CDK-5在神經病變研究現況

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本文作者：張紅麗劉亞玲作者單位：河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院神經內科

細胞周期依賴性蛋白激酶5(cdk-5)最初是從鼠腦c-DNA庫中提取克隆出來，并發(fā)現其可以磷酸化賴氨酸-絲氨酸-脯氨酸序列的神經微絲，因與CDK家族成員CDK-1、CDK-2分別具有58%、61%的氨基酸序列同源性，故被稱為神經特異性CDC2激酶(NCLK)［1］。CDK-5是由292個氨基酸殘基組成，相對分子質量為33×103的蛋白質，CDK-5具有高度保守性，且廣泛存在于中樞神經系統中，可磷酸化一系列與細胞的形態(tài)及動力學有關的蛋白質，目前所知道的CDK-5的底物大多數為細胞骨架蛋白、信號轉導分子和一些調節(jié)蛋白，在有絲分裂后的神經元中，CDK-5對發(fā)育的腦組織中神經元的遷移和分化至關重要。并且在一些神經變性病，如帕金森病(Parkinsondisease，PD)、阿爾茨海默病(Alzheimerdisease，AD)、肌萎縮性側索硬化、亨廷頓病等疾病的神經元損傷中也存在CDK-5的異常聚集。已證實CDK-5參與神經變性疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，因此CDK-5備受關注。

1CDK-5概述

CDK-5是脯氨酸限定性絲/蘇氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶，它包含有全部保守的蛋白激酶區(qū)域，并在第Ⅲ區(qū)域中含有CDK家族成員共有的PSTAIRE結構域［2］?，F已發(fā)現受CDK-5磷酸化的底物約20多種，其作用底物均含有一致性序列(S/T)PX(K/H/R)［3］，具體底物包括Tau、高相對分子質量神經絲蛋白(neurofilamentH，NF-H)和囊泡蛋白等。CDK-5在哺乳動物組織中廣泛表達，以腦中表達最高，CDK-5的活性并不僅局限在中樞神經系統［4］。CDK-5大部分以單體形式存在，只有與其特異激活因子p35、p39結合后才具有生物活性，進而磷酸化其底物。p35-CDK-5主要分布于胞質，p39-CDK-5主要分布于胞核，這種分布的差異也決定了兩者功能的不同［5］。CDK-5通過磷酸化特定位點來調節(jié)其激酶活性，CDK-5的活性位點有Thr14、Thr15、Alb和Ser159等，p35通過泛素蛋白酶體系統降解，缺乏CDK-5磷酸化位點的p35突變體的穩(wěn)定性增強，半衰期延長［6］，故p35的磷酸化與蛋白酶體降解可對CDK-5活性起負性調節(jié)作用。

2CDK-5在神經系統發(fā)育中的作用

2．1CDK-5與神經元的遷移和分化

剔除CDK-5的小鼠60%在子宮內就死亡，這可能與神經系統缺陷有關，類似情況也發(fā)生在p35－/p39－的小鼠。有趣的是這種現象完全可被植入p35啟動子下游的CDK-5基因轉染所逆轉，表明神經元細胞CDK-5的活性在正常的神經系統發(fā)育中起不可替代的作用［7-8］。CDK-5激酶活性不僅存在于神經元細胞還存在于小神經膠質細胞［9］、星形膠質細胞［10］和少突膠質細胞［11］，有學者在體內實驗研究證實，CDK-5在少突膠質細胞的分化過程中扮演重要角色［12］。正常成年哺乳動物大腦皮質的六層板層結構是通過神經元的正確遷移而形成的，且遵循早期神經元在皮質深層，晚期神經元向外遷移的模式，但這種皮層形成模式在CDK-5和p35突變小鼠模型中完全被打亂［13］。Ayala等［14］報道了皮質神經元遷移中與CDK-5相互作用的一系列底物，如MAP1b、Tau、Ndell等，這對遷移過程中CDK-5信號通路的建立有重要意義。Miyamoto等［15］首次報道CDK5在血小板源性生長因子誘導的少突膠質前體細胞遷移中的作用。CDK5/p35在中樞神經系統的中間神經元的定位很重要，p35缺失的小鼠存在皮質板層結構倒錯與大量的中間神經元堆積在皮質層上層，進一步證實這種不正常的定位源于滯后的切向遷移阻止了中間神經元遷移到特定的位置［16］。此外，在脊髓神經元中，CDK-5的缺失導致交感和副交感神經節(jié)神經元以及2種中間神經元無法遷移到正確位置［17］。然而，CDK-5參與神經元遷移的下游分子還有待進一步研究。

