Dyrk1A基因的結(jié)構(gòu)、功能與神經(jīng)退行性疾病的研究進展

楊新玲, 雍雨暄

(1新疆醫(yī)科大學, 烏魯木齊 830017; 2新疆醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科, 烏魯木齊 830063)

1 Dyrk1A基因編碼、結(jié)構(gòu)和表達譜

雙特異性酪氨酸磷酸化調(diào)節(jié)激酶(Dual specificity tyrosine-regulated kinase,Dyrk)與細胞周期依賴性蛋白激酶家族(CDKs)、絲裂原活化蛋白激酶家族(MAPKs)、糖原合酶激酶家族(GSKs)和CDK相關(guān)蛋白激酶家族(CLKs)屬于CMGC組蛋白激酶[1]。按其功能分為Dyrk1A、Dyrk1B、Dyrk2、Dyrk3、Dyrk4等5種亞型。在白細胞中表達,并廣泛分布于腦、腎、心臟等組織器官,其中Dyrk1A 在紋狀體表達豐富[2]。雙特異性酪氨酸磷酸化調(diào)節(jié)激酶1A (Dual-specifically tyrosine phosphorylation regulated kinase 1A, Dyrk1A) 位于21號染色體(21q22.13), 該區(qū)域被稱為唐氏綜合征臨界區(qū) (Down syndrome critical zone, DSCR), 由N端信號區(qū)、C端PolySer-PolyHisSer/Thr-rich重復序列、PEST蛋白降解區(qū)組成,編碼763個氨基酸,在中腦黑質(zhì)、紋狀體中表達豐富[3]。有研究發(fā)現(xiàn),Dyrk1A參與α-突觸核蛋白(α-synuclein,α-syn)殘基磷酸化修飾作用,通過對Ser129、Ser87、Thr或Tyr等位點的磷酸化修飾參與中腦多巴胺能(Dopamine,DA)神經(jīng)元的發(fā)育及其功能的維持,在帕金森病(Parkinson's Disease,PD)的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用[4]。Dyrk的5種亞型中,Dyrk1A型在唐氏綜合征(Down syndrome)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、路易體癡呆(Dementia with Lewy bodies,DLB)及PD等疾病中起重要作用,可介導α-syn多個氨基酸位點的磷酸化修飾。同時,Dyrk1A基因SNPs分布呈種群差異,可能影響不同種群的PD罹患風險。在已報道的8個SNPs中,rs8126696-T/T與歐洲早發(fā)型PD密切相關(guān),攜帶者易發(fā)展為帕金森病癡呆或路易體型癡呆[5-6]。目前,國內(nèi)外關(guān)于Dyrk1A基因變異介導的α-syn磷酸化修飾在疾病發(fā)展過程中的分子機制研究、其它潛在變異與中國散發(fā)性PD發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系方面的研究尚不完善。

根據(jù)其RNA表達譜,Dyrk1A參與嚙齒動物生長發(fā)育全過程,尤其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system, CNS)區(qū)域表達較強。小鼠的胚胎發(fā)育過程中能檢測到Dyrk1A基因表達,即Dyrk1A基因參與神經(jīng)系統(tǒng)增殖區(qū)的生長發(fā)育[7]。同時,Dyrk1A基因在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表達也呈動態(tài)的時空表達模式,即該基因在循環(huán)神經(jīng)源性祖細胞和分化的神經(jīng)元中表達豐度呈現(xiàn)出時空動態(tài)變化過程。有研究表明,Dyrk1A在小鼠發(fā)育中的大腦神經(jīng)元祖細胞和分化的神經(jīng)元中的定位主要集中于細胞質(zhì)[8],且其表達在出生前、出生后達到高峰,但在成年前一直保持在較低水平。在成年小鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中均能檢測到Dyrk1A且不同位置呈現(xiàn)出不同的表達水平[9]。在小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,Dyrk1A主要分布于細胞核和細胞質(zhì)[10]。在人體大腦中,Dyrk1A在各類神經(jīng)元細胞質(zhì)和細胞核、星形膠質(zhì)細胞、室管膜細胞和內(nèi)皮細胞中廣泛存在。表明在不同細胞類型和不同腦區(qū)中,該激酶發(fā)揮著不同的生理功能和作用。

