14-3-3蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病中的作用研究進展

王昕，陳琳，戴建國，趙玉男，黃玉芳

(南京中醫(yī)藥大學(xué)病理教研室，南京210023)

14-3-3蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病中的作用研究進展

王昕，陳琳，戴建國，趙玉男，黃玉芳

(南京中醫(yī)藥大學(xué)病理教研室，南京210023)

14-3-3蛋白是神經(jīng)細胞中含量最豐富的蛋白之一，參與調(diào)節(jié)細胞代謝、蛋白轉(zhuǎn)運、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、凋亡以及細胞周期等重要生理過程，在神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控機制中扮演著重要而復(fù)雜的角色。14-3-3蛋白作為神經(jīng)病理過程中的重要指標，可在多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的腦脊液中檢測到，如多發(fā)性硬化癥、克雅氏病、艾滋病毒相關(guān)的神經(jīng)退化、帕金森病、阿爾茨海默病、抑郁癥等。14-3-3蛋白在上述疾病的發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用，被認為是最有發(fā)展前景和研究價值的蛋白之一。

14-3-3蛋白；神經(jīng)系統(tǒng)；克雅氏病；帕金森病；阿爾茨海默病；抑郁癥

14-3-3蛋白是神經(jīng)細胞中含量最豐富的蛋白之一，最初在哺乳動物大腦中被發(fā)現(xiàn)。14-3-3蛋白早期被認為是促進神經(jīng)遞質(zhì)合成的一種介質(zhì)，參與神經(jīng)細胞的多種正常生理過程，在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞生長、分化、黏附、離子通道調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮不可或缺的作用，被認為是最有發(fā)展前景和研究價值的蛋白之一[1]。本文對14-3-3蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病中的作用作一綜述。

1 14-3-3蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)及生理功能

1.1 化學(xué)結(jié)構(gòu) 14-3-3蛋白于1967年由Moore和Perez在牛腦中首次發(fā)現(xiàn)，曾長期被認為是腦特異性蛋白，之后在植物、哺乳動物、兩棲類動物、昆蟲以及酵母菌等多種真核生物中陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。14-3-3蛋白具有高度保守性，在大多數(shù)物種中是由許多基因編碼的一種蛋白質(zhì)家族，單體分子量為2 732 kDa，包括多種亞型，如酵母中已發(fā)現(xiàn)2種14-3-3蛋白亞型，高等真核生物中已發(fā)現(xiàn)15種14-3-3蛋白亞型，哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)的14-3-3蛋白亞型有7種(β、γ、ε、η、ζ、σ、τ/θ)[2]。l4-3-3蛋白單體形成同源或異源二聚體，可以同時與一個靶蛋白的兩個結(jié)構(gòu)域或者兩個靶蛋白相互作用[3，4]；通過與靶蛋白上的一小段共有序列磷酸化蘇氨酸/絲氨酸殘基結(jié)合，從而發(fā)揮其調(diào)控功能[5]。

1.2 生理功能 研究發(fā)現(xiàn)，14-3-3蛋白可結(jié)合并調(diào)控至少200多種分子，這些分子主要涉及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、細胞分化、發(fā)育、凋亡等生命活動[6]。14-3-3蛋白是一種橋梁，參與蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，也與神經(jīng)系統(tǒng)的多種生理反應(yīng)過程有關(guān)。14-3-3蛋白作為細胞周期調(diào)控和凋亡信號集成點，通過前饋和反饋循環(huán)調(diào)控蛋白激酶信號通路，可作為通過不同亞型識別疾病的新藥物靶點。因此在網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)水平上使用此法獲得信號轉(zhuǎn)導(dǎo)信息具有重要意義[7]。14-3-3蛋白參與了海馬長時效、聯(lián)合性學(xué)習(xí)和記憶功能[8，9]。通過驚恐、避暗、細胞電生理，建立一個14-3-3蛋白在長期突觸可塑性和聯(lián)合性學(xué)習(xí)與記憶的實驗?zāi)Ｐ停蓮男袨閷W(xué)和細胞水平驗證該蛋白在正向調(diào)控聯(lián)合性學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。在大腦皮層發(fā)育過程中，神經(jīng)祖細胞增殖、分化成神經(jīng)前體細胞。這些神經(jīng)前體細胞受放射狀膠質(zhì)細胞指引，遷移并黏附到大腦皮層終端。一項關(guān)于14-3-3 ε/ζ基因敲除小鼠的實驗發(fā)現(xiàn)，14-3-3 ε/ζ 蛋白對大腦皮層中神經(jīng)前體細胞的增殖、分化至關(guān)重要，該蛋白缺失會引起神經(jīng)元遷移缺陷和癲癇發(fā)作；同時該研究證實14-3-3 蛋白在神經(jīng)元再生及調(diào)控不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路影響神經(jīng)細胞遷移中發(fā)揮重要作用[11]。

