蛋白磷酸酶1及其去磷酸化與抑郁癥的關(guān)聯(lián)研究

馬相賢 蔣宇婷 王三旺 崔明湖

1濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院濱州醫(yī)學(xué)院第一臨床醫(yī)學(xué)院，濱州 256600；2濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心理科，濱州 256699

在真核細(xì)胞中，蛋白質(zhì)主要在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上磷酸化［1］。蛋白磷酸酶是一組多樣化的蛋白質(zhì)，可以抵消蛋白激酶的作用［2］。蛋白磷酸酶去磷酸化通過(guò)水解催化蛋白質(zhì)中磷酸基在神經(jīng)元功能的許多方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括參與調(diào)節(jié)突觸通訊的關(guān)鍵步驟［3］，并且可通過(guò)其在突觸處催化細(xì)胞中大部分磷酸絲氨酸和磷酸蘇氨酸的去磷酸化來(lái)調(diào)控突觸可塑性，從而參與調(diào)節(jié)抑郁癥［4］。

蛋白磷酸酶1（protein phosphatase 1，PP1）和蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）屬于磷酸蛋白磷酸酶超家族（phosphoprotein phosphatase superfamily，PPP），在真核生物磷酸酶反應(yīng)中占90%以上，PP2A在抑郁癥中的作用已被多次討論過(guò)［5-7］。另外近期研究證明了動(dòng)物和人類的內(nèi)側(cè)腦前額葉外皮層中隸屬蛋白磷酸酶2C（protein phosphatase 2C，PP2C）家族的蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依賴的1F（PPM1F）［8］，也與抑郁癥有關(guān)［9］。我們的最新研究同時(shí)證明了海馬中的PPM1F通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)興奮性來(lái)調(diào)節(jié)抑郁相關(guān)行為［10］，而PP1的作用的研究相對(duì)較少。PP1是一個(gè)主要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶，在所有的真核生物中高度保守，并普遍表達(dá)，顯示出廣泛的底物特異性，在許多細(xì)胞過(guò)程中起著顯著作用，如細(xì)胞周期，減數(shù)分裂，蛋白質(zhì)合成，細(xì)胞凋亡，細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)，糖原代謝等［11］。有研究發(fā)現(xiàn)PP1也與突觸可塑性息息相關(guān)，其在突觸上的募集與抑郁癥有關(guān)，但還沒(méi)有足夠的證據(jù)表明PP1是否能夠負(fù)責(zé)直接調(diào)節(jié)抑郁癥，也不確定PP1與突觸素共定位的增加是否與抑郁程度相關(guān)［12］。PP1在抑郁癥發(fā)生發(fā)展中的作用仍然令人困惑，這可能是抑郁癥研究中容易忽視PP1的原因之一［13］，缺血再灌注損傷的相關(guān)研究也是如此［14］。為了促進(jìn)開(kāi)發(fā)治療抑郁癥的新方法，有必要在抑郁癥疾病領(lǐng)域研究PP1及其去磷酸化的作用機(jī)制，為抑郁癥的分子機(jī)制探索提供思路和線索。

PP1與突觸可塑性

蛋白磷酸酶是一組特殊的蛋白質(zhì)，根據(jù)其磷酸化絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基的特異性可以進(jìn)行分類。已知有4個(gè)結(jié)構(gòu)不同的家族。其中一類是PPP類的絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白磷酸酶，包括PP1、PP2A和鈣/鈣調(diào)蛋白調(diào)節(jié)酶（protein phosphatase 2B，PP2B），也稱為鈣調(diào)磷酸酶［15-16］。突觸可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的細(xì)胞模型，蛋白磷酸酶通過(guò)對(duì)抗蛋白激酶，調(diào)節(jié)許多涉及突觸可塑性底物的可逆磷酸化［17］。PP1作為PPP類的絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白磷酸酶中一種重要的存在，也可以間接調(diào)控某些化學(xué)修飾來(lái)影響學(xué)習(xí)和記憶［18］，也是調(diào)節(jié)突觸可塑性和神經(jīng)紊亂的重要磷酸酶［11］。