2 Dyrk1A 參與細胞信號通路

Dyrk1A與骨架蛋白HAN11相互作用調(diào)節(jié)糖原合成酶[11]。在神經(jīng)末梢的生長錐中,Dyrk1A通過磷酸化Sprouty2直接作用于受體酪氨酸激酶,并發(fā)揮作用[1]。Dyrk1A通過調(diào)控Spred1和Spred2的相互作用,減少對其激酶結(jié)構(gòu)域的接觸,從而抑制Dyrk1A磷酸化作用。研究發(fā)現(xiàn),在小鼠正常的生物鐘中,隱花色素基因2(Cryptochrome2,CRY2)是糖原合成酶激酶3(GSK3)介導的磷酸化的啟動步驟,而Dyrk1A通過磷酸化CRY2中的Ser553位點,促進CRY2的蛋白質(zhì)降解,改變小鼠的生物鐘過程[12]。

研究表明,Dyrk1A位于內(nèi)吞網(wǎng)中,Dyrk1A磷酸化突觸伸蛋白1(Synaptojanin1,SYNJ1)并修改其與端突黏蛋白及相互作用蛋白的結(jié)合[13]。在果蠅中,SYNJ1的磷酸化主要依賴于運動神經(jīng)元的內(nèi)吞相互作用和SYNJ1在Ser1029位點的磷酸化,以反饋促進運動神經(jīng)元調(diào)節(jié)突觸囊泡[14]。一方面,在神經(jīng)母細胞SY5Y中Dyrk1A存在Ser293位點的磷酸化。另一方面,Dyrk1A通過谷氨酸N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA)的NR2A亞單位(GluN2A)中Ser1048位點的磷酸化調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育和突觸可塑性。作為Dyrk1A另一個靶點的α-突觸核蛋白Ser87 (Ser87-α-synuclein)也參與突觸前信號傳導和膜轉(zhuǎn)運的控制[15]。

3 Dyrk1A參與神經(jīng)元發(fā)育和細胞周期

有研究表明,Dyrk1A和運動神經(jīng)元一樣,通過控制細胞周期調(diào)節(jié)蛋白的表達,可抑制神經(jīng)祖細胞的細胞周期進程[16]。在SH-SY5Y神經(jīng)母細胞瘤細胞中,Dyrk1A的過度表達誘導細胞周期的完成和神經(jīng)元的分化,這與促進蛋白質(zhì)降解和細胞周期蛋白-D1的磷酸化增加有關(guān)[17]。在雞脊髓中,Dyrk1A的過表達可誘導細胞周期的消退,并在轉(zhuǎn)錄水平上上調(diào)p27 kip1的表達[18]。在大鼠胚胎海馬區(qū)域祖細胞中,Dyrk1A磷酸化位于轉(zhuǎn)錄因子p53的Ser15位點上,導致包括 p21cip1在內(nèi)的多個p53靶基因的表達增加和增殖減少[14]。

細胞周期的調(diào)節(jié),特別是G1期到S期的進展,對于新皮層發(fā)育過程中產(chǎn)生適當數(shù)量的神經(jīng)元至關(guān)重要。這些神經(jīng)元是由室周圍心室區(qū)(Ventricular zone,VZ)的多能性心尖前體細胞(也稱為放射性膠質(zhì)前體細胞)或室下區(qū)(Subventricular zone,SVZ)的神經(jīng)原性基底前體細胞產(chǎn)生[19]。在小鼠胚胎中,Dyrk1A基因在神經(jīng)祖細胞中表達,并在整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生過程中保持表達[20]。有研究發(fā)現(xiàn),Dyrk1A在皮質(zhì)發(fā)育中期的過表達會抑制細胞增殖,導致基底前體和新生神經(jīng)元的高級分化,而Dyrk1A的過表達降低細胞周期蛋白-D1的水平[21]。但在前體細胞中,Dyrk1A的過表達可促進細胞周期的退出,導致分化停滯[22]。推測Dyrk1A過表達下調(diào)前體細胞的細胞周期,其在前體細胞中的表達水平呈動態(tài)變化。

