精神分裂癥斷裂基因1參與線粒體動(dòng)力學(xué)調(diào)控的研究進(jìn)展*

余裕龍，周珂如，李傳洲△，陳 娟△

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 1生物化學(xué)與分子生物學(xué)系 2醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系，武漢 430030

神經(jīng)細(xì)胞沖動(dòng)的產(chǎn)生、突觸的形成和神經(jīng)信號(hào)的傳遞等都是大量耗能的過(guò)程，線粒體通過(guò)氧化磷酸化來(lái)產(chǎn)生細(xì)胞所需的大部分ATP，是細(xì)胞能量的主要來(lái)源。作為細(xì)胞供能的細(xì)胞器，線粒體還參與維持細(xì)胞內(nèi)的鈣離子穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞和細(xì)胞凋亡等生理活動(dòng)。作為一種具有高度動(dòng)態(tài)性的細(xì)胞器，線粒體在細(xì)胞內(nèi)不斷地進(jìn)行著轉(zhuǎn)運(yùn)、融合、分裂和自噬等過(guò)程，這些動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)于維持線粒體正常的形態(tài)、數(shù)量和細(xì)胞定位有著重要的意義[1]，也是線粒體發(fā)揮正常功能的前提。

神經(jīng)細(xì)胞對(duì)于能量的高需求和特殊的功能使得它對(duì)于線粒體正常的功能有很強(qiáng)的依賴性。當(dāng)線粒體動(dòng)態(tài)紊亂時(shí)，線粒體失去了正常的形態(tài)以及亞細(xì)胞定位，細(xì)胞供能受損，鈣離子穩(wěn)態(tài)受到破壞，細(xì)胞信號(hào)傳遞受到影響，細(xì)胞凋亡程序啟動(dòng)等[2-4]，造成神經(jīng)細(xì)胞的損傷甚至死亡，進(jìn)而引起相關(guān)的精神疾病或者腦病[5]。

精神分裂癥斷裂基因1(disrupted in schizophrenia 1，DISC1)的異常與多種精神疾病的發(fā)生有關(guān)，是精神分裂癥、雙相情感障礙、抑郁癥和自閉癥的重要致病候選基因[6-8]，近年研究發(fā)現(xiàn)DISC1基因與阿爾茨海默病和帕金森病也有著緊密的聯(lián)系[9-12]。線粒體功能異常已被證明在多種神經(jīng)損傷中發(fā)揮著重要的作用，而DISC1蛋白可以與多種線粒體相關(guān)蛋白相互作用，提示著DISC1異常可能是通過(guò)影響線粒體的正常功能，從而引發(fā)相關(guān)精神疾病。研究表明，DISC1的表達(dá)量改變和構(gòu)象變化，會(huì)對(duì)線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)、形態(tài)以及線粒體自噬產(chǎn)生不同程度的影響[13-16]。本文從以上幾個(gè)方面對(duì)近年來(lái)DISC1參與線粒體動(dòng)態(tài)調(diào)控的研究進(jìn)行概述。

1 DISC1的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 DISC1的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

