Dyrk1A基因的结构、功能与神经退行性疾病的研究进展

杨新玲, 雍雨暄

(1新疆医科大学, 乌鲁木齐 830017; 2新疆医科大学第二附属医院神经内科, 乌鲁木齐 830063)

1 Dyrk1A基因编码、结构和表达谱

双特异性酪氨酸磷酸化调节激酶(Dual specificity tyrosine-regulated kinase,Dyrk)与细胞周期依赖性蛋白激酶家族(CDKs)、丝裂原活化蛋白激酶家族(MAPKs)、糖原合酶激酶家族(GSKs)和CDK相关蛋白激酶家族(CLKs)属于CMGC组蛋白激酶[1]。按其功能分为Dyrk1A、Dyrk1B、Dyrk2、Dyrk3、Dyrk4等5种亚型。在白细胞中表达,并广泛分布于脑、肾、心脏等组织器官,其中Dyrk1A 在纹状体表达丰富[2]。双特异性酪氨酸磷酸化调节激酶1A (Dual-specifically tyrosine phosphorylation regulated kinase 1A, Dyrk1A) 位于21号染色体(21q22.13), 该区域被称为唐氏综合征临界区 (Down syndrome critical zone, DSCR), 由N端信号区、C端PolySer-PolyHisSer/Thr-rich重复序列、PEST蛋白降解区组成,编码763个氨基酸,在中脑黑质、纹状体中表达丰富[3]。有研究发现,Dyrk1A参与α-突触核蛋白(α-synuclein,α-syn)残基磷酸化修饰作用,通过对Ser129、Ser87、Thr或Tyr等位点的磷酸化修饰参与中脑多巴胺能(Dopamine,DA)神经元的发育及其功能的维持,在帕金森病(Parkinson's Disease,PD)的发生发展中起着重要的作用[4]。Dyrk的5种亚型中,Dyrk1A型在唐氏综合征(Down syndrome)、阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、路易体痴呆(Dementia with Lewy bodies,DLB)及PD等疾病中起重要作用,可介导α-syn多个氨基酸位点的磷酸化修饰。同时,Dyrk1A基因SNPs分布呈种群差异,可能影响不同种群的PD罹患风险。在已报道的8个SNPs中,rs8126696-T/T与欧洲早发型PD密切相关,携带者易发展为帕金森病痴呆或路易体型痴呆[5-6]。目前,国内外关于Dyrk1A基因变异介导的α-syn磷酸化修饰在疾病发展过程中的分子机制研究、其它潜在变异与中国散发性PD发生、发展的关系方面的研究尚不完善。

根据其RNA表达谱,Dyrk1A参与啮齿动物生长发育全过程,尤其在中枢神经系统(Central nervous system, CNS)区域表达较强。小鼠的胚胎发育过程中能检测到Dyrk1A基因表达,即Dyrk1A基因参与神经系统增殖区的生长发育[7]。同时,Dyrk1A基因在中枢神经系统中的表达也呈动态的时空表达模式,即该基因在循环神经源性祖细胞和分化的神经元中表达丰度呈现出时空动态变化过程。有研究表明,Dyrk1A在小鼠发育中的大脑神经元祖细胞和分化的神经元中的定位主要集中于细胞质[8],且其表达在出生前、出生后达到高峰,但在成年前一直保持在较低水平。在成年小鼠的中枢神经系统中均能检测到Dyrk1A且不同位置呈现出不同的表达水平[9]。在小鼠中枢神经系统中,Dyrk1A主要分布于细胞核和细胞质[10]。在人体大脑中,Dyrk1A在各类神经元细胞质和细胞核、星形胶质细胞、室管膜细胞和内皮细胞中广泛存在。表明在不同细胞类型和不同脑区中,该激酶发挥着不同的生理功能和作用。

2 Dyrk1A 参与细胞信号通路

Dyrk1A与骨架蛋白HAN11相互作用调节糖原合成酶[11]。在神经末梢的生长锥中,Dyrk1A通过磷酸化Sprouty2直接作用于受体酪氨酸激酶,并发挥作用[1]。Dyrk1A通过调控Spred1和Spred2的相互作用,减少对其激酶结构域的接触,从而抑制Dyrk1A磷酸化作用。研究发现,在小鼠正常的生物钟中,隐花色素基因2(Cryptochrome2,CRY2)是糖原合成酶激酶3(GSK3)介导的磷酸化的启动步骤,而Dyrk1A通过磷酸化CRY2中的Ser553位点,促进CRY2的蛋白质降解,改变小鼠的生物钟过程[12]。

