DJ-1蛋白在帕金森病嗅覺障礙中作用研究進(jìn)展

張秩荻 張迎宏 馬芙蓉 毛蘭群

(1北京大學(xué)第三醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，北京 100191；2中國科學(xué)院化學(xué)研究所)

嗅覺障礙已成為一個(gè)全球性公共健康問題，發(fā)病率占老年人口的13.9%～31.7%，被認(rèn)為是老年人患有神經(jīng)退行性疾病的先兆。帕金森病(PD)是目前世界上第二大神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，好發(fā)于中老年人，以震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩和步態(tài)異常四大主征為主要臨床表現(xiàn)，但嗅覺減退等非運(yùn)動(dòng)障礙癥狀亦是影響其生活質(zhì)量的重要因素。據(jù)流行病學(xué)調(diào)查顯示〔1〕，多數(shù)PD患者患病早期表現(xiàn)有不同程度嗅覺障礙，發(fā)生率高達(dá)45.0%～96.7%，故嗅覺障礙被認(rèn)為是PD首發(fā)癥狀和早期診斷的臨床指標(biāo)之一〔2〕。研究發(fā)現(xiàn)一種與PD密切相關(guān)蛋白名為DJ-1蛋白，又名PD蛋白(PARK)7，主要參與神經(jīng)元的保護(hù)過程〔3〕，該蛋白在PD患者血液及唾液中高度表達(dá)〔4〕，而PD患者中DJ-1蛋白表達(dá)異常時(shí)出現(xiàn)明顯嗅覺障礙〔5〕，但其內(nèi)在機(jī)制仍不清楚。因此，本文就DJ-1蛋白概況及DJ-1蛋白在PD嗅覺障礙中的作用相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，以期為PD嗅覺障礙提供早期診斷標(biāo)志物和基因治療靶點(diǎn)。

1 DJ-1蛋白概況及其神經(jīng)保護(hù)功能

DJ-1蛋白相對(duì)分子質(zhì)量約為20 kD，包含189個(gè)氨基酸殘基，以二聚體的形式存在于細(xì)胞質(zhì)、線粒體和細(xì)胞核中〔6〕，在大腦神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)較多〔7〕，其中在皮層、海馬、黑質(zhì)、紋狀體等腦區(qū)中表達(dá)更為廣泛〔8〕。DJ-1可以作為分子伴侶、半胱氨酸蛋白酶及過氧化物酶相關(guān)蛋白等，并與細(xì)胞轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)錄與翻譯的調(diào)節(jié)有關(guān)〔9〕，主要通過抗氧化、抗蛋白聚集及抗炎功能參與神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)。

1.1DJ-1蛋白的抗氧化功能 活性氧(ROS)產(chǎn)生過多或清除減少在組織或細(xì)胞內(nèi)聚積會(huì)引起氧化損傷，這一過程稱為氧化應(yīng)激〔10〕。研究發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白以ROS清除劑、線粒體穩(wěn)定劑、信號(hào)通路調(diào)節(jié)分子等身份發(fā)揮抗氧化應(yīng)激功能，從而保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。

DJ-1蛋白是ROS清除劑，通過自身氧化清除ROS或調(diào)節(jié)ROS清除系統(tǒng)發(fā)揮抗氧化應(yīng)激的功能。早期學(xué)者發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激時(shí)DJ-1蛋白上抗氧化關(guān)鍵位點(diǎn)第106位半胱氨酸被氧化為半胱亞磺酸，這種自身氧化特性使DJ-1蛋白能有效滅活ROS〔11〕。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白還能夠促進(jìn)ROS清除劑谷胱甘肽的合成，在mRNA水平上提高合成谷氨酸半胱氨酸連接酶的活性，阻斷谷胱甘肽合成減少從而發(fā)揮清除ROS的作用〔12〕。Xu等〔13〕發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白增加線粒體解耦聯(lián)蛋白(UCP)4的表達(dá)，UCP4誘導(dǎo)的輕度解耦可以減少ROS的產(chǎn)生，保護(hù)細(xì)胞免于氧化應(yīng)激的損傷。

