p21活化激酶参与神经系统疾病的研究进展

邵 媛，梁 涛，徐祖才，张 骏

(遵义医学院附属医院神经内科，贵州 遵义 563000)

p21活化激酶(p21-activated kinase，PAKs)是Rho GTP酶的下游效应器，其参与细胞表面及细胞内各种信号级联过程，从而影响细胞运动、细胞周期、增殖、转化、氧化还原、代谢、炎症发生以及基因表达等生理过程[1]。PAKs包含6个成员，分为两组，组Ⅰ：PAK1～3；组Ⅱ：PAK4～6。组ⅠPAKs可通过GTP酶-结合域与细胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)和Ras相关的C3肉毒素底物(Ras-related C3 botulinum toxin substrate，RAC)1结合而直接被激活，产生激酶活性调节多种重要的细胞生理及病理过程。组ⅡPAKs既不与RAC1结合也不受CDC42刺激，而是进行自我磷酸化后产生活性，其激活需要自抑制伪底物的参与。PAKs在人体各组织中均有表达，虽然6种激酶在表达部位上存在差异，但在大脑中均有显著的共同表达[2]。基因、生物化学和行为证据表明，正常的学习和记忆功能需要有正常的PAKs和相关的信号通路的参与，而这些通路在阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、亨廷顿舞蹈症(Huntington disease，HD)以及其他伴随发育认知缺陷的综合征中被打乱，且这些激酶可以作为治疗干预的潜在目标[3]。现就PAKs在神经精神相关疾病中的研究进展进行综述。

1 PAKs与神经系统疾病

1.1PAKs与AD AD是最常见的神经系统退行性疾病，其特点是渐进性认知功能减退，病理上形成了由β淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)和神经原纤维缠绕成的神经纤维缠结(其主要成分是过度磷酸化的Tau蛋白)。AD患者认知能力减退与突触功能障碍直接相关，尤其是突触和树突棘的病理改变对其有明显影响[4]。PAKs通过调节LIM激酶(LIM domain kinase，LIMK)-cofilin(大脑发育调节蛋白)通路来调控肌动蛋白，从而影响突触功能，包括突触可塑性和记忆形成[5]。而RAC/CDC42激活的组ⅠPAKs是树突棘形态形成的关键调节剂，因此PAKs的异常可能是参与AD的发病机制之一。Rho相关蛋白激酶(Rho-associated protein kinase,ROCK)ROCK，是Rho下游重要的效应分子,可以诱导淀粉样前体蛋白转变为Aβ，折叠反应中介蛋白2是ROCK的一个效应器，实验发现在AD模型小鼠的大脑皮质中，围绕在淀粉样蛋白斑块周围神经细胞的磷酸化折叠反应中介蛋白2水平增加[6]。这些观察结果表明，异常的ROCK和下游的折叠反应中介蛋白2信号可能参与AD的发病机制，而Rho-ROCK/LIMK/cofilin信号通路的失调也可能在AD突触缺陷的发病机制中起作用。Rho家族与N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDARs)相互作用使钙离子发生流动，激活G蛋白偶联受体激酶相互作用蛋白1(G-protein-coupled receptor kinase interacting proteins 1，GIT1)和RAC，随后导致下游的PAKs激活从而诱导突触形成，在AD大鼠中的海马和大脑皮质中NMDARs的亚基NR2A和NR2B的mRNA水平均下降，并且用Aβ低聚物处理培养神经元中后，NMDARs水平降低并且显著阻断了RAC和磷酸化PAKs转位[7]。AD患者及AD动物模型大脑组织的进一步研究发现细胞质内PAK1和PAK3均出现丢失，而海马体中的丝状蛋白逐渐增多，伴随着弥散性磷酸化PAKs逐渐减少，同时出现颗粒状结构染色，这些病理变化的出现也伴随着树突棘内调节肌动蛋白的大脑发育调节蛋白减少[8]。此外在用Aβ纤维处理体外培养的神经元会出现PAKs的异常激活，从而激活LIMK，诱导丝切蛋白磷酸化，同时伴随着纤维状肌动蛋白和树突棘的迅速丢失[9]，在AD患者大脑中发生了AD典型病理改变的区域内含磷酸化LIMK的神经元数量也显著增多[10]。一项AD动物模型的研究也表明，PAKs失活会增加磷酸化Tau蛋白,同时导致神经损伤和额叶依赖性行为缺陷[11]。上述研究表明，PAKs在AD患者的神经异常和行为缺陷中起关键作用，异常的PAKs可能参与AD的发病，而PAKs/LIMK/cofilin通路、Rho-ROCK/LIMK/cofilin通路以及NMDARs信号的失调可能是导致AD发生病理变化的机制。