DISC1基因位于人類1號(hào)染色體q42.1區(qū)域，在一個(gè)精神分裂癥高發(fā)的蘇格蘭家族中，它經(jīng)常和11號(hào)染色體q14.3區(qū)域發(fā)生易位，易位后無(wú)法表達(dá)正常的DISC1蛋白，而是表達(dá)DISC1-Boymaw融合蛋白，這種易位使得該家族成員精神疾病患病風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[16-17]。另外，DISC1多種錯(cuò)義突變例如R264Q、L607F和S704C等均會(huì)提高精神疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)[18-20]。DISC1蛋白質(zhì)全長(zhǎng)854個(gè)氨基酸，其氮端(1～350aa)不具有保守性，包含有核定位序列和富含絲氨酸-甲基丙氨酸片段(S-F片段)，同時(shí)還擁有大量的無(wú)序片段，該無(wú)序片段富含特定的氨基酸殘基，使得該片段沒(méi)有折疊，缺乏相應(yīng)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，有研究表明，在一些復(fù)雜相互作用中的“hub”蛋白中，這些無(wú)序片段有著重要的意義[21]。無(wú)序片段降低了DSIC1分子的疏水性并提高了其凈電荷，使得DISC1的氮端結(jié)構(gòu)得到延伸，這一特性使得DISC1有著更大的相互作用面積，有利于DISC1與其他蛋白相互作用[22]。其碳端(350～854aa)有4個(gè)coiled-coil螺旋區(qū)結(jié)構(gòu)域，coiled-coil結(jié)構(gòu)域的主要特點(diǎn)是它有7個(gè)殘基的重復(fù)序列，其中第1位和第4位殘基通常由非極性殘基構(gòu)成，可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其他的殘基則通常為極性殘基，可以為蛋白之間的相互作用提供反應(yīng)界面，這些coiled-coil結(jié)構(gòu)域是DISC1與多種蛋白相互作用的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[19]。

1.2 DISC1的功能

DISC1基因在人體生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段都有著相應(yīng)的表達(dá)，GTEx(基因型-組織表達(dá))數(shù)據(jù)庫(kù)顯示其在胎盤和腦中有著較高的表達(dá)豐度[23]。DISC1基因在海馬齒狀回和側(cè)間隔高表達(dá)，在大腦皮層、杏仁核、室旁下丘腦、小腦、丘腦下核也有表達(dá)[24]?；蚓幋a產(chǎn)物DISC1蛋白主要定位于線粒體[25]，其氮端的線粒體定位信號(hào)是其定位在線粒體上的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[26]。但DISC1還可以定位于細(xì)胞核、線粒體、中心體以及細(xì)胞質(zhì)中，表明其在細(xì)胞中的定位具有多樣性。DISC1的功能是由DISC1蛋白特殊的結(jié)構(gòu)所決定的，DISC1特殊的結(jié)構(gòu)使其可以與多個(gè)信號(hào)通路的200多個(gè)蛋白有直接或間接的相互作用。這使得DISC1可以參與到多種細(xì)胞活動(dòng)中，如：DISC1與糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)相互作用參與調(diào)控神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖[27]，DISC1與磷酸二酯酶4B(phosphodiesterase 4B，PDE4B)相互作用參與調(diào)控細(xì)胞中cAMP信號(hào)通路[28]，在細(xì)胞核內(nèi)與轉(zhuǎn)錄激活因子4(ATF4)相互作用，調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)[29]等等。因此，DISC1對(duì)于很多神經(jīng)發(fā)生發(fā)育過(guò)程如：神經(jīng)元的產(chǎn)生、突觸的形成、神經(jīng)細(xì)胞的遷移、新生神經(jīng)元的整合、突觸結(jié)構(gòu)的維持以及cAMP信號(hào)通路傳遞有著不可缺少的作用[30-37]。由于DICS1在線粒體的高豐度表達(dá)，且與線粒體Rho GTP酶(mitochondrial rho gTPase 1，Miro1)、動(dòng)力蛋白1樣蛋白(dynamin-1-like protein，Drp1)、絲裂菌素(mitofusin，MFN)、微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule associated proteins light chain 3，LC3)等線粒體相關(guān)蛋白有著相互作用，從而參與調(diào)控線粒體的運(yùn)輸、分裂、融合以及自噬等多種生理活動(dòng)，因此DISC1異常是影響線粒體穩(wěn)態(tài)和導(dǎo)致線粒體功能障礙的重要因素。

