泛素羧基末端水解酶L1(UCH-L1)与神经精神疾病关系的研究进展

毕晓姣 刘兰芬，2

·综述·

泛素羧基末端水解酶L1(UCH-L1)与神经精神疾病关系的研究进展

毕晓姣1刘兰芬1，2

泛素羧基末端水解酶L1(ubiquitin carboxy terminal hydrolases L1，UCH-L1)是去泛素化酶的一种，有去泛素化作用、泛素连接酶作用及维持单泛素稳定性的作用，且在脑内分布十分丰富，以上特点决定了它在神经精神疾病发病中的特殊地位。本文就UCH-L1的结构、生物学功能、及其与神经精神疾病发病的关系进行了总结概括，为进一步研究UCHL1蛋白及基因在神经精神疾病发病过程中起到的作用提供参考。

泛素羧基末端水解酶L1神经精神疾病

阿尔茨海默病(Alzheimer’s Disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s Disease，PD)、精神分裂症(Schizophrenia，SCZ)等神经精神疾病多病因不明，而这些疾病都严重损害着患者及其家属的生活质量，给家庭及社会带来巨大的生活负担和压力。近年来有研究发现泛素蛋白酶体系统(ubiquitin proteasome system，UPS)功能的异常与神经精神疾病的发生、发展有着紧密的联系，而去泛素化酶家族中的UCH-L1集三种功能于一身，不仅具有去泛素化功能，还有连接泛素及稳定单体泛素的功能，因而UCH-L1的蛋白含量、基因表达一直为研究人员的研究热点之一。本文仅就UCH-L1在AD、PD、SCZ发病机制中的重要作用作一综述。

1 泛素蛋白酶体系统(UPS)简介

UPS是真核细胞降解变异蛋白、错误折叠蛋白、异常聚集蛋白等的途径之一。UPS所介导的蛋白质翻译后修饰是一个动态、可逆的过程，此过程由催化泛素化和去泛素化的酶精确调控。UPS过程涉及到的酶及物质有:泛素、泛素激活酶、泛素结合酶、泛素连接酶、去泛素化酶(deubiquitinases，DUBs)和26s蛋白酶体［1，2］。UPS发挥降解异常蛋白的正常生理功能需要游离泛素的存在，而游离泛素水平取决于泛素化过程和去泛素化过程的动态平衡。DUBs主要作用是水解与靶蛋白结合的多聚泛素链，以供泛素分子的循环利用，从而维持游离泛素的合理水平。人体内的DUBs大约有100余种，根据位点催化机制的不同，大致可以分为四种:泛素特异性蛋白酶，泛素羧基末端水解酶(UCH)，卵巢肿瘤蛋白酶以及Machado-Joseph病蛋白酶［3］。因UPS与蛋白质的产生及降解过程密切相关，能导致神经元、神经突触形成及重塑异常，影响神经系统正常功能，故近年来受到广泛关注。

2 UCH-L1的结构及功能

UCH-L1又称为PGP9.5，于1987年由Day等［4］发现，是一个由9个外显子编码、共223个氨基酸组成的蛋白质，基因位于4号染色体短臂的1区4带，是UCH家族的四种蛋白之一。UCH-L1在各个脑区的神经元都有表达，大约占总可溶蛋白的1%～2%［5］，背根神经节［6］和三叉神经节［7］等周围神经系统中也存在UCH-L1。UCH-L1调节着中枢神经系统蛋白质泛素化过程的运行模式，能维持单体泛素的稳定性，并与其他协同酶一起维持着神经元内游离泛素的正常水平［8］。另外，UCH-L1还是一种泛素连接酶［9］。UCHL1既能够在泛素链中添加泛素，又能够移除单个泛素，这样独特的功能使它有别于其他的DUBs，而成为保证UPS正常功能的一个关键点［10］。因此，UCH-L1蛋白水平及基因表达的异常都会导致细胞内蛋白质周转出现紊乱。

UCH-L1的广泛分布有利于UPS发挥正常功能，也为神经精神疾病的发生提供了条件。神经元是人体内高度分化的细胞之一，蛋白质的产生和降解平衡对它正常的生理功能有着高度影响［11］，当蛋白质周转出现异常时，神经元就变得十分脆弱，易受到不良因素攻击引起自身损伤［10］。正常情况下，UCH-L1可以通过调节单泛素水平参与突触形成及重塑［12］，还可以通过影响海马CA1区的长时程增强影响认知功能［13］。但在各种因素所致病理情况下，氨基酸末端的氧化修饰作用会使UCH-L1蛋白活性降低或UCH-L1含量异常增加，从而导致神经元、神经突触形成及重塑异常，影响神经系统正常功能。

