Synaptotagmin蛋白的基本机制及在细胞分泌中的作用.pdf

Jou rnal of Internat ion al N eu rology and N eurosu rgery 2 0 0 6, 3 3 ( 5 ) 磷脂酶 D2及其在神经退行性疾病中的作用 福建医科大学基础医学院免疫学系 ( 350004) 摘 张洁莹 综述 朱 玲 审校 要: 磷脂 酶 D 2 ( PLD 2 ) 作 为细 胞 信号 转导 中一 种重 要的 酶分 子 , 参 与了 细胞 功能 的诸 多 方面 , 如细 胞 骨架 重 排、囊 泡 转运 、细 胞增 殖、分化 及 凋亡 等。 本文 从抗 凋亡 、细 胞 骨架 重排 和囊 泡转 运三 方面 就 PLD 2 与 神 经退 行 性 疾病 的 关 系进 行 了一 综述 。 关键 词: 磷脂 酶 D 2; 信 号转 导; 神经 退 行性 疾病 磷 脂 酶 D ( phospholipase D, PLD ) 首 先 在 植 物 中 发 现 , 随 后 细 菌 和 哺 乳 动 物 的 PLD 基 因 相 继 被 化 活性 所 必 需 的。 1. 2 表 达 分 布特 点 克 隆 。 哺 乳 动 物 的 PLD 有 两 种 异 构 体 : PLD 1 和 PLD 2 的 分布 十 分 广 泛 , 几 乎 在 所 有 组 织 和 细 [ 4] PLD 2。 PLD 2 作 为 细 胞 信 号 转 导 中 重 要 的 酶 分 子 , 胞 都有 表 达 。 Park 等 通过 实验证 明胚胎 期的小 参 与 了 细胞 功 能 的诸 多 方 面 , 其 具 体 的 作用 机 制 成 鼠 海马 齿 状 回 的 颗 粒 细 胞 及 出 生 后 其 小 脑 颗 粒 细 为 目 前 关注 的 热 点。 胞 中 PLD 2 有 较 高 水 平 表 达 , 这 说 明 了 PLD 2 在 神 1 PLD 2 的 特 点 经 系统 的 发 育 方 面 有 着 重 要 作 用 。 在 亚 细 胞 定 位 1. 1 结构 特 点 上 , PLD 2 主 要 位 于 细 胞 膜 。 L iscovitch 等 [ 5] 进 一步 随着 对 PLD 研 究 的进 一 步 深 入 , 现 已 证 明 PLD 发 现 PLD 2 主 要 是 位 于 胞 膜 窖 ( caveo lae) 。 胞 膜 窖 是 一 个 多基 因 家 族, 具 有 多 分子 的 异 质 性, 其 cDNA 是 细胞 膜 上 特 定 的 , 富 含 胆 固 醇 、鞘 磷 脂 ( sph ingo- 序 列 具 有高 度 保 守性 [ 1] 。 PLD 2 作 为 PLD 家 族 成 员 m yelin ) 和 鞘 糖脂 ( g lycosph ingo lip ids ) , 并 且 以 窖 蛋白 之 一 是 继 PLD 1 之 后 于 1 9 9 7 年 从 啮 齿 动 物 中 克 隆 ( caveolin ) 分 子 为 特 征 的 一 个 信 号 分 子 聚 集 的 场 出 来 的 。 hPLD 2 基 因 全 长 3. 5 K b, 开 放 读 码 框 架 所 。许 多 膜 相 关 酪 氨 酸 激 酶 位 于 胞 膜 窖 中 ( op en ing read ing fram e, ORF ) 编 码 93 3 个 氨 基 酸 残 此 可推 测 PLD 2 在 信号 转 导 中起 着 重 要 的作 用 。 基 , 分 子 量 1 0 6 KD a。 PLD 2 和 PLD 1 约 有 5 0% ~ 1. 3 抑 制 性 调节 的 特 点 [ 6] 。由 5 3% 的 同 源 性, 包 含 所 有 真 核 生 物 PLD 都 具 有 的 虽 然 重 组的 PLD 2 具 有 较 高 的 基 础 活 性 , 但 在 Ñ ~ Ô保守 的 一 致 性 序 列 。 其 中 Ñ 和 Ô包 含 具 有 体 内, PLD 2 的 活 性 受 到 许 多 蛋 白 的 抑 制。 