特异性蛋白-4与神经系统关系的研究进展

2015-03-24蒋伟青王永刚

东南大学学报（医学版） 2015年4期

关键词：树突小脑海马

蒋伟青，王永刚，2

(1.上海交通大学医学院，上海 200025； 2.上海交通大学医学院附属仁济医院神经内科，上海 200127)

·综述·

特异性蛋白-4与神经系统关系的研究进展

蒋伟青1，王永刚1，2

(1.上海交通大学医学院，上海 200025； 2.上海交通大学医学院附属仁济医院神经内科，上海 200127)

特异性蛋白(specificity protein，Sp)4是Sp样转录因子家族(Sp1～Sp9)中一员，主要分布于心脏、骨骼肌及神经系统，且在神经系统中的表达最多。在神经系统中，Sp4调控发育期小脑树突形态、出生后海马齿状回颗粒细胞的发育、出生后海马细胞的增生、海马长时程增强以及与神经精神疾病有关的一些动物行为，包括背景和空间记忆、感觉门控以及前脉冲抑制，对精神分裂症、双相情感障碍和阿尔茨海默病等神经精神疾病有着重要影响。

特异性蛋白4；神经发育；神经精神疾病；文献综述

特异性蛋白(specificity protein， Sp)4是Sp样转录因子家族(Sp1～Sp9)中一员，Sp样转录因子家族是一组与真核细胞转录调控密切相关的锌指蛋白。Sp4主要分布于心脏、骨骼肌及神经系统，且在神经系统中的表达最多。本文中作者重在概述Sp4的结构特征、在神经系统中分布与功能以及其在一些神经精神疾病中起到的作用。

1 Sp4的结构特征及作用机制

Sp4最早于1992年由Hagen等学者报道并克隆[1]。研究发现，哺乳动物的S￣p4 含有784个氨基酸[2]，在羧基末端含有由81个氨基酸组成的3个Cys2His2锌指结构，是蛋白中最保守的区域，Cys2His2的共同序列为C-X2-5-C-X3-(F/Y)-X5-ψ-X2-H-X3-5-H[3]。每个锌指的长度恒定，锌指1 和2 为23个氨基酸残基，锌指3 为21个氨基酸残基。锌指结构可以与目的基因启动子中的GC和GT 盒结合。锌指之间为H/C 连接，是由7个氨基酸组成的高度保守序列TGEKP(Y/F)连接[4]。

Sp4的羧基末端与锌指相邻处含有1个Btd盒(buttonhead box)，它含有11 个氨基酸残基，可能参与转录调控；其氨基末端有1个保守的Sp 盒，含有1个内源蛋白酶切割位点，可能与Sp因子的蛋白酶水解有关。Sp4 含有两个大的谷氨酸富集区(Q-rich region)，起转录活化作用。Sp4还有一个高电荷区，介导转录抑制作用。与谷氨酸富集区相邻的两个丝氨酸/苏氨酸富集区(S/T-rich region)可能是转录调控区的翻译后修饰位点(图1)[4]。Hagen等学者对缺乏内源性Sp因子的哺乳动物和昆虫进行共转染实验，发现Sp4和Sp1一样是一种激活蛋白，但它不能像Sp1一样与邻近的结合部位协同作用，但是Sp4介导的激活作用在Sp1非DNA结合突变体存在的情况下被显著增强，表明Sp1能直接与Sp4相互作用，另外，Sp4介导的转录激活能被Sp3所抑制，其作用可能是Sp3与S￣p4竞争性结合GC或GT 盒[5]。而Sp4参与转录调控的具体机制尚未被完全阐释。

2 Sp4的分布与表达

与广泛分布于各种组织与细胞的Sp1、Sp2、Sp3、Sp5和Sp6不同，Sp4主要分布于心脏、骨骼肌及神经系统，且在神经系统中的表达最多，尤其是发育期海马和小脑[6-7]。另外，Sp4还表达于光感受器和其它视网膜神经元中[8]。尸检研究显示，SP4蛋白在双相情感障碍病人的小脑和前额皮质[9]、有严重阴性症状的精神分裂症病人的小脑[10]以及首次发作精神病病人的淋巴细胞[11]中的表达都有减少，而SP4的蛋白及mRNA在慢性精神分裂症病人海马中的表达则显著增多[12]。