3 UCH-L1与神经精神疾病

有研究显示AD和PD患者脑内氧化修饰的UCHL1含量增加［14］;另外，创伤导致脑损伤后，脑脊液和血浆中UCH-L1浓度的升高与神经元受损及血脑屏障通透性增加有密切关系［15］，动脉瘤性蛛网膜下腔出血所导致的神经细胞受损中，UCH-L1持续时间与患者的预后有密切关系［16］，癫痫发作后48 h或癫痫持续状态后，脑脊液和血浆中的UCH-L1浓度会显著升高［17］。因此，UCH-L1蛋白活性及浓度可作为评估神经元及大脑受创程度的标志物。UCH-L1基因方面的研究同样证明UCH-L1在神经系统疾病发生过程中的重要性。Bilguvar等［18］研究了3名早发性进行性神经退行性变综合征患者的UCH-L1基因，发现UCH-L1基因泛素结合区域第7位的谷氨酸突变为丙氨酸后会导致水解酶活性几乎完全丧失，该变化会导致神经退行性病变的发病年龄提前。

病理学研究发现AD、PD患者神经细胞内外存在蛋白质的异常聚集，如AD中的β-淀粉样蛋白，PD中的路易小体，但这些异常聚集的蛋白本身并不是导致神经元易感的因素，真正的致病因素是UPS的异常，异常聚集的蛋白仅仅是UPS功能异常的表现［10］。早在1990年Lowe等［19］就提出UCH-L1分别存在于PD的路易小体和AD的神经纤维缠结中。SCZ是一种病因未明的慢性进展性加重的精神疾病，有遗传学及病理组织学研究提示本病的发生可能与UPS中的某些基因及蛋白质有关，如精神分裂症相关蛋白Dysbindin［20，21］。因此，可以推测UCH-L1蛋白及基因可能通过调节相应底物蛋白的含量或基因突变等方式参与神经精神疾病的发生发展。

3.1 UCH-L1与阿尔兹海默病(AD)目前广为接受的AD的病理特征是:嗜银神经细胞突起包绕β淀粉样变性形成的神经炎性斑块及神经元胞内过度磷酸化的tau蛋白形成的神经原纤维缠结。而神经原纤维缠结和神经炎性斑块中存在泛素和某些蛋白酶体亚基［22］。Choi等［23］运用蛋白组学的方法研究发现，散发AD患者脑内可溶性UCH-L1含量减少，神经原纤维缠结的数量与UCH-L1水平成反比，且全长的UCHL1是通过羰基形成蛋氨酸及半胱氨酸氧化损伤的主要对象。在AD的APP/PS1小鼠模型所模拟的突触功能不全可以由外源性给予UCH-L1逆转或修复，这就证实UCH-L1水平增加能够缓解认知损害的程度［13］。进一步说明AD的发病可能与UPS中UCH-L1含量异常有关。UCH-L1含量与许多因素相联系，最直接的便是基因及其表达是否存在异常。2006年一项以中国汉族人群116例散发AD患者和123名健康受试者为研究对象的研究指出，UCH-L1基因S18Y的Y等位基因和YY基因型对于AD患者可能有保护作用［24］。之后许多国家进行相应的研究，但结果并不一致，2010年瑞典的Zetterberg等［25］对452名AD病例和234例对照组的研究并未发现UCH-L1 S18Y多态性对AD有保护作用。2012年Shibata等［26］研究了UCH-L1基因5种常见的单核苷酸多态性，分别是rs11556271，rs3756002，rs3775256，rs4861387，rs28581187，结果发现以上单核苷酸多态性均不是日本AD患者发病的主要危险因素。

3.2 UCH-L1与帕金森病(PD)与AD的病理特征相似，PD患者脑内也存在异常蛋白聚集，其组织病理显示:黑质多巴胺能神经元大量变性丢失，残留的神经细胞质内出现路易小体。路易小体的主要成分有α-突触核蛋白、泛素、parkin、UCH-L1、蛋白酶体亚单位等。α-突触核蛋白是UPS的底物，而parkin、UCH-L1等蛋白本身是UPS的重要成分［27］。PD延髓中的UCH-L1蛋白和mRNA表达均有所降低［28］。全长的UCH-L1也是PD患者脑内受氧化应激损伤的重要部位，特发性PD患者脑内UCH-L1蛋白水平降低［23］。遗传学方面的研究集中在UCH-L1基因突变I93M和S18Y上，I93M可能是一个PD致病因素，而S18Y是一个保护因素［14］。UCH-L1蛋白的水解酶活性增强与PD的发病率呈反比，因而可认为UCH-L1水解酶活性增强对于本病是一种保护性因素［29］，S18Y是一个保护因素可以这样分析:S18Y突变型中UCH-L1蛋白的水解酶活性增强［29］，连接酶活性降低［9］，导致α-突触核蛋白稳定性下降，从而使蛋白聚集减少［14］。但S18Y基因多态性遗传关联研究的结果并不一致。Miyake等［30］对229例有着6年病史的散发PD患者与357例健康对照的研究发现，PD患者UCH-L1 S18Y突变是散发型PD的一个危险因素，其中带有S18Y AA基因型以及SNP为rs356220的TT基因型的PD发生率显著增加。Shibata等［26］发现UCH-L1基因的rs4861387与PD呈边缘关系。Snapinn等［31］认为S18Y突变不是主要的致病决定因素，它的作用可能只局限于早发患者，因为带有Y等位基因的患者在早期发病风险呈减少趋势。Xiromerisiou等［32］也没有发现UCH-L1基因的单核苷酸多态性影响PD的患病风险。