PP1是一種寡聚酶，由1個(gè)催化亞基（PP1C）和1個(gè)或2個(gè)調(diào)節(jié)亞基（稱為PP1的調(diào)節(jié)因子，RIPPOs）組成。PP1C有3個(gè) 不 同 的基 因編 碼，PPP1CA（11q13.2）、PPP1CB（2p23.2）和PPP1CC（12q24.11），分別產(chǎn)生3種典型的亞型，分別是PP-1A（PP1α）、PP-1B（PP1β）和PP-1G（PP1γ）［19］，他們受到大量相互作用的亞基的調(diào)控，這些亞基定義了他們的酶底物特異性［13］。PP1的3個(gè)亞型序列高度保守，他們的N端和C端存在差異，這可能是他們結(jié)合親和力不同的原因。不同的結(jié)合親和力導(dǎo)致PP1亞型在定位和底物特異性上的差異。具體來(lái)說(shuō)，PP1α和PP1γ在突觸的集中定位［20］表明了他們?cè)谕挥|可塑性中的重要性。與這一觀點(diǎn)一致的是，神經(jīng)元肌動(dòng)蛋白和蛋白磷酸酶-1結(jié)合蛋白neurabin作為PP1的靶向蛋白在長(zhǎng)時(shí)程抑制（long-term depression，LTD）和長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）誘導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在大腦中優(yōu)先與PP1γ結(jié)合［21］，LTP和LTD是2種被充分研究的相反形式的突觸可塑性的興奮性突觸，分別加強(qiáng)和削弱突觸［22］。在體外，neurabin與PP1γ的結(jié)合親和力最高，與PP1α的結(jié)合程度較低，與PP1β的結(jié)合最?。?3-24］。而PP1β可能通過(guò)調(diào)控突觸前蛋白的磷酸化狀態(tài)在突觸中發(fā)揮關(guān)鍵作用［25］。此外，整個(gè)外顯子組測(cè)序研究已經(jīng)確定了有超過(guò)17例PP1β突變的患者患有發(fā)育遲緩、智力殘疾、社交障礙以及在某些情況下出現(xiàn)焦慮和癲癇等神經(jīng)精神疾?。?6-28］，提示PP1β在突觸可塑性和神經(jīng)發(fā)育中發(fā)揮重要作用。綜合上述PP1 3種不同亞型在突觸可塑性中的研究，多方驗(yàn)證了PP1在突觸可塑性和大腦功能方面發(fā)揮了重要作用。PP1在神經(jīng)系統(tǒng)中微妙而多樣的作用凸顯了闡明PP1全酶的功能及其調(diào)控的重要性。同時(shí)通過(guò)PP1β的突變可導(dǎo)致焦慮出現(xiàn)的證據(jù)，可以推測(cè)PP1或許也與其他精神疾病有關(guān)，比如，據(jù)世界衛(wèi)生組織預(yù)測(cè)在2030年將成為全球最大負(fù)擔(dān)的疾病-抑郁癥［29］。

去磷酸化與突觸可塑性

PP1作為一種主要的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，在樹(shù)突棘和細(xì)胞核中富集，并去磷酸化多種重要的底物，這些底物控制著突觸可塑性和記憶的各個(gè)方面，在突觸可塑性和神經(jīng)發(fā)育中發(fā)揮重要作用［30］。Siddoway等［31］研究證明了在有PP1參與的突觸降尺度過(guò)程中，去磷酸化占據(jù)了不可忽視的地位，在LTD期間，許多突觸后靶點(diǎn)的去磷酸化被證明對(duì)于突觸可塑性的調(diào)節(jié)發(fā)揮了有利作用，與此同時(shí)PP1也被激活［32］。

Morishita等［33］表明PP1對(duì)突觸底物的精確靶向是表達(dá)LTD的關(guān)鍵，但目前尚不清楚活化的PP1是如何使突觸中無(wú)數(shù)蛋白質(zhì)中的特定蛋白底物去磷酸化的。有研究通過(guò)神經(jīng)電生理誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)使配對(duì)的突觸前和突觸后活性水平降低從而弱化LTD，使得小鼠發(fā)揮抗抑郁作用。在突觸傳遞中占據(jù)重要地位的N-甲基-D-天冬氨酸谷氨酸受體（NMDAR）被弱激活，會(huì)導(dǎo)致更少的鈣離子流入，優(yōu)先激活PP1，則PP1會(huì)在其中發(fā)揮效能從而極大地促進(jìn)LTD［12］。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了涉及PP1的蛋白-蛋白相互作用在將PP1靶向到相關(guān)突觸底物的過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，且一定程度上PP1與抑郁癥是相關(guān)的。但目前還沒(méi)有足夠的證據(jù)表明它是否負(fù)責(zé)直接調(diào)節(jié)抑郁癥，也不確定PP1在突觸上的共定位增加與抑郁程度是否直接相關(guān)。

突觸可塑性與抑郁癥機(jī)制

抑郁癥是一種普遍存在且使人衰弱的精神疾病，自殘和自殺企圖的發(fā)生率很高，這會(huì)增加家庭的負(fù)擔(dān)［34-35］。抑郁癥的屬性包括情緒低落、快感缺乏、自殺念頭、精神運(yùn)動(dòng)遲緩或激越、食欲和睡眠模式的改變、精力缺乏或疲勞加劇。此外，抑郁癥的患病率預(yù)計(jì)將持續(xù)增加，根據(jù)世界衛(wèi)生組織成員國(guó)的統(tǒng)計(jì)，到2030年抑郁癥會(huì)成為疾病負(fù)擔(dān)的第二大原因［36］。遺傳、神經(jīng)化學(xué)和環(huán)境因素與抑郁癥的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。雖然針對(duì)抑郁癥的藥理治療，包括選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑、去甲腎上腺素再攝取抑制劑、三環(huán)類抗抑郁藥和單胺氧化酶抑制劑已被廣泛使用，但這些抗抑郁藥需要數(shù)周至數(shù)月的治療，近50%的患者表現(xiàn)出非常差或無(wú)反應(yīng)［37-38］。盡管在過(guò)去的幾十年中進(jìn)行了廣泛的研究，但是抑郁癥的病因?qū)W和病理生理學(xué)尚未完全弄清楚。