2 DISC1參與調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)

2.1 DISC1調(diào)控線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)

線粒體在細(xì)胞內(nèi)的合理分布是其發(fā)揮作用的重要前提，而線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)是完成線粒體分布的必要途徑，因而線粒體在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)具有極其重要的意義。研究表明過(guò)表達(dá)DISC1會(huì)使神經(jīng)軸突中線粒體的運(yùn)動(dòng)顯著增加，而敲降細(xì)胞中的DISC1后線粒體的運(yùn)動(dòng)也隨之減少[38]，說(shuō)明DISC1參與線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的調(diào)控。線粒體在細(xì)胞中是通過(guò)線粒體外膜蛋白Miro1和轉(zhuǎn)運(yùn)驅(qū)動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白(trafficking kinesin proteins1/2，TRAK1/2)與運(yùn)動(dòng)蛋白Kinesin/Dynein相互作用，靠著運(yùn)動(dòng)蛋白的驅(qū)動(dòng)在微管上進(jìn)行移動(dòng)的[39]。Miro1是錨定在線粒體外膜上并朝向細(xì)胞質(zhì)的一種GTP酶，它與TRAK1和TRAK2均能結(jié)合，而TRAK1與Kinesin和Dynein均能結(jié)合，TRAK2僅能與Dynein結(jié)合，線粒體通過(guò)Miro1-TRAK1/2復(fù)合體來(lái)連接在動(dòng)力蛋白Kinesin/Dynein上，并在后者的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示DISC1與TRAK1以及Miro1均有強(qiáng)烈的相互作用，表明DISC1是線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)功能復(fù)合體的組成部分[38]。Norkett研究小組[14]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)Miro1或TRAK1的表達(dá)上調(diào)時(shí)，線粒體上的DISC1含量也隨之提高，表明Miro1和TRAK1能募集DISC1轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體。DISC1與Miro1-TRAK2形成蛋白復(fù)合體，來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)樹突中線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)。進(jìn)一步研究表明，DISC1通過(guò)其氮端而非碳端來(lái)與Miro1-TRAK1/2相互作用，且Miro1和TRAK1/2兩者都與DISC1的150-301位氨基酸片段相互作用，在體外條件下，人工合成的DISC1蛋白與TRAK1/2蛋白并不能發(fā)生直接相互作用，這表明DISC1可能是通過(guò)與Miro1的相互作用與TRAK1/2產(chǎn)生間接聯(lián)系。另一方面DISC1基因與Boymaw基因易位后表達(dá)的融合蛋白DISC1-Boymaw蛋白[40]，由于丟失了與Miro1作用位點(diǎn)，其表達(dá)明顯減少了線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)[14]。因此，DISC1可以通過(guò)與線粒體外膜的Miro1相互作用來(lái)穩(wěn)定Miro1與TRAK1/2的連接，三者形成穩(wěn)定復(fù)合物，從而使得線粒體更牢固地結(jié)合在動(dòng)力蛋白上，來(lái)促進(jìn)線粒體在神經(jīng)細(xì)胞中的轉(zhuǎn)運(yùn)。

線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)受負(fù)反饋調(diào)節(jié)的抑制。SNPH(syntaphilin)可以和微管相互作用從而發(fā)揮線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)的剎車器功能[41-42]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度提高時(shí)，Kinesin會(huì)從Miro1-TRAK復(fù)合體上解離下來(lái)并與SNPH結(jié)合，后者抑制Kinesin的ATP酶活性，使得Kinesin不能在微管上移動(dòng)，從而阻滯了線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)[43]。研究表明，DISC1可以通過(guò)和SNPH的碳端(481～495aa)相互作用來(lái)與SNPH形成復(fù)合物，從而抑制SNPH的功能。失去這段相互作用序列的SNPH(Δ481～495aa)突變體對(duì)線粒體運(yùn)動(dòng)的阻滯作用也比野生型SNPH更加明顯，而在DISC1敲降的神經(jīng)元中，SNPH發(fā)揮的“剎車能力”比在野生型神經(jīng)元中更加強(qiáng)烈。SNPH和Miro1之間也存在著相互作用，并且這種相互作用會(huì)被DISC1的過(guò)表達(dá)抑制[44]，因此，DISC1可以通過(guò)干擾SNPH與線粒體外膜蛋白Miro1之間的相互作用，從而抑制SNPH對(duì)于線粒體運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，最終促進(jìn)線粒體在細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[44]。

