Endophilin_A1的功能和作用机制及与认知功能的关系.pdf

收稿日期:2011 05 07;修回日期:2011 09 08作者简介:罗峥(1984 )，女，硕士研究生。通信作者:徐晓云，教授，硕士生导师，主要从事糖尿病认知功能损害和痴呆的临床与基础研究。Email:xxyl95211163 com。Endophilin-A1 的功能和作用机制及与认知功能的关系罗峥综述徐晓云审校同济大学附属上海市东方医院神经内科，上海市200120摘要:最近国内外研究提示 endophilin-A1 在多种认知功能损害性疾病，如阿尔茨海默病(AD)和糖尿病认知功能损害中异常表达。Endophilin-A1 是一种广泛表达于脑的突触前神经终末的胞浆蛋白，在突触囊泡的内吞回收，尤其是网格蛋白介导的囊泡内吞(CMVE)过程中起重要作用。研究认为其本身可能调节 A 的生成，也可能通过 CMVE 来影响脑内 A的生成与释放，提示其与 AD 的发病有关。此外，endophilin-A1 在糖尿病认知功能损害的大鼠脑内表达下调。本文就近年来 endophilin-A1 的研究进展作一综述。关键词:Endophilin-A1;突触囊泡;网格蛋白介导的内吞;认知损害众所周知，为了保证神经冲动信号持续、有效地传递，负责递质转运的囊泡需快速地回收到突触膜，等待释放，将突触前的电信号转为化学信号传到突触后膜。递质回收实质是一种细胞内吞作用，神经细胞自有一套特殊而有效的突触复合物装置来完成这一囊泡回收过程。网格蛋白介导的囊泡内吞(clathrin-mediated vesicle endocytosis，CMVE)主要在突触前复合物中参与突触囊泡的回收，这也是海马神经 元 突 触 囊 泡 回 收 最 主 要 的 机 制1-3。En-dophilin-A1 作为突触囊泡内吞回收蛋白家族中的一员，最主要的功能是参与网格蛋白介导的囊泡内吞，因其作用机制复杂，目前尚未明确。最新研究提示 endophilin-A1 的异常表达与多种认知功能损害性疾 病，如 阿 尔 茨 海 默 病(Alzheimers Disease，AD)，精神发育迟滞(mental retardation，MR)及糖尿病认知功能损害等有关，提示认知功能损害疾病可能存在新的发病机制。1Endophilin-A1 概述1 1家族成员Endophilin 家族分为 A 和 B 亚家族，其中 A 亚家族中有 3 个成员:A1、A2、A3;B 亚家族有 2 个:B1、B2。Endophilin-A1 是 endophilin 家族 A 亚家族中的一员，为含有 SH3(Src homology 3)结构域的胞浆 蛋 白，具 有 高 度 保 守 的 种 属 性，又 命 名 为EEN2B1、SH3GL2、SH3p4、endophilin和 EA1。它选择性地高表达于包括枕叶、额叶、颞叶皮质和小脑皮质的神经元，而在胼胝体、下丘脑盖和脊髓仅有很低的表达4，位于突触前神经末梢。此外，还表达于睾丸组织。1 2基本结构Endophilin-A1 与其 他 endophilin 家 族 成 员 具 有一些共同的结构特点，即羧基(C)端含有一个 SH3结构域，与已知接头蛋白(如 Grb2、Drk、Sem-5 等)的 SH3 结构域同源性达 70%，能与富含脯氨酸结构域(proline-rich domains，PRD)的蛋白质结合;氨基(N)端 含 有 一 个 BAR(Bin-Amphiphysin-Rvs)结构域，由含有 21 个氨基酸的两性 螺旋和卷曲样卷曲(coiled-coil，C-C)结构组成，中央为一段短的铰链区结构;其中 N 端结构具有溶血磷脂酸脂酰基 转 移 酶(lysophosphatidicacidacyltransferase，LPAAT)活性，通 过 与 LPA 和 PA 结 合 起 作 用。大鼠 endophilin-A1，是由 Sh3gl2 基因编码的含有 352个氨基酸、分子量约为 40 kDa 的胞浆蛋白(UniProtNoO35179)。氨 基 酸 290-349 为 SH3 区，18-249 为 BAR 区，60-87 为 C-C 区。