2 14-3-3蛋白與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系

正常人群的腦脊液(CSF)中不含有14-3-3蛋白，但在許多神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病患者的CSF中可檢測出不同亞型和不同含量的14-3-3蛋白。該蛋白作為神經(jīng)病理過程中的重要指標[12，13]，可在多種神經(jīng)精神疾病患者的CSF中檢測到，如多發(fā)性硬化癥(MS)[14]、克雅氏病(CJD)[15]、艾滋病毒相關(guān)的神經(jīng)退化[16]、帕金森病(PD)[17]、阿爾茨海默病(AD)[18]、抑郁癥(MDD)。近年來，有研究報道14-3-3蛋白也是急性出血性腦中風(fēng)和蛛網(wǎng)膜下腔出血的生物學(xué)標志物[19]。

2.1 CJD CJD是一種可傳播性海綿狀腦病，其病理特征以大腦皮層海綿樣變性、星形膠質(zhì)細胞(As)增生、神經(jīng)元丟失、淀粉樣斑塊沉積和異常朊病毒(Prion)樣蛋白累積為主。CJD的病因是Prion異常蛋白質(zhì)，Prion是來源正常朊蛋白基因(PRNP)的變異。CJD有一定家族性和傳染性，可通過腦垂體提取物注射、器官移植、輸血及神經(jīng)外科手術(shù)等途徑傳播[20]。CJD患者CSF中14-3-3蛋白表達增加，可作為診斷該病的生物學(xué)標志物[21]。CJD患者腦細胞急性損傷會釋放出大量的14-3-3蛋白，其意義與臨床表現(xiàn)密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，CSF中14-3-3蛋白檢測對其診斷的敏感性為90%～97%，特異性為87%～100%；CSF中14-3-3蛋白表達陽性是CJD診斷的重要參考依據(jù)，隨著14-3-3蛋白表達的增加，患者同時出現(xiàn)視覺或小腦癥狀、肌陣攣、椎體/椎體外系功能異常和無動性緘默等典型臨床表現(xiàn)的概率也隨之增加，在一定范圍內(nèi)兩者之間呈正相關(guān)[22]。14-3-3蛋白表達量越多，說明受損腦區(qū)分布越廣，患者臨床表現(xiàn)越典型，越有助于CJD的診斷。