上述研究結(jié)果表明，DISC1并不是通過(guò)直接作用于線粒體蛋白來(lái)調(diào)控線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)，而是發(fā)揮著“腳手架蛋白”的作用，在線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中作為“分子平臺(tái)”，通過(guò)與多種蛋白發(fā)生廣泛的相互作用，給其它轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白提供功能性平臺(tái)，最終促進(jìn)線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.2 DISC1調(diào)節(jié)線粒體分裂

細(xì)胞并不通過(guò)從頭合成途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)線粒體的增殖，而是通過(guò)線粒體分裂來(lái)產(chǎn)生新的線粒體。在線粒體無(wú)法正常分裂的細(xì)胞中，線粒體會(huì)表現(xiàn)為一種相互交聯(lián)的網(wǎng)狀形態(tài)，并在細(xì)胞局部分布，使其它部位相對(duì)缺少線粒體，導(dǎo)致該部位因缺乏能量而無(wú)法完成正常生理活動(dòng)[45]。Drp1是存在于細(xì)胞質(zhì)中的一種GTP酶，它可以被線粒體外膜上的Fis1、Mff、MID49、MID51等受體募集到線粒體上，然后啟動(dòng)線粒體的分裂過(guò)程，是為線粒體分裂提供動(dòng)力的最主要的蛋白質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在敲降了DISC1的細(xì)胞中，Drp1的表達(dá)明顯下調(diào)，線粒體無(wú)法正常地分裂，使其呈現(xiàn)出明顯長(zhǎng)于正常線粒體長(zhǎng)度的形態(tài)，成為許多獨(dú)立的環(huán)狀或球狀的高度融合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[15]。這項(xiàng)研究表明，DISC1可以通過(guò)維持Drp1的表達(dá)來(lái)促進(jìn)線粒體分裂的過(guò)程。

2.3 DISC1調(diào)節(jié)線粒體融合

在線粒體受到損傷的情況下，異常的線粒體與正常的線粒體發(fā)生融合，在融合之后的新線粒體中，損傷因素得以稀釋和糾正，之后新線粒體不對(duì)稱分裂出一好一壞兩個(gè)線粒體，分裂出的缺陷線粒體被降解，這種融合方式有利于細(xì)胞內(nèi)線粒體的功能穩(wěn)定和資源的最大化利用。研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)DISC1的氮端片段或DISC1-Boymaw融合蛋白，均能競(jìng)爭(zhēng)性抑制正常DISC1的作用，降低細(xì)胞內(nèi)線粒體的融合速率，使線粒體的長(zhǎng)度明顯縮短。MFNs是線粒體外膜上促進(jìn)線粒體外膜融合的關(guān)鍵蛋白，免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)表明DISC1與MFN1和MFN2均有強(qiáng)烈的相互作用，并直接影響線粒體的融合[14]。Mitofilin是錨定在線粒體內(nèi)膜上并朝向膜間隙的蛋白質(zhì)，它對(duì)線粒體融合有著重要的調(diào)節(jié)作用。在敲降了Mitofilin的細(xì)胞中，線粒體融合相關(guān)因子MFN1、MFN2的表達(dá)量均下降，并降低線粒體的融合[46]。DISC1被證實(shí)與Mitofilin有著明顯的相互作用[47]，敲降DISC1會(huì)導(dǎo)致Mitofilin的泛素化降解[48]，使Mitofilin下調(diào)，進(jìn)而引起MFN1、MFN2的減少。綜上，DISC1可以通過(guò)與MFN、Mitofilin等線粒體融合因子相互作用，從而促進(jìn)線粒體的融合。