Jenco 催 化 作 用 的 HXKX 4 DX 5 IG SXN 序 列 , 简 称 为 H KD 等 基 序 , 该 基 序 在 PLD 家 族 中 具 有 高 度 保 守 的 特 点 。 现 , 重 组表 达 的 A和 B-突 触 核蛋 白 ( synu cle in ) 能抑 通 过 对 hPLD 1 的 研 究表 明 HKD 基 序中 的 H is、Lys、 制 PLD 2 的活 性 , 由 于 PLD 2 是 信 号 转 导 中 的 重 要 A sp、G ly 及 S er残 基 为催 化 作 用 所 必 须 [ 2] [ 7] 借 助 蛋 白 微 序 列 分 析 和 W estern B lot 分 析 发 。 HKD 基 分 子, 而 突 触 核 蛋 白 与 帕 金 森 病 ( PD ) 和 阿 尔 茨 海 序 是 PLD 的 标 志 序 列 , 是 催 化 水 解 的 活 性 部 位 。 默 病 ( AD ) 等 疾 病 发 生 均 相 关, 从 而 推 测 , 突 触 核 PLD 2 的 N 末 端 由 1-3 08 的 氨 基 酸 组 成 , 其 中 包 含 蛋 白对 PLD 2 调 控 在 神 经 系 统 变 性 疾 病 的 发 生 发 了 一 个 被命 名 为 PX 的 区 域 ( 包 含 4 1-2 1 8 的 氨 基 展 中起 着 重 要 作用 。 L ee等 酸 ) 。 PLD 2 的 C 末 端 的 基 序 为 所 有 真 核 生 物 PLD 质 中 发 现 了 两 种 抑 制 PLD 2 活 性 的 蛋 白 : Syn ap toja- 都 具 有 的保 守 序 列。 Sung 等 [ 3] [8] 在 大 鼠的 脑 细 胞 的胞 通 过 实 验 得 出 了 N- n in 和 网格 蛋 白 ( AP1 8 0 ) 。 Synap to jan in 主 要 是 通 过 末 端 并 非 PLD 2 活 性 所 必 需 , 但 可 起 到 调 节 PLD 2 脱 磷酸 化 使 PIP 2 失 活 而 抑制 PLD 2 的 活 性, 与 Syn- 活 性 的 作用 。 不 同于 N-末 端 , C-末 端 则 为 PLD 2 催 ap tojan in 不 同 , AP 18 0 则 是 通 过 直 接 与 PLD 2 相 作 基金项目: 福建省科技厅基金 ( 2004Y 010) 收稿日期: 2005-12-13; 修回日期: 2006-08-09 作者简介: 张洁莹 ( 1982-) , 女, 在读硕士, 主要从事抗感染免疫研究。 通讯作者: 朱玲, Te:l 0591-83569048。 # 492# 国 际 神 经病 学 神 经 外 科 学 杂 志 2006年 第 33卷 第 5期 用 来 抑 制它 的 活 性。 他 们 还 发 现 了 一 种 位 于 神 经 活化后 所 参与 的 具 体 途径。 他们 认 为 活 化 后的 末 梢 的 由 am ph iphysin I ( Am ph I) 和 Am ph II 所 组 成 PLD 2 参 与 了 由 H 2 O 2 所 诱 导 的 Src 和 Pyk 2 的 复 杂 的 蛋 白 也 会 抑 制 PLD 2 的 活 性 。 此 外 , PLD 2 与 许 混 合物 的 形 成 并促 进 由 S rc 所 引 起 的 Pyk 2 的 磷 酸 多 细 胞 骨架 蛋 白 ( 如 gelsolin、肌 动 蛋 白 、辅 肌 蛋 白 ) 化 , 从而 激 活 了抗 凋 亡 的 细胞 活 化 信 号 途 径 PI3K / 相 联 系 , 这些 蛋 白 也会 抑 制 PLD 2 的活 性 2 [ 9, 10] 。 Ak t / p 7 0 S 6K。 神 经退 行 性 疾 病 由 此 可 见, PLD 2 通 过 参 与 抗 凋 亡 的 信 号 途 径 神经 退 行 性 疾 病 主 要 包 括 : 阿 尔 茨 海 默 病 ( AD ) 、血 管性 痴 呆 、帕金 森 病 ( PD ) 、H untington 病 、 在 神经 细 胞 的 抗凋 亡 中 起着 重 要 的 作用 。 3. 