通 过 其 C-C 结构区相互作用，单个分子的内吞蛋白-A1 形成二聚体，并以这种形式存在和发挥作用5，见表 1。2EndophilinA1 的功能及作用机制2 1Endophilin-A1 与网格蛋白介导的囊泡内吞(CMVE)及主要作用机制网格蛋白介导的囊泡内吞是神经细胞，尤其是海马神经元突触囊泡内吞最常见 的 方 式1-3。En-dophilin-A1 作 为 CMVE 的 辅 助 因 子 之 一，通 过 与dynamin-1 和 synaptojanin 这两个同样在 CMVE 中发755国际神经病学神经外科学杂志2011 年第 38 卷第 6 期挥重要作用的蛋白结合，参与突触囊泡的内陷(in-vagination)、剪切(fission/scission)，从而调节囊泡内吞回 收。Dynamin-1，分 子 量 约 为 100 kDa 的 GTP酶(GTPase)，与 endophilin 相 对 应 地 在 神 经 元 表达，与 endophilin-A1 一起聚集在网格蛋白包被的小窝(clathrin-coated pits)颈部形成环状，促使新形成的囊泡 与 膜 断 离 并 释 放6。Synaptojanin 是 一 种 位于突触前神经终末的多磷酸肌醇磷酸酶，通过对磷脂酰肌醇 4，5-二磷酸(PtdIns(4，5)P2)的脱磷酸作用介导囊泡脱网格蛋白包被7。同时，作为 BAR蛋白超家族的一员，endophilin-A1 选择性地增大脂质双层的曲度，并与带负电荷的脂质结合而发挥膜相关的骨架功能8。表 1endophilin-A1 的主要功能结构域/区类别AA 起始位置长度(AA)功能描述参考文献Endophilin-A11-352352参与突触囊泡内吞回收过程 5SH3 结构域290-34960与含 PRD 结构域的蛋白作用，参与囊泡回收 7BAR 结构域18-249232识别并改变膜曲率，形成囊泡 11LPAAT 活性区1-125125结合脂质体并使之形成管状 9两性 螺旋区1-2121辅助脂质体结合、芽管形成 10C-C 区60-8728二聚体化 5早 期 通 过 谷 胱 甘 肽 S-转 移 酶(GST)融 合 蛋白、抗体显微注射、肽封闭等方法对 SH3 结构域的干扰研究，认为 endophilin-A1 主要通过其 C 端 SH3结构域与其他一系列参与囊泡回收蛋白的 PRD 结构域结合发挥作用。同时，研究推测 endophilin-A1通过脂质变形使外凸的正向膜曲率转为内陷的负向膜 曲 率，促 使 囊 泡 初 步 形 成9;endophilin-A1 不依赖其溶 血 磷 脂 酸 脂 酰 基 转 移 酶 活 性，而 通 过 N端 BAR 结构域直接与脂质双层结合并内陷形成细窄的芽管(tubules)10，进 一 步 提 示 其 在 质 膜 变 形(membrane deformation)与囊泡出芽(vesicle budding)中的作用。此外，膜插入 序 列 两 性 螺 旋 可 能 协同 N 端 BAR 结构域识别并改变质膜曲率，并将一系列内吞相关的结合分子(如 dynamin-1)募集到高曲率膜部，促进突触前囊泡颈的形成8，11，12。近来对 endophilin-A1 BAR 结 构 域 的 研 究 进 一步证实了其在网格蛋白介导的囊泡内吞中的作用。Fredrik 等13 将完整抗体或靶向 BAR 结构域的 Fab片段显微注射到七鳃鳗的巨大突触，观察到生理刺激下的突触囊泡的减少，同时在活性区周围可见大量网格蛋白包被的浅凹聚集。在 dynamin 缺如的小鼠成纤维细胞，网格蛋白包被的小凹显现出由 en-dophilin 覆 盖 的 长 而 窄 的 颈 部，提 示 endophilin 的BAR 结构域促使囊泡颈部缩窄作用在 dynamin 募集之前14。随 后，Bai 等15 通 过 endophilin BAR 结 构域基因突变的线虫模型研究，结果提示，endophilinSH3 结构域固然能调节其内吞活性，但 BAR 结构域及其膜弯曲活性对突触囊泡内吞的作用更为关键，同时提出其可能作用于 dynamin 介导的囊泡剪切前的质 膜 内 陷，也 可 能 是 剪 切 后 加 速 囊 泡 去 包被。