Dyrk1A基因的結構、功能與神經退行性疾病的研究進展

楊新玲, 雍雨暄

(1新疆醫科大學, 烏魯木齊 830017; 2新疆醫科大學第二附屬醫院神經內科, 烏魯木齊 830063)

1 Dyrk1A基因編碼、結構和表達譜

雙特異性酪氨酸磷酸化調節激酶(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節激酶1A (Dual-specifically tyrosine phosphorylation regulated kinase 1A, Dyrk1A) 位于21號染色體(21q22.13), 該區域被稱為唐氏綜合征臨界區 (Down syndrome critical zone, DSCR), 由N端信號區、C端PolySer-PolyHisSer/Thr-rich重復序列、PEST蛋白降解區組成,編碼763個氨基酸,在中腦黑質、紋狀體中表達豐富[3]。有研究發現,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)神經元的發育及其功能的維持,在帕金森病(Parkinson's Disease,PD)的發生發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與歐洲早發型PD密切相關,攜帶者易發展為帕金森病癡呆或路易體型癡呆[5-6]。目前,國內外關于Dyrk1A基因變異介導的α-syn磷酸化修飾在疾病發展過程中的分子機制研究、其它潛在變異與中國散發性PD發生、發展的關系方面的研究尚不完善。

根據其RNA表達譜,Dyrk1A參與嚙齒動物生長發育全過程,尤其在中樞神經系統(Central nervous system, CNS)區域表達較強。小鼠的胚胎發育過程中能檢測到Dyrk1A基因表達,即Dyrk1A基因參與神經系統增殖區的生長發育[7]。同時,Dyrk1A基因在中樞神經系統中的表達也呈動態的時空表達模式,即該基因在循環神經源性祖細胞和分化的神經元中表達豐度呈現出時空動態變化過程。有研究表明,Dyrk1A在小鼠發育中的大腦神經元祖細胞和分化的神經元中的定位主要集中于細胞質[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系統中均能檢測到Dyrk1A且不同位置呈現出不同的表達水平[9]。在小鼠中樞神經系統中,Dyrk1A主要分布于細胞核和細胞質[10]。在人體大腦中,Dyrk1A在各類神經元細胞質和細胞核、星形膠質細胞、室管膜細胞和內皮細胞中廣泛存在。表明在不同細胞類型和不同腦區中,該激酶發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相互作用調節糖原合成酶[11]。在神經末梢的生長錐中,Dyrk1A通過磷酸化Sprouty2直接作用于受體酪氨酸激酶,并發揮作用[1]。Dyrk1A通過調控Spred1和Spred2的相互作用,減少對其激酶結構域的接觸,從而抑制Dyrk1A磷酸化作用。研究發現,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的蛋白質降解,改變小鼠的生物鐘過程[12]。

研究表明,Dyrk1A位于內吞網中,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合[13]。在果蠅中,SYNJ1的磷酸化主要依賴于運動神經元的內吞相互作用和SYNJ1在Ser1029位點的磷酸化,以反饋促進運動神經元調節突觸囊泡[14]。一方面,在神經母細胞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位點的磷酸化調節神經發育和突觸可塑性。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運的控制[15]。

3 Dyrk1A參與神經元發育和細胞周期

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

細胞周期的調節,特別是G1期到S期的進展,對于新皮層發育過程中產生適當數量的神經元至關重要。這些神經元是由室周圍心室區(Ventricular zone,VZ)的多能性心尖前體細胞(也稱為放射性膠質前體細胞)或室下區(Subventricular zone,SVZ)的神經原性基底前體細胞產生[19]。在小鼠胚胎中,Dyrk1A基因在神經祖細胞中表達,并在整個中樞神經系統的發生過程中保持表達[20]。有研究發現,Dyrk1A在皮質發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過表達下調前體細胞的細胞周期,其在前體細胞中的表達水平呈動態變化。

用Dyrk1A BAC tg小鼠模型能夠研究Dyrk1A對皮層神經發生的影響,該模型以空間和時間調節的方式過表達Dyrk1A,該模型中的小鼠神經元細胞周期產生延遲,導致新皮質神經元的缺陷,該缺陷一直延續至小鼠出生后,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元的損失為代價造成的,這與神經發生開始時頂端前體細胞周期延長的G1期有關[23]。相反Dyrk1A+/-頂端祖細胞核周期蛋白CyclinD1過多聚集,產生更多的神經元,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祖細胞的分裂模式。

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

4 Dyrk1A參與突觸形成和神經元功能

在中樞神經系統中,Dyrk1A的表達具有多種時空功能特征。Dyrk1A在神經突觸的后期發育過程中表達,且可在生長軸突中和軸突生長錐的樹突頂端檢測到[27]。Dyrk1A在已分化神經元中的表達表明其在神經突的形成中發揮作用。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(轉基因小鼠、含siRNA的細胞培養等)的改變[28]。例如,在小鼠皮層神經元中過表達的Dyrk1A可通過破壞REST/NRSF-SWI/SNF染色質重塑復合體,降低樹突的生長和復雜性。此外,在培養的大腦皮層神經元中,Dyrk1A的基因敲除導致神經元具有更短、更多分支的軸突和更少的軸突[29]。這一結果與該領域相關研究結果一致。該研究表明,Dyrk1A基因敲除小鼠皮層錐體神經元與野生型動物相比,其樹突側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神經元樹突棘的形成[31]。說明Dyrk1A基因的表達水平對樹突棘的正常發育至關重要。然而也有研究表明,Dyrk1A的過度表達可增加皮層錐體神經元的脊柱密度[5]。

5 Dyrk1A 參與神經退行性疾病

AD患者大腦皮層、內鼻皮質和海馬區散在的神經元細胞質和細胞核中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纖維纏結中,這些部分富集在磷酸化tau蛋白中,提示Dyrk1A可能與神經原纖維纏結病理學特征有關[32]。與對照組相比,AD患者海馬區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。以上均提示,Dyrk1A基因參與AD的發生發展過程。臨床研究發現,Dyrk1A和AD患病風險之間存在顯著的相關性,Dyrk1A rs2835740基因型會顯著提高AD的患病率[33]。以上研究均表明,Dyrk1A參與了神經退行性疾病。

α-syn是一種可溶性、未折疊的蛋白質,在中樞神經系統的神經元突觸前末梢中高度富集。帕金森病中主要表現為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神經毒性和包涵體形成的關鍵。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位點磷酸化之間產生異常聚集體所致[22]。研究證實,Dyrk1A的rs8126696多態性是形成α-syn相關性癡呆的危險因素[35]。上述數據表明,Dyrk1A在病理性腦區可能有助于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元存活率的增加有關[36]。

Dyrk1A可能參與Parkin基因表達的調控,多種激酶在不同位點磷酸化Parkin并調節其泛素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,在小鼠神經元中共定位[39]。提示Dyrk1A在多巴胺能神經元中的保護作用。

綜上,Dyrk1A基因結構和功能的研究為神經退行性疾病的治療提供了新的思路和方法。未來的研究應更加深入地探討Dyrk1A基因在神經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和實踐經驗。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基因與神經退行性疾病的關系。