欽可為 劉秀杰

DISC1在精神分裂癥發病機制中的作用

欽可為 劉秀杰

染色體(1；11）(q42.1；q14.3）平衡易位后會引起斷點部位精神分裂癥斷裂基因1(disrupted-in-schizophrenia-1，DISC1）突變［1］。DISC1是很多精神疾病的潛在易感基因，已有研究表明，DISC1的基因突變、單核苷酸多態性與精神分裂癥、雙相障礙等精神疾病的發病都有密切關系［1，2］。但是DISC1參與精神疾病發病的作用機制還不清楚。近年來，有關DISC1的生物學特性，生理功能以及參與精神疾病發病的研究不斷深入。我們對目前的研究現狀作一綜述。

1 DISC1的生物學特性

1.1 DISC1的基因結構

人類DISC1基因含13個外顯子，轉錄本全長約7.5 kb。人DISC1基因可以選擇性剪切產生至少4個亞型：L亞型(long isoform，包括1-13外顯子，AF222980）；Lv亞型(long variant isoform，11號外顯子遠端缺失66個堿基，AB007926）；S亞型(short isoform，9號內含子選擇性3'UTR末端，AJ06177）；Es亞型(extremely short isoform，1a外顯子選擇性剪切并且在3號外顯子后終止轉錄，AJ506178）。成人腦內海馬區主要表達DISC1全長mRNA，而其他亞型的轉錄子表達很少［2］。在獼猴、小鼠、大鼠以及斑馬魚等其他物種中，研究人員也都發現了DISC1的表達。DISC1在進化上較保守，但在物種之間仍存在一定差異。

1.2 DISC1的蛋白結構

全長的人DISC1蛋白含854個氨基酸，它的氨基端由1，2號外顯子編碼形成一個“球形功能域(1～350 aa）”，而羧基末端則由3～13號外顯子編碼形成富含螺旋結構的區域(351～854 aa）。氨基端區域缺少二級結構，富含絲氨酸、丙氨酸、甘氨酸等序列。羧基端區域則富含許多環狀結構域，其中包括2個亮氨酸拉鏈基序，這些環狀區域有利于DISC1與其他蛋白間的結合，在進化上也較保守。

1.3 DISC1的表達

DISC1在成體和胚胎的許多組織中都有表達，包括心臟、腦、胎盤、腎臟和胰腺等組織，尤其在胎盤、心臟和腦中表達較高。DISC1在人腦多個腦區中都有廣泛表達，其中，在海馬齒狀回中的表達較高，而在顳側和海馬旁皮層內的表達較低［2］。DISC1的亞細胞定位具有一定的特異性，在神經元的軸突末端、突觸后區域、線粒體、中心體、內質網及細胞核等區域均有表達［3］。DISC1在腦組織發育過程中的表達是一個動態變化的過程。在人腦組織中，DISC1 mRNA在產前、新生兒期和青春期的表達較高，而在成年期則表達較低。而在海馬中，從發育期到成年DISC1都有表達。在齒狀回顆粒細胞中，DISC1在出生后第一周內表達升高并一直持續到成年期，而CA 1區DISC1的表達在成年期則逐漸降低［4］。DISC1的表達模式表明其在神經元發育和成熟過程中可能扮演著重要角色。

2 DISC1基因與精神疾病的關系

1990年，St Clair等［5］首次報道在某精神病高發的蘇格蘭家族中，精神病易感性與(1；11）染色體平衡易位突變具有關聯性。在調查隨訪的77名家族成員中，有34名染色體易位攜帶者，其中發現有16人患精神疾??；而另外43名非易位攜帶者成員中僅有5人被診斷為精神病。通過對1和11號染色體易位突變斷點部位的分子遺傳學研究，發現1號染色體斷點部位的兩個表達序列最具易感基因特征，將其命名為DISC1和DISC2。

3 DISC1的生理功能及其在精神疾病發病中的作用機制

迄今為止，對DISC1的生理功能及其在精神疾病發病中的作用機制的研究主要是通過尋找并解析其相互作用分子來實現的。已有的研究發現了眾多DISC1的相互作用伴侶，DISC1結合分子的發現不但加深了我們對該分子生理功能的認識，而且這些結果表明，DISC1的確與精神疾病的發病有著密切的聯系。

