细胞分裂周期蛋白42在神经系统疾病中机制的研究进展

胡 颖，梁 涛，张 骏

(遵义医学院附属医院神经内科，贵州 遵义563000)

细胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)是Rho家族的小GTP酶，Rho家族的GTP酶属于低分子量的RAS超家族鸟嘌呤核苷酸结合蛋白。Rho家族的小GTP酶在转录激活、肌动蛋白细胞骨架的重组和细胞形态过程中发挥重要作用[1]。CDC42分子量为25 000，其基因定位于1p36.1[2]，Farhan和Hsu[3]发现CDC42表达于不同的亚细胞膜区室中，包括细胞膜、高尔基复合体和内质网,绝大多数研究集中于CDC42在细胞膜上的作用。其中细胞膜上的CDC42在细胞极性和肌动蛋白细胞骨架的调节中发挥关键作用，CDC42活性受损会引起细胞的黏附、迁移减少，导致细胞形态异常和细胞凋亡[4]。CDC42在调节神经元中的突触小泡运输和肌动蛋白动力学中起关键作用[5]，CDC42使细胞骨架-肌动蛋白解聚，诱导伪装丝足的快速形成，减少树突棘的密度和体积[6]，树突棘的调节是突触功能和可塑性的关键组成部分，而树突棘失调与几种精神病和神经系统疾病有关[7]，所以CDC42可能在一些常见的神经系统疾病的发病机制中起作用。近年来，针对CDC4的研究逐渐增多，CDC42的活性改变可能参与了某些神经系统疾病发病，现对CDC42在精神分裂症、阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、癫痫、脑卒中等常见神经系统疾病中的表达变化及CDC42在这些神经系统疾病中作为潜在治疗靶点的可能性进行综述。

1 CDC42概述

CDC42是一种小GTP酶，小GTP酶参与大多数神经细胞的发育过程，包括神经发生、迁移、轴突生长和突触可塑性[8]。小GTP酶通常作为分子开关，在活性(与GTP结合)和非活性(与GDP结合)状态之间循环，从而将上游信号传递到下游效应器[3]。在此循环过程中需要以下3种必不可少的调节因子:①鸟嘌呤核苷酸交换因子，催化GTP向GDP进行转换，使GTP酶与GTP结合后分子结构发生构象改变，随后与下游底物进行信号转导。②GTP酶活化蛋白(GTPase activating proteins,GAPs)，促进GTP酶分子内部的GTP水解，使GTP酶失活而关闭信号转导。③GDP解离抑制因子(guanine nucleotide dissociation inhibitors,GDIs)，抑制GDP从GTP酶上解离[9]。多种鸟嘌呤核苷酸交换因子和GAPs的存在是为了确保信号通路的特异性和微调调节的精确性[10]。Rho GTP酶及其相关分子控制着神经元的迁移、神经突的伸长和分支以及突触形成等发育过程[1]，它们参与了几乎所有细胞调节的过程，因此在细胞内信号转导途径中扮演重要角色[3]。Rho家族GTP酶含有一个分子量低于200的氨基酸残基的Dbl同源结构域和相邻的C端，以及120氨基酸残基的pleckstrin同源结构域。Rho GTP酶的Dbl同源结构域促进与GEFs的反应以及之后的GTP向GDP转换的过程，然而pleckstrin同源结构域通过结合磷酸肌醇将Rho GTP酶定位在细胞膜上[11]。作为小GTP酶，CDC42在其无活性状态下与GDP结合，并通过与GDI结合在胞质中保持可溶状态，CDC42在与GEF相互作用时被激活，在与GTP结合的活性状态中，CDC42与效应器结合以促进其生物学功能[3]。