近期以來(lái)，持續(xù)的抑郁癥抑郁情感狀態(tài)的發(fā)展被認(rèn)為是由于多巴胺、血清素、去甲腎上腺素及5-羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)介導(dǎo)的突觸傳遞的持續(xù)改變［39］。雖然這些遞質(zhì)的身份在過(guò)去幾年里發(fā)生了變化，但文獻(xiàn)缺乏他們所調(diào)節(jié)的神經(jīng)生理機(jī)制之間的機(jī)械聯(lián)系，以及這些機(jī)制是如何改變神經(jīng)元功能從而影響情感穩(wěn)態(tài)的［40］。突觸前和突觸后突觸強(qiáng)度的長(zhǎng)期增加和減少都可以被誘導(dǎo)［41］，但他們與治療包括抑郁癥在內(nèi)的許多精神疾病的相關(guān)性實(shí)際上還未闡明，但突觸強(qiáng)度的改變可能是導(dǎo)致抑郁癥的病因之一。有研究表明，長(zhǎng)期活動(dòng)依賴的突觸強(qiáng)度變化，即突觸可塑性，以及為易于誘導(dǎo)未來(lái)長(zhǎng)期變化而改變的設(shè)定點(diǎn)，即元可塑性，可能是建立和扭轉(zhuǎn)抑郁癥抑郁行為狀態(tài)的關(guān)鍵［4］，不過(guò)雖然LTP和LTD在各種突觸中都有很好的記錄，但這些不同形式的突觸可塑性在抑郁癥中的作用仍有待闡明。嚙齒動(dòng)物研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)NMDAR的部分激動(dòng)劑GLYX-1，具有顯著的抗抑郁作用［42］，而GLYX-1在鼠海馬切片的研究表明它可以敏銳地增加LTP和LTD［43］，這也說(shuō)明由GLYX-1聯(lián)系的突觸可塑性與抑郁癥存在不可忽視的聯(lián)系。

由于每個(gè)突觸具有不同的信息處理和編碼能力，長(zhǎng)期突觸可塑性一直是認(rèn)知、記憶存儲(chǔ)和抑郁癥研究的主要目標(biāo)，所以突觸可塑性對(duì)抑郁癥和其他神經(jīng)精神疾病的潛在意義不應(yīng)該因?yàn)槿狈ρ芯慷坏凸溃?4］。

與抑郁癥相關(guān)的蛋白磷酸酶

與PP1同屬蛋白磷酸酶家族一員的PPM1F，是一種絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，屬于PP2C家族［8］，之前有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)受壓力模型誘導(dǎo)抑郁相關(guān)行為的小鼠PPM1F基因在杏仁核和內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)（mPFC）中有差異表達(dá)，而人類血液中PPM1F的mRNA水平下調(diào)，說(shuō)明在動(dòng)物和人類的內(nèi)側(cè)腦前額葉外皮中的PPM1F與抑郁癥和焦慮癥有關(guān)［9］，我們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了海馬中的PPM1F可通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)興奮性來(lái)調(diào)節(jié)抑郁相關(guān)行為，可能是抑郁癥或其他精神疾病的重要病理基因［10］。

另外，Lecca等［5］利用小鼠證明了PP2A抑制可能通過(guò)去磷酸化中間附屬蛋白來(lái)調(diào)控γ氨基丁酸能（GABA）受體以改善抑郁癥樣癥狀，并且在抑郁癥的習(xí)得性無(wú)助模型中發(fā)揮作用。GABA受體廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，定位于突觸前和突觸后的突觸外位點(diǎn)，其異常表達(dá)和信號(hào)與許多精神疾病有關(guān)，包括癲癇、抑郁癥、焦慮癥和藥物成癮［45］。

小 結(jié)

確定病理基因新的功能對(duì)抑郁癥的研究很重要。近幾十年的研究表明，蛋白質(zhì)通過(guò)可逆磷酸化，執(zhí)行磷酸酶功能，在所有生物體中組成了一系列重要的信號(hào)和機(jī)制的調(diào)控［46］。PP1作為蛋白磷酸酶中的重要一員，在身體中廣泛表達(dá)，參與了眾多細(xì)胞過(guò)程，在大腦功能調(diào)節(jié)和神經(jīng)精神疾病中被大量研究，其中情緒應(yīng)激引起的PP1表達(dá)的變化可能有許多病理生理學(xué)意義。綜上研究可推測(cè)PP1可能通過(guò)去磷酸化的形式調(diào)節(jié)神經(jīng)興奮性或者其他方式來(lái)調(diào)節(jié)抑郁癥及抑郁相關(guān)行為，這需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步去驗(yàn)證。洞察PP1的去磷酸化對(duì)于抑郁癥的調(diào)節(jié)作用可能有助于發(fā)現(xiàn)治療或預(yù)防抑郁癥的新方法，故應(yīng)在以后的研究中加以探索。