Rho鳥嘌呤核苷酸交換因子15在神經系統疾病中的研究進展

丁美娟，劉藝丹，孔慶霞

Arhgef15基因位于人體第17號染色體，其編碼的Rho鳥嘌呤核苷酸交換因子蛋白15(Arhgef15)是Rho鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEFs)的一個亞類。RhoGEF具有鳥嘌呤核苷酸交換活性，可以調控Rho GTP酶由失活型(與GDP結合)向活性型(與GTP結合)轉換，進而使Rho GTP酶在細胞信號轉導通路中發(fā)揮分子開關的作用。Arhgef15又稱突觸抑制蛋白，可抑制興奮性突觸的形成。研究發(fā)現，Arhgef15的異常表達參與癲癇、Alzheimer’s病(AD)、Angelman綜合征(AS)和腦血管疾病的發(fā)生發(fā)展[1]?，F就Arhgef15的結構、功能及在CNS疾病發(fā)生過程中的作用及其調控機制進行綜述。

1 Arhgef15的結構和功能

Arhgef15與人類疾病密切相關，最早由Ogita等[1]在血管平滑肌細胞中發(fā)現。由于Arhgef15僅在血管平滑肌細胞(VSMCs)中表達，被命名為Vsm-RhoGEF/KIAA0915。

Arhgef15在健康成人組織中表達非常低，一般局限于海馬，是五種Dbl相關的GEFs中的一種。Dbl家族的一個重要特征是存在由約200個氨基酸殘基組成的Dbl同源(DH)結構域和由約100個殘基組成的pleckstrin同源(PH)結構域。DH結構域主要負責Dbl RhoGEFs的催化活性，并形成與鄰近PH結構域的鳥嘌呤核苷酸交換反應的最小催化單元。除串聯DH-PH結構域外，該家族成員還包含調節(jié)GEF活性，亞細胞定位或與其他分子相互作用的其他結構域[2]。遺傳損失和功能獲得研究表明，Arhgef15可激活小G蛋白RhoA，肌動蛋白細胞骨架的調節(jié)器，在發(fā)育中的大腦中起著限制樹突生長和突觸發(fā)育的作用[3]。

GTPases的Rho家族是Ras超家族的亞組。與其他小GTP酶一樣，Rho家族成員也可以作為分子開關。Ras相似物GTP酶(Rho GTPases)以其在調節(jié)肌動蛋白細胞骨架中的作用而聞名。因此，它們參與多種細胞骨架依賴性過程，如細胞粘附、細胞運動、胞質分裂、吞噬作用、形態(tài)發(fā)生和軸突導向。此外，Rho GTPases在轉錄調控和細胞轉化中也起著重要作用。Rho GTPases參與這些基本的過程，因此其活性應該在時空上受到嚴格控制。同時，各種調節(jié)分子均參與調節(jié) GTPases的活性，但GEFs、GTP酶激活蛋白(GAPs)和鳥嘌呤核苷酸解離抑制劑(GDIs)處于調節(jié)的中心[2]。RhoGEF參與Rho GTPase活性的調節(jié)，RhoGEF與游離Rho GTPase的親合力大于Rho GTPase-GDP復合物的親合力，進一步催化鳥嘌呤核苷酸[4]。

2 與神經系統疾病的關系

Arhgef15在神經系統中的作用引人矚目。2005年Sahin等[5]證實，Arhgef15在大腦中高度表達，并根據其與Ephexin1的編碼基因在哺乳動物中的高度同源性，將它命名為Ephexin5。目前Arhgef15與癲癇、AD[6]、Angelman綜合征[7]、腦血管疾病[1]的關系已成為研究熱點。

