LRRK2調節紋狀體神經元多巴胺受體1含量及機制

楊 璇 劉小鵬 彭 宇 甄 然 宋彬彬 李 闊 于 佳

富亮氨酸重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2)突變是PD最為常見的遺傳因素，LRRK2突變所致的PD發病年齡晚，在臨床表現上與特發性PD更為接近[1]。因此，對LRRK2生理病理功能機制的解釋對于闡釋帕金森病發病機制至關重要。LRRK2表達異常可導致小鼠運動功能障礙，但是其中的具體機制目前仍不明確[2]。本實驗將利用LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S突變基因敲入小鼠和R1441C突變基因敲入小鼠，明確LRRK2的表達或功能異常對紋狀體神經元多巴胺受體1(dopamine receptor 1，D1R)含量的影響，并探討LRRK2調節紋狀體神經元中D1R的機制，為豐富人們對LRRK2參與帕金森病發病機制的認識提供理論依據。

材料與方法

1.實驗動物：LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S突變基因敲入小鼠和R1441C突變基因敲入小鼠及野生型對照組，飼養在美國國立衛生院老年病研究所，根據實驗動物相關管理規定進行操作和處理[3～5]。

2.主要試劑：大鼠單克隆D1R抗體購自美國Sigma公司，兔單克隆抗體NeuN購自英國Abcam公司，山羊多克隆組織蛋白酶D(cathepsin D)抗體購自美國R&D Systems公司，驢血清購自美國Jackson Immuno Research公司，牛血清白蛋白購自美國Sigma公司，熒光二抗、抗熒光淬滅封片劑(含DAPI)購自美國Invitrogen公司。

3.免疫熒光染色：小鼠進行腹腔麻醉，沿胸旁正中線切開皮膚、剪斷肋骨、暴露心臟。在心尖處剪開左心室，插入灌流針至左心室，剪開右心耳。先用PBS灌流，沖凈血液后用4%多聚甲醛固定液灌流。取腦后繼續固定過夜，再放入30%蔗糖溶液中進行脫水。沿鼠腦冠狀面做冰凍切片，厚度為40μm，將切片浸泡于PBS置于4℃保存。配制PBST(含0.3% Triton X-100)緩沖液，用封閉液(含10%驢血清和1%牛血清白蛋白的PBST)孵育腦片1h，然后4℃一抗孵育過夜，清洗3遍；熒光二抗室溫下孵育腦片1h，PBS清洗3遍。將腦片鋪展于載玻片上，并用抗熒光淬滅封片劑(含DAPI)封片，晾干后，在激光共聚焦顯微鏡(LSM 800，德國Zeiss公司)下觀察拍照。

結 果

LRRK2基因敲除或G2019S和R1441突變導致紋狀體中多巴胺受體D1R含量下降(圖1)。本實驗利用LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠，應用免疫熒光染色的方法檢測了12月齡小鼠紋狀體中D1R表達情況。結果發現，LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體中D1R熒光強度均顯著下降。

LRRK2通過調節溶酶體影響紋狀體神經元多巴胺受體D1R含量(圖2)。筆者利用cathepsin D免疫熒光染色標記溶酶體。觀察發現，在12月齡野生型小鼠紋狀體神經元內cathepsin D陽性的點狀結構數目較少，而在12月齡LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內cathepsin D陽性點狀結構數目顯著增加，在LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內cathepsin D陽性點狀結構直徑增大。且經定量分析，在LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內溶酶體所占據的總面積顯著增加。同時筆者還發現，在野生型小鼠、LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元中cathepsin D與D1R共定位，也就表明在LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元溶酶體中D1R增加。

圖2 12月齡野生型、LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元中D1R和溶酶體標志物cathepsin D共定位情況

討 論

目前已經證實了超過40個與PD發病相關的LRRK2突變，目前研究最多的突變位點有9個，分別是位于ROC結構域的R1441C、R1441G、R1441H、R1514Q突變[6]。位于COR結構域的Y1699C突變，位于激酶結構域的I2012T、G2019S突變以及位于WD40結構域的G2385R突變[7，8]。

研究者建立了多個LRRK2轉基因小鼠模型以研究LRRK2在神經系統中的功能。Melrose等[9]建立了過表達野生型LRRK2或G2019S突變的轉基因小鼠模型，并利用HPLC法檢測發現野生型或G2019S轉基因小鼠紋狀體內多巴胺含量與非轉基因小鼠比較無明顯的改變，但是利用微透析法檢測發現野生型或G2019S轉基因小鼠紋狀體細胞外多巴胺含量明顯降低。Chen等[10]研究發現，12～16月齡的G2019S轉基因小鼠表現為明顯的運動障礙，而L-DOPA能夠有效地改善該運動障礙。Maekawa等[11]利用HPLC法檢測到在10周齡的I2020T突變轉基因小鼠紋狀體內多巴胺以及其代謝物DOPAC和HVA的含量均顯著下降，且變現為明顯的運動功能障礙。以上證據表明，LRRK2與多巴胺神經傳遞以及小鼠神經運動功能密切相關。

多巴胺受體D1R與帕金森病的關系已被人們廣泛研究。多巴胺與多巴胺受體D1R結合，誘發胞內信號通路發生改變，從而介導多巴胺調控的神經運動功能[12]。其中最為經典的就是cAMP/PKA信號通路。D1R通過和Gαs偶聯激活腺苷酸環化酶，促使細胞內cAMP合成增加，從而激活PKA并磷酸化多個底物蛋白。PKA能夠導致多個離子通道蛋白磷酸化狀態發生改變，如AMPA、GABAA、NMDA以及L、N和P型鈣離子通道，影響谷氨酸以及GABA等神經遞質的釋放，從而調節運動功能[13]。

Rassu等[14]研究發現，過表達野生型和突變型(G2019S和R1441C)LRRK2的SH-SY5Y細胞膜上的D1R含量明顯升高。但這一實驗主要是在細胞系中進行，且僅檢測了外源性D1R含量的改變，而未檢測小鼠腦內D1R含量。在本實驗中，筆者檢測發現LRRK2表達缺失或G2019S和R1441突變均可導致紋狀體中多巴胺受體D1R含量下調，據此可以推斷LRRK2可調節紋狀體神經元中D1R的含量。而LRRK2是通過何種細胞生物通路影響D1R的含量這一科學問題尚未明確。有研究表明，LRRK2可以通過調節Rab7的活性影響次級內體的功能，進而影響細胞降解功能[15]。

本研究中筆者利用cathepsin D免疫熒光染色標記溶酶體，結果發現12月齡LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內溶酶體數目均顯著增加，在LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內溶酶體直徑增大。且經定量分析，在LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內溶酶體所占據的總面積顯著增加，這一結果表明LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內的蛋白降解過程顯著增強。同時，LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內與cathepsin D共定位的D1R也顯著增加，表明在LRRK2基因敲除小鼠、LRRK2 G2019S和R1441C基因敲入小鼠紋狀體神經元內發生降解的D1R增加。

綜上所述，本實驗發現，LRRK2表達缺失或LRRK2 G2019S和R1441C突變均導致小鼠紋狀體中D1R含量下降，明確了LRRK2表達缺失或基因突變所致功能異?？梢杂绊懠y狀體中D1R的含量。LRRK2表達缺失、LRRK2 G2019S和R1441C突變可能通過促進小鼠紋狀體神經元蛋白降解，促使進入溶酶體的D1R增加，D1R降解加強，從而使得紋狀體神經元D1R含量下降。本研究結果有利于人們深入理解LRRK2的病理生理功能，并為LRRK2參與的帕金森病病理過程提供潛在的干預靶點。