1.2PAKs与HD HD是一种常染色体显性遗传的进行性神经退行性疾病，主要累及基底神经节，临床上表现为明显的运动、认知和行为缺陷。HD是由于编码亨廷顿蛋白(Huntingtin，HTT)的基因中一个扩增的CAG三核苷酸重复序列编码多聚谷氨酰胺导致突变型HTT蛋白产生，HD患者编码的多聚谷氨酰胺均≥36个[12]。HD和AD患者有许多相同的临床表现，HD的特点是运动障碍，但其认知缺陷通常没有AD严重。

正常的HTT蛋白可能参与神经系统发育、细胞内吞和分泌以及抑制细胞凋亡等过程，突变后的HTT蛋白会产生细胞毒性[13]，但目前其引起细胞毒性的具体机制尚不清楚。有研究显示，PAK1可以修改突变HTT蛋白毒性，并且通过促进可溶性突变型HTT进行自身相互作用，从而增强HD细胞模型的毒性，表明PAK1可能在HD发病机制中起重要作用[14]。在HD患者大脑和HD细胞模型中PAK1与突变型HTT产生局部聚集，且PAK1过度表达能增强突变型HTT聚合，同时使其毒性增加，而敲除PAK1后突变型HTT的聚集和毒性均受到抑制，若PAK1与突变型HTT不发生结合时，HTT的毒性则不会产生增强效应。这表明PAK1在增强HTT的交互作用中扮演重要角色，它与扩展的多聚谷氨酰胺通道的“黏性”效果相结合，增强了突变型HTT聚合的毒性[14]。此外，PAK-相互作用交换因子(PAK-interacting exchange factor，PIX)也被认为是一种新型的HTT交互蛋白，PIX能与PAKs及GIT1结合形成GIT1-PIX-PAKs复合物，从而参与调控肌动蛋白-细胞骨架重组动力学[2]。PIX与HTT的N-终端区域结合，并在突变型HTT聚集的细胞中与突变HTT结合，同时增强突变型HTT的聚合，相反，PIX敲除会减少突变型HTT的聚合[15]。这些发现表明，在HD中突变型HTT的聚合及其所产生的细胞毒性均离不开PIX和PAKs的参与。研究还发现，在HD患者中HTT蛋白与Rho GTP酶信号通路中的成员(包括PAK2和 RAC1等)相互作用，从而调控丝状蛋白的动力学[16]。上述研究均提示PAKs与HD的发病机制相关，而且PAKs及PIX可能作为之后研究HD患者治疗的潜在目标之一。

1.3PAKs与智力障碍相关性疾病 智力迟钝的特点是认知功能障碍，智力迟钝常出现在成人之前，其中25%～35%的人有X染色体突变的遗传背景，即X染色体连锁智力缺陷(X-linked mental retardation，XLMR)。XLMR在临床上可分为综合征型及非综合征型(non-syndromic XLMR，MRX)，其中最常见的综合征形式即脆性X综合征(fragile X syndrome，FXS)，FXS突出的临床表现及特点是进行性加重的自闭症表现及智力障碍，它是由于单个基因即脆性X智力缺陷1基因突变所致，FXS也是X染色体相关的智力缺陷最常见的病因[17]。

