Pin1在神经退行性疾病中的分子机制_邱丹.pdf

2023 年 4 月国际神经病学神经外科学杂志Vol.50 No.2第 50 卷 第 2 期Journal of International Neurology and NeurosurgeryApr.2023Pin1在神经退行性疾病中的分子机制邱丹，魏倩萍重庆医科大学第一附属医院，重庆 400010摘要：Pin1（peptidylprolyl cis/trans isomerase NIMAinteracting 1）为脯氨酸肽酶异构酶的亚类，是一种催化蛋白质中磷酸化丝氨酸（苏氨酸）脯氨酸基序之间的肽键异构化酶，具有调节蛋白质折叠、细胞内信号转导、转录、细胞凋亡等功能。Pin1在中枢和周围神经系统中广泛表达，可调节各种神经元发育、凋亡和突触活动。尽管有研究报道，Pin1与神经元底物相互作用影响特定的信号通路，但在神经元水平的生物学功能仍缺乏更全面的了解。此外，越来越多的证据表明，Pin1在衰老及与年龄相关的神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病、帕金森病、额颞痴呆、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化）中发挥着至关重要的作用，在这些疾病中，其介导了从神经保护到神经毒性的截然不同的作用。因此，进一步研究Pin1在神经元中的生物学功能，明确Pin1在年龄相关和神经退行性疾病中的分子机制，可为临床治疗相关疾病提供分子靶点。国际神经病学神经外科学杂志,2023,50(2):6770关键词：神经退行性疾病；Pin1；异构化酶中图分类号：R741 DOI:10.16636/ki.jinn.1673-2642.2023.02.014The molecular mechanism of peptidylprolyl cis/trans isomerase,NIMAinteracting 1 in neurodegenerative diseasesQIU Dan，WEI QianpingThe First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University，Chongqing 400010，ChinaCorresponding author：WEI Qianping，Email：Abstract：Peptidylprolyl cis/trans isomerase，NIMAinteracting 1（Pin1）is a peptide bond isomerase that catalyzes the phosphorylation of serine（threonine）proline motifs in proteins and has the functions of regulating protein folding，intracellular signal transduction，transcription，and cell apoptosis.Pin1 is widely expressed in the central and peripheral nervous systems and can regulate the development，apoptosis，and synaptic activity of various neurons.Although studies have reported that Pin1 interacts with neuronal substrates to affect specific signaling pathways，there is still a lack of comprehensive understanding of its biological function at the neuronal level.In addition，an increasing amount of evidence has shown that Pin1 plays a crucial role in aging and age related neurodegenerative diseases，including Alzheimers disease，Parkinsons disease，frontotemporal dementia，Huntingtons disease，and amyotrophic lateral sclerosis，in which it mediates various roles from neuroprotection to neurotoxicity.Therefore，further studies are needed to investigate the biological function of Pin1 in neurons and clarify the molecular mechanism of Pin1 in agerelated and neurodegenerative diseases，so as to provide molecular targets for the clinical treatment of related diseases.Journal of International Neurology and Neurosurgery,2023,50(2):67-70Keywords：neurodegenerative diseases；peptidylprolyl cis/trans isomerase，NIMAinteracting 1；isomerase 综述 基金项目：重庆市自然科学基金面上项目（cstc2019jcyjmsxm0341）。