視神經(jīng)蛋白的功能及其在神經(jīng)退行性疾病中的作用 ①

鄭若玲，譚 潔

(桂林醫(yī)學(xué)院廣西腦與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541199)

視神經(jīng)蛋白(optineurin, OPTN)是一種在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的高豐度蛋白，最初因其與青光眼的發(fā)生發(fā)展相關(guān)而被命名。研究表明，OPTN參與囊泡運(yùn)輸、炎癥反應(yīng)、自噬、高爾基體形態(tài)維持等胞內(nèi)過程，與腫瘤、免疫性疾病及神經(jīng)退行性疾病等多種疾病有密切聯(lián)系[1-3]。近年來，OPTN與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系受到越來越多的關(guān)注。本文對OPTN的功能及其與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)，希望能為神經(jīng)退行性疾病的機(jī)制研究及治療方案提供參考。

1 視神經(jīng)蛋白概述

OPTN，又稱為E3-14.7K相互作用蛋白、亨廷頓相互作用蛋白-7(HIP-7)、NEMO-相關(guān)蛋白等。1998年，OPTN通過酵母雙雜交系統(tǒng)被初次分離，并被檢測到與腺病毒E3-14.7K蛋白發(fā)生相互作用，由此被命名為E3-14.7K相互作用蛋白[4]。2002年，一項(xiàng)對54個常染色體顯性遺傳成人原發(fā)性開角型青光眼家族的研究發(fā)現(xiàn)，這種遺傳性疾病由10號染色體上Optn基因的突變所引起，因而OPTN被正式命名為視神經(jīng)蛋白[5]。

OPTN蛋白由Optn基因編碼。人的Optn基因位于10號染色體的短臂上，大小為38.216 kbp，由16個外顯子組成，包括位于5′-非翻譯區(qū)的3個非編碼外顯子和編碼 66 kDa 蛋白質(zhì)的13個外顯子[5]。對5′-非翻譯區(qū)進(jìn)行選擇性剪接可產(chǎn)生具有相同開放閱讀框的4種不同異構(gòu)體，編碼可能具有不同組織特異性表達(dá)模式的OPTN蛋白[6]。

OPTN在人、靈長類動物、真核生物、哺乳動物等多個物種上均有表達(dá)，如狗、黑猩猩、牛、恒河猴、小鼠、大鼠、雞、蛙和斑馬魚等[7]。OPTN在不同組織中的表達(dá)存在差異。Fagerberg等人所著新版本的人類蛋白質(zhì)圖譜中，對來自95名人類個體的27種不同組織樣本進(jìn)行全基因組整合轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基于抗體的蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，OPTN在27種組織中均存在表達(dá)，表達(dá)量位居前6位的組織分別為脂肪、腎上腺、睪丸、卵巢、腎臟、腦[8]。

OPTN蛋白由多個卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域、一個亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域、一個微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)相互作用區(qū)(lC3-interaction region, LIR)、一個泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域(ubiquitin-binding domain, UBD)和一個C-末端鋅指結(jié)構(gòu)域組成[9]。OPTN作為一種多結(jié)構(gòu)域的多功能蛋白，本身不攜帶任何酶活性，通過與具有不同功能的蛋白質(zhì)相互作用而發(fā)揮多種功能[1, 10-11]。

2 視神經(jīng)蛋白的生物學(xué)功能

2.1 視神經(jīng)蛋白與自噬

作為一種自噬受體，OPTN在自噬清除病原體、受損的線粒體和蛋白質(zhì)聚集體中發(fā)揮重要作用。Wild等人在營養(yǎng)剝奪誘導(dǎo)自噬的條件下，發(fā)現(xiàn)OPTN能夠與泛素化載體連接并通過其LIR結(jié)合自噬標(biāo)記物L(fēng)C3，從而介導(dǎo)細(xì)胞對腸道沙門氏菌的自噬清除[12]。將OPTN與泛素或LC3蛋白的結(jié)合位點(diǎn)突變后，細(xì)胞內(nèi)沙門氏菌的增殖明顯增加[12]。OPTN在上調(diào)或突變后，可誘導(dǎo)自噬，并成為自噬清除的底物[13-14]。