用Dyrk1A BAC tg小鼠模型能夠研究Dyrk1A對皮層神經(jīng)發(fā)生的影響,該模型以空間和時間調(diào)節(jié)的方式過表達Dyrk1A,該模型中的小鼠神經(jīng)元細胞周期產(chǎn)生延遲,導致新皮質(zhì)神經(jīng)元的缺陷,該缺陷一直延續(xù)至小鼠出生后,研究者推測該細胞周期的延遲是由于基底前體細胞的增加是以神經(jīng)元的損失為代價造成的,這與神經(jīng)發(fā)生開始時頂端前體細胞周期延長的G1期有關(guān)[23]。相反Dyrk1A+/-頂端祖細胞核周期蛋白CyclinD1過多聚集,產(chǎn)生更多的神經(jīng)元,損害基底祖細胞[24]。這表明Dyrk1A蛋白表達水平可能通過Dyrk1A介導的CyclinD1磷酸化機制改變頂端放射狀膠質(zhì)祖細胞的分裂模式。

成年小鼠腦的活動性神經(jīng)發(fā)生僅限于側(cè)腦室的SVZ和海馬區(qū)的顆粒區(qū)(Subgranular zone, SGZ)。有研究表明,成體SVZ神經(jīng)干細胞(Neural stem cell, NSCs)子細胞間的表皮生長因子受體分布存在差異,不同受體數(shù)量的遺傳決定該祖細胞類型的干細胞潛能[25]。在這些神經(jīng)干細胞中,Dyrk1A在有絲分裂過程中呈對稱或非對稱分布,而表皮生長因子受體(Epidermal growth factor receptor, EGFR)的水平和在神經(jīng)干細胞子細胞中的分布取決于遺傳性Dyrk1A的數(shù)量,推測可能Dyrk1A抑制細胞內(nèi)吞介導的EGFR信號降解。在Dyrk1A +/-小鼠模型中,EGFR信號依賴性細胞決定神經(jīng)干細胞的發(fā)育[26]。以上表明Dyrk1A也在成年海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生中起作用,但其潛在的機制尚未明確。

4 Dyrk1A參與突觸形成和神經(jīng)元功能

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,Dyrk1A的表達具有多種時空功能特征。Dyrk1A在神經(jīng)突觸的后期發(fā)育過程中表達,且可在生長軸突中和軸突生長錐的樹突頂端檢測到[27]。Dyrk1A在已分化神經(jīng)元中的表達表明其在神經(jīng)突的形成中發(fā)揮作用。有研究報道,軸突生長、樹突樹枝化或樹突棘因Dyrk1A表達的改變導致的功能增強或喪失模型(轉(zhuǎn)基因小鼠、含siRNA的細胞培養(yǎng)等)的改變[28]。例如,在小鼠皮層神經(jīng)元中過表達的Dyrk1A可通過破壞REST/NRSF-SWI/SNF染色質(zhì)重塑復合體,降低樹突的生長和復雜性。此外,在培養(yǎng)的大腦皮層神經(jīng)元中,Dyrk1A的基因敲除導致神經(jīng)元具有更短、更多分支的軸突和更少的軸突[29]。這一結(jié)果與該領(lǐng)域相關(guān)研究結(jié)果一致。該研究表明,Dyrk1A基因敲除小鼠皮層錐體神經(jīng)元與野生型動物相比,其樹突側(cè)枝化和樹突分支明顯減少,樹突棘也較少[29-30]。Dyrk1A基因的過表達可抑制海馬區(qū)神經(jīng)元樹突棘的形成[31]。說明Dyrk1A基因的表達水平對樹突棘的正常發(fā)育至關(guān)重要。然而也有研究表明,Dyrk1A的過度表達可增加皮層錐體神經(jīng)元的脊柱密度[5]。