2 艾 滋 病 所致 神 经 病变 、P ick 病 以及 药 物 和 物 理 因 素 等 所 致 痴呆 。 PLD 2 与神 经 细 胞 轴突 的 生 长 神 经 系 统虽 然 具 有 损伤 后 修 复 或 重 建 的 能 力, 但 这个 过 程 的 实 现 既 需 要 神 经 细 胞 自 身 具 备 发 育 神经 退 行 性 病变 有 两 个 主 要 特 点: 老 年 斑 块 的 适 宜的 各 项 条 件, 又 需 要 相当 复 杂 的局 部 环 境 。脑 沉 积 和 神 经 纤 维 缠 结 。 其 表 现 为: ¹ 脑 退 变 和 痴 部 和脊 髓 的 神 经损 害 之 所以 很 难 得 到修 复 , 很 大部 呆 , 神 经 元数 量 减 少 及 变 性 , 是 由 于 AB 沉 积 和 轴 分 原因 是 因 为 细 胞 表 面 对 神 经 纤 维 起 保 护 作 用 的 突 、树 突 及 突 触 病 变 所 致; º 血 管 性 痴 呆 , 是 由 于 髓 磷脂 阻 碍 了 神经 细 胞 轴突 的 生 长 。 血 管 病 变、脑 血 管 闭塞 而 致 脑梗 死 及 脑 容量 减 少 所 目前已经发现大 量对神 经轴突 生长具 有导向 致 ; » 老 年性 非 特 异 性 脑 细 胞 变 性 及 减 少 。 因 此 , 作 用的 分 子 , 这些 分 子 可 以 分 为 两 大 类 : 一 类 分 子 保 护 皮 质及 皮 质 下结 构 神 经 元总 量 , 保 持神 经 胶 质 固 着在 细 胞 膜 表面 或 细 胞外 基 质 中 , 影 响 局 部 的神 细 胞 正 常组 合 、形 态及 功 能 是十 分 重 要 的。 经 纤维 生 长 , 这 类 分 子 包 括 eph rin、髓 鞘 相 关 蛋 白 PLD 2 与 神 经 退行 性 疾 病 3 ( m yelin- associated g lycoprotein, M AG ) 、Nogo等 ; 另 一 PLD 2 与 神 经细 胞 的 凋亡 3. 1 类 是分 泌 性 分 子, 能 扩 散 一定 的 距 离并 形 成 浓 度梯 神经 退 行 性 疾 病 中 神 经 细 胞 数 目 的 减 少 主 要 度 起作 用 , 如 netrin、slit、sem aphorin 家 族的 大 多 数成 是 由 凋 亡引 起 的 。细 胞 凋 亡 是一 种 主 动的 、受 遗 传 员 , 及各 种 神 经营 养 因 子 等。 神 经 轴突 前 端 的 生长 控 制 的 程序 化 现 象, 是 机 体 为更 好 地 适 应生 存 环 境 锥 ( grow th cone ) 结 构 对 环 境 信 号 起 着 探 测 的 作 用, 所 采 取 的一 种 主 动的 、生 理 性的 细 胞 死 亡过 程 。 但 其 表面 存 在 各 种导 向 分 子的 受 体 , 它们 特 异 地 识别 许 多 神 经系 统 变 性疾 病 的 发 病机 制 也 与凋 亡 有 关 , 环 境中 各 种 分 子, 并 向 细 胞内 传 递 吸引 或 是 排 斥的 如 帕 金 森 病 、阿 尔 茨 海 默 病 、肌 萎 缩 侧 索 硬 化 症 ; 信 号, 从 而 引 导神 经 纤 维 沿特 定 路 线生 长 。 其它的一些神经 系统 疾病, 如 脑梗 塞和 外伤, 病 作 为 固 着 于 质 膜 上 的 一 种 分 子 , PLD 2 与 神 经 理 过 程 中也 涉 及 凋 亡 。 短 暂 性 脑 缺 血 可 引 起 神 经 轴 突 的 关 系 已 初 见 端 倪。 K larlund 等 元 坏 死 或凋 亡 。 础 活性 的 PLD 2 转 染到 PC 1 2 细 胞 中 会 观 察 到 轴 突 [14] 将具 有基 信号 转 导 和 氧 化 途 径 是 引 起 细 胞 凋 亡 的 两 种 的 生长 。 他 们 还 进 一 步 将 PLD 2 的 下 游 产 物 磷 脂 机 制 。 PLD 2 作 为 信 号 转 导 中 一 种 重 要 的 磷 脂 酶 , 酸 ( phosphat id ic acid, PA ) 添 加到 PC 1 2 细 胞 的 培养 其 在 细 胞凋 亡 中 的作 用 近 年 来已 受 广 泛关 注 。 