精神分裂症断裂基因1参与线粒体动力学调控的研究进展*

余裕龙，周珂如，李传洲△，陈 娟△

华中科技大学同济医学院 1生物化学与分子生物学系 2医学遗传学系，武汉 430030

神经细胞冲动的产生、突触的形成和神经信号的传递等都是大量耗能的过程，线粒体通过氧化磷酸化来产生细胞所需的大部分ATP，是细胞能量的主要来源。作为细胞供能的细胞器，线粒体还参与维持细胞内的钙离子稳态、调节细胞生长、细胞内信号传递和细胞凋亡等生理活动。作为一种具有高度动态性的细胞器，线粒体在细胞内不断地进行着转运、融合、分裂和自噬等过程，这些动态过程对于维持线粒体正常的形态、数量和细胞定位有着重要的意义[1]，也是线粒体发挥正常功能的前提。

神经细胞对于能量的高需求和特殊的功能使得它对于线粒体正常的功能有很强的依赖性。当线粒体动态紊乱时，线粒体失去了正常的形态以及亚细胞定位，细胞供能受损，钙离子稳态受到破坏，细胞信号传递受到影响，细胞凋亡程序启动等[2-4]，造成神经细胞的损伤甚至死亡，进而引起相关的精神疾病或者脑病[5]。

精神分裂症断裂基因1(disrupted in schizophrenia 1，DISC1)的异常与多种精神疾病的发生有关，是精神分裂症、双相情感障碍、抑郁症和自闭症的重要致病候选基因[6-8]，近年研究发现DISC1基因与阿尔茨海默病和帕金森病也有着紧密的联系[9-12]。线粒体功能异常已被证明在多种神经损伤中发挥着重要的作用，而DISC1蛋白可以与多种线粒体相关蛋白相互作用，提示着DISC1异常可能是通过影响线粒体的正常功能，从而引发相关精神疾病。研究表明，DISC1的表达量改变和构象变化，会对线粒体的转运、形态以及线粒体自噬产生不同程度的影响[13-16]。本文从以上几个方面对近年来DISC1参与线粒体动态调控的研究进行概述。

1 DISC1的结构与功能

1.1 DISC1的结构特点

DISC1基因位于人类1号染色体q42.1区域，在一个精神分裂症高发的苏格兰家族中，它经常和11号染色体q14.3区域发生易位，易位后无法表达正常的DISC1蛋白，而是表达DISC1-Boymaw融合蛋白，这种易位使得该家族成员精神疾病患病风险显著增加[16-17]。另外，DISC1多种错义突变例如R264Q、L607F和S704C等均会提高精神疾病的患病风险[18-20]。DISC1蛋白质全长854个氨基酸，其氮端(1～350aa)不具有保守性，包含有核定位序列和富含丝氨酸-甲基丙氨酸片段(S-F片段)，同时还拥有大量的无序片段，该无序片段富含特定的氨基酸残基，使得该片段没有折叠，缺乏相应的三级结构，有研究表明，在一些复杂相互作用中的“hub”蛋白中，这些无序片段有着重要的意义[21]。无序片段降低了DSIC1分子的疏水性并提高了其净电荷，使得DISC1的氮端结构得到延伸，这一特性使得DISC1有着更大的相互作用面积，有利于DISC1与其他蛋白相互作用[22]。其碳端(350～854aa)有4个coiled-coil螺旋区结构域，coiled-coil结构域的主要特点是它有7个残基的重复序列，其中第1位和第4位残基通常由非极性残基构成，可以提高结构的稳定性，其他的残基则通常为极性残基，可以为蛋白之间的相互作用提供反应界面，这些coiled-coil结构域是DISC1与多种蛋白相互作用的重要结构基础[19]。

1.2 DISC1的功能

DISC1基因在人体生长发育的各个阶段都有着相应的表达，GTEx(基因型-组织表达)数据库显示其在胎盘和脑中有着较高的表达丰度[23]。DISC1基因在海马齿状回和侧间隔高表达，在大脑皮层、杏仁核、室旁下丘脑、小脑、丘脑下核也有表达[24]。基因编码产物DISC1蛋白主要定位于线粒体[25]，其氮端的线粒体定位信号是其定位在线粒体上的结构基础[26]。但DISC1还可以定位于细胞核、线粒体、中心体以及细胞质中，表明其在细胞中的定位具有多样性。DISC1的功能是由DISC1蛋白特殊的结构所决定的，DISC1特殊的结构使其可以与多个信号通路的200多个蛋白有直接或间接的相互作用。这使得DISC1可以参与到多种细胞活动中，如：DISC1与糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)相互作用参与调控神经祖细胞的增殖[27]，DISC1与磷酸二酯酶4B(phosphodiesterase 4B，PDE4B)相互作用参与调控细胞中cAMP信号通路[28]，在细胞核内与转录激活因子4(ATF4)相互作用，调控相关基因的表达[29]等等。因此，DISC1对于很多神经发生发育过程如：神经元的产生、突触的形成、神经细胞的迁移、新生神经元的整合、突触结构的维持以及cAMP信号通路传递有着不可缺少的作用[30-37]。由于DICS1在线粒体的高丰度表达，且与线粒体Rho GTP酶(mitochondrial rho gTPase 1，Miro1)、动力蛋白1样蛋白(dynamin-1-like protein，Drp1)、丝裂菌素(mitofusin，MFN)、微管相关蛋白轻链3(microtubule associated proteins light chain 3，LC3)等线粒体相关蛋白有着相互作用，从而参与调控线粒体的运输、分裂、融合以及自噬等多种生理活动，因此DISC1异常是影响线粒体稳态和导致线粒体功能障碍的重要因素。