Mizuno 小组16 采用冷冻电镜(cryoEM)及三维重建技术 从 微 观 结 构 作 用 模 式 上 充 分 肯 定 了 en-dophilin，尤其是 BAR 结构域与脂质的相互作用是内吞膜动力学改变的基础。综上所述，endophilin-A1 在 CMVE 中 的 作 用 已得到证实。已有研究认为 endophilin-A1 的 SH3 和BAR 结构域 共 同 参 与 并 在 此 过 程 中 互 相 影 响，其作用机制复杂，随着对 BAR 结构域的结构和功能的研究逐步深入，其识别并诱导质膜曲率改变、质膜内陷及相关分子募集等功能在 CMVE 中的作用亦更显重要。2 2Endophilin-A1 的其他功能Endophilin-A1 除了 主 要 在 突 触 囊 泡 回 收 过 程中起作用，还可以通过调节 c-jun N 末端 激 酶c-jun N-terminal kinase，JNK)活性，调控丝裂原活化的蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号转 导 途 径。JNK-MAPK 途 径 是 一 系 列 与 细 胞增殖、分 化、凋 亡 相 关 的 复 合 途 径。Endophilin-A1对 JNK 的调节作用提示其可能参与一些凋亡相关的疾病和退行性疾病的发病5。3Endophilin-A1 与认知功能损害研究显示 Endophilin-A1 的基因突变、表达异常或作用阻断等通过不同程度地损害 CMVE 而导致突触活性区可释放囊泡减少，神经电生理研究显示855Journal of International Neurology and Neurosurgery2011，38(6)神经冲动的传导障碍，进而表现为神经功能受损。目前，一些研究提示 endophilin-A1 可能与认知功能损害有关，主要集中在阿尔茨海默病，精神发育迟滞和糖尿病认知功能损害。3 1Endophilin-A1 与阿尔茨海默病(AD)-淀粉样蛋白(-Amyloid，A)是 AD 病理学特征物老年斑(senile plaques，SPs)的 主 要 成 分 之一，其在神 经 元 细 胞 外 的 沉 积 是 AD 最 重 要 的 病因，endophilin-A1 及其参与的网格蛋白介导的内吞与 A 的 产 生 密 切 相 关17。Schbel 等18 和 Licht-enthaler 等19 利用表达克隆(expression cloning)筛查发现 endophilin-A1 和 endophilin-A3 是 极 强 地 刺 激淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)脱落(shedding)的激动剂，通过减少 APP 的内吞而增加细胞表 面 的 APP。我 们 知 道，APP 经-分 泌 酶(-secretase)裂解的产物不具有神经元毒性;而进入内吞小体内的 APP 由-分泌酶(-secretase)裂解产生神经元毒性的 A。抑制网格蛋白介导的囊泡内吞能降低脑间质液(interstitial fluid，ISF)的 A水平，而提高突触活性的刺激则促进 APP 内吞，脑间质液 A 水平增高20。由此可见，endophilin-A1本身可能调节 A 的生成，也可能通过网格蛋白介导的囊泡内吞来影响脑内 A 的生成与释放，提示其与 AD 发病的复杂联系，可能成为 AD 治疗的新靶点。最近，Ren 等21 采用 Western blot 和免疫组织化学分析发现，AD 病人颞叶皮质中 endophilin-表达较正常对照者增加。此研究用 A 和 A 结合的酒精 脱 氢 酶(amyloid-b binding alcohol dehydrogenase，ABAD)共同处理 AD 小鼠模型，发现其颞叶皮质及海马区 的 endophilin-表 达 上 调。我 们 知 道，A/ABAD 相互作用会增加神经元的应激，并导致学习和记忆能力受损，但其促进 endophilin-表达的机制尚不清楚。