5 Dyrk1A 參與神經(jīng)退行性疾病

AD患者大腦皮層、內(nèi)鼻皮質(zhì)和海馬區(qū)散在的神經(jīng)元細胞質(zhì)和細胞核中Dyrk1A表達均有增加。Dyrk1A存在于阿爾茨海默病大腦中的不溶性神經(jīng)纖維纏結(jié)中,這些部分富集在磷酸化tau蛋白中,提示Dyrk1A可能與神經(jīng)原纖維纏結(jié)病理學特征有關(guān)[32]。與對照組相比,AD患者海馬區(qū)Dyrk1A mRNA水平顯著升高[26]。在AD患者腦中,鈣蛋白酶(CALPAIN)的異常激活與Dyrk1A C末端的截斷有關(guān)。以上均提示,Dyrk1A基因參與AD的發(fā)生發(fā)展過程。臨床研究發(fā)現(xiàn),Dyrk1A和AD患病風險之間存在顯著的相關(guān)性,Dyrk1A rs2835740基因型會顯著提高AD的患病率[33]。以上研究均表明,Dyrk1A參與了神經(jīng)退行性疾病。

α-syn是一種可溶性、未折疊的蛋白質(zhì),在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元突觸前末梢中高度富集。帕金森病中主要表現(xiàn)為α-syn在Ser129位點廣泛磷酸化。在PD果蠅模型中,Ser129位點的磷酸化是介導α-syn神經(jīng)毒性和包涵體形成的關(guān)鍵。Dyrk1A使α-syn在Ser87位點磷酸化,導致α-syn聚集和細胞活力下降。此外,α-突觸核蛋白的Ser129位點磷酸化在細胞和動物模型中促進了原纖維的形成[34]。

目前,Dyrk1A是否也能磷酸化SNCA的Ser129位點尚不清楚。有研究報道,在PD中α-syn誘導的神經(jīng)毒性作用可能是由于Ser129位點磷酸化和SNCA在Tyr125和Ser87位點磷酸化之間產(chǎn)生異常聚集體所致[22]。研究證實,Dyrk1A的rs8126696多態(tài)性是形成α-syn相關(guān)性癡呆的危險因素[35]。上述數(shù)據(jù)表明,Dyrk1A在病理性腦區(qū)可能有助于α-syn的聚集。同時也是AD患者大腦中淀粉樣斑塊的主要組成部分。在Dyrk1A BAC tg小鼠模型中,Dyrk1A表達的增加與注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6四氫吡啶(MPTP)的動物中腦多巴胺能神經(jīng)元存活率的增加有關(guān)[36]。

Dyrk1A可能參與Parkin基因表達的調(diào)控,多種激酶在不同位點磷酸化Parkin并調(diào)節(jié)其泛素E3連接酶的活性[37]。在體外模型中,Dyrk1A直接在Ser131位點磷酸化Parkin,抑制Parkin的泛素E3連接酶活性,減少6-羥基多巴胺誘導的SH-SY5Y細胞的神經(jīng)毒性作用[38]。在PD中,α-突觸核蛋白聚集體和聚合骨架蛋白Septin4(Sept4)共染。在酵母雙雜交篩選中,Septin4能與Dyrk1A相互作用,在小鼠神經(jīng)元中共定位[39]。提示Dyrk1A在多巴胺能神經(jīng)元中的保護作用。

綜上,Dyrk1A基因結(jié)構(gòu)和功能的研究為神經(jīng)退行性疾病的治療提供了新的思路和方法。未來的研究應(yīng)更加深入地探討Dyrk1A基因在神經(jīng)退行性疾病中的作用機制,以便為臨床治療提供更多的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。同時,開展遺傳學、生物化學、生物物理學等多元化的研究方法,將有助于更全面地了解Dyrk1A基因與神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系。