浅论LRRK2基因突变与帕金森病.docx
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浅论LRRK2基因突变与帕金森病
浅论LRRK2基因突变与帕金森病
【关键词】帕金森病;LRRK2基因;基因突变
1LRRK2基因突变是帕金森病关键影响因子
大部分PD患者为散发性病例,仅有约10%~20%患者有家族遗传背景,目前已经被定位和克隆的与遗传性帕金森病相关的基因主要有:
①常染色体隐性遗传性早发型PD的相关基因:
Parkin,PINK,DJ1,其中多数早发型PD是由于Parkin基因突变引起的。
早发型PD临床特点与散发性PD患者不同的是发病年龄相对较早,平均发病年龄在22岁左右,首发症状以震颤、记忆力减退为主,青年型常染色体隐性遗传帕金森病曾在美洲、欧洲、中东及北非有报道。
②常染色体显性遗传性迟发型PD的相关基因:
SNCA,LRRK2等。
常染色体显性PD患者与散发性PD患者相比较,临床特点以晚发为主,平均发病年龄较晚,病程相对较长,首发症状以静止性震颤和动作迟缓最为常见,其次是肌强直和姿势反射障碍。
在这些与PD相关的基因中,LRRK2突变是常染色体显性遗传性PD最常见的、研究最多的致病基因,对该基因的功能特征、分子机制和调节机制的研究对阐明PD发病机制以及发现新的治疗靶点具有重要意义。
由LRRK2引起的PD及其他神经退行性疾病有着相同或相似的病理特征并呈现多样性,最主要的特征是路易小体的出现和黑质纹状体多巴胺神经元的缺失。
LRRK2突变携带者以典型PD为主要临床表现,如静止性震颤、强直、动作缓慢、姿势平衡障碍,对左旋多巴治疗反应良好等。
先前的研究将这种遗传性PD的基因定位在人的12号染色体上的一个叫做PARK8的区域中。
在新近的研究中,科学家们着重于对这些家族成员的DNA进行精细分析并最终确定该关键致病基因和突变位点,进一步了解它所编码的多功能蛋白在神经退行性疾病中的作用。
2LRRK2的表达定位及结构特征
LRRK2的表达定位
LRRK2基因在人、小鼠和大鼠脑组织的不同区域中均有表达,包括黑质、壳核、纹状体、杏仁核区域、海马、皮层及小脑,而在其他组织如肾、肺、脾脏、淋巴结中LRRK2的表达量远远高于脑组织。
此外,LRRK2在小鼠脑组织不同区域或神经核团具有表达差异,在大脑皮质、海马、尾壳核、杏仁核区域LRRK2蛋白表达量最高,在黑质、丘脑及下丘脑部分核团、小脑普肯野细胞层也有中等强度的表达量。
LRRK2蛋白在HEK293细胞中内源性表达,基本分布于细胞质中,与线粒体有很好的共定位,亚细胞定位显示LRRK2主要分布于线粒体、囊泡、内质网、高尔基体和突触终末端等细胞质膜性结构周围,但无跨膜域;其中约10%位于线粒体外膜,LRRK2编码的LRRK2蛋白能与线粒体外膜脂筏上的相关蛋白相互作用,而脂筏中含有诸多信号分子和免疫受体,在细胞生命活动中扮演非常重要的角色,提示LRRK2可能参与囊泡转运及轴突导向。
LRRK2的结构特征
据文献报道,人的LRRK2基因位于染色体(小鼠于染色体15),长约144kb(含有7581个碱基对),含有51个外显子,编码一个由2527个氨基酸组成,相对分子质量为275000的LRRK2蛋白质,属于ROCO蛋白家族,具有多个功能区域。
主要功能域有6个:
ARM重复序列和锚蛋白重复序列(anARMrepeatandanankyrinrepeat,ANN)、富含亮氨酸重复序列区(Leucinerichrepeat,LRR)、Ras蛋白复合体(Rasincomplexproteins,ROC)、Ras蛋白C末端重复序列(CterminalofROC,COR)、MAPKKK结构域(即激酶结构域)和色氨酸(W)天冬氨酸(D)重复序列区(每个重复序列由40个色氨酸和天冬氨酸组成,又称WD40区域)。