收稿日期：20220307；修回日期：20230412作者简介：邱丹（1990），女，硕士研究生在读。Email：。通信作者：魏倩萍（1963），女，主任医师，博士研究生，主要从事糖尿病并发症的研究。Email：。电子、语音版67http:/2023，50（2）邱丹，等：Pin1在神经退行性疾病中的分子机制Pin1（peptidylprolyl cis/trans isomerase，NIMA interacting 1）是1996年发现的一种调节有丝分裂的蛋白质1，是一种普遍表达的针对磷酸化丝氨酸脯氨酸或苏氨酸脯氨酸基序的顺式/反式的异构酶1，属于进化保守的脯氨酸肽酶异构酶家族。N末端的WW结构域与丝氨酸脯氨酸或苏氨酸脯氨酸基序特异的相互作用2，C末端的脯氨酸肽酶异构酶结构域负责其催化活性3。Pin1 与底物的识别需要脯氨酸导向的激酶家族（细胞周期蛋白依赖性激酶、丝裂原活化蛋白激酶和双特异性酪氨酸磷酸化调节蛋白激酶）磷酸化丝氨酸脯氨酸和苏氨酸脯氨酸基序，Pin1的活性受蛋白激酶磷酸化控制34。作为脯氨酰异构化的结果，Pin1结合底物引起的构象变化产生了底物稳定性、催化活性、蛋白质蛋白质相互作用及亚细胞定位等功能效应，故Pin1影响细胞周期的进程5。此外，Pin1还与非核靶标相互作用和调节，在细胞凋亡、蛋白质翻译、维持细胞骨架和神经元功能方面发挥重要作用6。另外，Pin1还有与某些神经退行性疾病相关的报道7。本文对Pin1与相关神经退行性疾病的关系进行综述。1Pin1与亨廷顿病亨廷顿病（Huntington disease，HD）是一种显性遗传性神经退行性疾病，由亨廷顿蛋白编码基因中CAG重复扩增引起，其特征是纹状体中等棘神经元的大量丢失8。在亨廷顿蛋白突变引发纹状体神经变性的不同机制中，DNA损伤和神经元凋亡被认为是其关键机制，而肿瘤抑制因子（p53）介导突变在亨廷顿蛋白产生的毒性效应中发挥了重要作用910。Grison等10研究发现，HD患者死后大脑皮质和纹状体全组织裂解产物中p53的水平升高，突变的亨廷顿蛋白表达引发了典型的DNA损伤反应，并与 p53 在 Ser46 位磷酸化表达增强相关9。在体外模型中，p53在Ser46位磷酸化的增强产生了Pin1靶位点，促进Pin1与p53相互作用，诱导其凋亡靶基因的表达9。严重或持续应激引起的p53在Ser46的磷酸化导致细胞周期由阻滞向凋亡转变，Pin1的异构化是诱导p53凋亡的关键步骤。此外，有研究证实了1个毒性反馈环，其中突变的亨廷顿蛋白促进Pin1介导的p53的激活，进而诱导突变的亨廷顿蛋白的表达1112。这些结果为Pin1/p53通路参与诱导神经元凋亡，且促进突变的亨廷顿蛋白的产生提供了潜在的分子机制证据。因此，抑制Pin1可能是治疗亨廷顿病的靶点之一。2Pin1与帕金森病Pin1参与了帕金森病（Parkinson disease，PD）的发生发展。突触核蛋白是代表PD组织学特征的蛋白质聚集体，是一种功能未知的突触前神经元蛋白。Ryo等13研究证明，Pin1积聚在PD患者大脑的路易体中，并与突触核蛋白包涵体共定位，在转染突触核蛋白的293T细胞中，Pin1的过表达促进了突触核蛋白包涵体的形成，增加突触核蛋白的半衰期和不溶性，并与突触核蛋白伴侣结合，促进其与突触核蛋白的相互作用，形成突触核蛋白胞质内含物13。Ghosh等14研究发现，神经毒性应激可诱导Pin1表达上调，且Pin1作为促凋亡因子可导致多巴胺能神经元变性，与年龄匹配的对照组相比，Pin1在死后的PD患者脑中表达显著上调，此外还发现，在用1甲基4苯基吡啶离子（1methyl4phenylpyridine，MPP+）处理的多巴胺能MN9D神经元中，以及在1甲基4苯基1，2，3，6四氢吡啶（1methyl4phenyl1，2，3，6tetrahydropyridine，MPTP）诱导的 PD 小鼠模型的脑黑质中，Pin1表达显著上调，用siRNA介导敲低Pin1，可以阻止MPP+诱导的胱天蛋白酶3（caspase3）激活和DNA片段化，这表明Pin1可能诱导多巴胺能神经元的凋亡。此外，不同的Pin1抑制剂（如胡桃醌）可减少MPP+驱动的Pin1上调、突触核蛋白聚集、caspase3 激活和神经元死亡14；在PD的MPTP小鼠模型中，胡桃醌可抑制Pin1的表达，改善功能性运动障碍、多巴胺耗竭和黑质多巴胺能神经元的丢失14。另一个Pin1抑制剂（PIB）可降低MPP+诱导的多巴胺能细胞模型中突触核蛋白的聚集，表明Pin1的上调可能会导致突触核蛋白的错误折叠和聚集的增加14，但其确切的细胞内机制仍不明确，还有待进一步研究探索。3Pin1与颞叶癫痫有研究发现，Pin1在癫痫小鼠和颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy，TLE）患者中表达下调，这表明该蛋白也参与了癫痫的发生发展1516。桥蛋白（gephyrin）是一种突触后支架蛋白，可促进氨基丁酸受体在抑制性突触的聚集，是重要的神经元蛋白，Pin1能调节此蛋白，此蛋白和Pin1在TLE患者中表达都下调17。采用免疫荧光试验发现，Pin1定位于癫痫患者和毛果芸香碱诱导的癫痫小鼠的海马和皮质神经元的胞浆和细胞膜18。