2.2 PD PD是中老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，其病理特征是中腦黑質(zhì)致密部選擇性多巴胺(DA)能神經(jīng)元進行性大量死亡(死亡超過50%以上)、路易小體(LB)丟失、神經(jīng)膠質(zhì)細胞增生。PD患者腦組織中14-3-3 γ、ε、ζ 和θ蛋白免疫反應(yīng)呈強陽性，未見β、η、σ蛋白的免疫反應(yīng)。PD主要位于中腦黑質(zhì)-紋狀體DA能神經(jīng)元LB，LB的主要成分是突觸核蛋白(α-SYN)，α-SYN與14-3-3 蛋白在一級結(jié)構(gòu)上有40%是同源的，兩者能相互作用并共存于LB中。α-SYN通過使酪氨酸羥化酶(TH)去磷酸化，降低TH活性，從而抑制DA合成[23]。而14-3-3蛋白可以與TH連接，抑制其去磷酸化，促進DA產(chǎn)生。但也有研究表明，14-3-3蛋白可以和α-SYN在LB中共存，二者可形成一個可溶性蛋白質(zhì)復(fù)合體，促進DA能神經(jīng)元的凋亡。14-3-3蛋白也可以和E3連接酶相互作用，對E3連接酶的活性進行調(diào)節(jié)；14-3-3蛋白減少可能會導(dǎo)致E3連接酶活性下降，使α-synuclein蛋白聚集；說明14-3-3蛋白與α-synuclein蛋白復(fù)合物的形成可能是該病的發(fā)病機制之一[24]。

另外，14-3-3蛋白還參與細胞凋亡和增殖的調(diào)節(jié)過程。現(xiàn)已證實，14-3-3蛋白與PD的α-SYN、Parkin蛋白、LRRK2蛋白有關(guān)[24]。1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)是選擇性損害黑質(zhì)紋體DA能神經(jīng)元，是能使DA及其代謝產(chǎn)物降低的一種神經(jīng)毒性物質(zhì)，可引起典型的帕金森氏樣癥狀。MPTP藥物可以誘導(dǎo)PC12細胞凋亡，可以此建立PD體內(nèi)細胞模型；而14-3-3 θ蛋白過表達可降低MPTP對神經(jīng)細胞的毒性作用，從而達到保護神經(jīng)的目的[25]。因此，14-3-3 θ蛋白磷酸化可能是導(dǎo)致PD患者神經(jīng)退化進程的機制之一。

2.3 AD AD是老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，其主要病理特征是大腦皮質(zhì)層、血管周圍發(fā)生淀粉樣斑塊以及神經(jīng)原纖維結(jié)構(gòu)纏結(jié)(NFTs)。AD患者腦組織中Tau蛋白表達高于正常人，且正常Tau蛋白減少而過度磷酸化的異常Tau蛋白大量增加。Tau蛋白的異常磷酸化導(dǎo)致微管網(wǎng)絡(luò)的中斷，脫磷酸化作用使微管網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、淀粉樣蛋白被激活，增加磷酸化活化蛋白激酶的Tau位點Ser262、Ser356、Ser396發(fā)生改變。研究表明，AD患者腦組織14-3-3 β、γ、ζ蛋白均與Tau蛋白位點過度磷酸化密切相關(guān)。

AD患者腦組織14-3-3蛋白γ和ε亞型表達均增加，患者NFTs中14-3-3蛋白免疫組化染色呈陽性，約1/3的患者海馬組織Tau蛋白也呈陽性。在14-3-3蛋白存在的情況下，Tau蛋白被激酶磷酸化，使Tau蛋白更容易被磷酸化。14-3-3 ζ蛋白介導(dǎo)Tau蛋白被蛋白激酶A和神經(jīng)元Cdc2樣的蛋白激酶磷酸化，阻斷了可增加微管穩(wěn)定性的Tau蛋白和微管之間的相互作用。目前在牛腦中發(fā)現(xiàn)了一個“Tau磷酸化復(fù)合物”，成分主要包括Tau、糖原合酶激酶3β(GSK3β)和14-3-3 ζ蛋白。14-3-3蛋白正常存在于腦組織中，GSK3β是許多底物(包括Tau蛋白在內(nèi))磷酸化的調(diào)節(jié)酶。14-3-3 ζ蛋白可通過橋梁作用使GSK3β與Tau蛋白的結(jié)合能力變強，同時使磷酸化的Tau 蛋白不易去磷酸化。研究表明，14-3-3 β、ε、σ蛋白均參與線粒體功能障礙和細胞凋亡調(diào)控等生理功能[26]。