DJ-1蛋白是線粒體穩(wěn)定劑，線粒體是氧化應(yīng)激的重要結(jié)構(gòu)〔14〕，國外研究者利用電子顯微鏡在線粒體基質(zhì)和膜間隙中發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白，推測線粒體可能是DJ-1蛋白發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)功能的重要場所〔15〕。研究證實(shí)DJ-1蛋白通過與線粒體跨膜蛋白B細(xì)胞淋巴瘤因子(Bcl)2-XL相互作用來維持線粒體膜的完整，避免線粒體膜通透性改變使細(xì)胞色素釋放導(dǎo)致細(xì)胞凋亡〔16〕，后期Ozawa等〔17〕發(fā)現(xiàn)DJ-1缺失會(huì)使線粒體膜電位發(fā)生去極化，導(dǎo)致線粒體功能異常。此外，過表達(dá)DJ-1蛋白使線粒體復(fù)合物Ⅰ組裝增強(qiáng)〔18〕，而DJ-1的缺失會(huì)使復(fù)合物Ⅰ抑制劑的敏感性增加〔19〕，這提示DJ-1蛋白在線粒體復(fù)合物Ⅰ結(jié)構(gòu)和功能的維持中起重要作用。線粒體外膜蛋白VDAC通過伴侶Grp75與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白IP3R相互作用，形成IP3R3-Grp75-VDAC1復(fù)合物將線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)連接保證正常鈣流動(dòng)〔20〕，DJ-1通過與該復(fù)合物直接相互作用以維持正常的線粒體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)〔21〕，Strobbe等〔22〕也發(fā)現(xiàn)通過阻斷DJ-1蛋白與一種線粒體輔助蛋白即DJ-1結(jié)合蛋白(DJBP/EFCAB6)的相互作用，會(huì)破壞線粒體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)。故這些研究證實(shí)DJ-1蛋白在維持線粒體膜完整、線粒體復(fù)合物Ⅰ完整和線粒體正常內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)中起重要作用。

DJ-1蛋白是信號(hào)通路調(diào)節(jié)分子，其抗氧化作用與多種細(xì)胞保護(hù)性信號(hào)通路傳導(dǎo)途徑相關(guān)。研究表明，抗氧化轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子核因子E2相關(guān)因子(Nrf)2具有促使下游抗氧化蛋白基因轉(zhuǎn)錄的功能，DJ-1蛋白能抑制Nrf2的泛素化和降解從而起到抗氧化作用〔23〕。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白將死亡結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白(Daxx)隔離在細(xì)胞核內(nèi)，阻止Daxx進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)而阻止其效應(yīng)激酶凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ASK)1的激活，而不會(huì)觸發(fā)隨后的細(xì)胞凋亡信號(hào)通路〔24〕。此外，DJ-1蛋白通過抑制第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶張力蛋白同源物基因(PTEN)磷酸酯酶活性，負(fù)性調(diào)節(jié)磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號(hào)通路〔9，25〕，還會(huì)通過增強(qiáng)Akt的磷酸化，抑制Akt下游效應(yīng)蛋白的表達(dá)來發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用〔26〕。

1.2DJ-1蛋白的抗蛋白聚集功能 DJ-1蛋白抗蛋白聚集功能體現(xiàn)在抑制α-突觸核蛋白(syn)的異常沉積〔27〕。研究發(fā)現(xiàn)DJ-1缺陷會(huì)抑制分子伴侶介導(dǎo)自噬(CMA)途徑的激活而加重α-syn聚集〔28〕，而熱休克同源蛋白(Hsc)70是CMA的關(guān)鍵分子，DJ-1蛋白可與分子伴侶Hsc70特異性結(jié)合影響CMA對(duì)α-syn聚集抑制的能力〔29〕。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，DJ-1敲除后降低了小膠質(zhì)細(xì)胞表面脂筏的表達(dá)，削弱了小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)可溶性α-syn的攝取能力而使α-syn異常堆積〔30〕。最近有學(xué)者首次提出星形膠質(zhì)細(xì)胞能減少α-syn沉積，研究者對(duì)成年小鼠輸注一種可以在星形膠質(zhì)細(xì)胞中過表達(dá)DJ-1的載體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DJ-1基因轉(zhuǎn)導(dǎo)動(dòng)物的黑質(zhì)多巴胺(DA)能神經(jīng)元內(nèi)α-syn積累減少，這表明星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性過表達(dá)DJ-1蛋白可保護(hù)鄰近神經(jīng)元免受α-syn沉積病理特征的損傷〔31〕。