2 DISC1参与调控线粒体动力学

2.1 DISC1调控线粒体转运

线粒体在细胞内的合理分布是其发挥作用的重要前提，而线粒体转运是完成线粒体分布的必要途径，因而线粒体在细胞内的转运调节具有极其重要的意义。研究表明过表达DISC1会使神经轴突中线粒体的运动显著增加，而敲降细胞中的DISC1后线粒体的运动也随之减少[38]，说明DISC1参与线粒体转运过程的调控。线粒体在细胞中是通过线粒体外膜蛋白Miro1和转运驱动蛋白结合蛋白(trafficking kinesin proteins1/2，TRAK1/2)与运动蛋白Kinesin/Dynein相互作用，靠着运动蛋白的驱动在微管上进行移动的[39]。Miro1是锚定在线粒体外膜上并朝向细胞质的一种GTP酶，它与TRAK1和TRAK2均能结合，而TRAK1与Kinesin和Dynein均能结合，TRAK2仅能与Dynein结合，线粒体通过Miro1-TRAK1/2复合体来连接在动力蛋白Kinesin/Dynein上，并在后者的驱动下进行运动。免疫共沉淀实验结果揭示DISC1与TRAK1以及Miro1均有强烈的相互作用，表明DISC1是线粒体转运功能复合体的组成部分[38]。Norkett研究小组[14]也发现当Miro1或TRAK1的表达上调时，线粒体上的DISC1含量也随之提高，表明Miro1和TRAK1能募集DISC1转运至线粒体。DISC1与Miro1-TRAK2形成蛋白复合体，来调节神经树突中线粒体的转运。进一步研究表明，DISC1通过其氮端而非碳端来与Miro1-TRAK1/2相互作用，且Miro1和TRAK1/2两者都与DISC1的150-301位氨基酸片段相互作用，在体外条件下，人工合成的DISC1蛋白与TRAK1/2蛋白并不能发生直接相互作用，这表明DISC1可能是通过与Miro1的相互作用与TRAK1/2产生间接联系。另一方面DISC1基因与Boymaw基因易位后表达的融合蛋白DISC1-Boymaw蛋白[40]，由于丢失了与Miro1作用位点，其表达明显减少了线粒体的转运[14]。因此，DISC1可以通过与线粒体外膜的Miro1相互作用来稳定Miro1与TRAK1/2的连接，三者形成稳定复合物，从而使得线粒体更牢固地结合在动力蛋白上，来促进线粒体在神经细胞中的转运。

线粒体转运受负反馈调节的抑制。SNPH(syntaphilin)可以和微管相互作用从而发挥线粒体转运的刹车器功能[41-42]。当细胞内钙离子浓度提高时，Kinesin会从Miro1-TRAK复合体上解离下来并与SNPH结合，后者抑制Kinesin的ATP酶活性，使得Kinesin不能在微管上移动，从而阻滞了线粒体的转运[43]。研究表明，DISC1可以通过和SNPH的碳端(481～495aa)相互作用来与SNPH形成复合物，从而抑制SNPH的功能。失去这段相互作用序列的SNPH(Δ481～495aa)突变体对线粒体运动的阻滞作用也比野生型SNPH更加明显，而在DISC1敲降的神经元中，SNPH发挥的“刹车能力”比在野生型神经元中更加强烈。SNPH和Miro1之间也存在着相互作用，并且这种相互作用会被DISC1的过表达抑制[44]，因此，DISC1可以通过干扰SNPH与线粒体外膜蛋白Miro1之间的相互作用，从而抑制SNPH对于线粒体运动的阻碍作用，最终促进线粒体在细胞内的转运[44]。

上述研究结果表明，DISC1并不是通过直接作用于线粒体蛋白来调控线粒体的转运，而是发挥着“脚手架蛋白”的作用，在线粒体转运的过程中作为“分子平台”，通过与多种蛋白发生广泛的相互作用，给其它转运相关蛋白提供功能性平台，最终促进线粒体的转运。

