LRRK2基因突變與帕金森病

【關(guān)鍵詞】  帕金森病; LRRK2基因; 基因突變

　　1 LRRK2基因突變是帕金森病關(guān)鍵影響因子

　　大部分PD患者為散發(fā)性病例， 僅有約10%～20% 患者有家族遺傳背景，目前已經(jīng)被定位和克隆的與遺傳性帕金森病相關(guān)的基因主要有：①常染色體隱性遺傳性早發(fā)型PD的相關(guān)基因：Parkin， PINK， DJ1，其中多數(shù)早發(fā)型PD是由于Parkin基因突變引起的。早發(fā)型PD臨床特點(diǎn)與散發(fā)性PD患者不同的是發(fā)病年齡相對較早，平均發(fā)病年齡在22歲左右，首發(fā)癥狀以震顫、記憶力減退為主， 青年型常染色體隱性遺傳帕金森病曾在美洲 、歐洲 、中東及北非有報(bào)道。②常染色體顯性遺傳性遲發(fā)型PD的相關(guān)基因：SNCA，LRRK2等。常染色體顯性PD患者與散發(fā)性PD患者相比較，臨床特點(diǎn)以晚發(fā)為主，平均發(fā)病年齡較晚，病程相對較長，首發(fā)癥狀以靜止性震顫和動作遲緩最為常見，其次是肌強(qiáng)直和姿勢反射障礙。在這些與PD相關(guān)的基因中，LRRK2突變是常染色體顯性遺傳性PD最常見的、研究最多的致病基因，對該基因的功能特征、分子機(jī)制和調(diào)節(jié)機(jī)制的研究對闡明PD發(fā)病機(jī)制以及發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)具有重要意義。由LRRK2引起的PD及其他神經(jīng)退行性疾病有著相同或相似的病理特征并呈現(xiàn)多樣性，最主要的特征是路易小體的出現(xiàn)和黑質(zhì)紋狀體多巴胺神經(jīng)元的缺失。LRRK2突變攜帶者以典型PD 為主要臨床表現(xiàn), 如靜止性震顫、強(qiáng)直、動作緩慢、姿勢平衡障礙，對左旋多巴治療反應(yīng)良好等[2]。先前的研究將這種遺傳性PD的基因定位在人的12號染色體上的一個叫做PARK8的區(qū)域中。在新近的研究中，科學(xué)家們著重于對這些家族成員的DNA進(jìn)行精細(xì)分析并最終確定該關(guān)鍵致病基因和突變位點(diǎn)，進(jìn)一步了解它所編碼的多功能蛋白在神經(jīng)退行性疾病中的作用。管理論文發(fā)表

　　2 LRRK2的表達(dá)定位及結(jié)構(gòu)特征

　　2.1 LRRK2的表達(dá)定位

　　LRRK2基因在人、小鼠和大鼠腦組織的不同區(qū)域中均有表達(dá)，包括黑質(zhì)、殼核、紋狀體、杏仁核區(qū)域、海馬、皮層及小腦，而在其他組織如腎、肺、脾臟、淋巴結(jié)中LRRK2的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于腦組織[3]。此外，LRRK2在小鼠腦組織不同區(qū)域或神經(jīng)核團(tuán)具有表達(dá)差異，在大腦皮質(zhì)、海馬、尾殼核、杏仁核區(qū)域LRRK2蛋白表達(dá)量最高，在黑質(zhì)、丘腦及下丘腦部分核團(tuán)、小腦普肯野細(xì)胞層也有中等強(qiáng)度的表達(dá)量。LRRK2蛋白在HEK293細(xì)胞中內(nèi)源性表達(dá)，基本分布于細(xì)胞質(zhì)中，與線粒體有很好的共定位，亞細(xì)胞定位顯示LRRK2主要分布于線粒體、 囊泡、 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和突觸終末端等細(xì)胞質(zhì)膜性結(jié)構(gòu)周圍, 但無跨膜域;其中約10%位于線粒體外膜, LRRK2編碼的LRRK2蛋白能與線粒體外膜脂筏上的相關(guān)蛋白相互作用，而脂筏中含有諸多信號分子和免疫受體，在細(xì)胞生命活動中扮演非常重要的角色，提示LRRK2可能參與囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)及軸突導(dǎo)向[4]。