与癫痫发作后的对照组相比，自发性反复发作小鼠海马和皮质中的Pin1表达下调，进行免疫沉淀证明Pin1与N甲基D天冬氨酸受体（Nmethyl Daspartate receptor，NMDAR）2A/2B亚 基（NR2A/2B）受 体（NMDARs）能 发 生 相 互 作 用，NMDARs是中枢神经系统谷氨酸能突触传递的重要调节者，其功能受多种生理和病理过程的调节，在癫痫发作期间，细胞表面NMDAR数量的增加对细胞损伤和神经元死亡具有重要的促进作用，阻断NMDAR可以提供神经元保护作用，因此，推测Pin1竞争性地影响了突触相关蛋白95/NR2B（PSD95/NR2B）复合体的形成，从而对 NMDAR介导的突触传递和脊髓形态产生负面影响。Pin1的表达减少导致NMDARs的表面转运减少，最终导致神经元的超兴奋性降低。在癫痫的发生发展中，Pin1可能是调节神经元超兴奋性的靶点。然而，Pin1调节NMDARs表面682023，50（2）邱丹，等：Pin1在神经退行性疾病中的分子机制http:/转运减少的内在机制仍不清楚1819。4Pin1与阿尔茨海默病阿尔茨海默病（Alzheimers disease，AD）是老年人中最常见的痴呆，主要临床表现是进行性认知衰退和记忆力丧失。AD的特点是神经元广泛凋亡，细胞外斑块和细胞内神经原纤维缠结（neurofibrillary tangle，NFT）沉积增多。NFT是由tau蛋白过度磷酸化形成的微管聚集体，是AD 的标志物，NFT 沉积的数量与神经变性的程度相关19。斑块主要由淀粉样前体蛋白加工异常增多所产生的聚集性淀粉样蛋白（amyloid protein，A）组成19。老年Pin1敲除小鼠模型表现出复杂的与人类相似的早衰特征：体型变小，端粒不稳定，生殖细胞增殖率降低，认知损害，神经元变性。磷酸化tau的过度积累是轻度认知损害患者的早期表现，在Pin1敲除小鼠模型中可发现磷酸化tau在大脑中的积聚增多20，2628。Pin1的表达水平在神经元分化过程中增加，并在整个生命周期中保持较高水平20，29。在 AD 小鼠模型的神经细胞中，Pin1 被下调，下调的程度与神经元的丢失呈负相关20。Pin1与磷酸化的tau共定位，并调节tau和微管蛋白的组装，形成微管30。Pin1可催化tau从功能失调的顺式结构向功能性反式结构的构象转换，故tau可以直接被去磷酸化24，28。另外，Pin1可通过直接催化磷酸化AThr668Pro基序从顺式到反式异构化24，以及抑制糖原合成酶激酶3活性，进一步促进A向非淀粉样变性方向发展31。这些证据支持Pin1功能障碍或缺陷是AD进展的关键决定因素之一。5Pin1与肌萎缩侧索硬化肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）是一种神经退行性疾病，影响上下运动神经元，导致骨骼肌瘫痪、吞咽困难、构音障碍和呼吸衰竭等32。Iridoy等33研究发现，通过蛋白质组学的方法，在一小部分ALS患者的脊髓和大脑非运动皮质中发现Pin1的表达显著下调，这表明Pin1的表达是神经退行性变的一个潜在的标志物。然而，目前国外研究中对Pin1在ALS中的表达谱及它在ALS病理生理学中的参与程度知之甚少。有研究表明，Pin1可能促进磷酸化神经丝蛋白在核周的异常积聚，这是ALS以及其他神经退行性疾病的主要标志3435。有研究发现，Pin1与神经元中磷酸化的神经丝蛋白重链相关，并在 ALS影响的脊髓神经元包涵体中共定位34。在谷氨酸诱导培养的大鼠背根神经元中发现，该神经元胞体内磷酸化神经丝蛋白重链聚集增加，从而证实了谷氨酸诱导的毒性增加与Pin1共定位的核周堆积的磷酸化神经丝蛋白重链聚集增加相关，进而诱导神经元凋亡34。药物抑制Pin1或siRNA敲低Pin1表达后可减少此作用，故在神经毒性作用下，Pin1可能通过刺激磷酸化的神经丝蛋白重链在核周聚集而促进细胞死亡。综上所述，Pin1在神经系统退行性疾病中扮演着重要角色。Pin1能促进HD、PD、TLE、AD、ALS的发生发展，而Pin1在TLE和AD中又起着重要的保护作用。但Pin1在上述疾病发生发展中的分子生物机制却并不十分清楚，因此，还需进一步深入探索其在神经退行性疾病中的具体作用，为临床治疗相关疾病提供分子靶点。参 考 文 献1LU KP,HANES SD,HUNTER T.A human peptidyl prolyl isomerase essential for regulation of mitosisJ.Nature,1996,380(6574):544547.2LU PJ,ZHOU XZ,SHEN M,et al.Function of WW domains as phosphoserine or phosphothreonine binding modulesJ.Science,1999,283(5406):13251328.3RANGANATHAN R,LU KP,HUNTER T,et al.Structural and functional analysis of the mitotic rotamase Pin1 suggests substrate recognition is phosphorylation dependentJ.Cell,1997,89(6):875886.4LU PJ,ZHOU XZ,LIOU YC,et al.Critical role of WW domain phosphorylation in regulating phosphoserine binding activity and Pin1 functionJ.J Biol Chem,2002,277(4):23812384.5KIM G,KHANAL P,KIM JY,et 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