突觸后穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Collybistin與神經(jīng)精神疾病的研究進(jìn)展

毛 瑞， 徐仕皓， 孫光文， 余瑩瑩， 王媛媛綜述， 楊文瓊審校

神經(jīng)精神疾病復(fù)雜多樣，大多數(shù)難以治愈，且很多疾病的機(jī)制至今不清，找到新的治療靶點(diǎn)對于治療疾病極其重要。Collybistin是一種鳥苷二磷酸-鳥苷三磷酸交換因子，具有穩(wěn)定抑制性突觸結(jié)構(gòu)、參與突觸可塑性、樹突生長等作用，參與多種神經(jīng)、精神疾病的發(fā)生發(fā)展過程，可能是治療神經(jīng)精神疾病新的靶點(diǎn)，以下將對其展開綜述。

1 Collybistin的結(jié)構(gòu)

Collybistin(CB)是由rho鳥嘌呤核苷酸交換因子9基因(ARHGEF9)編碼的鳥苷二磷酸-鳥苷三磷酸(GDP-GTP)交換因子[1]，它與GTP酶激活蛋白(GAP)和鳥苷酸解離抑制因子(GDI)一起起到調(diào)節(jié)小GTP酶的活化作用，屬于Dbl家族。大多數(shù)功能性Collybistin是由從氨基到羧基末端的SH3、DH和PH結(jié)構(gòu)域組成[1]。它在N端SH3結(jié)構(gòu)域受蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的調(diào)節(jié)，還能結(jié)合神經(jīng)連接蛋白2/4和GABAAR的α2亞基。DH結(jié)構(gòu)域也稱RhoGEF結(jié)構(gòu)域，介導(dǎo)與Gephyrin的相互作用，并催化小GTP酶Cdc42上的GDP-GTP交換，Cdc42在肌動蛋白重組中起重要作用。Collybistin在PH結(jié)構(gòu)域可與磷酸肌醇結(jié)合，如磷酸肌醇3-磷酸(PI3P/PtdIns3P)和磷酸肌醇4-單磷酸(PI4P/PtdIns4P)[2]，小GTP酶TC10可能參與其中，它可以調(diào)控Collybistin與磷酸肌醇結(jié)合的特異性[3]。正常情況下，CB處于未激活的狀態(tài)，由于其自抑制SH3結(jié)構(gòu)域而處于不活躍、封閉的結(jié)構(gòu)中。這種構(gòu)象不會干擾CB與Gephyrin的結(jié)合，但它能阻止CB的PH結(jié)構(gòu)域與PI3P之間的相互作用，從而阻止了CB-Gephyrin復(fù)合物的膜插入[4]。

2 Collybistin的功能

2.1 參與抑制性神經(jīng)突觸的形成 Collybistin與支架蛋白(Gephyrins，Gep)、神經(jīng)連接蛋白(Neuroligins)、受體相互作用一起參與抑制性突觸GABA受體、甘氨酸受體與神經(jīng)元突觸的結(jié)合[2]。在GABA能突觸，CB主要與神經(jīng)連接蛋白2一起發(fā)揮作用，有研究發(fā)現(xiàn)，缺乏CB可以降低小鼠海馬和杏仁核Gephyrin和GABAAR聚類，相反，CB的過表達(dá)會導(dǎo)致培養(yǎng)海馬神經(jīng)元和大腦皮質(zhì)中含有過量Gephyrin和γ2的GABAAR簇[5～7]，然而，CB基因的破壞對大腦皮質(zhì)內(nèi)的Gephyrin或GABAAR聚類沒有影響，這也證明了Cb基因敲除對Gephyrin或GABAAR聚類具有區(qū)域特異性[8]。在甘氨酸能突觸，CB主要與神經(jīng)連接蛋白4一起發(fā)揮作用，有研究發(fā)現(xiàn)，在體外環(huán)境下，CB共表達(dá)也可誘導(dǎo)Gephyrin/GlyR簇膜移位[5,9]，然而，在CB基因敲除后，突觸GlyRs簇完全保持不變，動物的運(yùn)動功能和運(yùn)動行為也完全保持不變[8]，這證明了CB可能具有突觸特異性。毫無疑問的是，CB在抑制性神經(jīng)突觸的形成中發(fā)揮著重要作用，它與其他蛋白組成的突觸后遞質(zhì)受體的精確空間結(jié)構(gòu)是神經(jīng)元之間的突觸傳遞的基礎(chǔ)。突觸效能的活性依賴性改變受體的數(shù)量和密度的改變有一定的關(guān)系。