　　2.2 LRRK2的結(jié)構(gòu)特征

　　據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，人的LRRK2基因位于染色體12p11.2-q13.1(小鼠于染色體15)，長約144 kb(含有7 581個堿基對)，含有51個外顯子，編碼一個由2 527個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量為275 000的LRRK2蛋白質(zhì)，屬于ROCO蛋白家族，具有多個功能區(qū)域[5]。主要功能域有6個：ARM重復(fù)序列和錨蛋白重復(fù)序列(an ARM repeat and an ankyrin repeat，ANN)、富含亮氨酸重復(fù)序列區(qū)(Leucine�瞨ich repeat, LRR) 、Ras蛋白復(fù)合體(Ras in complex proteins, ROC) 、Ras蛋白C�材┒酥貜�(fù)序列(C�瞭erminal of ROC, COR) 、MAPKKK結(jié)構(gòu)域(即激酶結(jié)構(gòu)域)和色氨酸(W)天冬氨酸(D)重復(fù)序列區(qū)(每個重復(fù)序列由40個色氨酸和天冬氨酸組成，又稱WD40區(qū)域)。其中，LRR功能域主要參與蛋白質(zhì)間的相互作用;ROC和COR 功能域具有GTP 酶活性,在Ras介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)化、細(xì)胞分裂、黏著作用的形成及MAPK信號通路中起重要作用[6];激酶結(jié)構(gòu)域主要與下游蛋白質(zhì)的磷酸化有關(guān);WD40 區(qū)域是一個在進(jìn)化上高度保守的區(qū)域，主要參與蛋白質(zhì)間的相互作用,可與多種蛋白可逆性結(jié)合，也參與運(yùn)輸和信號傳導(dǎo)過程，其中ROC結(jié)構(gòu)域和MAPKKK結(jié)構(gòu)域備受關(guān)注。

　　LRRK2不僅是一種激酶，而且是GTPase。這兩種酶活性在功能上可能是相關(guān)聯(lián)的。LRRK2同時(shí)具有ROC和MAPKKK兩個激酶結(jié)構(gòu)域，且兩個結(jié)構(gòu)域間存在調(diào)節(jié)作用;其中ROC結(jié)構(gòu)域具有GTPase激酶活性，屬于開關(guān)蛋白，通過與GTP結(jié)合活化、水解失活間的轉(zhuǎn)化來調(diào)節(jié)LRRK2的激酶活性;提示ROC結(jié)構(gòu)域是LRRK2發(fā)揮功能的調(diào)節(jié)中心，是潛在的藥物調(diào)節(jié)靶點(diǎn)，與臨床治療密切相關(guān)[7]。MAPKKK是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的關(guān)鍵因子，屬于較大的酪氨酸激酶類蛋白亞族(MLKs)[8]。GTP酶和MAPKKK參與多條信號傳導(dǎo)通路的上游調(diào)節(jié)，主要與一些蛋白質(zhì)分子的磷酸化與去磷酸化相關(guān)，位于神經(jīng)信號傳導(dǎo)級聯(lián)的上游，表明LRRK2在多種神經(jīng)細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程中起到重要的整合作用，而LRRK2基因該結(jié)構(gòu)域的相關(guān)突變很可能會干擾這些信號的正確傳導(dǎo)，導(dǎo)致PD及其他神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。

　　3 LRRK2 的常見突變及相關(guān)蛋白

　　3.1 LRRK2常見突變

　　到目前為止，已證實(shí)約有20多個與PD發(fā)病相關(guān)的LRRK2突變位點(diǎn)，不同的突變位點(diǎn)位于LRRK2的不同結(jié)構(gòu)域, 并具有明顯的區(qū)域和種族差異性。 經(jīng)鑒定與PD相關(guān)的常染色體顯性遺傳突變點(diǎn)位于LRRK2的LRR、ROC、COR和MAPKKK結(jié)構(gòu)域;常見的氨基酸置換突變位于ARM重復(fù)序列和錨蛋白重復(fù)序列以及WD40結(jié)構(gòu)域[9]。近年來，研究較為廣泛的突變位點(diǎn)有9個，分別是位于ROC結(jié)構(gòu)域的R1441C，R1441G，R1441H，R1514Q突變;位于COR區(qū)域的Y1699C突變;位于激酶結(jié)構(gòu)域的G2019S，I2020T，I2012T突變以及位于WD40區(qū)域的G2385R突變。這些位點(diǎn)突變是如何導(dǎo)致PD發(fā)病的機(jī)制目前還沒有明確的結(jié)論。