他们在转染的小鼠原代培养皮质神经元中发 现，endophilin-的 表 达 增 强 了 生 发 中 心激 酶 样 激 酶(germinalcenterkinase-likekinase，GCK)活性进而激活 JNK，导致神经元的死亡。这一研 究 尚 不 能 确 定 endophilin-表 达 上 调 是 否 为AD 发病中的特异性反应，或仅仅是一种普遍的应激反应，因而 endophilin是否在退行性认知疾病中扮演重要角色仍待进一步研究。3 2Endophilin-A1 与精神发育迟滞(MR)Akiko 等22 发现突触前 oligophrenin(OPHN，Rho基因连锁的智能发育迟滞蛋白，编码 Rho-GTP 酶激活蛋白，对突触囊泡的有效内吞有重要作用)通过其 PRD 结构域与 endophilin-A1 的 SH3 结构域相互作用而影响突触转运功能，并由此推测 SV 内吞功能 障 碍 可 能 是 OPHN 连 锁 的 精 神 发 育 迟 滞(OPHN1-linked mental retardation，OLMR)的发病机制之一。3 3Endophilin-A1 与糖尿病认知功能损害国内金花等23 在对有认知功能损害的早期糖尿病大鼠 海 马 组 织 蛋 白 质 组 学 的 研 究 中 发 现 en-dophilin-A1 表达缺失，提示突触囊泡的内吞回收蛋白表达缺陷可能参与了糖尿病认知功能损害的发病。这一发现为探讨糖尿病认知功能损害的发病机制提供了新的思路，值得进一步的实验证实与机制研究。4总结Endophilin-A1 作为 网 格 蛋 白 介 导 的 囊 泡 内 吞的重要辅助因子，其 BAR 结构域的功能十分重要，但具体作用环节与方式仍有待进一步的研究来明确。人类的认知功能损害包括 AD、糖尿病认知功能损害等一大类疾病，其发病机制复杂不明。En-dophilin-A1 在这些疾病中的表达异常已初见报道，提示其可能成为探讨认知功能损害发病机制的新的研究方向。参考文献1Bjrn G，Benjamin O，Stephen JR，et al Clathrin-mediatedendocytosis is the dominant mechanism of vesicle retrieval athippocampal synapsesNeuron，2006，51(6):773-7862Bjrn G，Benjamin O，Stephen JR，et al Clathrin-mediatedendocytosis:the physiological mechanism of vesicle retrieval athippocampal synapsesJ Physiol，2007，585(3):681-6863Stephen JR，Leon LClathrin-Mediated Endocytosis at theSynaptic Terminal:Bridging the Gap Between Physiology andMolecules Traffic，2010，11(12):1489-1497 4So CW，Sham MH，Chew SL，et alExpression and pro-tein-binding studies of the EEN gene family，new interactingpartners for dynamin，synaptojanin and huntingtin proteins JBio，2000，348(Pt 2):447-458 5Reutens AT，Begley CG Endophilin-1:a multifunction pro-tein Int J Biochem Cell Biol，2002，34(10):1173-11776Mettlen M，Pucadyil T，Ramachandran R，et al Dissecting955国际神经病学神经外科学杂志2011 年第 38 卷第 6 期dynamins role in clathrin-mediated 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