图1 Sp4因子的结构特征

3 Sp4的生物学功能

3.1 Sp4与正常神经功能

在体外培养的原代神经元中，Sp4调控细胞色素c氧化酶(cytochrome c ox-idase，COX)的所有13个亚基[13]。COX是细胞氧化代谢中位于电子传递链末端的酶，而神经细胞的能量主要通过氧化代谢获得。敲除Sp4基因抑制了神经活动的去极化刺激引起的COX信息、蛋白以及活动的上调，而Sp4的过度表达能纠正由河豚毒素封锁神经脉冲引起的COX信息、蛋白及活动的下调。另外，在原代神经元中，Sp4调控重要的谷氨酸受体N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid， NMDA)受体的Grin1、G-rin2a、和Grin2b基因表达[14]以及α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑基丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-pr-o-p-ionic acid ， AMPA)受体亚基GluA2基因的表达[15]。因此，Sp4既调节能量代谢的中介物(COX)，又调节突触传递的介体(NMDA受体亚基基因)，从而在转录水平将能量代谢和神经活动相连接。可见Sp4在维持正常神经元功能中起着重要作用。

破坏小鼠Sp4基因的研究结果提示Sp4对早期出生后的存活至关重要。大约2/3的Sp4-/-基因型的小鼠在出生后几天内死亡，而存活的小鼠体型明显小于其野生型同窝出生鼠。另外，存活的小鼠们表现出一种显著的性别特异性异常，即变异雌鼠的繁殖能力正常而虽然变异雄鼠的生殖器官发育完全但不能生殖，Sp4-/-基因型的雄鼠普遍不能交配。神经功能缺失最可能解释这种异常表现[6]。

3.2 Sp4与小脑发育

在神经系统中，Sp4mRNA高度表达于发育期的小脑，尤其是小脑颗粒神经元[16]。Ramos等[17]将小脑颗粒神经元作为实验模型以探究Sp4在分裂期后神经元中的作用，发现RNA干扰后的颗粒神经元缺失Sp4，导致持续促进神经元分支和减少树突修剪，从而影响了树突形态。他们认为去极化能导致初级和次级树突的大量减少，而敲除Sp4基因阻碍了去极化诱发的树突重塑。另外，野生型Sp4的表达足以维持在无去极化环境中树突的修剪。上述研究表明在小脑发育过程中，Sp4能限制神经元分支而促进活动依赖的树突修剪。其机制可能与神经营养因子-3(Neurotrophin-3，NT3)有关[18]，NT3参与抑制小脑颗粒神经元成熟过程中树突分支的增加，Sp4的过度表达降低NT3启动子活性，而敲除Sp4基因则增加NT3 启动子活性以及其mRNA的表达，Sp4可能作为NT3表达的抑制剂而直接发挥作用。另外，他们发现Sp4还激活NT3的同源受体TrkC的表达。NT3及TrkC在小脑成熟过程中都有表达，他们认为Sp4可能通过动态改变NT3/TrkC来参与调控小脑发育过程中正确的树突形态发生。

3.3 Sp4与海马发育

Zhou等[19]建立了Sp4亚效等位基因小鼠品系，其Sp4缺失能通过Cre重组酶的表达得以修复。在Sp4亚效等位基因小鼠的海马灰质中检测到空泡形成，并发现海马齿状回颗粒细胞中NT3的表达呈年龄依赖性减少。Sp4亚效等位基因小鼠表现出感觉门控和背景记忆的功能缺陷。而海马在感觉门控和背景记忆形成中起主导作用[20]。而利用Cre重组酶恢复Sp4的表达后，所有之前被观察到的分子、组织学以及行为学的异常都得以恢复。另有研究发现，在减少Sp4表达的转基因小鼠中海马CA1区的长时程效应减少以及出现空间记忆缺陷[21]。

在之后的研究中，Zhou等[22]在Sp4无效突变小鼠出生后的海马中发现，Sp4通过调控细胞增生和随后的树突生长，参与调控出生后小鼠海马齿状回颗粒细胞的发育，而在成年SP4无效突变小鼠中也观察到齿状回颗粒细胞密度降低，并伴有齿状回和分子层的宽度减少。鉴于NT3信号通路对成年小鼠海马齿状回的完整性有重要作用[23]，有理由认为Sp4可能参与调控NT3信号通路而作用于海马，影响其组织学及生物学功能。