2．2CDK-5與軸突生長

剔除CDK-5的小鼠除了有腦發(fā)育缺陷外還伴有軸突的生長障礙。Li等［18］在培養(yǎng)的神經元細胞中也發(fā)現CDK-5參與細胞軸突的生長過程。應用免疫組織化學研究發(fā)現，在胼胝體和外囊的神經元分化期軸突部有CDK-5和p35的聚集。有學者認為，CDK-5的亞基化對于樹突的生長有重要作用［19］。Pctaire1為Pctaire基因編碼的CDK相關的蛋白激酶，其激酶活性受CDK-5的調節(jié)。Fu等［20］進一步研究證實，CDK-5可通過磷酸化Pctaire1激酶的絲氨酸第95位點起到促進神經元分化及軸突的生長的作用，然而，Pctaire基因剔除或絲氨酸第95位點磷酸化障礙都可破壞軸突生長。

2．3CDK-5與突觸發(fā)生

Cheung等［21］證實在海馬神經元的樹突生長過程中有CDK-5的參與，在缺乏CDK-5激酶活性的突變小鼠中觀察到誘發(fā)樹突形成的腦源性神經生長因子遭到破壞。另外，具有CDK-5磷酸化位點Ser478的神經元比高表達TrKB而無Ser478磷酸化位點的神經元有更多的樹突結構［22］。同年，Fu等［22］報道過CDK-5通過磷酸化ephexin1激活Eph受體A4，從而調節(jié)樹突棘的收縮。此外，CDK-5與蛋白底物Synapsin1、Munc18和Amphipysin作用介導突觸前神經遞質的釋放。在胚胎的肌肉組織和神經肌肉接頭處富含CDK-5和p35［23］，CDK-5還參與神經肌肉接頭的形成和維持過程。總之，CDK-5可磷酸化很多與神經突延伸，突觸和樹突棘成熟有關的底物蛋白來發(fā)揮其對神經突觸發(fā)生與維持的調節(jié)作用。

3CDK-5在神經變性疾病中的作用

神經變性病是以中樞神經系統內特定神經元的損傷丟失為特征的一組慢性進展性疾病，CDK-5誘導神經元凋亡主要通過兩個不同的機制;一是通過細胞質途徑導致細胞骨架崩解;二是細胞核途徑干擾促存活基因。2006年Camins等［24］認為CDK-5/p25復合物還可能通過糖原合成酶激酶3β和C-JUNK通路致神經元死亡。CDK-5究竟起促凋亡還是抑凋亡的作用取決于細胞的周圍環(huán)境、整體狀態(tài)和CDK-5的調節(jié)因子的情況。

3．1CDK-5與AD

目前普遍認為AD的主要發(fā)病機制是細胞外老年斑和神經元纖維纏結的大量形成所產生的毒性作用。老年斑的主要成分是β淀粉樣蛋白(Aβ)，神經元纖維纏結由雙股螺旋細絲組成，而這種雙股螺旋細絲是由大量異常高度磷酸化的tau蛋白形成的。Tau蛋白一些磷酸化位點能被CDK-5和糖原合成酶激酶3β磷酸化，并且tauSer396和Ser404的磷酸化還參與雙股螺旋細絲1的形成。海馬細胞培養(yǎng)結果表明［25］，神經元變性時，由CDK5引發(fā)的tau蛋白異常磷酸化能易化糖原合成酶激酶3β對tau蛋白的磷酸化，從而阻礙其與微管結合，影響軸漿轉運過程。在AD患者腦提取物中發(fā)現p25含量顯著增高，患者額葉、頂葉和海馬p25/p35比率較對照組高，以額葉最明顯，證實p25與神經毒性有關聯。2003年有學者利用體內過表達p25的轉基因小鼠證實，CDK5酶活性的異常調節(jié)可導致Tau蛋白聚集和神經纖維原纏結病理［26］。2011年Hsiao等［27］研究認為，CDK-5參與生物隔離轉基因AD小鼠認知障礙的發(fā)生。由此可見，在神經毒性損傷條件下，CDK-5可以促進神經退行性病變的發(fā)生過程。

