森病中起作用，而PAK6已被證實(shí)是富亮氨酸重復(fù)激酶2的結(jié)合伙伴，因此PAKs可能也參與帕金森病等神經(jīng)變性疾病的病理過程[30]。由于PAKs參與對細(xì)胞周期及增殖的調(diào)控，研究還發(fā)現(xiàn)其參與某些神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的發(fā)病機(jī)制，如惡性周圍神經(jīng)鞘瘤的生長和轉(zhuǎn)移[31]，以及可作為神經(jīng)纖維瘤2型-缺陷腦膜瘤的治療靶點(diǎn)[32]。

3 小 結(jié)

來自遺傳、生物化學(xué)和動物數(shù)據(jù)的證據(jù)表明，正常的學(xué)習(xí)和記憶需要有功能的PAKs活動及相關(guān)通路，而其正常的活動及通路在上述神經(jīng)系統(tǒng)疾病中被打亂。基于這些疾病中PAKs的異常激活，對于存在突觸功能缺陷的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療來說，PAKs抑制劑可能是一種有效的治療方法。已有動物研究發(fā)現(xiàn)，抑制PAK1、PAK3能夠改善脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)的臨床表現(xiàn)及病理改變[33]。一項(xiàng)關(guān)于沖繩蜂膠的藥理研究表明，沖繩蜂膠可能通過抑制PAKs的活性而改善AD等神經(jīng)退行性疾病的病理變化[34]。目前已在實(shí)驗(yàn)研究中證明能改善AD神經(jīng)缺陷癥狀的PAKs抑制劑，包括姜黃素、SSH(名為Slingshot的絲切蛋白磷酸酶)、SRC家族的激酶抑制劑(如PP1和PP2)、PAK1/LIM激酶抑制劑、PAK1阻斷劑IPA-3和PAK1抑制劑PF-3758309，后兩者已經(jīng)被證明在AD大鼠的模型中可以改善大鼠的空間記憶障礙[35]。在FXS模型小鼠的研究過程中發(fā)現(xiàn)PAKs抑制劑FRAX486在成人FXS中有快速診斷治療的潛力[23]。但是，由于PAKs信號在突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶方面起重要作用，PAKs抑制劑成為腦部疾病的直接藥物靶點(diǎn)可能存在一定的局限性。

PAKs在神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛存在，并參與細(xì)胞骨架、細(xì)胞增殖及突觸形成等重要的生理過程，因此在病理狀態(tài)下PAKs很有可能參與AD、HD、FXS等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生及發(fā)展過程。盡管現(xiàn)在大多數(shù)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制尚未明確，但PAKs作為改善癥狀的潛在治療靶點(diǎn)是有價(jià)值的。