p21活化激酶參與神經系統疾病的研究進展

邵 媛，梁 濤，徐祖才，張 駿

(遵義醫學院附屬醫院神經內科，貴州 遵義 563000)

p21活化激酶(p21-activated kinase，PAKs)是Rho GTP酶的下游效應器，其參與細胞表面及細胞內各種信號級聯過程，從而影響細胞運動、細胞周期、增殖、轉化、氧化還原、代謝、炎癥發生以及基因表達等生理過程[1]。PAKs包含6個成員，分為兩組，組Ⅰ：PAK1～3；組Ⅱ：PAK4～6。組ⅠPAKs可通過GTP酶-結合域與細胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)和Ras相關的C3肉毒素底物(Ras-related C3 botulinum toxin substrate，RAC)1結合而直接被激活，產生激酶活性調節多種重要的細胞生理及病理過程。組ⅡPAKs既不與RAC1結合也不受CDC42刺激，而是進行自我磷酸化后產生活性，其激活需要自抑制偽底物的參與。PAKs在人體各組織中均有表達，雖然6種激酶在表達部位上存在差異，但在大腦中均有顯著的共同表達[2]。基因、生物化學和行為證據表明，正常的學習和記憶功能需要有正常的PAKs和相關的信號通路的參與，而這些通路在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、亨廷頓舞蹈癥(Huntington disease，HD)以及其他伴隨發育認知缺陷的綜合征中被打亂，且這些激酶可以作為治療干預的潛在目標[3]。現就PAKs在神經精神相關疾病中的研究進展進行綜述。

1 PAKs與神經系統疾病

1.1PAKs與AD AD是最常見的神經系統退行性疾病，其特點是漸進性認知功能減退，病理上形成了由β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)和神經原纖維纏繞成的神經纖維纏結(其主要成分是過度磷酸化的Tau蛋白)。AD患者認知能力減退與突觸功能障礙直接相關，尤其是突觸和樹突棘的病理改變對其有明顯影響[4]。PAKs通過調節LIM激酶(LIM domain kinase，LIMK)-cofilin(大腦發育調節蛋白)通路來調控肌動蛋白，從而影響突觸功能，包括突觸可塑性和記憶形成[5]。而RAC/CDC42激活的組ⅠPAKs是樹突棘形態形成的關鍵調節劑，因此PAKs的異常可能是參與AD的發病機制之一。Rho相關蛋白激酶(Rho-associated protein kinase,ROCK)ROCK，是Rho下游重要的效應分子,可以誘導淀粉樣前體蛋白轉變為Aβ，折疊反應中介蛋白2是ROCK的一個效應器，實驗發現在AD模型小鼠的大腦皮質中，圍繞在淀粉樣蛋白斑塊周圍神經細胞的磷酸化折疊反應中介蛋白2水平增加[6]。這些觀察結果表明，異常的ROCK和下游的折疊反應中介蛋白2信號可能參與AD的發病機制，而Rho-ROCK/LIMK/cofilin信號通路的失調也可能在AD突觸缺陷的發病機制中起作用。Rho家族與N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDARs)相互作用使鈣離子發生流動，激活G蛋白偶聯受體激酶相互作用蛋白1(G-protein-coupled receptor kinase interacting proteins 1，GIT1)和RAC，隨后導致下游的PAKs激活從而誘導突觸形成，在AD大鼠中的海馬和大腦皮質中NMDARs的亞基NR2A和NR2B的mRNA水平均下降，并且用Aβ低聚物處理培養神經元中后，NMDARs水平降低并且顯著阻斷了RAC和磷酸化PAKs轉位[7]。AD患者及AD動物模型大腦組織的進一步研究發現細胞質內PAK1和PAK3均出現丟失，而海馬體中的絲狀蛋白逐漸增多，伴隨著彌散性磷酸化PAKs逐漸減少，同時出現顆粒狀結構染色，這些病理變化的出現也伴隨著樹突棘內調節肌動蛋白的大腦發育調節蛋白減少[8]。此外在用Aβ纖維處理體外培養的神經元會出現PAKs的異常激活，從而激活LIMK，誘導絲切蛋白磷酸化，同時伴隨著纖維狀肌動蛋白和樹突棘的迅速丟失[9]，在AD患者大腦中發生了AD典型病理改變的區域內含磷酸化LIMK的神經元數量也顯著增多[10]。一項AD動物模型的研究也表明，PAKs失活會增加磷酸化Tau蛋白,同時導致神經損傷和額葉依賴性行為缺陷[11]。上述研究表明，PAKs在AD患者的神經異常和行為缺陷中起關鍵作用，異常的PAKs可能參與AD的發病，而PAKs/LIMK/cofilin通路、Rho-ROCK/LIMK/cofilin通路以及NMDARs信號的失調可能是導致AD發生病理變化的機制。