其中,LRR功能域主要参与蛋白质间的相互作用;ROC和COR功能域具有GTP酶活性,在Ras介导的细胞转化、细胞分裂、黏着作用的形成及MAPK信号通路中起重要作用;激酶结构域主要与下游蛋白质的磷酸化有关;WD40区域是一个在进化上高度保守的区域,主要参与蛋白质间的相互作用,可与多种蛋白可逆性结合,也参与运输和信号传导过程,其中ROC结构域和MAPKKK结构域备受关注。
LRRK2不仅是一种激酶,而且是GTPase。
这两种酶活性在功能上可能是相关联的。
LRRK2同时具有ROC和MAPKKK两个激酶结构域,且两个结构域间存在调节作用;其中ROC结构域具有GTPase激酶活性,属于开关蛋白,通过与GTP结合活化、水解失活间的转化来调节LRRK2的激酶活性;提示ROC结构域是LRRK2发挥功能的调节中心,是潜在的药物调节靶点,与临床治疗密切相关。
MAPKKK是信号转导过程中的关键因子,属于较大的酪氨酸激酶类蛋白亚族(MLKs)。
GTP酶和MAPKKK参与多条信号传导通路的上游调节,主要与一些蛋白质分子的磷酸化与去磷酸化相关,位于神经信号传导级联的上游,表明LRRK2在多种神经细胞信号传导过程中起到重要的整合作用,而LRRK2基因该结构域的相关突变很可能会干扰这些信号的正确传导,导致PD及其他神经退行性疾病的发生。
3LRRK2的常见突变及相关蛋白
LRRK2常见突变
到目前为止,已证实约有20多个与PD发病相关的LRRK2突变位点,不同的突变位点位于LRRK2的不同结构域,并具有明显的区域和种族差异性。
经鉴定与PD相关的常染色体显性遗传突变点位于LRRK2的LRR、ROC、COR和MAPKKK结构域;常见的氨基酸置换突变位于ARM重复序列和锚蛋白重复序列以及WD40结构域。
近年来,研究较为广泛的突变位点有9个,分别是位于ROC结构域的R1441C,R1441G,R1441H,R1514Q突变;位于COR区域的Y1699C突变;位于激酶结构域的G2019S,I2020T,I2012T突变以及位于WD40区域的G2385R突变。
这些位点突变是如何导致PD发病的机制目前还没有明确的结论。
G2019S是最常见的突变位点,位于LRRK2的41号外显子上,是LRRK2激酶结构域中保守的镁离子结合区域[10]。
该突变位点在家族性PD患者中的突变率约为2%~6%,在散发性PD患者中的突变率仅为1%~2%。
G2019S突变在北欧犹太人群和北非人群中比较常见,突变率高达20%~40%,但在亚洲人群中比较罕见[11]。
先前的研究发现,G2019S突变能够增加LRRK2蛋白激酶活性,加速ERM(ezrin/radixin/moesin)蛋白磷酸化,从而抑制神经轴突的生长,导致相关的多巴胺神经元出现生长缺陷[12],这可能与其致病机制有关。
G2385R突变常见于亚洲人种,在新加坡,中国大陆和中国台湾3个地区发现的G2385R突变与中国人的PD密切相关[11]。
该位点突变与LRRK2的WD40功能域有关,其机制可能是诱导WD40功能域上的N末端豆蔻酰化从而促使神经毒性的产生,触发细胞凋亡;同时,G2385R突变使该结构域的正电荷大量增加,进而影响细胞的物质运输和信号传导,加速了LRRK2蛋白自身的聚集,促使各种神经纤维聚集体和包涵体的产生,从而干扰LRRK2与其他蛋白质间的相互作用[13-14]。
也有学者认为该位点突变会导致线粒体功能紊乱从而导致PD发病。
LRRK2突变相关蛋白
目前,国内外关于LRRK2致病机制的研究主要集中在氧化应激,线粒体损伤机制和神经毒性机制等方面,这与LRRK2所编码的功能性蛋白密切相关。
LRRK2基因突变极可能导致它所编码的LRRK2蛋白的功能改变,进而触发一系列通路障碍。