2.4 DISC1調(diào)節(jié)線粒體自噬

細(xì)胞自噬是真核生物中進(jìn)化保守的對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行周轉(zhuǎn)的重要過(guò)程。該過(guò)程中一些損壞的蛋白或細(xì)胞器被雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小泡包裹后進(jìn)一步與溶酶體融合形成自噬溶酶體，吞噬細(xì)胞內(nèi)的底物并將其降解。在氧化自由基、營(yíng)養(yǎng)缺乏和細(xì)胞衰老等因素刺激下，線粒體自噬可以讓受損傷的線粒體通過(guò)自噬體和溶酶體降解，從而保證線粒體數(shù)量和功能的正常。用線粒體呼吸鏈解偶聯(lián)劑CCCP處理正常細(xì)胞可以引起線粒體損傷，進(jìn)而誘發(fā)線粒體自噬；而用CCCP處理敲降DISC1的細(xì)胞中線粒體自噬下調(diào)，表明DISC1是發(fā)生線粒體自噬的必要條件。微管相關(guān)蛋白LC3是自噬體膜上的標(biāo)記蛋白，DISC1蛋白含有一種典型的LIR模體(LC3-interacting motif)[49]，通過(guò)該模體直接和LC3相互作用，DISC1發(fā)揮自噬受體的作用，DISC1與LC3的結(jié)合可以招募自噬體到損傷的線粒體處，使損傷的線粒體被自噬體吞噬，進(jìn)而完成線粒體自噬[50-51]。過(guò)表達(dá)DISC1可以直接誘發(fā)線粒體自噬，而過(guò)表達(dá)LIR模體突變的DISC1則無(wú)法引起線粒體自噬[51]，這表明DISC1可以通過(guò)直接與LC3相互作用來(lái)促進(jìn)線粒體自噬的發(fā)生，通過(guò)增加線粒體自噬來(lái)清除細(xì)胞中損傷的線粒體，維持細(xì)胞線粒體的質(zhì)量。

3 總結(jié)與展望

神經(jīng)細(xì)胞中的線粒體一直在不斷地進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、融合、分裂、線粒體自噬等生理活動(dòng)維持著細(xì)胞內(nèi)正常的線粒體數(shù)量和形態(tài)功能。DISC1基因作為精神分裂癥等精神疾病的重要易感基因，其編碼蛋白DISC1能與多種蛋白發(fā)生相互作用，在細(xì)胞中發(fā)揮“腳手架蛋白”的作用，不僅參與多種生理活動(dòng)，而且在線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)、融合、分裂以及線粒體自噬這些過(guò)程中都發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。

研究表明DISC1不僅促進(jìn)線粒體的分裂而且還能促進(jìn)線粒體的融合，這兩種作用似乎存在矛盾，DISC1對(duì)線粒體這兩種行為的調(diào)控是否存在交叉調(diào)控的機(jī)制？產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因又是什么？除了Drp1、MFN、Mitofilin以外，DISC1是否還存在其它的調(diào)節(jié)蛋白？這些問(wèn)題都還不清楚。線粒體自噬是近年來(lái)多種神經(jīng)退行性疾病研究的熱點(diǎn)，DISC1對(duì)細(xì)胞自噬和線粒體自噬的作用機(jī)制是否一致還不清楚，除LC3外DISC1是否還和其它自噬相關(guān)蛋白有直接相互作用還有待研究。已有的絕大部分證據(jù)均揭示了DISC1對(duì)線粒體的各種活動(dòng)如轉(zhuǎn)運(yùn)、分裂、融合、自噬均存在正向調(diào)控，那細(xì)胞內(nèi)是否存在內(nèi)源性的負(fù)調(diào)控DISC1功能的蛋白質(zhì)或者相關(guān)機(jī)制還有待研究。DISC1功能性的抑制劑是否能逆轉(zhuǎn)DISC1引起的線粒體異常也有潛在的研究?jī)r(jià)值。因此，研究DISC1對(duì)線粒體動(dòng)態(tài)性的調(diào)控作用，對(duì)未來(lái)治療DISC1和線粒體異常相關(guān)的精神類疾病，提供研究思路和藥物靶點(diǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。