2.1 在癲癇中的作用 癲癇發(fā)作是繼卒中和神經退行性疾病后老年人第三常見的神經系統疾病，具有突然發(fā)生、反復發(fā)作的特點，臨床表現為運動、感覺、意識、自主神經、精神等障礙，但本質上是大腦神經元異常放電引起的短暫腦功能失常[8-9]。Arhgef15在大腦特別是海馬中高表達，在大腦中的功能已被廣泛熟知[10]。Arhgef15影響興奮性突觸發(fā)育，參與癲癇的發(fā)生發(fā)展。已證實，Eph-Ephrin信號通路參與神經系統興奮性突觸的形成，并使興奮性突觸維持正常水平。研究發(fā)現，在神經系統發(fā)育過程中，Arhgef15被Ephrin-B受體酪氨酸激酶B2(EphB2)快速磷酸化，然后通過E3泛素連接酶UBE3A靶向蛋白酶體依賴性降解[9]。Arhgef15的上調增加了Rho家族蛋白的活化，特別是RhoA、Cdc42和Rac[11]。研究者發(fā)現，在正常情況下，出生早期Arhgef15水平較高，Arhgef15通過激活信號蛋白RhoA(一種限制樹突棘生長的GTP酶)阻斷異常突觸形成。當Ephrin-B配體激活EphB2受體后，EphB2將Arhgef15磷酸化，并進一步協助其泛素化，從而使Arhgef15被蛋白酶體降解，促進突觸的成熟。當Arhgef15在神經元內過度表達時，Arhgef15抑制EphB2的活性，抵消了EphB2對Arhgef15的促降解作用，從而保證Arhgef15的較高水平，并保持低突觸連接的數量，以便神經元不隨意與其他細胞形成突觸。當Arhgef15某一位點發(fā)生突變時，Arhgef15蛋白表達降低，EphB活性抑制減弱，發(fā)育中的樹突和軸突中的Ephrin-B促進EphB自磷酸化，增加了EphB催化激酶活性。磷酸化的EphB催化Arhgef15的酪氨酸磷酸化，導致Arhgef15的降解，使Arhgef15的交換活性降低，對Rho家族蛋白的激活能力減弱，從而減弱對興奮性發(fā)育的抑制，導致大腦中興奮性突觸數目的增加[10]。病理狀態(tài)下的神經元突觸向其末端下位或鄰近神經元突出和延伸，從而形成新的突觸聯系，最終導致神經元網絡重組，使神經網絡中的神經元異常興奮，為癲癇的反復發(fā)作奠定了基礎[12-13]。Arhgef15突變可能導致交換活性降低，大腦興奮性突觸數目增加。這可能是觀察到的癲癇發(fā)作的根本原因。

2.2 在AD中的作用 AD是一種年齡相關的神經退行性疾病，其特征為進行性記憶喪失，認知功能受損以及淀粉樣斑塊和神經原纖維纏結的形成[14]。淀粉樣蛋白-β(Aβ)蛋白質的積累被認為是AD發(fā)病機制中的一個促發(fā)事件[15]，Aβ產生增加會破壞神經元功能，并最終導致細胞死亡。

Aβ觸發(fā)的EPHB2信號轉導現在被認為是AD病理學的核心特征[16-17]。正常發(fā)育過程中，Arhgef15被Ephrin-B受體酪氨酸激酶B2(EphB2)快速磷酸化，然后通過E3泛素連接酶UBE3A靶向蛋白酶體依賴性降解，隨后Arhgef15蛋白水平保持低水平進入成年期[9]。AD中Aβ誘導EPHB2信號傳導喪失，導致Arhgef15表達增加。Arhgef15過表達在神經元發(fā)育早期抑制樹突棘形成。在整個生命過程中，海馬樹突棘經歷持續(xù)的動態(tài)變化，與學習和記憶密切相關，并在AD中受到深刻影響。因此，Aβ誘導Arhgef15表達增加，使海馬依賴性的學習和記憶等功能下降。同時，Arhgef15的減少可以保護小鼠免于發(fā)生學習和記憶缺陷，但是抑制Arhgef15能否逆轉這些缺陷仍有待進一步研究[5]。研究表明，Arhgef15在健康成人組織中表達非常低，并且通常在海馬體中，提示Arhgef15是一種較特異的治療靶點，只有患病者才能檢測到其病理學表達升高，從而發(fā)揮靶向作用[2]。因此，制備其抑制劑、靶向嵌合體蛋白水解酶或負變構調節(jié)劑是可行的，可能為治療AD提供新的、關鍵的治療干預途徑。