3．2CDK-5與PD

1995年，Brion和Couck發(fā)現CDK-5存在于PD患者中腦的路易小體中。超微結構顯示，路易小體由8～10nm細纖維堆積而成，目前，已鑒定出高、中、低相對分子質量的神經絲蛋白，體外實驗證實，CDK-5可以磷酸化高、中相對分子質量的神經絲蛋白的KSP序列，故CDK5被認為是路易小體的神經絲蛋白磷酸化激酶。2003年，報道在PD小鼠模型中CDK-5的活性是增強的，而下調CDK-5的活性或應用激酶抑制劑都可以保護多巴胺神經元的缺失［28］。左旋多巴是治療PD的有效藥物，2003年，Fahn［29］研究顯示，PD患者腦內紋狀體ΔfosB的表達增加可能與慢性攝入左旋多巴有關，而ΔfosB會增加CDK-5的轉錄并激活其活性。這就導致患者治療過程中對左旋多巴療效的降低。此外，在長期應用左旋多巴治療后患者易出現異動癥，研究發(fā)現，在異動癥大鼠紋狀體內Thr-34位點磷酸化的DARPP-32水平和CDK-5表達升高，如注入CDK-5抑制劑，異動癥大鼠的異常不自主運動癥狀則加重，對此解釋是異動癥大鼠紋狀體內CDK-5表達顯著增強是繼發(fā)于ΔfosB增加的下游改變，是機體用于減輕長期左旋多巴治療所致D1/PKA通路活性增高的一種代償性適應過程［30］。因此，在考慮應用CDK-5抑制劑治療PD時應該慎重，尚需要更多的實驗支持。

3．3CDK-5與肌萎縮側索硬化

肌萎縮側索硬化的病理特點是在運動神經元的胞體和軸突近端的NFs的聚集。家族性肌萎縮側索硬化癥與SOD-1基因突變密切相關，Nguyen等［31］在SOD-1G37R轉基因小鼠模型發(fā)現p25/p35比率升高，CDK-5活性增強，且核周伴有CDK-5、p25與NFs聚集、Tau蛋白和神經絲的高度磷酸化。2003年該學者進一步應用CDK-5磷酸化NF特異性抗體可標記出病變神經元有NF聚集，NFH過度表達也產生此種聚集現象［32］。軸索運輸和細胞骨架是肌萎縮側索硬化發(fā)病的中心環(huán)節(jié)，而NFs異常蓄積是導致軸索運輸障礙的直接原因，CDK-5對Tau蛋白和神經絲蛋白的過度磷酸化進一步導致細胞骨架和軸索運輸異常。以往這些研究證實，CDK-5參與了病變中神經元死亡病理［31-32］。因此，CDK-5對肌萎縮側索硬化的發(fā)生、發(fā)展具有重要的病理生理學意義。

3．4CDK-5與亨廷頓病

亨廷頓病病理特點是Huntingtin(htt)蛋白中的多聚谷氨酰胺的膨脹擴張。研究顯示，htt和CDK-5共同表達于胞膜，CDK-5可以在絲氨酸434位點磷酸化htt，對表達有htt588的細胞株的實驗觀察發(fā)現，CDK-5的磷酸化不僅降低了突變體htt的裂解，還大大削減了截短型htt蛋白聚集物的形成和其毒性作用。然而，在亨廷頓病轉基因小鼠腦內CDK-5的活性與正常對照組卻是降低的，其可能的原因是與htt干擾了CDK-5/p35復合物的形成。2005年，Luo等［33］證實，CDK-5磷酸化對表達有htt蛋白毒性片段的細胞確實有保護作用。CDK-5能否成為亨廷頓病的治療的新靶點，目前正在進行實驗研究。

3．5CDK-5與進行性核上性麻痹

進行性核上性麻痹是Tau蛋白疾病的一種散發(fā)形式，病理特征是在一些皮質下結構可見神經元纖維纏結。2002年，Borghi等［34］研究小組通過免疫印記和免疫組織化學的方法對7例進行性核上性麻痹，6例AD和7例對照病例的患者檢測了腦中CDK-5/p35蛋白水平和分布，發(fā)現進行性核上性麻痹患者CDK-5的總蛋白水平較對照組高3倍，并與Tau蛋白免疫共存。此外，酯類超氧化物的毒性產物(如4-羥基壬烯醛、丙二醛)在進行性核上性麻痹患者腦中也選擇性增高，并與Tau蛋白的病變程度呈正相關。由此可見，在進行性核上性麻痹的發(fā)病過程中，CDK-5激酶的大量產生參與Tau蛋白的磷酸化過程，從而促進Tau蛋白堆積而介導酯類過氧化的有害效應。

4結語

近年來，CDK-5作為細胞周期依賴性激酶家族中比較特殊的一員，在各個系統都有不少研究，在神經系統疾病，如神經變性病中所起的作用也日漸受到重視。雖然CDK-5在神經元遷移分化、軸突生長與突觸發(fā)生過程中的作用已明確，但在神經系統變性中的研究仍然處于初級階段，神經系統變性疾病一直被視為頑固而難治的疾病，是多年來神經病學專家們久攻難克的課題。伴隨基礎研究的發(fā)展，CDK-5與神經變性病的關系越來越密切，CDK-5既起到神經保護作用也可能導致疾病的進展，其具體的作用和機制有待進一步深入研究，期望為將來治療神經變性疾病提供新思路和靶點。