OPTN作為自噬受體介導(dǎo)兩種降解細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的途徑。在泛素依賴的選擇性自噬途徑中，細(xì)菌、錯誤折疊的蛋白質(zhì)及其聚集體、有缺陷的線粒體等被泛素包裹后通過UBD與OPTN結(jié)合，隨后再與LC3結(jié)合并形成雙層膜結(jié)構(gòu)的吞噬體，從而引發(fā)自噬過程[15-16]。在泛素非依賴的自噬途徑中，OPTN通過其C末端卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域識別蛋白質(zhì)聚集體，再通過其LIR將LC3招募到蛋白質(zhì)聚集體中，最終進(jìn)行自噬清除蛋白質(zhì)聚集[17]。在這兩種途徑中，TANK結(jié)合激酶1(TANK binding kinase 1, TBK1)都能通過磷酸化OPTN 177位的絲氨酸提高OPTN與LC3的親和力，從而進(jìn)一步指導(dǎo)自噬降解；而OPTN又能夠反過來作用于TBK1，提高TBK1的磷酸化能力[18-19]。

2.2 視神經(jīng)蛋白與囊泡運(yùn)輸

OPTN通過與多個囊泡蛋白作用從而參與囊泡運(yùn)輸過程。研究表明，OPTN與肌球蛋白Ⅵ、Rab8、亨廷頓蛋白、TBC1D17、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體等均可發(fā)生相互作用[20]。肌球蛋白Ⅵ是肌球蛋白超家族成員之一，在胞內(nèi)定位于高爾基復(fù)合體、網(wǎng)格蛋白包被囊泡、核周圍小泡及靠近細(xì)胞膜的囊泡中，參與高爾基體形態(tài)的維持和胞吐作用[21]。肌球蛋白Ⅵ在分泌途徑中具有向肌動蛋白絲負(fù)端運(yùn)輸貨物的獨(dú)特能力[22]。OPTN可與肌球蛋白Ⅵ的C端結(jié)合，兩者在高爾基復(fù)合體和近細(xì)胞膜的囊泡中共定位[21]。OPTN或肌球蛋白Ⅵ的缺失均可顯著減少與細(xì)胞膜融合的囊泡數(shù)量，增加未完成融合的囊泡比例和錨定在細(xì)胞膜上的囊泡數(shù)量[23]。

OPTN與Rab8結(jié)合也可調(diào)節(jié)囊泡運(yùn)輸過程。敲減OPTN或Rab8可導(dǎo)致轉(zhuǎn)鐵蛋白受體陽性的囊泡向細(xì)胞膜的運(yùn)輸速度減慢[24]。在與Rab8結(jié)合后，OPTN通過招募結(jié)合TBC1D17負(fù)向調(diào)控Rab8的活性，從而抑制轉(zhuǎn)鐵蛋白受體陽性囊泡的回收[25]。此外，OPTN通過與亨廷頓蛋白和Rab8結(jié)合，調(diào)節(jié)Rab8陽性囊泡的形成和運(yùn)輸[26]。

2.3 視神經(jīng)蛋白與炎癥反應(yīng)

NEMO是促炎轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的必需調(diào)節(jié)劑，OPTN因?yàn)榕cNEMO具有高度同源性而被認(rèn)為在NF-κB的激活和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[27]。