研究表明,Dyrk1A位于内吞网中,Dyrk1A磷酸化突触伸蛋白1(Synaptojanin1,SYNJ1)并修改其与端突黏蛋白及相互作用蛋白的结合[13]。在果蝇中,SYNJ1的磷酸化主要依赖于运动神经元的内吞相互作用和SYNJ1在Ser1029位点的磷酸化,以反馈促进运动神经元调节突触囊泡[14]。一方面,在神经母细胞SY5Y中Dyrk1A存在Ser293位点的磷酸化。另一方面,Dyrk1A通过谷氨酸N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA)的NR2A亚单位(GluN2A)中Ser1048位点的磷酸化调节神经发育和突触可塑性。作为Dyrk1A另一个靶点的α-突触核蛋白Ser87 (Ser87-α-synuclein)也参与突触前信号传导和膜转运的控制[15]。

3 Dyrk1A参与神经元发育和细胞周期

有研究表明,Dyrk1A和运动神经元一样,通过控制细胞周期调节蛋白的表达,可抑制神经祖细胞的细胞周期进程[16]。在SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞中,Dyrk1A的过度表达诱导细胞周期的完成和神经元的分化,这与促进蛋白质降解和细胞周期蛋白-D1的磷酸化增加有关[17]。在鸡脊髓中,Dyrk1A的过表达可诱导细胞周期的消退,并在转录水平上上调p27 kip1的表达[18]。在大鼠胚胎海马区域祖细胞中,Dyrk1A磷酸化位于转录因子p53的Ser15位点上,导致包括 p21cip1在内的多个p53靶基因的表达增加和增殖减少[14]。

细胞周期的调节,特别是G1期到S期的进展,对于新皮层发育过程中产生适当数量的神经元至关重要。这些神经元是由室周围心室区(Ventricular zone,VZ)的多能性心尖前体细胞(也称为放射性胶质前体细胞)或室下区(Subventricular zone,SVZ)的神经原性基底前体细胞产生[19]。在小鼠胚胎中,Dyrk1A基因在神经祖细胞中表达,并在整个中枢神经系统的发生过程中保持表达[20]。有研究发现,Dyrk1A在皮质发育中期的过表达会抑制细胞增殖,导致基底前体和新生神经元的高级分化,而Dyrk1A的过表达降低细胞周期蛋白-D1的水平[21]。但在前体细胞中,Dyrk1A的过表达可促进细胞周期的退出,导致分化停滞[22]。推测Dyrk1A过表达下调前体细胞的细胞周期,其在前体细胞中的表达水平呈动态变化。

用Dyrk1A BAC tg小鼠模型能够研究Dyrk1A对皮层神经发生的影响,该模型以空间和时间调节的方式过表达Dyrk1A,该模型中的小鼠神经元细胞周期产生延迟,导致新皮质神经元的缺陷,该缺陷一直延续至小鼠出生后,研究者推测该细胞周期的延迟是由于基底前体细胞的增加是以神经元的损失为代价造成的,这与神经发生开始时顶端前体细胞周期延长的G1期有关[23]。相反Dyrk1A+/-顶端祖细胞核周期蛋白CyclinD1过多聚集,产生更多的神经元,损害基底祖细胞[24]。这表明Dyrk1A蛋白表达水平可能通过Dyrk1A介导的CyclinD1磷酸化机制改变顶端放射状胶质祖细胞的分裂模式。

成年小鼠脑的活动性神经发生仅限于侧脑室的SVZ和海马区的颗粒区(Subgranular zone, SGZ)。有研究表明,成体SVZ神经干细胞(Neural stem cell, NSCs)子细胞间的表皮生长因子受体分布存在差异,不同受体数量的遗传决定该祖细胞类型的干细胞潜能[25]。在这些神经干细胞中,Dyrk1A在有丝分裂过程中呈对称或非对称分布,而表皮生长因子受体(Epidermal growth factor receptor, EGFR)的水平和在神经干细胞子细胞中的分布取决于遗传性Dyrk1A的数量,推测可能Dyrk1A抑制细胞内吞介导的EGFR信号降解。在Dyrk1A +/-小鼠模型中,EGFR信号依赖性细胞决定神经干细胞的发育[26]。以上表明Dyrk1A也在成年海马区的神经发生中起作用,但其潜在的机制尚未明确。