1.2PAKs與HD HD是一種常染色體顯性遺傳的進行性神經退行性疾病，主要累及基底神經節，臨床上表現為明顯的運動、認知和行為缺陷。HD是由于編碼亨廷頓蛋白(Huntingtin，HTT)的基因中一個擴增的CAG三核苷酸重復序列編碼多聚谷氨酰胺導致突變型HTT蛋白產生，HD患者編碼的多聚谷氨酰胺均≥36個[12]。HD和AD患者有許多相同的臨床表現，HD的特點是運動障礙，但其認知缺陷通常沒有AD嚴重。

正常的HTT蛋白可能參與神經系統發育、細胞內吞和分泌以及抑制細胞凋亡等過程，突變后的HTT蛋白會產生細胞毒性[13]，但目前其引起細胞毒性的具體機制尚不清楚。有研究顯示，PAK1可以修改突變HTT蛋白毒性，并且通過促進可溶性突變型HTT進行自身相互作用，從而增強HD細胞模型的毒性，表明PAK1可能在HD發病機制中起重要作用[14]。在HD患者大腦和HD細胞模型中PAK1與突變型HTT產生局部聚集，且PAK1過度表達能增強突變型HTT聚合，同時使其毒性增加，而敲除PAK1后突變型HTT的聚集和毒性均受到抑制，若PAK1與突變型HTT不發生結合時，HTT的毒性則不會產生增強效應。這表明PAK1在增強HTT的交互作用中扮演重要角色，它與擴展的多聚谷氨酰胺通道的“黏性”效果相結合，增強了突變型HTT聚合的毒性[14]。此外，PAK-相互作用交換因子(PAK-interacting exchange factor，PIX)也被認為是一種新型的HTT交互蛋白，PIX能與PAKs及GIT1結合形成GIT1-PIX-PAKs復合物，從而參與調控肌動蛋白-細胞骨架重組動力學[2]。PIX與HTT的N-終端區域結合，并在突變型HTT聚集的細胞中與突變HTT結合，同時增強突變型HTT的聚合，相反，PIX敲除會減少突變型HTT的聚合[15]。這些發現表明，在HD中突變型HTT的聚合及其所產生的細胞毒性均離不開PIX和PAKs的參與。研究還發現，在HD患者中HTT蛋白與Rho GTP酶信號通路中的成員(包括PAK2和 RAC1等)相互作用，從而調控絲狀蛋白的動力學[16]。上述研究均提示PAKs與HD的發病機制相關，而且PAKs及PIX可能作為之后研究HD患者治療的潛在目標之一。

1.3PAKs與智力障礙相關性疾病 智力遲鈍的特點是認知功能障礙，智力遲鈍常出現在成人之前，其中25%～35%的人有X染色體突變的遺傳背景，即X染色體連鎖智力缺陷(X-linked mental retardation，XLMR)。XLMR在臨床上可分為綜合征型及非綜合征型(non-syndromic XLMR，MRX)，其中最常見的綜合征形式即脆性X綜合征(fragile X syndrome，FXS)，FXS突出的臨床表現及特點是進行性加重的自閉癥表現及智力障礙，它是由于單個基因即脆性X智力缺陷1基因突變所致，FXS也是X染色體相關的智力缺陷最常見的病因[17]。