对人类MRX患者PAK3基因突变的检测显示PAK3基因突变会导致智力障碍,且PAK3基因敲除小鼠在联想学习测验中表现出学习能力丧失的特点，这均提示PAK3基因突变会导致MRX,并使受累患者的认知能力降低[18]。已有相关个案介绍了PAK3相关的智力障碍患者有智力残疾，严重的自残行为和癫痫等表现，同时报道还称低剂量的多巴胺和5-羟色胺治疗后能明显改善了其自残行为[19]。在与MRX相关的基因缺陷中存在一种名为oligin-1(Ophn1)的基因，Ophn1能编码一种Rho GTP酶活化蛋白(Rho GAP)，Rho GAP能加速Rho GTP酶水解，使其从活性状态变为从无活性状态，Ophn1发生突变能使Rho GAP酶失活，导致Rho GTP酶发生激活而影响细胞迁移和轴突生长，从而导致X染色体相关的智力缺陷中认知障碍等相关神经系统症状[20]。缺乏Ophn1的小鼠齿状回新生神经元的数量减少，轴突生长也受限，并且表现出明显的ROCK/PAKs激活，研究发现，用ROCK/PAKs抑制剂处理后的Ophn1敲除鼠神经元缺陷明显改善，并且神经元的存活时间延长[21]。PAK3作为Rho GTP酶关键的下游效应器，其基因编码的蛋白激酶通过Rho GTP通路将胞外信号连接到细胞骨架上,进而影响树突及树突棘形成中的重要生物学功能,因此PAK3参与MRX的发病机制可能通过影响Rho相关通路来实现。研究发现，在FXS(脆性X智力缺陷1敲除)模型小鼠突触中RAC/PAKs信号的生理激活减少，使用PAKs抑制剂可以逆转脆性X智力缺陷1敲除小鼠的树突棘表型，减少突触形态学及可塑性的异常，同时能改善FXS表现型(包括多动、重复行为和癫痫以及类似的树突棘密度异常等)[22-23]。上述研究结果均提示，PAKs异常激活可能直接参与MRX及FXS的发病机制，同时提示PAKs抑制剂可能是改善该病相关神经缺陷症状的研究方向。

1.4PAKs与精神障碍 精神分裂症断裂基因1是多种精神疾病的潜在易患基因，研究发现[24]在培养的神经元中精神分裂症断裂基因1敲除可以导致突触退化(包括树突棘的缺损和萎缩)，影响神经元的可塑性，而应用PAKs抑制剂不仅能显著改善精神分裂症断裂基因1敲除引起的树突棘损伤，还能在一定程度上逆转受损的突触大小。同时在精神分裂症断裂基因1敲除小鼠模型中，PAKs抑制剂可以减少小鼠前额皮质内突触的丢失，并改善小鼠成年后的前脉冲抑制缺陷[24]。一项关于合并精神障碍的AD研究发现，在该动物模型中，敲除PAKs的上游蛋白kalirin可以导致大脑皮质树突棘密度的降低，减少kalirin能够改善精神行为[25]。这均说明研究PAKs及其抑制剂可能在精神分裂症和相关神经精神疾病的治疗中有一定的应用前景。GIT1能与PAKs以及PIX结合形成复合物参与调控肌动蛋白-细胞骨架重组动力学[2]。注意缺陷多动障碍是一种影响5%学龄儿童的精神疾病，其特点是注意力不集中，过度活跃和易冲动。研究发现，GIT1敲除(GIT1-/-)小鼠具有类似于注意缺陷多动障碍患者的症状和病理变化，并在其大脑中检测到PIX、Rac1和PAK3活动明显减少[26]，由于PAK3能调节γ氨基丁酸在神经细胞间的迁移和生长发育，因此PAK3活动减少可能抑制细胞分化或突触前发育，从而减少海马CA1椎体神经元的抑制性突触前输入。关于GIT1-PIX-RAC-PAKs通路失调参与注意缺陷多动障碍的发病机制还需进一步探讨及研究。