4 Dyrk1A参与突触形成和神经元功能

在中枢神经系统中,Dyrk1A的表达具有多种时空功能特征。Dyrk1A在神经突触的后期发育过程中表达,且可在生长轴突中和轴突生长锥的树突顶端检测到[27]。Dyrk1A在已分化神经元中的表达表明其在神经突的形成中发挥作用。有研究报道,轴突生长、树突树枝化或树突棘因Dyrk1A表达的改变导致的功能增强或丧失模型(转基因小鼠、含siRNA的细胞培养等)的改变[28]。例如,在小鼠皮层神经元中过表达的Dyrk1A可通过破坏REST/NRSF-SWI/SNF染色质重塑复合体,降低树突的生长和复杂性。此外,在培养的大脑皮层神经元中,Dyrk1A的基因敲除导致神经元具有更短、更多分支的轴突和更少的轴突[29]。这一结果与该领域相关研究结果一致。该研究表明,Dyrk1A基因敲除小鼠皮层锥体神经元与野生型动物相比,其树突侧枝化和树突分支明显减少,树突棘也较少[29-30]。Dyrk1A基因的过表达可抑制海马区神经元树突棘的形成[31]。说明Dyrk1A基因的表达水平对树突棘的正常发育至关重要。然而也有研究表明,Dyrk1A的过度表达可增加皮层锥体神经元的脊柱密度[5]。

5 Dyrk1A 参与神经退行性疾病

AD患者大脑皮层、内鼻皮质和海马区散在的神经元细胞质和细胞核中Dyrk1A表达均有增加。Dyrk1A存在于阿尔茨海默病大脑中的不溶性神经纤维缠结中,这些部分富集在磷酸化tau蛋白中,提示Dyrk1A可能与神经原纤维缠结病理学特征有关[32]。与对照组相比,AD患者海马区Dyrk1A mRNA水平显著升高[26]。在AD患者脑中,钙蛋白酶(CALPAIN)的异常激活与Dyrk1A C末端的截断有关。以上均提示,Dyrk1A基因参与AD的发生发展过程。临床研究发现,Dyrk1A和AD患病风险之间存在显著的相关性,Dyrk1A rs2835740基因型会显著提高AD的患病率[33]。以上研究均表明,Dyrk1A参与了神经退行性疾病。

α-syn是一种可溶性、未折叠的蛋白质,在中枢神经系统的神经元突触前末梢中高度富集。帕金森病中主要表现为α-syn在Ser129位点广泛磷酸化。在PD果蝇模型中,Ser129位点的磷酸化是介导α-syn神经毒性和包涵体形成的关键。Dyrk1A使α-syn在Ser87位点磷酸化,导致α-syn聚集和细胞活力下降。此外,α-突触核蛋白的Ser129位点磷酸化在细胞和动物模型中促进了原纤维的形成[34]。

目前,Dyrk1A是否也能磷酸化SNCA的Ser129位点尚不清楚。有研究报道,在PD中α-syn诱导的神经毒性作用可能是由于Ser129位点磷酸化和SNCA在Tyr125和Ser87位点磷酸化之间产生异常聚集体所致[22]。研究证实,Dyrk1A的rs8126696多态性是形成α-syn相关性痴呆的危险因素[35]。上述数据表明,Dyrk1A在病理性脑区可能有助于α-syn的聚集。同时也是AD患者大脑中淀粉样斑块的主要组成部分。在Dyrk1A BAC tg小鼠模型中,Dyrk1A表达的增加与注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6四氢吡啶(MPTP)的动物中脑多巴胺能神经元存活率的增加有关[36]。

Dyrk1A可能参与Parkin基因表达的调控,多种激酶在不同位点磷酸化Parkin并调节其泛素E3连接酶的活性[37]。在体外模型中,Dyrk1A直接在Ser131位点磷酸化Parkin,抑制Parkin的泛素E3连接酶活性,减少6-羟基多巴胺诱导的SH-SY5Y细胞的神经毒性作用[38]。在PD中,α-突触核蛋白聚集体和聚合骨架蛋白Septin4(Sept4)共染。在酵母双杂交筛选中,Septin4能与Dyrk1A相互作用,在小鼠神经元中共定位[39]。提示Dyrk1A在多巴胺能神经元中的保护作用。

综上,Dyrk1A基因结构和功能的研究为神经退行性疾病的治疗提供了新的思路和方法。未来的研究应更加深入地探讨Dyrk1A基因在神经退行性疾病中的作用机制,以便为临床治疗提供更多的理论依据和实践经验。同时,开展遗传学、生物化学、生物物理学等多元化的研究方法,将有助于更全面地了解Dyrk1A基因与神经退行性疾病的关系。