2 CDC42与精神分裂症

精神分裂症是一组病因未明的精神疾病，多发生于青壮年，临床表现为感知、思维、情感、行为等多方面的障碍以及精神活动的不协调。Ramos-Miguel等[12]发现选择性地减少额叶和颞叶的棘密度与精神分裂症相关。尽管在大脑发育期间建立了大量的突触连接，但在青春期和成年期，树突棘的数量和形态仍持续变化，树突棘形态的动态变化与复杂的信号级联网络对激动蛋白细胞骨架的快速重组相关，其中一些信号转导途径与精神分裂症有潜在相关性。有研究认为精神分裂症患者的某些认知缺陷似乎是源于背外侧前额叶皮质出生后发育的改变[13]，背外侧前额叶皮质的第3层锥体细胞树突棘的密度变化和对某些认知功能有重要的作用,并且在精神分裂症中减少。Datta等[14]实验表明，精神分裂症患者背外侧前额叶皮质灰质中CDC42的转录水平较低，与第3层棘密度呈正相关。Ide和Lewis[15]研究表明,CDC42信号通路中至少有3种不同的分子干扰模式,可能会造成精神分裂症的第3层锥体细胞棘缺损。Rho-GDP解离抑制因子α是一种GDI，在第3层锥体细胞中的表达水平较高，表明CDC42可能在精神分裂症中处于非活动GDP结合状态。在较低水平的CDC42表达情况下，预测CDC42-CDC42效应蛋白和CDC42-p21活化激酶-LIM激酶信号通路调节肌动蛋白的能力会在精神分裂症中的第3层锥体神经元受损，精神分裂症第3层锥体神经元树突棘异常的突出与调节层特异性表达的分子的信号有关，如CDC42效应蛋白信使RNA优先在人类背外侧前额叶皮质的第3层表达[16]，CDC42的活化抑制CDC42效应蛋白的表达，CDC42的瞬时活化通常发生于谷氨酸刺激后的单个棘中，它的瞬时活化破坏了由CDC42效应蛋白介导的septin屏障的组装，还使F-actin介导的棘生长和突触增强所必需的第二信使和细胞骨架蛋白进入突触后分子的棘头部。ARHGDIA的表达增强联合CDC42、CDC42效应蛋白表达减少起放大作用，损害谷氨酸刺激后septin屏障的开放，从而抑制棘生长和维持所需的分子流进入棘头部，最终导致棘丢失。活化的CDC42通过CDC42-p21活化激酶-LIM激酶信号级联反应抑制肌动蛋白解聚的cofilin家族，cofilin家族蛋白调节棘结构稳定性所需的F-actin的组装和分解。上述放大作用进一步降低了CDC42-p21活化激酶-LIM激酶信号通路的活性，促进棘丢失[14]。这些机制可能为精神分裂症提供新的治疗靶点。

3 CDC42与AD

AD是常见的进行性神经系统退行性疾病，以渐进性的认知和记忆的障碍和情志的异常改变为主要临床症状。AD的主要病理改变是由β淀粉样蛋白(β-amyloid protein,Aβ)沉积形成的老年斑和由磷酸化的tau蛋白组成的神经元纤维缠结[17]。Rho GTP酶活性的失调可能与Aβ的生成相关，从而导致肌动蛋白聚合的缺失、树突棘的缺失，而这可能参与了AD的发病机制[11]。Seidman和Mirsky[18]研究发现，额叶皮质功能障碍是导致与年龄相关的行为和认知缺陷的基本病理过程，该功能障碍让老年人易患神经退行性疾病，其中CDC42是在额叶皮质功能下调过程中最重要的基因。Aguilar等[19]认为CDC42参与AD的发病机制。在转基因小鼠中，核糖核酸酶P RNA组分H1与miR-326-3p/miR-330-5p结合导致CDC42的表达上调，在核糖核酸酶P RNA组分H1上MRE突变后，该作用被破坏。核糖核酸酶P RNA组分H1可能通过与miR-330-5p竞争上调CDC42表达并促进海马神经元树突棘形成，这可能是AD发病机制早期的代偿机制[20]。Pelleieux等[21]发现CDC42的门控酶可促进大脑中tau磷酸化的产生。在AD患者中，认知障碍的主要原因可能是神经突起萎缩和神经突触丢失，这是由毒性Aβ(主要是Aβ寡聚体)引起的。CDC42可能通过影响cofilin活性进一步调节Aβ对肌动蛋白细胞骨架动力学的影响，在AD动物模型中，丹皮酚磺酸钠可以减弱D-gal和AICI3诱导的RAC1/CDC42的上调，阻止毒性Aβ的形成，导致cofilin1的再分配及p-cofilin1/cofilin1比例的降低，进而引起棒状形成减少、突触和树突丢失，最终改善行为缺陷。丹皮酚广泛应用于中药，为AD的治疗方案提供了新的思路[22]。