压力可以导致突触可塑性改变，包括突触的结构和功能异常，这种改变可能是导致抑郁症的原因[27]。一项检测抑郁症受试者尸检大脑内PAK1和PAK3 mRNA水平变化的研究发现，在抑郁症患者的前额皮质中PAK1表达受到抑制，同时在抑郁症患者的海马体中PAK3 mRNA水平也明显下降[28]。在抑郁症患者的大脑中观察到PAK1和PAK3失调表明，PAKs信号的中断也可能对人类抑郁症的病理产生影响。由于PAKs参与神经发育的各个阶段，此研究还提出抑郁症患者海马及前额皮质的体积减小可能是因为PAKs参与的信号途径失调所致。

2 PAKs与其他神经系统相关疾病

PAKs调节的细胞骨架、细胞形态和生存以及突触可塑性的功能在唐氏综合征患者的神经元中均受损，在唐氏综合征的体外神经模型(16-三体胎鼠细胞，即CTb细胞)中，过度表达的唐氏综合征黏附分子会解除对PAKs活动的控制并影响调节突触可塑性的信号通路，PAK1及其下游效应器LIMK和丝切蛋白活化时间会延长，导致肌动蛋白基底纤维状肌动蛋白/球状肌动蛋白比率增加(即肌动蛋白聚合增多)从而减少神经生长，上述研究结果表明，唐氏综合征黏附分子基因过表达会引起PAKs通路失调，从而导致三体细胞系神经元可塑性的改变[29]，PAK1的异常激活可能是唐氏综合征发病机制之一。

目前认为富亮氨酸重复激酶2基因突变在帕金森病中起作用，而PAK6已被证实是富亮氨酸重复激酶2的结合伙伴，因此PAKs可能也参与帕金森病等神经变性疾病的病理过程[30]。由于PAKs参与对细胞周期及增殖的调控，研究还发现其参与某些神经系统肿瘤的发病机制，如恶性周围神经鞘瘤的生长和转移[31]，以及可作为神经纤维瘤2型-缺陷脑膜瘤的治疗靶点[32]。

3 小 结

来自遗传、生物化学和动物数据的证据表明，正常的学习和记忆需要有功能的PAKs活动及相关通路，而其正常的活动及通路在上述神经系统疾病中被打乱。基于这些疾病中PAKs的异常激活，对于存在突触功能缺陷的神经系统疾病的治疗来说，PAKs抑制剂可能是一种有效的治疗方法。已有动物研究发现，抑制PAK1、PAK3能够改善脊髓小脑共济失调的临床表现及病理改变[33]。一项关于冲绳蜂胶的药理研究表明，冲绳蜂胶可能通过抑制PAKs的活性而改善AD等神经退行性疾病的病理变化[34]。目前已在实验研究中证明能改善AD神经缺陷症状的PAKs抑制剂，包括姜黄素、SSH(名为Slingshot的丝切蛋白磷酸酶)、SRC家族的激酶抑制剂(如PP1和PP2)、PAK1/LIM激酶抑制剂、PAK1阻断剂IPA-3和PAK1抑制剂PF-3758309，后两者已经被证明在AD大鼠的模型中可以改善大鼠的空间记忆障碍[35]。在FXS模型小鼠的研究过程中发现PAKs抑制剂FRAX486在成人FXS中有快速诊断治疗的潜力[23]。但是，由于PAKs信号在突触可塑性、学习和记忆方面起重要作用，PAKs抑制剂成为脑部疾病的直接药物靶点可能存在一定的局限性。

PAKs在神经系统中广泛存在，并参与细胞骨架、细胞增殖及突触形成等重要的生理过程，因此在病理状态下PAKs很有可能参与AD、HD、FXS等神经系统疾病的发生及发展过程。尽管现在大多数的神经系统疾病相关疾病的发病机制尚未明确，但PAKs作为改善症状的潜在治疗靶点是有价值的。