3.1 DISC1與LIS1，NUDE，NUDEL間的相互作用

無腦回基因(lissencephaly1，LIS1）是無腦回畸形病的易感基因。LIS1可以與核分布因子E(nuclear distribution factor，NUDE），和核分布因子E同源蛋白(NUDE-like，NUDEL）結合［6］。LIS1、NUDE和NUDEL基因突變會造成神經元發生和遷移異常。LIS1、NUDEL和NUDE均可定位于中心體，而中心體在決定遷移方向以及把細胞核拉向神經突的過程中發揮了關鍵作用。缺乏LIS1和NUDEL的細胞中，核和中心體之間的距離異常大［7］。LIS1和NUDEL還影響微管的穩定和形成，并會參與微管相關的的軸漿運輸。NUDEL基因敲減引起細胞骨架和/或或軸漿運輸異常，導致神經突生長抑制。

DISC1與LIS1、NUDEL、NUDE、動力蛋白(dynein）及動力蛋白激活蛋白(dynactin）等均可結合［8，9］。DISC1可以定位于中心體而參與控制微管動力，過表達C末端缺失突變的DISC1可以阻斷LIS1、NUDEL、dynein及dynactin在中心體的蓄積。表達突變的DISC1可以引起微管結構的解聚，延遲微管星體的形成。過表達全長DISC1可以促進神經突的生長，而過表達C末端缺失的DISC1或基因敲除DISC1的表達都會抑制PC12細胞突起的生長，阻斷DISC1和NUDEL的結合可以抑制神經突的生長［9］。這表明，DISC1以及DISC1/NUDEL的結合參與了對神經突生長的調控。這些研究表明，DISC1參與了LIS1/NUDE/NUDEL通路參與的微管活動。DISC1與微管蛋白(-tubulin）和中心粒旁素(pericentrin B）也有結合，這對于LIS/NUDEL蛋白復合體在中心體上的定位是極為重要的。用胚胎電轉的方法敲減孕14.5天小鼠大腦中的DISC1表達，在出生后第2天檢測發現從室旁區向皮層的神經元遷移受到了抑制，出生后第14天發現部分神經元遷移出現錯位和異常的樹突分支［10］，這表明，DISC1參與了對神經元遷移的調控。在小鼠腦內，NUDEL和DISC1之間的結合是隨發育而變化的，這種結合變化與神經元遷移、皮層發育等過程中DISC1的表達變化在一定程度上是一致的，這也表明DISC1參與了神經發育過程的調節?？傊?，DISC1與NUDEL、LIS1等間的結合參與了對細胞有絲分裂、神經元遷移、神經元突起生長以及細胞內物質轉運等多種生理活動的調節。DISC1與這些分子間的結合可能參與了DISC1相關精神分裂癥的發病。

3.2 DISC1與PDE4B間的結合

PDE4B是磷酸二酯酶(phosphodiesterase-4s，PDE4s）家族成員之一，PDE4s可以水解cAMP而廣泛參與細胞內多種活動的調節。在基因敲除，精神病藥物治療等實驗中，已有很多遺傳及生化研究證明PDE4s與精神疾病相關。Millar等［11］發現PDE4B的UCR2調節域能與DISC1的N端結合，這種結合是cAMP依賴性的，cAMP水平升高會導致PDE4B與71kDa的DISC1解離，同時伴有PDE4B催化活性增加。由這些結果可以推斷，cAMP水平升高可以使DISC1與PDE4B間的結合解離，從而解除DISC1對PDE4B活性的抑制。N-乙基-N-亞硝基脲(N-ethyl-N-nitrosourea，ENU）誘導產生小鼠第二個外顯子編碼區Q31L與L100P兩個位點突變，突變小鼠表現出抑郁樣、精神分裂樣癥狀，這些表型可以被抗抑郁及抗精神分裂藥物所緩解，這兩個位點的突變可以使DISC1與PDE4B間的結合減少［12］。顯然，DISC1可以通過與PDE4B的結合對其活性產生調控，這個過程很可能參與了DISC1相關精神疾病的發病。