2.2 突觸可塑性 Collybistin是抑制性突觸后膜形成和可塑性的重要決定因素，缺乏CB會導(dǎo)致mIPSC(miniature inhibitory postsynaptic currents，突觸后微電流)頻率的顯著降低，同時伴隨GABA能抑制、網(wǎng)絡(luò)興奮性發(fā)生顯著變化，并削弱空間學(xué)習(xí)能力[10]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，在ARHGEF9基因敲除的小鼠中去除CB表達(dá)會導(dǎo)致海馬突觸可塑性的改變，表現(xiàn)為對新環(huán)境的探索減少，空間學(xué)習(xí)受損，焦慮相關(guān)反應(yīng)增加，認(rèn)知能力缺陷和抽搐[1,11,12]。Jedlicka等人也可以驗(yàn)證此觀點(diǎn)，他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Cb缺陷會損害齒狀回突觸長期可塑性的誘導(dǎo)，這與GABA能突觸中突觸gephyrin和GABAAR簇的顯著減少有關(guān)[11]。Papadopoulos等人對海馬CA1區(qū)突觸可塑性的分析表明，Cb缺乏導(dǎo)致LTP、LTD和去電位的顯著變化，原因是由于樹突狀GABA能抑制的減少改變了對LTP誘導(dǎo)持久突觸可塑性的閾值[8]，與此相一致的是，有報道發(fā)現(xiàn)，由于GABAAR介導(dǎo)的抑制活性的降低，GABA戒斷誘導(dǎo)的過度興奮會降低LTP誘導(dǎo)的閾值[8]。

2.3 樹突生長 神經(jīng)元遷徙、樹突和樹突棘的生長也被發(fā)現(xiàn)與CB有關(guān)[13]。有研究發(fā)現(xiàn)，在海馬成體神經(jīng)發(fā)生過程中，CB1可以調(diào)控神經(jīng)元的遷移，而CB2對樹突的生長起著至關(guān)重要的作用[13]。此外，CB1還被發(fā)現(xiàn)可能在出生后神經(jīng)元成熟的早期階段起主導(dǎo)作用，此時樹突生長和突觸形成發(fā)生快速變化[13]。Groot等人沉默了成人齒狀回GCs中CB的表達(dá)，證明了內(nèi)源性CB可以促進(jìn)神經(jīng)元向SGZ遷移，限制了未成熟GCs的樹突生長[13]。Papadopoulos等人也可以證明以上觀點(diǎn)，他們在CB缺陷小鼠中發(fā)現(xiàn)，Gephyrin和GABAAR的突觸后聚集在樹突中被破壞了，從而會影響樹突的生長[8,11]。

2.4 肌動蛋白的細(xì)胞骨架 神經(jīng)元形態(tài)的調(diào)控和活性依賴的突觸修飾涉及到肌動蛋白細(xì)胞骨架的重組。其中Cdc42對細(xì)胞骨架組織具有重要的作用,被認(rèn)為是肌動蛋白細(xì)胞骨架的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[14]。CB亞型也被發(fā)現(xiàn)可以間接影響肌動蛋白的細(xì)胞骨架。研究發(fā)現(xiàn)，它可能是Cdc42活性的負(fù)調(diào)控因子，可以通過隔離來阻止Cdc42的激活。結(jié)合CB的Gephyrin減少了被隔離Cdc42的數(shù)量，從而減少了Cdc42在肌動蛋白細(xì)胞骨架重構(gòu)中的可用性[13]。