K m i 液 中, 同 样 也 观 察 到 轴 突 的 生 长 。 这 说 明 了 PLD 2 等 [11] 研 究发 现 , 在 谷 氨 酸 盐所 诱 导 的 PC 12 细 胞 的 可 能是 通 过 水 解 PC 后 得 到 的 产 物 PA 来 促 进 轴 突 凋 亡 中 PLD 2 起 着 保 护 性 作 用 , 通 过 在 细 胞 内 过 量 的 生长 。 但 他 们 并 没 有 阐 述 体 内 的 PLD 2 是 如 何 的 表 达 PLD 2 会 抑 制 由 谷 氨 酸 盐 所 诱 导 的 细 胞 凋 活 化的 。 W atan ab e等 亡, 但 其 具 体 机 制 仍 不 清 楚。 还 有 研 究 发 现 在 他 们通 过 研 究 发 现 引 起 PC 1 2 细 胞 轴 突 生 长 的 信 H 2 O 2 所 引 起 的 PC 1 2 凋 亡 中 PLD 2 起 着 重 要 的 抗 号 主要 是 通 过 ERK 信 号 通 路 来 传 导 的 。 生 长 因 子 凋 亡 作 用。 K m i 等 [ 12] [ 15] 则 将 这 一 问题 得 到 了 解 决, 通 过 体内 外 实 验 证 明 了 PLD 2 与 细胞 膜 上 的 特 异 受 体 结 合 , 可 使 受 体 形 成 二 聚 是 通 过 与磷 酸 甘 油醛 脱 氢 酶 ( GAPDH ) 结 合 后 活 化 体 , 二聚 化 的 受体 使 其 自 身 酪 氨 酸 激 酶 被 激 活 ; 受 的 。 H 2 O 2 会 引 起 GAPDH 中 的 反 应 性 半 胱 氨 酸 的 体 上磷 酸 化 的 酪 氨 酸 又 与 位 于 胞 膜 上 的 生 长 因 子 改 变 , 这 种变 化 一 方面 降 低 了 GAPDH 的酶 活 性 , 另 受 体结 合 蛋 白 2 ( G rb 2 ) 的 SH 2 结 构 域 相 结 合 , 而 一 方 面 则 赋 予 GAPDH 结 合 PLD 2 的 活 性 从 而 活 化 G rb 2 的 SH 3 结 构 域则 同 时 与 鸟 苷 酸 置 换 因 子 SOS PLD 2。 B anno 等 [ 13] 则 通 过 研 究 进 一 步 发 现 了 PLD 2 ( Son of S even less ) 结 合 , 后 者 使 小 分 子 鸟 苷 酸 结 合 # 493# Jou rnal of Internat ion al N eu rology and N eurosu rgery 2 0 0 6, 3 3 ( 5 ) 蛋 白 R as 的 GDP 解 离而 结 合 GTP, 从而 激 活 Ras; 激 活 化从 而 调 节 囊泡 的 形 成和 转 运 , 促进 神 经 递 质的 活 的 R as 进 一 步 与 丝 /苏 氨 酸 蛋 白 激 酶 R af-1 的 氨 释 放。 A- synu clein 最 早 是 从 电 鲟 鱼 的 带 电 器 官 中 基 端 结 合, 通 过 未 知 机 制 激 活 R af- 1; R af-1 可 磷 酸 分 离得 到 的 , 由于 其 分 布 于神 经 元 的突 触 末 梢 和细 化 MEK 1 /M EK 2 ( MAP k inase / ERK k inase) 上 的二 个 胞 核, 因 此 又 称为 突 触 核 蛋白 。 大 量的 研 究 报 道已 调 节 性 丝氨 酸, 从 而 激 活 M EK s; MEK s 为 双 特 异 性 表 明, A-synucle in 是 神 经 退 行 性 疾 病 如 帕 金 森 病、 激 酶 , 可 以 使 丝 /苏 氨 酸 和 酪 氨 酸 发 生 磷 酸 化 , 最 阿尔茨海 默 病 和伴 有 路 易小 体 的痴 呆 的 特 征分 终 高 度 选择 性 地 激 活 ERK 1 和 ERK 2 ( 即 p 4 4MAPK 子 和 p4 2M APK ) , 进 而 磷 酸 化 下 游 的 PLD 2 使 之 活 磷 酸化 A- synuclein 的激 酶 发 生了 变 异 , 由 于 酶 发生 化 。 