先前的一系列报道表明与PD相关的LRRK2突变可同时影响其所具有的GTP酶及蛋白激酶的活性。
目前流行的一种假说认为这些突变直接或间接地提高了LRRK2激酶的活性,并且该激酶活性的增强与一些具有神经毒性的包涵体生成有关。
研究发现,在ROC结构域附近的R1441C/G、R1541Q及COR结构域中的Y1699C的突变能同时提高GTP酶与其GTP底物的结合能力及蛋白激酶活性,I1371V则仅能提高GTP酶与其GTP底物的结合力;而能显着影响蛋白激酶活性的突变如激酶结构域附近G2019S、I2012T、I2020T和LRR功能域中的I1122V均不会明显改变GTP酶与其底物GTP的结合力;而WD40功能域附近的G2385R对GTP结合力及蛋白激酶活性没有显着影响,说明大部分与PD相关的突变能通过影响GTP酶活性来调节蛋白激酶活性。
在与PD有关的几种LRRK2突变中,G2019S,R1441G,I2020T能够显着提高激酶活性,其中以G2019S作用最为明显;R1441H、I2012T和G2385R突变对LRRK2激酶活性具有抑制作用,而R1441C、Y1699C和T2356I对其活性的改变没有影响[15-16]。
Zimprich等[17]在对大量神经退行性疾病患者的研究中发现,LRRK2与α突触角蛋白和tau蛋白的磷酸化有关,LRRK2的蛋白激酶活性影响这些蛋白在退化神经元中的聚集和降解过程。
然而,LRRK2基因突变以何种方式引起PD,远比我们想象的要复杂得多。
LRRK2激酶活性的改变也仅仅是其中的一种方式,但多数学者认为,影响LRRK2的激酶活性可能是各个突变发挥神经毒性的共同通路。
有报道指出,在LRRK2参与的真核细胞翻译启始因子4E(EIF4E)与翻译的负调控因子(4EBP)即EIF4E/4EBP调节通路中,LRRK2突变不但影响EIF4E介导的蛋白质翻译过程,而且能够削弱机体对氧化应激反应的耐受性,并显着降低大脑中多巴胺神经元的存活率[18]。
研究表明LRRK2能与蛋白质翻译过程中的调控元件相互作用,从而影响蛋白质的翻译过程,这可能是LRRK2突变致病的另一途径。
随着分子生物学和生物信息学的快速发展,对LRRK2基因表达量的数量性状基因座(QTL)分析结果发现,LRRK2基因在Chr4和Chr15处存在连锁群体显着性水平阈值(LRS)≥20的峰值,在Chr8,13和18处也有LRS为10的峰值,说明LRRK2的表达调控既有cis又有tran调节,对LRRK2表达调控的研究无疑将会给其发病机制的探索带来新的曙光。
还有学者认为LRRK2突变不仅仅与神经退行性有关,可能也参与其他疾病的发病过程。
新的研究发现LRRK2基因在脾脏中的表达量具有明显的年龄依赖性,尤其是在B淋巴细胞中,提示LRRK2可能与人体的免疫系统功能相关,而LRRK2突变是否会导致免疫系统病变目前仍在探索中。
4结语
从帕金森病的发现到现在已经有近两百年的研究历史,由于引起帕金森病发病的因素多而且影响因素复杂,虽然对已发现的多种相关基因进行了大量研究,但是均未能够完全解释帕金森病的临床和病理学特点及机制。
随着LRRK2基因的发现以及对可能导致帕金森病发病机制的深入研究,人们对帕金森病有了更深层次的认识,同时,也为更加深入和广泛地研究帕金森病发病机制提供了新的方向。
尤其是LRRK2蛋白及其突变蛋白的生理病理功能的确定,将为帕金森病的诊断和治疗提供新的靶点。
LRRK2突变导致蛋白质相互作用的改变很可能是LRRK2突变体导致帕金森病发生的分子机制,因此,确定与LRRK2相互作用的蛋白对于研究LRRK2的正常功能和探索LRRK2的致病机制有极其重要的意义。
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