2.5 信號通路 參與信號通路的形成：Machado等人已經(jīng)證明野生型CB與哺乳動物雷帕霉素靶標(biāo)(MTOR)物理上相互作用，并抑制mTOR復(fù)合物1信號通路。MTOR復(fù)合體1信號通路的抑制是否與不同功能區(qū)ARHGEF9突變患者的不同臨床特征有關(guān)，有待進(jìn)一步研究[1,15]。此外，Collybitin可能通過磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)驅(qū)動的級聯(lián)激活，誘導(dǎo)肌動蛋白細(xì)胞骨架重排，伴隨樹突分化和抑制突觸形成，因此，允許GlyRs和GABAARs的招募形成突觸后膜特化[16]。Papadopoulos等人也發(fā)現(xiàn)，由Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K-C3)產(chǎn)生的PI3P核內(nèi)體池對于CB介導(dǎo)的抑制性突觸后Gephyrin和GABAAR招募非常重要[17]。

2.6 參與真核生物的翻譯 有研究發(fā)現(xiàn)，Collybistin和Gephyrin是真核生物翻譯起始因子3(eukaryotic translation initiation factor 3，eIF3)復(fù)合物的新組成部分。真核生物的翻譯起始需要多個真核起始因子的參與，其中eIF3是最大、最復(fù)雜的eIFs，在翻譯起始及其調(diào)控中起核心作用。Sertie等人在293T細(xì)胞中，通過免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CB、Gephyrin和eIF3H似乎組裝成一個三聚體蛋白復(fù)合物發(fā)揮作用。他們推測CB可能通過依賴或者非依賴mTOR的方式參與其中，一方面，CB可能通過其GEF活性，激活mTOR信號通路，或是通過促進(jìn)鳥嘌呤核苷酸在Rheb上的交換，Rheb是ras相關(guān)的GTPase，當(dāng)與GTP結(jié)合時激活mTOR 酶的活性[18]；另一方面，CB可能直接影響eIF3的組裝或功能，具體機(jī)制仍有待研究[18]。

3 Collybistin與神經(jīng)精神疾病

Collybistin功能障礙已被證實(shí)與自閉癥、癲癇、智力殘疾有關(guān)，此外，我們發(fā)現(xiàn)它可能也與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)的發(fā)病相關(guān)。

3.1 Collybistin與自閉癥譜系障礙(Autism Spectrum Disorder，ASD) ASD是一組神經(jīng)發(fā)育障礙的總稱，包括社會溝通、社會互動的缺陷以及限制性重復(fù)行為。有臨床病例報道，編碼Collybistin的ARHGEF9基因點(diǎn)突變、基因重排、缺失等突變被發(fā)現(xiàn)與ASD有關(guān)[19]。此外，Collybistin被證明參與了哺乳動物雷帕霉素復(fù)合物1(mTORC1)信號通路的下調(diào)，類似于Gephyrin,增加的mTORC1活性被認(rèn)為促進(jìn)了ARHGEF9突變患者的智能障礙和ASD表型[19,15]。Bhat等人新發(fā)現(xiàn)，ARHGEF9的Xq11.1-11.2缺失可能是導(dǎo)致自閉癥譜系障礙臨床特征的原因[19]。