活 化后 的 PLD 2 的 水 解 磷 脂 酰 胆 碱 ( phosphat-i 了 功能 障 碍 , 使 其 不 能 使 A- synuclein 磷 酸 化 , 则 它 dylcholine, PC ) 生 成 PA, PA 会 激 活 P IP 2 激 酶 从 而 对 PLD 2 的抑 制 作 用 就 无 法 解 除 而 导 致 囊 泡 循 环 增 加 P IP 2 的 合 成 , 在 非 神 经 元 细 胞 的 研 究 中 已 证 数 量减 少 , 从 而不 利 于 神 经递 质 的 储存 和 释 放 。还 实 了 P IP 2 具 有 调 节 细胞 骨 架 重 排 和 胞 膜 运 动 的 作 有 报道 这 种 蛋 白 的 突 变 能 导 致 一 种 罕 见 的 遗 传 性 用, 这二者在 神经细 胞突 触生 长中 都是必 要的 事 早 发帕 金 森 症 件 。 W atanabe 等 发 现 转 染 到 PC 1 2 细 胞 中 的 PLD 2 磷 酸化 位 点 发 生 了 突 变 而 导 致 其 不 能 被 磷 酸 化 而 主 要 分 布在 生 长 锥 ( grow th cone ) 中 , 并 且 在 其 周 围 造 成的 。 这 些 为 探 讨 PLD 2 与 神 经 退 行 性 疾 病 的 发 现 了 F-肌 动蛋 白 ( F-actin ) , 进 一 步 证 实 了 PLD 2 关 系提 供 了 又 一佐 证 。 可 通 过 调节 细 胞 骨架 的 重 排 来促 进 轴 突的 生 长 。 4 3. 3 [ 19] 。在帕金森症 的发 病机制 中, 有 一种 是因为 [20] 。 这 可 能 是 由 于 A- synuclein 上 的 发展 前 景 由 此 可 见, PLD 2 在 减轻 神 经 细 胞 的 凋 亡 , 诱 导 PLD 2 与 神 经递 质 释 放 神经 递 质 合成 、贮 存 、释放 或 降 解 的 异 常 , 以 及 神 经细 胞 分 化 填 补 损 伤 区 域 及 促 进 神 经 递 质 释 放 受 体 数 量或 亲 和 性方 面 的 改 变, 都 能 影 响神 经 传 递 方 面都 起 到 一 定 的 作 用。 这 三 个 方 面 对 于 神 经 退 并 引 起 临床 疾 病 ( 如 帕 金 森 病、阿 尔 茨 海 默 病 ) 。 行 性疾 病 的 治 疗来 说 都 是十 分 重 要 的, 而 且 为 我们 神 经 递 质贮 存 在 神经 末 端 部 位的 囊 泡 内, 突 触 前 神 进 一步 研 究 PLD 2 与 神 经 退 行 性 疾 病 提 供 了 很 好 经 元 的 兴奋 传 到 其轴 突 分 支 末端 时 , 使 突触 前 膜 对 的 依据 。 且 随 着分 子 生 物学 的 发 展 , 给 我 们 更 好的 C a 的 通透 性 增 加 , Ca 内 流 , 使 囊 泡 膜 与 神 经 末 利 用 PLD 2 来 治 疗 神 经 退 行 性 疾 病 带 来 了 希 望 , 我 端 的 膜 融合 , 激 发 许 多 囊 泡 同 时 释 放 出 神 经 递 质 , 们 可以 尝 试 将 上述 基 因 包装 在 一 种 合适 的 载 体 中, 通 过 胞 吐 ( exocytosis ) 将 神 经递 质 从 开 口 处 排 出 , 进 然 后局 部 注 射 到大 脑 需 要的 位 置 , 那么 这 些 基 因就 入 突 触 间 隙 。 已 证 实 在 非 神 经 元 细 胞 中 PLD 2 有 会 在那 里 起 到 促 进 神 经 再 生 和 防 止 神 经 变 性 死 亡 2+ 2+ 促 进 胞 吐的 作 用 [ 16, 17] 。 质 膜 上 PC 经 PLD 2 作 用 转 变 为 PA, 而 PA 是一 种 致 膜 融 合 的 磷 脂 。 另 外, PA 的 作用 。 虽 然 目前 这 只 是一 种 设 想 , 但 毕 竟 我 们已 经 看到 了 希 望 的曙 光 。 