OPTN敲低可增加神經(jīng)元的NF-κB活性，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡，而過表達(dá)OPTN野生型或突變體可抑制NF-κB活性，挽救OPTN敲除誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡[28]。另外，OPTN可以通過充當(dāng)外周免疫細(xì)胞中TBK1激活和干擾素-β(interferon-β, IFN-β) 產(chǎn)生的中間環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)炎癥信號傳導(dǎo)[29]。OPTN突變的原代小膠質(zhì)細(xì)胞在接受Toll樣刺激后，其TBK1活化、IFN-β產(chǎn)生和抗炎因子表達(dá)減少，在補(bǔ)充IFN-β后小膠質(zhì)細(xì)胞的抗炎因子表達(dá)可恢復(fù)正常[30]。以上研究提示，OPTN的突變能促進(jìn)炎癥反應(yīng)，而炎癥因子的失衡可能是OPTN突變攜帶者神經(jīng)元變性的潛在疾病誘因。

3 視神經(jīng)蛋白在神經(jīng)退行性疾病中的作用

OPTN在多種神經(jīng)退行性疾病的蛋白質(zhì)包涵體中均有檢出，如ALS、PD、阿爾茨海默癥、克雅氏病等[31]。自噬障礙導(dǎo)致的蛋白質(zhì)聚集體和線粒體損傷是大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病共有的關(guān)鍵病理特征。OPTN突變可能導(dǎo)致多種蛋白質(zhì)異常聚集和神經(jīng)元損傷變性[32-33]。

3.1 視神經(jīng)蛋白與青光眼

青光眼是一類以視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell, RGC)死亡和視神經(jīng)纖維退化為特征的導(dǎo)致不可逆失明的神經(jīng)退行性疾病。對54個常染色體顯性遺傳成人原發(fā)性開角型青光眼家族的分析顯示，有16.7%的患者攜帶OPTN突變[5]。在青光眼患者中，OPTN的突變多為錯義突變，其中E50K突變最為常見。生物信息學(xué)分析顯示，攜帶OPTN E50K突變的小鼠出現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞激活、年齡依賴性能量缺陷和自噬-溶酶體通路功能障礙[34]。OPTN E50K突變可抑制細(xì)胞自噬水平，影響TDP-43蛋白降解并導(dǎo)致體內(nèi)和體外的RGC凋亡[35]。在16月齡的E50K突變小鼠中，OPTN與Rab8介導(dǎo)的囊泡運(yùn)輸過程受阻，視網(wǎng)膜中RGC和突觸連接缺失，神經(jīng)纖維層發(fā)生變性[36]。

M98K是另一個常見的與青光眼相關(guān)聯(lián)的OPTN突變[5]。在體外培養(yǎng)的視網(wǎng)膜細(xì)胞中，過表達(dá)M98K-OPTN可降低細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體水平，造成細(xì)胞死亡[37]。M98K-OPTN通過與泛素和LC3結(jié)合誘導(dǎo)自噬，介導(dǎo)轉(zhuǎn)鐵蛋白的胞內(nèi)降解[37]。以上研究提示，正常的細(xì)胞自噬水平對維持視網(wǎng)膜RGC的生存至關(guān)重要，OPTN突變導(dǎo)致的自噬異常是青光眼首要的發(fā)病原因。

3.2 視神經(jīng)蛋白與肌萎縮側(cè)索硬化癥

肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一種累及大腦和脊髓，病因復(fù)雜的運(yùn)動神經(jīng)元退行性疾病。OPTN于 2010 年首次被確定為ALS的致病基因，至今已發(fā)現(xiàn)有20種突變體與ALS相關(guān)[38-39]。而OPTN的陽性包涵體也在不同類型的ALS患者中被檢出[31]。