2.2 DISC1调节线粒体分裂

细胞并不通过从头合成途径来实现线粒体的增殖，而是通过线粒体分裂来产生新的线粒体。在线粒体无法正常分裂的细胞中，线粒体会表现为一种相互交联的网状形态，并在细胞局部分布，使其它部位相对缺少线粒体，导致该部位因缺乏能量而无法完成正常生理活动[45]。Drp1是存在于细胞质中的一种GTP酶，它可以被线粒体外膜上的Fis1、Mff、MID49、MID51等受体募集到线粒体上，然后启动线粒体的分裂过程，是为线粒体分裂提供动力的最主要的蛋白质。研究发现，在敲降了DISC1的细胞中，Drp1的表达明显下调，线粒体无法正常地分裂，使其呈现出明显长于正常线粒体长度的形态，成为许多独立的环状或球状的高度融合的网状结构[15]。这项研究表明，DISC1可以通过维持Drp1的表达来促进线粒体分裂的过程。

2.3 DISC1调节线粒体融合

在线粒体受到损伤的情况下，异常的线粒体与正常的线粒体发生融合，在融合之后的新线粒体中，损伤因素得以稀释和纠正，之后新线粒体不对称分裂出一好一坏两个线粒体，分裂出的缺陷线粒体被降解，这种融合方式有利于细胞内线粒体的功能稳定和资源的最大化利用。研究发现过表达DISC1的氮端片段或DISC1-Boymaw融合蛋白，均能竞争性抑制正常DISC1的作用，降低细胞内线粒体的融合速率，使线粒体的长度明显缩短。MFNs是线粒体外膜上促进线粒体外膜融合的关键蛋白，免疫共沉淀实验表明DISC1与MFN1和MFN2均有强烈的相互作用，并直接影响线粒体的融合[14]。Mitofilin是锚定在线粒体内膜上并朝向膜间隙的蛋白质，它对线粒体融合有着重要的调节作用。在敲降了Mitofilin的细胞中，线粒体融合相关因子MFN1、MFN2的表达量均下降，并降低线粒体的融合[46]。DISC1被证实与Mitofilin有着明显的相互作用[47]，敲降DISC1会导致Mitofilin的泛素化降解[48]，使Mitofilin下调，进而引起MFN1、MFN2的减少。综上，DISC1可以通过与MFN、Mitofilin等线粒体融合因子相互作用，从而促进线粒体的融合。

2.4 DISC1调节线粒体自噬

细胞自噬是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后进一步与溶酶体融合形成自噬溶酶体，吞噬细胞内的底物并将其降解。在氧化自由基、营养缺乏和细胞衰老等因素刺激下，线粒体自噬可以让受损伤的线粒体通过自噬体和溶酶体降解，从而保证线粒体数量和功能的正常。用线粒体呼吸链解偶联剂CCCP处理正常细胞可以引起线粒体损伤，进而诱发线粒体自噬；而用CCCP处理敲降DISC1的细胞中线粒体自噬下调，表明DISC1是发生线粒体自噬的必要条件。微管相关蛋白LC3是自噬体膜上的标记蛋白，DISC1蛋白含有一种典型的LIR模体(LC3-interacting motif)[49]，通过该模体直接和LC3相互作用，DISC1发挥自噬受体的作用，DISC1与LC3的结合可以招募自噬体到损伤的线粒体处，使损伤的线粒体被自噬体吞噬，进而完成线粒体自噬[50-51]。过表达DISC1可以直接诱发线粒体自噬，而过表达LIR模体突变的DISC1则无法引起线粒体自噬[51]，这表明DISC1可以通过直接与LC3相互作用来促进线粒体自噬的发生，通过增加线粒体自噬来清除细胞中损伤的线粒体，维持细胞线粒体的质量。

3 总结与展望

神经细胞中的线粒体一直在不断地进行转运、融合、分裂、线粒体自噬等生理活动维持着细胞内正常的线粒体数量和形态功能。DISC1基因作为精神分裂症等精神疾病的重要易感基因，其编码蛋白DISC1能与多种蛋白发生相互作用，在细胞中发挥“脚手架蛋白”的作用，不仅参与多种生理活动，而且在线粒体的转运、融合、分裂以及线粒体自噬这些过程中都发挥关键的调节作用。

研究表明DISC1不仅促进线粒体的分裂而且还能促进线粒体的融合，这两种作用似乎存在矛盾，DISC1对线粒体这两种行为的调控是否存在交叉调控的机制？产生这种现象的原因又是什么？除了Drp1、MFN、Mitofilin以外，DISC1是否还存在其它的调节蛋白？这些问题都还不清楚。线粒体自噬是近年来多种神经退行性疾病研究的热点，DISC1对细胞自噬和线粒体自噬的作用机制是否一致还不清楚，除LC3外DISC1是否还和其它自噬相关蛋白有直接相互作用还有待研究。已有的绝大部分证据均揭示了DISC1对线粒体的各种活动如转运、分裂、融合、自噬均存在正向调控，那细胞内是否存在内源性的负调控DISC1功能的蛋白质或者相关机制还有待研究。DISC1功能性的抑制剂是否能逆转DISC1引起的线粒体异常也有潜在的研究价值。因此，研究DISC1对线粒体动态性的调控作用，对未来治疗DISC1和线粒体异常相关的精神类疾病，提供研究思路和药物靶点具有重要的指导意义。