2.3 在AS中的作用 AS又稱“快樂木偶綜合征[18]”、“天使綜合征”、“安吉爾曼綜合征”，是以15q11～13染色體區(qū)域基因異常(即15q11～13 染色體區(qū)域的泛素蛋白酶UBE3A基因缺陷)引起的以嚴重發(fā)育遲緩、智力低下、語言障礙、共濟失調、癲癇發(fā)作、愉快表情為特征的神經遺傳性疾病?；颊呖砂橛袊乐毓矟д{、異常行為等[19-20]。

神經系統發(fā)育過程中，UBE3A的功能以及UBE3A突變如何導致AS尚不完全清楚。有研究表明，UBE3A是一種神經元活性調節(jié)蛋白，通過泛素化和降解突觸蛋白Arc來控制突觸功能。UBE3A功能破壞使Arc表達增加和興奮性突觸處AMPA受體數量減少，導致突觸功能減退[19]。同時，UBE3A是Arhgef15的神經信號分子，神經元UBE3A缺失，Arhgef15降解減少，使Arhgef15累積，通過激活信號蛋白RhoA阻斷突觸形成，導致神經元網絡功能障礙[11]。以上這兩種通路最終導致AS發(fā)生。

2.4 在腦血管疾病中的作用 血管生成需要動態(tài)調整細胞形態(tài)，依賴于嚴格控制細胞骨架蛋白[21]。細胞骨架調整發(fā)生在整個血管生成過程中，包括發(fā)芽、細胞遷移、血管生成和穩(wěn)定[22-23]。最近報道強調RhoGEFs在血管系統中的總體重要性。這些報告分析了其在高血壓患者動脈和血管平滑肌細胞中的表達情況[24]。在血管中，Rho GTP酶有助于形成肌動蛋白成核位點，組裝對啟動血管芽形成起關鍵作用的動態(tài)細胞骨架結構。Arhgef15的作用可能與啟動內皮發(fā)芽的血管生成信號的整合有關。Arhgef15參與了Cdc42對血管內皮生長因子的激活，并被認為是維持內皮細胞粘附Arhgef15的正調控因子[25]。

Arhgef15的另一個名稱是Vsm-RhoGEF，代表血管平滑肌特異性RhoGEF。顧名思義，它被鑒定為在來自不同組織(包括心臟、肝臟、腎臟、主動脈和脾臟)的血管平滑肌細胞中表達的RhoGEF。隨著其表達模式的識別，Vsm-RhoGEF作為EphA4信號傳導的關鍵下游調節(jié)劑的作用已被證實。Ephrin-A與EphA4結合并作用于Vsm-RhoGEF的DH-PH結構域誘其酪氨酸磷酸化，磷酸化的Vsm-RhoGEF進一步激活RhoA，從而誘導與血管平滑肌收縮相關的應激纖維的形成，調節(jié)血管平滑肌收縮性[1]。

Arhgef15作為內皮細胞特異性交換因子介導血管內皮生長因子誘導的Cdc42活化并增強RhoJ失活，促進肌動蛋白聚合和細胞運動性。小GTP酶Cdc42在活躍的GTP結合狀態(tài)和不活躍的GDP結合狀態(tài)之間循環(huán)，促進各種類型細胞中的肌動蛋白聚合，并且參與不同的細胞運動的過程[26]，調節(jié)內皮細胞中細胞骨架重組。目前，Arhgef15及其所在通路的相關因子已成為抗血管生成治療的新的研究熱點[24]。

3 展望

Arhgef15是小G蛋白調節(jié)因子家族成員之一，調控多種小G蛋白的生物學活性，有助于小G蛋白上的鳥苷二磷酸和鳥苷三磷酸相互轉換，從而活化Ras和Rho等小G蛋白。Arhgef15的異常表達與許多疾病的病理生理過程有著密切的聯系。現在Arhgef15與癲癇、AD、AS和腦血管疾病的發(fā)生、發(fā)展關系已成為研究熱點。Arhgef15可能成為CNS疾病治療的新靶點，為難治性神經系統疾病提供新的輔助治療手段。