　　G2019S是最常見的突變位點(diǎn)，位于LRRK2的41號外顯子上，是LRRK2激酶結(jié)構(gòu)域中保守的鎂離子結(jié)合區(qū)域[10]。該突變位點(diǎn)在家族性PD患者中的突變率約為2%～6%，在散發(fā)性PD患者中的突變率僅為1%～2%。G2019S突變在北歐猶太人群和北非人群中比較常見，突變率高達(dá)20%～40%，但在亞洲人群中比較罕見[11]。先前的研究發(fā)現(xiàn)，G2019S突變能夠增加LRRK2蛋白激酶活性，加速ERM(ezrin/radixin/moesin)蛋白磷酸化，從而抑制神經(jīng)軸突的生長，導(dǎo)致相關(guān)的多巴胺神經(jīng)元出現(xiàn)生長缺陷[12]，這可能與其致病機(jī)制有關(guān)。G2385R突變常見于亞洲人種，在新加坡，中國大陸和中國臺灣3個地區(qū)發(fā)現(xiàn)的G2385R突變與中國人的PD密切相關(guān)[11]。該位點(diǎn)突變與LRRK2的WD40功能域有關(guān)，其機(jī)制可能是誘導(dǎo)WD40功能域上的N末端豆蔻酰化從而促使神經(jīng)毒性的產(chǎn)生，觸發(fā)細(xì)胞凋亡;同時(shí)，G2385R突變使該結(jié)構(gòu)域的正電荷大量增加，進(jìn)而影響細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸和信號傳導(dǎo)，加速了LRRK2蛋白自身的聚集，促使各種神經(jīng)纖維聚集體和包涵體的產(chǎn)生，從而干擾LRRK2與其他蛋白質(zhì)間的相互作用[13-14]。也有學(xué)者認(rèn)為該位點(diǎn)突變會導(dǎo)致線粒體功能紊亂從而導(dǎo)致PD發(fā)病。管理論文發(fā)表