1.3DJ-1蛋白的抗炎功能 小膠質(zhì)細(xì)胞是一種神經(jīng)免疫細(xì)胞，激活后會(huì)釋放大量的神經(jīng)免疫炎性因子產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，促進(jìn)神經(jīng)元發(fā)生變性和死亡。DJ-1蛋白在膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，尤其是小膠質(zhì)細(xì)胞〔32〕。Kim等〔33〕研究發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白通過抑制轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT1)激活，從而抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中促炎介質(zhì)的表達(dá)。Chien等〔34〕在DJ-1蛋白缺乏的小膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)干擾素(IFN)-γ誘導(dǎo)的T細(xì)胞α趨化因子(I-TAC)的基礎(chǔ)水平升高，這表明DJ-1蛋白缺乏致小膠質(zhì)細(xì)胞釋放IFN-γ和I-TAC，引起神經(jīng)元的炎癥損傷。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白過表達(dá)可減少促炎調(diào)節(jié)分子谷氧還蛋白(Grx)1從而負(fù)性調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活〔35〕。這些研究證據(jù)表明DJ-1蛋白通過調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥介質(zhì)釋放發(fā)揮抗炎作用。

2 DJ-1蛋白異常在嗅覺障礙發(fā)生的作用機(jī)制

早期Verbaan等〔5〕為了探討PD患者的基因型特征與嗅覺障礙的關(guān)系，對(duì)PD患者進(jìn)行氣味識(shí)別測試和氣味辨別測試，發(fā)現(xiàn)DJ-1基因突變患者氣味識(shí)別測試結(jié)果正常，但氣味辨別測試異常，這提示DJ-1基因突變與嗅覺功能紊亂有關(guān)。Narendra等〔36〕報(bào)道對(duì)DJ-1基因突變患者采用賓夕法尼大學(xué)嗅覺識(shí)別試驗(yàn)(UPSIT)法進(jìn)行檢測，UPSIT得分為16分(總分40分)，診斷為嗅覺異常。因此，DJ-1蛋白異常與嗅覺障礙密切相關(guān)，故探討其在嗅覺障礙中的作用機(jī)制。

2.1DJ-1蛋白異常與DA神經(jīng)遞質(zhì)代謝紊亂 眾所周知，嗅覺障礙與分布于嗅球和嗅覺中樞等結(jié)構(gòu)的DA神經(jīng)遞質(zhì)代謝紊亂密切相關(guān)〔37〕，DJ-1蛋白在保護(hù)DA神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激損傷及調(diào)節(jié)DA合成的過程中發(fā)揮重要作用〔38〕。早期有學(xué)者發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白能夠選擇性地被DA細(xì)胞攝入〔39〕，隨后孫雙勇等〔40〕將DJ-1蛋白注射進(jìn)入 PD 小鼠側(cè)腦室后發(fā)現(xiàn)，紋狀體內(nèi)DA含量升高，黑質(zhì)DA能神經(jīng)元死亡顯著減少，證實(shí)了DJ-1蛋白可減少DA能神經(jīng)元死亡。最近研究也發(fā)現(xiàn)紅景天苷能夠通過上調(diào)DJ-1蛋白的Nrf2抗氧化途徑保護(hù)DA能神經(jīng)元〔41〕。此外，DJ-1蛋白也參與DA的合成過程，已有文獻(xiàn)證明DJ-1可以通過不同途徑調(diào)節(jié)作為DA合成限速酶的酪氨酸羥化酶(TH)的表達(dá)，DJ-1蛋白可通過抑制嘧啶束結(jié)合蛋白相關(guān)剪接因子(PSF)從而激活TH轉(zhuǎn)錄〔42〕，還有學(xué)者在DJ-1基因敲除小鼠模型中發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白缺失導(dǎo)致Raf/Mek/Erk途徑抑制TH的表達(dá)〔43〕。但也有研究認(rèn)為DJ-1蛋白表達(dá)異常并不能引起嗅覺障礙，Kyser等〔44〕對(duì)DJ-1基因敲除鼠進(jìn)行埋球試驗(yàn)來測量嗅覺功能，16月齡DJ-1基因敲除鼠尋找顆粒物的速度比野生型對(duì)照組快，證明16月齡DJ-1基因敲除鼠可能比野生型對(duì)照組嗅覺功能增強(qiáng)，DA和去甲腎上腺素等神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)嗅覺有重要作用，但其具體作用尚不明確，仍需進(jìn)一步探究。因此，推斷DJ-1蛋白異?？赡芡ㄟ^消除其DA神經(jīng)元保護(hù)功能和影響DA合成過程，從而使DA神經(jīng)遞質(zhì)代謝紊亂參與嗅覺障礙的發(fā)生。