3.4 Sp4与光感受器

Sp4还表达于光感受器和其它视网膜神经元中[8]。SP4能有效地激活光感受器特异性基因——视杆细胞磷酸二酯酶β亚单位(βPDE)基因和视蛋白基因(rod opsin)的转录，其表达产物视杆细胞磷酸二酯酶是光感受器细胞进行光转换级联反应过程中重要的酶，而视蛋白是眼部感知光线的第1站，它通过一系列反应将光信号放大并通过一系列信号传导途径将信息传至大脑。Sp4在此的转录激活作用可能受SP1和SP3的竞争性抑制。而另一个对光感受器的发育和维持有重要作用的转录因子Crx[24]能与Sp4协同作用，共同激活上述两个基因的转录。

4 Sp4在神经精神疾病中的作用

4.1 Sp4在精神分裂症与双相情感障碍中的作用

精神分裂症是一种复杂的精神障碍，主要特征是阳性症状(如幻觉和妄想)、阴性症状(如快感缺乏和社会退缩)和认知障碍(如执行功能、记忆和学习缺陷)。而双相情感障碍是一种以情感的异常高涨或低落为特征的精神障碍性疾病，在某些认知障碍(如执行功能、记忆力、注意力缺陷)及阴性症状(如快感缺乏和社会退缩)方面与精神分裂症有部分重叠。

已有研究表明海马是参与精神分裂症病理生理的最主要区域[25]，也有研究发现精神分裂症病人前额皮质和小脑的结构与功能的异常[26-27]。磁共振成像研究已发现双相情感障碍病人的脑区有结构异常，包括小脑和前额皮质的改变[28-29]。说明小脑和前额皮质的结构改变可能导致了这两种疾病的认知和阴性精神病症状。

人类Sp4基因的单核苷酸多态性变化已被证明与精神分裂症和双相情感障碍有关[30]，而Sp4基因中罕见的拷贝数变异和缺失也与精神分裂症有关[21,31]。尸检发现，Sp4蛋白在双相情感障碍病人的小脑和前额皮质[9]、有严重阴性症状的精神分裂症病人的小脑[10]以及首次发作精神病病人的淋巴细胞[11]中的表达都有减少，而Sp4的蛋白及mRNA在慢性精神分裂症病人海马中的表达则显著增多[12]。结合前文已述的Sp4的生物学功能——调控发育期小脑树突形态、出生后海马齿状回颗粒细胞的发育、出生后海马细胞的增生、海马长时程增强以及与神经精神疾病有关的一些动物行为，包括背景和空间记忆、感觉门控以及前脉冲抑制，作者认为Sp4可能通过改变上述神经发育和功能而参与精神分裂症和部分双相情感障碍的病理生理过程。

另外，在减少Sp4表达的转基因小鼠中发现NMDA受体NR1亚单位的蛋白水平显著下降[21]，而谷氨酸机能减退(glutamate hypofunction)被认为是引起精神分裂症病人症状出现的主要因素[14]，表明Sp4可能通过改变NMDA依赖的谷氨酸能信号通路而参与精神分裂症的发生。

4.2 Sp4在阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)中的作用

AD是一种神经退行性疾病，是老年性痴呆的主要疾病。主要表现为渐进性记忆障碍、认知功能障碍、人格改变及语言障碍等神经精神症状。AD的病因及发病机制尚未阐明，特征性病理改变为β淀粉样蛋白沉积形成的细胞外老年斑和tau蛋白过度磷酸化形成的神经细胞内神经原纤维缠结。尸检发现，Sp4的表达在AD病人脑中显著增多，而且在细胞水平上主要与异常磷酸化的tau蛋白共存[32]。Sp4 可以诱导神经元死亡，具体的相关机制目前尚不明确[3]。

5 展望

Sp4是Sp样转录因子家族中的一员，是与心脏、骨骼肌及神经系统等组织细胞的转录调控密切相关的锌指蛋白，其对神经系统的作用及影响已受到越来越多的关注。然而，为了有突破性的进展，我们需要进一步了解Sp4主要参与激活哪些基因并且以何种方式激活，它与其它转录因子相互关系是怎样的以及它们是否以一定顺序参与到基因表达的连级反应而控制特定的细胞进程，解决上述问题能帮助我们更好地阐明Sp4与神经系统的关系。

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