3.3 DISC1-FEZ1間的結合

Miyoshi等［13］發現DISC1與成束和延伸因子ζ-1 (fesciculation and elongation factor zeta 1，FEZ1）可以結合，它們與肌動蛋白(F-actin）也可以結合形成復合體。DISC1和FEZ1在神經元發育早期即有表達，在大鼠海馬，皮層和嗅球等多個腦區兩者存在廣泛共存。進一步的研究發現，這些結合可能參與了神經突的生長過程。在PC12細胞中，神經生長因子刺激可以增強DISC1與FEZ1間的結合，促進神經突生長。而阻斷兩者間的結合后，神經突的生長也受到抑制。這些結果提示，DISC1有可能在發育期通過與FEZ1以及F-actin的結合來參與調節神經突生長。在一個日本人群的調查中發現，FEZ1的SNP與精神分裂癥的發病存在關聯［14］，FEZ1基因敲除小鼠表現出明顯的活動過度和對精神類興奮藥反應增加的表現。那么，在DISC1基因發生易位斷裂后，是否影響到了FEZ1與DISC1之間的結合，從而影響到神經網絡的發育成熟并引起精神分裂癥的發病呢？這是一個需要深入探討的問題。

3.4 DISC1與14-3-3蛋白和Kinesin-1間的相互作用

14-3-3蛋白約占可溶性腦蛋白總數的1%，它們參與了許多重要的腦功能活動。14-3-3可以通過與-synuclein結合參與帕金森病的發病，而14-3-3、LIS1和NUDEL蛋白在生長錐中的蓄積有賴于DISC1和Kinesin-1的存在。在精神分裂癥患者前額葉大腦皮層中14-3-3基因的表達下降，某些14-3-3基因在精神藥物用藥過程中表達有變化［15］。DISC1有可能作為轉運體參與轉運14-3-3ε、LIS1和NUDEL等蛋白到生長錐中而調節軸突生長。Cecconi等［16］用抗抑郁藥物氟西汀治療小鼠，對其腦皮層神經元進行蛋白組學分析發現，14-3-3家族中的兩種亞型14-3-3η與14-3-3ζ與精神疾病有關聯。這提示，DISC1與14-3-3可能參與了精神疾病的發病。

眾多DISC1結合蛋白的發現表明，DISC1在大腦中可能起到一個樞紐作用，通過與多種分子形成復合體參與調節細胞骨架形成、細胞周期循環、信號轉導、物質轉運等眾多細胞內事件。DISC1功能的重要性和廣泛性可以用來解釋它與精神分裂癥發病的關系。盡管眾多遺傳學證據表明精神疾病是受多基因、多因素影響的，但由于DISC1是一個參與了多種中樞神經系統的發育過程的樞紐蛋白，DISC1單基因的突變就可能導致精神疾病的發生。

3.5 DISC1的其他功能

在整體動物水平進行基因操控是研究基因生理功能的最佳途徑，例如進行條件性基因敲除、轉基因等人為改變某一基因的時空表達模式，觀察對動物各項表征的影響。然而，可能是由于DISC1的剪切機制復雜，剪切體眾多，DISC1的基因敲除小鼠一直沒能夠制備成功。Hikida等［17］制備了DISC1負性突變體的轉基因小鼠，該小鼠表現出精神分裂樣表現，并伴有側腦室的不對稱擴大，這些表現與人類患者很相似。有研究者將慢病毒介導的RNA干擾載體注射至成體小鼠海馬齒狀回區域，以實現對新生神經元中DISC1在單細胞水平的敲減。他們的研究發現，DISC1表達水平的下調可以加速海馬新生神經元的發育，導致神經元胞體過大、樹突和突觸過度發育、動作電位增強以及新生神經元遷移異常等［18］。也有研究報道，通過病毒介導的RNA干擾減少DISC1的表達可以抑制神經前體細胞的增殖，使其退出細胞循環周期并開始分化。這一效應被認為是DISC1與糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase3β，GSK3β）相互結合并通過β-catenin信號通路所作用的結果。

4 結語

雖然，隨著對DISC1結合蛋白相關功能的研究，我們對DISC1這種精神疾病風險因子的特性以及致病過程等都有更深入的認識。但是，仍然存在許多問題需要進一步研究。首先，DISC1的遺傳學特性及其與精神病發病的確切關聯還不十分清楚。其次，DISC1的多個亞型及DISC2的功能還有待深入研究。另外，有關DISC1基因上游轉錄調控事件也有待深入研究，這對于闡明DISC1家族成員功能及參與精神疾病發病是一個重要環節。與疾病相關的基因突變引起DISC1在生化學特性、生理學功能變化并參與相關疾病的發病研究仍將是本領域內關注的重點問題。

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2009-06-08）

(本文編輯：張文霞）

國家自然科學基金面上項目(30970999）

第二軍醫大學神經科學研究所，長征醫院神經科學研究中心 200433(欽可為，第二軍醫大學生物技術專業2008級學員）。通信作者：劉秀杰，電子信箱lxj186517@126.com