4 CDC42与癫痫

癫痫由不同病因引起脑部神经元高度同步化异常放电导致，但其发病机制仍不完全清楚，目前发病机制有离子通道学说、异常网络学说等，证据表明，中枢神经系统中突触的功能障碍和重组以及病理性兴奋环形成与癫痫有关[6]。CDC42在颞叶癫痫患者的脑组织和癫痫脑组织中表达增加，而且在癫痫大鼠的海马区域表达也明显增加，在毛果芸香碱诱导的癫痫模型中，用CDC42的特异性抑制剂ML141预处理可降低癫痫发作的严重程度。对毛果芸香碱诱导的癫痫模型海马切片中CA1区锥体神经元进行全细胞膜片钳记录，发现ML141显著抑制动作电位的频率，增加微抑制性突触后电流的幅度和频率，并增加诱发抑制性突触后电流的幅度。然而，ML141对微兴奋性突触后电流没有影响[23]。提示CDC42与癫痫发生机制有关。Gorter等[24]认为微RNA的表达及其对信号通路的调控作用对研究癫痫治疗的可能靶点有重要作用。有研究表明，miR-132在大鼠颞叶内侧癫痫的发生过程中持续升高[25]，p250GAP是miR-132的靶点，p250GAP是一种GAP，可以通过抑制下游Rho GTP酶的活性与多种突触蛋白相互作用，包括RhoA、RAC1和CDC42[26-27]。所以CDC42可能与癫痫的发生机制也有关。Wayman等[27]在无镁培养基诱发的海马神经元癫痫模型中，发现沉默miR-132蛋白的表达可减少慢性复发性癫痫的发作。p250GAP使中枢神经系统中RAC1和CDC42活性增高，抑制miR-132或p250GAP对RAC1的活性没有影响，抑制miR-132后，p250GAP表达上调，CDC42的活性受到抑制，抑制p250GAP后，CDC42的活性增强，因此miR-132可能通过调节p250GAP的表达、下游CDC42的活化及树突棘的形态和功能来发挥作用。这可能为新型抗癫痫药物的研发提供了新的靶点，可能对抗癫痫药物治疗耐受性差的患者来说多了一种更好的选择[6]。

5 CDC42与脑卒中

脑卒中指由于大脑血供中断超过24 h引起的局灶性或全脑的功能紊乱[28]，脑卒中是全球第二大死亡原因，也是致残的主要原因[29]，故有必要研究脑卒中相关的发病机制和药物靶点。Wei等[30]发现大鼠在长期适度运动后，脑组织中的CDC42、RAS相关蛋白1b、11型非受体蛋白酪氨酸磷酸化酶、Rho-GDP解离抑制因子α和酪氨酸3-加单氧酶/色氨酸5-加单氧酶激活蛋白ε多肽5种参与神经营养因子信号通路蛋白的表达增加，可能在增加心血管健康、增强免疫能力、降低神经系统疾病风险、预防肥胖、癌症、脑卒中、糖尿病等方面发挥作用。侯氏黑散是一种经典的中药，该中药可以通过Netrin-1/RAC1/CDC42信号通路促进脑缺血后轴突和神经再生的修复[31]。Mo等[32]发现急性缺血性卒中患者的外周淋巴细胞中CDC42表达降低。所以CDC42可能与脑卒中发病机制有关。近年来，有研究表明，脑卒中和其他缺血性损伤是慢性进展性炎症的表现，在缺血性卒中发作后，一种继发性细胞死亡机制介导了更严重的神经损害，这是由于内源性神经炎症过程上调使局部缺氧组织受到损伤，诱导细胞凋亡，与此同时还启动了一个炎症级联反应的反馈环路，进一步扩大了损伤的区域[33]。脑卒中引起的兴奋性毒性和氧化应激进一步激活神经炎症，神经炎症在卒中后长期脑损伤中起关键作用。LJ529是A3腺苷受体的激动剂，Choi等[34]发现在大鼠的大脑中动脉阻塞模型中，LJ529可能通过活化A3腺苷受体，抑制小胶质细胞中RAC、CDC42、Rho等Rho GTP酶的活性和极化表达，可能抑制肌动蛋白极性和细胞骨架的变化，从而抑制MCP-1诱导的炎性细胞的趋化和迁移来减轻缺血性脑损伤。