3.2 Collybistin與癲癇 癲癇是一種伴有多種危險因素和強(qiáng)烈遺傳易感性的常見的腦部疾病，多表現(xiàn)為大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電，導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙。有研究發(fā)現(xiàn)，ARHGEF9的無效突變或破壞性突變與輕度癲癇有關(guān)，而錯義突變多與難治性癲癇相關(guān)。先前的一項(xiàng)臨床病例發(fā)現(xiàn)，DH區(qū)的突變比PH區(qū)的突變更容易使患者發(fā)生癲癇[20]。此外，Yao等人發(fā)現(xiàn)，ARHGEF9錯義突變的患者會表現(xiàn)出不同的發(fā)作類型和發(fā)作時間，提示部分變異也可能在癲癇性腦病等嚴(yán)重癲癇的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮額外的作用[1]。Harvey等人也可證明以上觀點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)ARHGEF9在SH3結(jié)構(gòu)域的錯意突變p.G55A會引起耐藥性癲癇，可能是由于體細(xì)胞和樹突捕獲的由Collybistin聚集的Gephyrin和受體引起的[9]。Hines等人在CBα2亞基結(jié)合區(qū)突變的小鼠中發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的抑制性突觸子集的丟失和抑制性突觸電流幅度的降低，這導(dǎo)致了癲癇發(fā)作和早期死亡的表型增加[21,10]。

3.3 Collybistin與 X連鎖智力障礙(X-linked mental retardation，XLID) XLID是一種與X基因連鎖的隱性遺傳相關(guān)的智力、適應(yīng)、認(rèn)知功能受限的疾病。有研究發(fā)現(xiàn)，ARHGEF9中的p.R356Q錯義突變可能是XLID的潛在原因，其機(jī)制可能是通過影響PH區(qū)的精氨酸殘基，進(jìn)一步影響與磷酸肌苷的結(jié)合，導(dǎo)致不能將EGFP-Gephyrin易位到亞膜微聚集物中，從而破壞了GABA突觸上Gephyrin的聚集[2]。Marco等人在在一位患有嚴(yán)重智力障礙的女性患者中發(fā)現(xiàn)了ARHGEF9的X染色體倒置干擾[22]。Kalscheuer等人在t(X;18)易位的女性患者中發(fā)現(xiàn)了重度智力的表現(xiàn)，原因可能是這種易位破壞了ARHGEF9，導(dǎo)致截斷mRNA的產(chǎn)生[23]。此外，Gaetan等人發(fā)現(xiàn)ARHGEF9的Xq11.11微缺失可能也會導(dǎo)致智力障礙[24]?？傊?，這些發(fā)現(xiàn)都證明了ARHGEF9可能在認(rèn)知發(fā)展中具有重要的作用。

3.4 Collybistin與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病是一種表現(xiàn)為進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和行為損害的神經(jīng)退行性疾病。有研究發(fā)現(xiàn)，在AD的小鼠模型中，GABAAR和Gephyrin都呈現(xiàn)一種表達(dá)水平下降的表現(xiàn)。Luchetti等人發(fā)現(xiàn)，無論是AD病程早期還是晚期GABAAR的α1、α2亞基在前額葉皮質(zhì)中表達(dá)都是減少的，而在AD病程晚期中可以觀察到GABAAR-α4、β2和δ亞基的下調(diào)[25]。此外，有研究在兩種不同的轉(zhuǎn)基因小鼠AD模型(ADTG2576 和TG-SwDI)的老年大腦中發(fā)現(xiàn)了Gephyrin 表達(dá)的下調(diào)[26,5]。那么與Gephyrin結(jié)合的突觸后穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Collybistin在AD中的表達(dá)有什么變化？ARHGEF9的基因突變是否與AD相關(guān)仍有待進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望

神經(jīng)元突觸的功能及其效能的動態(tài)調(diào)節(jié)取決于突觸后神經(jīng)遞質(zhì)受體裝置的組裝。Collybistin在其中起著穩(wěn)定抑制性神經(jīng)突觸、調(diào)節(jié)突觸可塑性、參與樹突的生長、調(diào)節(jié)肌動蛋白細(xì)胞骨架的作用，此外它還可以參與信號通路的形成、參與真核生物的翻譯。我們的綜述發(fā)現(xiàn)，Collybistin的基因突變也與許多重要的疾病相關(guān)，但是目前，關(guān)于它的研究較少，需要進(jìn)一步的深入研究。