　　3.2 LRRK2突變相關(guān)蛋白

　　目前，國內(nèi)外關(guān)于LRRK2致病機(jī)制的研究主要集中在氧化應(yīng)激，線粒體損傷機(jī)制和神經(jīng)毒性機(jī)制等方面，這與LRRK2所編碼的功能性蛋白密切相關(guān)。LRRK2基因突變極可能導(dǎo)致它所編碼的LRRK2蛋白的功能改變，進(jìn)而觸發(fā)一系列通路障礙。先前的一系列報(bào)道表明與PD 相關(guān)的LRRK2 突變可同時(shí)影響其所具有的GTP 酶及蛋白激酶的活性。目前流行的一種假說認(rèn)為這些突變直接或間接地提高了LRRK2激酶的活性，并且該激酶活性的增強(qiáng)與一些具有神經(jīng)毒性的包涵體生成有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，在ROC 結(jié)構(gòu)域附近的R1441C/G、R1541Q及COR結(jié)構(gòu)域中的Y1699C的突變能同時(shí)提高GTP 酶與其GTP底物的結(jié)合能力及蛋白激酶活性, I1371V 則僅能提高GTP 酶與其GTP底物的結(jié)合力;而能顯著影響蛋白激酶活性的突變?nèi)缂っ附Y(jié)構(gòu)域附近G2019S、I2012T、I2020T和LRR功能域中的I1122V 均不會明顯改變GTP酶與其底物GTP的結(jié)合力;而WD40功能域附近的G2385R對GTP 結(jié)合力及蛋白激酶活性沒有顯著影響，說明大部分與PD相關(guān)的突變能通過影響GTP酶活性來調(diào)節(jié)蛋白激酶活性[4]。在與PD有關(guān)的幾種LRRK2突變中，G2019S，R1441G，I2020T能夠顯著提高激酶活性，其中以G2019S作用最為明顯;R1441H、I2012T和G2385R突變對LRRK2激酶活性具有抑制作用，而R1441C、Y1699C和T2356I對其活性的改變沒有影響[15-16]。
Zimprich等[17]在對大量神經(jīng)退行性疾病患者的研究中發(fā)現(xiàn)，LRRK2與α�餐挥|角蛋白和tau蛋白的磷酸化有關(guān)，LRRK2的蛋白激酶活性影響這些蛋白在退化神經(jīng)元中的聚集和降解過程。然而，LRRK2基因突變以何種方式引起PD，遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜得多。LRRK2激酶活性的改變也僅僅是其中的一種方式，但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，影響LRRK2 的激酶活性可能是各個突變發(fā)揮神經(jīng)毒性的共同通路。有報(bào)道指出，在LRRK2參與的真核細(xì)胞翻譯啟始因子4E(EIF4E)與翻譯的負(fù)調(diào)控因子(4E�睟P)即EIF4E/4E�睟P調(diào)節(jié)通路中，LRRK2突變不但影響EIF4E介導(dǎo)的蛋白質(zhì)翻譯過程，而且能夠削弱機(jī)體對氧化應(yīng)激反應(yīng)的耐受性，并顯著降低大腦中多巴胺神經(jīng)元的存活率[18]。研究表明LRRK2能與蛋白質(zhì)翻譯過程中的調(diào)控元件相互作用，從而影響蛋白質(zhì)的翻譯過程，這可能是LRRK2突變致病的另一途徑。隨著分子生物學(xué)和生物信息學(xué)的快速發(fā)展，對LRRK2基因表達(dá)量的數(shù)量性狀基因座(QTL)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LRRK2基因在Chr4和Chr15 處存在連鎖群體顯著性水平閾值(LRS)≥20 的峰值，在Chr8，13和18處也有LRS為10的峰值，說明LRRK2的表達(dá)調(diào)控既有cis又有tran調(diào)節(jié)，對LRRK2表達(dá)調(diào)控的研究無疑將會給其發(fā)病機(jī)制的探索帶來新的曙光。

　　還有學(xué)者認(rèn)為LRRK2突變不僅僅與神經(jīng)退行性有關(guān)，可能也參與其他疾病的發(fā)病過程。新的研究發(fā)現(xiàn)LRRK2基因在脾臟中的表達(dá)量具有明顯的年齡依賴性，尤其是在B淋巴細(xì)胞中，提示LRRK2可能與人體的免疫系統(tǒng)功能相關(guān)，而LRRK2突變是否會導(dǎo)致免疫系統(tǒng)病變目前仍在探索中。

　　4 結(jié) 語

　　從帕金森病的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有近兩百年的研究歷史，由于引起帕金森病發(fā)病的因素多而且影響因素復(fù)雜，雖然對已發(fā)現(xiàn)的多種相關(guān)基因進(jìn)行了大量研究，但是均未能夠完全解釋帕金森病的臨床和病理學(xué)特點(diǎn)及機(jī)制。隨著LRRK2基因的發(fā)現(xiàn)以及對可能導(dǎo)致帕金森病發(fā)病機(jī)制的深入研究，人們對帕金森病有了更深層次的認(rèn)識，同時(shí)，也為更加深入和廣泛地研究帕金森病發(fā)病機(jī)制提供了新的方向。尤其是LRRK2 蛋白及其突變蛋白的生理病理功能的確定，將為帕金森病的診斷和治療提供新的靶點(diǎn)。LRRK2突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)相互作用的改變很可能是LRRK2突變體導(dǎo)致帕金森病發(fā)生的分子機(jī)制，因此，確定與LRRK2 相互作用的蛋白對于研究LRRK2的正常功能和探索LRRK2的致病機(jī)制有極其重要的意義。

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