6 CDC42与其他神经系统疾病

激活转录因子4(activating transcription factor 4,ATF4)是学习和记忆的关键调节因子。特异性海马ATF4下调可导致突触可塑性改变、记忆缺陷以及谷氨酸能功能降低。同时，GABAB受体是抑制神经递质GABA的代谢型受体，在控制神经元放电过程中起关键作用。GABAB受体转运或功能的缺陷与各种神经和精神疾病有关，其中包括癫痫、焦虑、抑郁、精神分裂症、成瘾和疼痛[35]。已有研究表明，ATF4通过调节RhoGDIα的表达来影响Rho GTP酶蛋白水平，从而调节细胞记忆、运动等功能[36]。GABAB受体的运输过程受ATF4的影响，在海马神经元中，ATF4下调后可以通过介导CDC42的缺失进一步降低膜结合的GABAB受体水平，最终增加内在兴奋性[35]。EF-hand域家族D2蛋白是一种在神经元细胞中表达丰富的保守的钙结合蛋白，研究发现EF-hand域家族D2蛋白的表达在AD、帕金森病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症和精神分裂症中都有变化，EF-hand域家族D2蛋白可能通过调节RAC1，Cdc42和RhoA的活性来调节细胞迁移等[37]。在Habib等[38]研究发现，CDC42在许多退行性疾病，例如AD、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和额颞痴呆中均有下调表现。

在自闭症谱系障碍中，肿瘤坏死因子α是研究较多的与自闭症谱系障碍相关的生物标志物，肿瘤坏死因子α水平升高导致胱天蛋白酶3水平升高，引起神经元细胞凋亡，导致神经元缺乏，这是自闭症的发病机制之一，此外，肿瘤坏死因子α还可以通过激活CDC42和GOPC(golgi associated PDZ and coiled-coil motif containing)进一步调节GRID2的表达，这个信号转导通路可能也参与了自闭症谱系障碍的发病机制[39]。

TDP-43(43-kDa TAR DNA-binding protein)是肌萎缩侧索硬化症的泛素化包涵体和额颞叶变性的泛素化阳性包涵体的主要成分，TDP-43的功能失活参与了神经变性疾病的发病机制，在分化的Neuro-2a细胞中的敲低TDP-43可以抑制神经突起生长并诱导细胞死亡，在这些敲低细胞中，Rho家族成员RhoA、RAC1和CDC42 GTP酶被灭活，并且这些分子的膜定位减少，说明CDC42可能也参与了肌萎缩侧索硬化症及额颞叶变性的发病机制[40]。

7 结 语

CDC42在神经系统中广泛存在，同时参与了细胞生长、增殖、迁移、细胞骨架及突触形成、凋亡等重要的生理过程，因此在病理状态下CDC42很有可能参与了精神分裂症、AD、癫痫、脑卒中及其他神经系统疾病的发生及发展过程，CDC42可能与精神分裂症患者背外侧额叶皮质的锥体细胞棘缺失相关；在AD中，CDC42在额叶皮质功能下调中起着重要作用；同时，癫痫及脑卒中的发病机制也与CDC42的活性改变有关。通过CDC42在这些疾病中的异常表达以及信号通路的改变，可以认为在其他神经系统疾病中CDC42的研究也很有意义。尽管现在大多数的神经系统疾病的发病机制尚未明确，但CDC42作为改善症状的潜在治疗靶点有一定的价值。