2.4 MDD MDD是以顯著而持久的心境低落為主要臨床特征的情感性精神障礙綜合征，患者常有自殺傾向。MDD的發(fā)病機制目前公認的是單胺類神經(jīng)遞質(zhì)機制，隨著對As功能的深入研究，發(fā)現(xiàn)其在MDD的發(fā)病中具有重要作用，已成為防治MDD的新作用靶點。As是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的細胞，對神經(jīng)元具有保護、支持、營養(yǎng)和修復(fù)等作用。嚙齒類動物在長期慢性應(yīng)激時糖皮質(zhì)激素水平顯著升高，海馬體積減小，并引起抑郁樣行為。研究顯示，長期注射皮質(zhì)酮會導(dǎo)致雄性小鼠海馬組織AS數(shù)量減少、體積減小、突起長度縮短，并且AS數(shù)量、體積、突起長度與海馬體積呈正相關(guān)[27]。既往研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷對應(yīng)激致小鼠海馬可塑性損傷有保護作用，而人參皂苷的主要成分之一人參二醇在腦內(nèi)與14-3-3蛋白有高親和力，提示人參皂苷的抗應(yīng)激作用可能與調(diào)節(jié)14-3-3蛋白有密切關(guān)系[28]。

綜上所述，14-3-3蛋白在生命活動中發(fā)揮非常重要的調(diào)控功能，尤其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中扮演了重要角色。應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)找到更多與14-3-3蛋白相關(guān)的靶蛋白，可以加深對14-3-3蛋白功能的認識。相信隨著研究方法的不斷完善和研究技術(shù)的不斷優(yōu)化，14-3-3蛋白在體內(nèi)尤其是神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用將得到更好的闡述。

[1] Jeon YH, Park YH, Kwon JH, et al. Inhibition of 14-3-3 binding to Rictor of mTORC2 for Akt phosphorylation at Ser473 is regulated by selenoprotein W[J]. Biochim Biophys Acts, 2013,1833(10):2135-2142.

[2] Yamamoto Y, Koma H, Yagami T. Localization of 14-3-3σ/ζ on the neuronal cell surface[J].Exp Cell Res,2015,338(2):149-161.

[3] Obsil T, Obsilova V. Structural basis of 14-3-3 protein functions[J]. Semin Cell Dev Biol, 2011,22(7):663-672.

[4] Johnson C, Crowther S, Stafford MJ, et al. Bioinformatic and experimental survey of 14-3-3-binding sites[J]. Biochem, 2010,427(1):69-78.

[5] Uhart M, Bustos DM. Human 14-3-3 paralogs differences uncovered by cross-talk of phosphorylation and lysine acetylation[J]. PLoS ONE, 2013,8(2):e55703.

[6] Johnson C, Tinti M, Wood NT, et al. Visualization and biochemical analyses of the emerging mammalian 14-3-3 phosphoproteome[J].Mol Cell Proteomics, 2011,10(10):M110.00571.

[7] Gardino AK, Yaffe MB. 14-3-3 proteins as signaling integration points for cell cycle control and apoptosis[J]. Semin Cell Dev Biol, 2011,22(7):688-695.

[8] Qiao H, Foote M, Graham K, et al. 14-3-3 proteins are required for hippocampal long-term potentiation and associative learning and memory[J]. J Neurosci, 2014,34(14):4801-4808.

[9] Cao W, Yang X, Zhou J, et al. Targeting 14-3-3 protein, difopein induces apoptosis of human glioma cells and Suppresses tumor growth in mice[J]. Apoptosis, 2010,15(2):230-241.

[10] Ramsey AJ, Milenkovic M, Oliveira AF, et al. Impaired NMDA receptor transmission alters striatal synapses and DISC1 protein in an age-dependent manner[J]. Proc Natl Acad Science U S A, 2011,108(14):5795-5800.

[11] Toyo-oka K, Wachi T, Hunt RF, et al. 14-3-3εandζregulate neurogenesis and differentiation of neuronal progenitor cells in the developing brain[J]. J Neurosci, 2014,34(36):12168-12181.