在攜帶OPTN突變的ALS病人中，可觀察到小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB的表達(dá)上調(diào)[40]。在培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞中敲低OPTN會上調(diào)NF-κB活性，造成神經(jīng)細(xì)胞死亡，使用NF-κB的抑制劑可逆轉(zhuǎn)以上現(xiàn)象[28]。將攜帶有ALS患者泛素結(jié)合缺陷的E478G突變型OPTN的慢病毒注入小鼠運(yùn)動皮層，可導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子分泌增加、免疫細(xì)胞浸潤、小膠質(zhì)細(xì)胞增生及小鼠運(yùn)動功能受損[41]。此外，細(xì)胞的自噬異常也與ALS的發(fā)病相關(guān)。過表達(dá)ALS的突變型E478G或Q398X均可導(dǎo)致自噬小體的成熟障礙和聚集[42]。編碼超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1)的基因突變所導(dǎo)致的蛋白質(zhì)異常聚集是家族性ALS的發(fā)病原因之一，突變的SOD1與OPTN結(jié)合會導(dǎo)致線粒體自噬通量減少[43]。以上研究提示，OPTN突變介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和自噬異常是ALS的重要病因，抗炎和挽救自噬異常是治療與OPTN突變相關(guān)的ALS的可能方向。

3.3 視神經(jīng)蛋白與帕金森病

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一種環(huán)境和遺傳因素相互作用導(dǎo)致的神經(jīng)退行性疾病，不同亞型之間病因與臨床表現(xiàn)的異質(zhì)性為疾病的防治帶來了重大的挑戰(zhàn)[44]。PD的病理特征主要是黑質(zhì)多巴胺(dopamine, DA)能神經(jīng)元的進(jìn)行性丟失及細(xì)胞內(nèi)路易小體(LBs)的形成，其中LBs主要由α-突觸核蛋白(α-synuclein, α-syn)組成[45]。α-syn在細(xì)胞內(nèi)聚集后進(jìn)入LBs和路易神經(jīng)突中，進(jìn)而導(dǎo)致黑質(zhì)DA能神經(jīng)元的丟失，引起紋狀體DA能神經(jīng)元信號的減少，最終造成患者的運(yùn)動功能失調(diào)[46]。

在用魚藤酮誘導(dǎo)的大鼠PD模型中，通過對其免疫熒光染色，可在大鼠中腦黑質(zhì)致密部(substantia nigra pars compacta, SNc)的DA能神經(jīng)元中檢測到OPTN[47]。在臨床前和終末期大鼠PD模型的DA能神經(jīng)元中，OPTN表達(dá)量上升，且與LC3和α-syn共定位，這提示PD模型中DA能神經(jīng)元的變化可能與OPTN的表達(dá)量有關(guān)，OPTN的表達(dá)量可隨著PD的進(jìn)程而改變[47]。

在PD患者腦組織中，免疫組織化學(xué)結(jié)果顯示LBs外周部分有明顯的OPTN表達(dá)，而中心部分則較弱，且路易神經(jīng)突也有OPTN陽性信號[25]。編碼富含亮氨酸重復(fù)激酶2(leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)的基因突變是最常見的導(dǎo)致PD的單基因病因[48]。在PD病人的成纖維細(xì)胞中，LRRK2的突變增強(qiáng)其激酶底物RAB10的磷酸化，導(dǎo)致OPTN在去極化的線粒體上積累，引起去極化誘導(dǎo)的線粒體自噬和線粒體功能受損[49]。另外，對來自全基因組關(guān)聯(lián)研究數(shù)據(jù)集和小規(guī)模PD相關(guān)性研究的700多萬個基因多態(tài)性進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn)，造成青光眼的OPTN M98K突變是PD的一個危險(xiǎn)因素[50]。以上研究表明，OPTN的表達(dá)異常與PD的發(fā)病存在關(guān)聯(lián)，但其具體機(jī)制尚不清楚。

4結(jié)語

OPTN作為一種多結(jié)構(gòu)域蛋白，參與體內(nèi)多種細(xì)胞過程，與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。盡管多項(xiàng)研究已表明OPTN的突變或表達(dá)異常與多種疾病的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)，OPTN可通過影響線粒體自噬和炎癥反應(yīng)導(dǎo)致相關(guān)細(xì)胞和組織發(fā)生病理性改變，但是OPTN如何影響神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展過程尚不明確。因此，對OPTN在神經(jīng)退行性疾病中所起的作用有待進(jìn)一步開展研究。