2.2DJ-1蛋白異常與α-syn異常沉積增加神經(jīng)毒性 有研究〔45〕表明PD患者早期α-syn沉積于嗅球、前嗅核等，其臨床表現(xiàn)為嗅覺障礙，Rey等〔46〕將人源性α-syn注射到野生型小鼠嗅球，而后數(shù)小時(shí)內(nèi)很快移行到與嗅球相連接的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生缺陷及對(duì)氧化應(yīng)激敏感〔32〕。研究發(fā)現(xiàn)PD伴嗅覺障礙患者腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞異常激活時(shí)，會(huì)釋放大量神經(jīng)免疫炎性因子，從而誘發(fā)神經(jīng)免疫炎性反應(yīng)造成神經(jīng)元變性死亡〔47〕，這提示小膠質(zhì)細(xì)胞激活產(chǎn)生的神經(jīng)炎性反應(yīng)損害嗅覺通路，使患者出現(xiàn)嗅覺障礙。Trudler等〔48〕研究發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞中的DJ-1蛋白下調(diào)時(shí)，IL-1β和IL-6等促炎因子分泌增加，單胺氧化酶活性增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS和一氧化氮的增加，這些都增加了神經(jīng)毒性。因此，DJ-1蛋白異常可能通過小膠質(zhì)細(xì)胞激活神經(jīng)炎癥反應(yīng)，損傷嗅覺通路的神經(jīng)細(xì)胞，參與嗅覺障礙發(fā)生。

2.3DJ-1蛋白異常與嗅覺神經(jīng)干細(xì)胞(NSC)變性 嗅覺系統(tǒng)是腦內(nèi)NSC發(fā)生、更新及遷移最集中的部位，NSC可在成年哺乳類動(dòng)物腦內(nèi)增殖活躍、可定向遷移和分化，主要存在于腦室下區(qū)和海馬，其中腦室下區(qū)產(chǎn)生的 NSC沿喙側(cè)遷移流不斷向嗅球遷移〔49〕，分化為多種細(xì)胞類型，包括顆粒細(xì)胞和短軸突細(xì)胞等〔50，51〕，因此，嗅覺NSC在對(duì)不同氣味的辨別和更新記憶方面十分重要。Sun等〔52〕用5-溴脫氧尿苷陽性(BrdU+)注射入6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)的PD小鼠腹腔中來標(biāo)記增殖細(xì)胞，結(jié)果表明，MPTP組小鼠海馬齒狀回區(qū)和側(cè)腦室區(qū)中BrdU+細(xì)胞數(shù)與生理鹽水對(duì)照組無顯著差異，而MPTP組小鼠嗅球顆粒細(xì)胞層則有顯著變化；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)DJ-1蛋白在海馬齒狀回區(qū)和側(cè)腦室區(qū)中被轉(zhuǎn)移到BrdU+細(xì)胞的細(xì)胞核中，而在嗅球中沒有，這表明DJ-1在海馬齒狀回區(qū)和側(cè)腦室區(qū)中的核移位保護(hù)NSC免受MPTP的損傷，從而維持遷徙入嗅球的神經(jīng)前體細(xì)胞的正常數(shù)量，這提示DJ-1蛋白可能通過NSC保護(hù)機(jī)制參與嗅覺功能正常的維持。因此，推斷當(dāng)DJ-1蛋白異常，NSC保護(hù)功能消失時(shí)，可能出現(xiàn)嗅覺NSC變性導(dǎo)致嗅覺障礙發(fā)生。

綜上，DJ-1蛋白具有通過抗氧化、抗蛋白聚集和抗炎等途徑的保護(hù)神經(jīng)功能，DJ-1蛋白異常其神經(jīng)保護(hù)功能消失會(huì)導(dǎo)致嗅覺障礙中相關(guān)神經(jīng)功能的變化，涉及DA神經(jīng)遞質(zhì)代謝紊亂、α-syn異常沉積增加神經(jīng)毒性、小膠質(zhì)細(xì)胞激活神經(jīng)炎癥反應(yīng)及嗅覺NSC變性等過程，故以DJ-1蛋白作為靶點(diǎn)開展治療或可為PD嗅覺障礙患者帶來諸多受益并提供新視角。但目前DJ-1蛋白與PD嗅覺障礙的研究局限于樣本量過少，仍缺乏大量研究對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證。因此，深入探討DJ-1在嗅覺障礙發(fā)病機(jī)制及臨床應(yīng)用前景是今后的重要研究方向。