还 通 过 降低 膜 联 蛋白 ( annex ins ) 对 钙 的 需 求 而 增 强 参 了 膜 联 蛋白 的 作 用。 膜 联 蛋 白 是 一 种 钙 依 赖 的 磷 脂结合蛋白。它在 分泌 颗粒与 质膜 之间形 成 / 桥 01 FA SEB J, 02 会 通 过 调节 膜 囊 泡转 运 控 制 神经 递 质 释放 。 Boyar W C, et al. C haracterizat ion of 19 9 8, 1 2 ( 1 3 ) : 1 3 0 9- 1 31 7. Sung TC, R oper RL, Zh ang Y , et al. M utagenesis of ph ospho- tein requ ired for poxviru s pathogen icity. EM BO J, 突 触 囊 泡 循 环 的 蛋 白 ) ) ) A-突 触 核 蛋 白 。 在 体 外 的 研 究 发现 A-突 触 核 蛋 白 会 通 过 与 PLD 2 的 N 端 状 态 而 言, 而 当 机 体 受 到 某 些 刺 激 , A- synu clein 对 于 PLD 2 的 抑制 作 用 就 被 胞 质 中 活 化 的 G 蛋 白 偶 03 16 Sung TC, A ltshu ller YM , M orris A J, et al. M olecu lar analys is of m amm alian phospho lipase D 2. J B iol Chem, 1 9 9 9, 274 ( 1 ) : 4 9 4-5 0 2. 04 Cho i JS, Park H J, Jo YC, et al. Immunoh istoch em ical loca l-i zat ion of phosphol ipase D 2 in emb ryonic rat bra in. 。 激 酶 通 过 磷 酸 化 A- synu clein 上 特 定 位点 使 其 丧失 抑 制 PLD 2 的 作 用, 使 得 PLD 2 1 9 9 7, ( 1 5 ) : 4 5 1 9-4 5 3 0. 重 复 区 域相 结 合 并 抑 制 其 活 性 。 那 是 相 对 于 静 息 联受体激酶 解除 献 lip ase D defin es a sup erfam ily includ ing a trans-G olgi viral pro- 在突 触 前 膜 的 终 末 池 中 存 在 一 种 重 要 的 调 节 [ 18] 文 hum an PLD 2 and the an alysis of PLD isoform sp lice variants. 联 0 ( crosslink ing ) , 促 使 膜 的 融 合 而 在 胞 吐 过 程 中 起 作 用 。因 此 , 我 们 可 推 测 PLD 2 在 神 经 细 胞 中 也 S teed PM , C lark K L, 考 N eu rosci Lett, 2 0 0 4, 3 5 7 ( 2 ) : 1 4 7-1 5 1. 05 # 494# Czarny M , Lav ie Y, Fiu cci G, et al. Phosphol ipase D 2: 国 际 神 经病 学 神 经 外 科 学 杂 志 2006年 第 33卷 第 5期 functional in teraction w ith caveol in in low -den sity m em brane m i crodom ains. FEBS Lett, 2 0 0 0, 06 C ohen AW , Hn asko R , Schubert W , 14 R esponse to Phosphatid ic A cid. 2 0 0 2, 4 3: E-A bs tract 1 6 1 7. 1 3 41-1 3 7 9. 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