[12] Steinacker P, Aitken A, Otto M, et a1. 14-3-3 proteins in neurodegeneration[J]. Semin Cell Dev Biol, 2011,22(7):696-704.

[13] Foote M, Zhou Y. 14-3-3 proteins in neurological disorders[J].Int J Biochem Mol Biol, 2012,3(2):152-164.

[14] Gajofatto A, Bongianni M, Zanusso G, et a1. Clinical and biomarker assessment of demyelinating events suggesting multiple sclerosis[J]. Acta Neurol Scand, 2013,128(5):336-344.

[15] Hyeon JW, Kim SY, Lee J, et al. Alternative application of Tau protein in Creutzfeldt-Jakob disease diagnosis: improvement for weakly positive 14-3-3 protein in the laboratory[J]. Sci Rep, 2015(5):15283.

[16] Morales D, Skoulakis EC, Acevedo SF, et al. 14-3-3s are potential biomarkers for HIV-related neurodegenera-tion[J].J Neurovirol, 2012,18(5):341-353.

[17] Slone SR, Lesort M, Yacoubian TA.14-3-3 theta protects against neurotoxicity in a cellular Parkinson's disease model through inhibition of the apoptotic factor Bax[J]. PLoS One, 2011,6(7):e21720.

[18] Joo Y, Schumacher B, Landrieu I, et al. Involvement of 14-3-3 in tubulin instability and impaired axon deveploment is mediate by Tau[J]. FASEB J, 2015,29(10):4133-4144.

[19] Siman R, Giovannone N, Toraskar N, et al. Evidence that a panel of neurodegeneration biomarkers predicts vaso-spasm, infarction, and outcome in aneurysmal subarachnoid hemorrhage[J].PLoS One, 2011,6(12):e2893.

[20] Puoti G, Bizzi A, Forloni G, et al. Sporadic human prion diseases: molecular insights and diagnosis[J]. Lancet Neurol, 2012,11(7):618-628.

[21] Schmitz M, Ebert E, Stoeck K, et al. Validation of 14-3-3 protein as a marker in sporadic creutzfeldt-jakob disease diagnostic[J]. Mol Neurobiol, 2015,53(4):2189-2199.

[22] Riva-Amarante E, Jiménez-Huete A, Toledano R, et al. Usefulness of high b-value diffusion-weighted mri in the diagnosis of creutzfeldt-jakob disease[J]. Neurologia, 2011,26(6):331-336.

[23] Cookson MR, Bandmann O. Parkinson′s disease: insights from pathways[J]. Human Molecular Genetics, 2010,19(1):21-27.

[24] Slone SR, Lavalley N, Mcferrin M, et al. Increased 14-3-3 phosphorylation observed in Parkinson′s disease reduces neuroprotective potential of 14-3-3 proteins[J]. Neurobiol Dis, 2015(79):1-13.

[25] Ding H, Underwood R, Lavalley N, et al. 14-3-3 inhibition promotes dopaminergic neuron loss and 14-3-3θ overexpression promotes recovery in the MPTP mouse model of Parkinson′s disease[J]. Neuroscience, 2015(307):73-82.

[26] Krzyzanowska A, Garcíca-Consuegra I, Pascual C, et al. Expression of regulatory proteins in choroid plexus changes in early stages of Alzheimer disease[J]. J Neuropathol Exp Neurol, 2015,74(4):359-369.

[27] Zhang H, Zhao Y, Wang Z. Chronic corticosterone exposure reduces hippocampal astrocyte structural plasticity and induces hippocampal atrophy in mice[J]. Neurosci Lett, 2015(592):76-81.

[28] 陳飛燕，歐陽柳鳳，江玉翠，等.人參總皂苷親和“垂釣”腦內(nèi)蛋白質(zhì)靶點的研究[J].中藥藥理與臨床，2016，32(3)：41-45.

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(81303246)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)。

黃玉芳(E-mail: yufanghnj@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.32.040

R741.04

A

1002-266X(2016)32-0110-03

2016-04-19)