3.3 UCH-L1与精神分裂症(SCZ)不论从蛋白水平还是基因水平，SCZ患者脑内存在UPS功能异常已由许多研究证实。Dysbindin-1含量在海马结构形成区域［21，23］、CA3区域［33］均降低，相应的mRNA含量在额叶皮层［34］、海马组织及CA3区域［33］均降低。Weickert等［33］还发现mRNA减少的量与SCZ突触标记位点减少的量呈正相关关系，由此他们认为Dysbindin-1 mRNA表达减少引起蛋白水平的减少，进而引起突触连接及谷氨酸信号通路的异常。Locke等［35］指出Dysbindin是泛素连接酶TRIM32泛素化的底物，TRIM32的能够结合Dysbindin并加速它的降解，而被敲除TRIM32的成肌细胞表达Dysbindin增加。但由于目前缺乏研究指出TRIM32泛素化Dysbindin的过程具有特异性，也缺乏UCH-L1与Dysbindin的相关研究，因此，Dysbindin-1蛋白水平降低是否与UCH-L1有关还需要进一步的探索，但以上研究提示UPS通路中的成分可以影响Dysbindin的含量。

Rubio等［36］使用蛋白质印迹分析的方法对SCZ组和对照组的大脑颞上回的泛素化水平进行检测，结果显示SCZ组中蛋白质泛素化水平、游离泛素水平及K48相关的泛素化水平均下降，而K63多聚泛素化出现增加。Bousman等［37］及Middleton等［38］分别在2010年和2002年均利用cDNA基因蕊片的方法发现SCZ患者脑内存在UPS通路的异常。Altar等［39］指出海马神经元中蛋白酶体、泛素化过程相关基因表达的减少与SCZ患者额叶皮质的脑成像及基因芯片的研究结果是一致的，齿状回神经元UPS功能低下可能是导致SCZ发生的原因。另外，近几年已发现多种涉及UPS的基因与SCZ有关，如UBE2K［40］、TRIM76［41］、FBXL21［42］、USP46［43］。

UCH-L1与SCZ的关系尚未得出一致性意见。Altar等［39］利用cDNA芯片及逆转录聚合酶链式反应的方法检测了SCZ患者齿状颗粒神经细胞中基因表达的变化，结果发现UCH-L1表达水平降低。Vawter等［44］利用cDNA芯片检测了与大脑功能相关的上百个基因，发现颞中回的UCH-L1基因表达与对照组存在差异。然而，Bousman等［37，40］却未能发现UCH-L1的表达与细胞通路和精神症状严重程度方面与对照组相比存在显著差异。近期一项由苯环己哌啶诱导雄性Wistar大鼠出现类精神分裂症样症状的实验表明，与生理盐水对照组相比，从类精神分裂症样大鼠内侧前额叶皮质提取的蛋白质中UCH-L1的含量降低［45］，这一方面再次验证了UCH-L1可以参与调节突触功能，另一方面提示UCH-L1含量的异常可能参与SCZ的发病过程，或UCH-L1蛋白及基因与抗精神病药物使用的敏感性有关。

4 展望

综上，UCH-L1虽然维持着神经系统的正常功能，但对神经精神疾病发生机制的参与程度尚十分确切，目前研究显示，AD、PD及SCZ患者脑内UCH-L1蛋白含量及基因变异方面均不同程度的与健康对照人群存在差异，且多巴胺能系统中UCH-L1的S18Y变体可能具有抗氧化和神经保护的作用［46］，这为探索神经精神疾病的发病机制提供了一个新的视角。因而，进一步深入研究UCH-L1在神经系统中的功能对明确神经精神疾病的发病机制有着十分重要的指导意义，同时也可为神经精神疾病的诊断和治疗以及新药开发提供科学依据。另外，利用泛素化或去泛素化过程的某些因子来调控细胞内蛋白质水平也可能会成为治疗神经精神疾病的思路之一。

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A

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2013-11-19)

(

2013-12-21)

1.250012山东济南，山东大学医学院2.山东省精神卫生中心

毕晓娇(1989～)，女，山东大学硕士研究生，研究方向:精神疾病遗传学

刘兰芬，主任医师，硕士生导师，E-mail:liulf521@163.com