對人類MRX患者PAK3基因突變的檢測顯示PAK3基因突變會導致智力障礙,且PAK3基因敲除小鼠在聯想學習測驗中表現出學習能力喪失的特點，這均提示PAK3基因突變會導致MRX,并使受累患者的認知能力降低[18]。已有相關個案介紹了PAK3相關的智力障礙患者有智力殘疾，嚴重的自殘行為和癲癇等表現，同時報道還稱低劑量的多巴胺和5-羥色胺治療后能明顯改善了其自殘行為[19]。在與MRX相關的基因缺陷中存在一種名為oligin-1(Ophn1)的基因，Ophn1能編碼一種Rho GTP酶活化蛋白(Rho GAP)，Rho GAP能加速Rho GTP酶水解，使其從活性狀態變為從無活性狀態，Ophn1發生突變能使Rho GAP酶失活，導致Rho GTP酶發生激活而影響細胞遷移和軸突生長，從而導致X染色體相關的智力缺陷中認知障礙等相關神經系統癥狀[20]。缺乏Ophn1的小鼠齒狀回新生神經元的數量減少，軸突生長也受限，并且表現出明顯的ROCK/PAKs激活，研究發現，用ROCK/PAKs抑制劑處理后的Ophn1敲除鼠神經元缺陷明顯改善，并且神經元的存活時間延長[21]。PAK3作為Rho GTP酶關鍵的下游效應器，其基因編碼的蛋白激酶通過Rho GTP通路將胞外信號連接到細胞骨架上,進而影響樹突及樹突棘形成中的重要生物學功能,因此PAK3參與MRX的發病機制可能通過影響Rho相關通路來實現。研究發現，在FXS(脆性X智力缺陷1敲除)模型小鼠突觸中RAC/PAKs信號的生理激活減少，使用PAKs抑制劑可以逆轉脆性X智力缺陷1敲除小鼠的樹突棘表型，減少突觸形態學及可塑性的異常，同時能改善FXS表現型(包括多動、重復行為和癲癇以及類似的樹突棘密度異常等)[22-23]。上述研究結果均提示，PAKs異常激活可能直接參與MRX及FXS的發病機制，同時提示PAKs抑制劑可能是改善該病相關神經缺陷癥狀的研究方向。

1.4PAKs與精神障礙 精神分裂癥斷裂基因1是多種精神疾病的潛在易患基因，研究發現[24]在培養的神經元中精神分裂癥斷裂基因1敲除可以導致突觸退化(包括樹突棘的缺損和萎縮)，影響神經元的可塑性，而應用PAKs抑制劑不僅能顯著改善精神分裂癥斷裂基因1敲除引起的樹突棘損傷，還能在一定程度上逆轉受損的突觸大小。同時在精神分裂癥斷裂基因1敲除小鼠模型中，PAKs抑制劑可以減少小鼠前額皮質內突觸的丟失，并改善小鼠成年后的前脈沖抑制缺陷[24]。一項關于合并精神障礙的AD研究發現，在該動物模型中，敲除PAKs的上游蛋白kalirin可以導致大腦皮質樹突棘密度的降低，減少kalirin能夠改善精神行為[25]。這均說明研究PAKs及其抑制劑可能在精神分裂癥和相關神經精神疾病的治療中有一定的應用前景。GIT1能與PAKs以及PIX結合形成復合物參與調控肌動蛋白-細胞骨架重組動力學[2]。注意缺陷多動障礙是一種影響5%學齡兒童的精神疾病，其特點是注意力不集中，過度活躍和易沖動。研究發現，GIT1敲除(GIT1-/-)小鼠具有類似于注意缺陷多動障礙患者的癥狀和病理變化，并在其大腦中檢測到PIX、Rac1和PAK3活動明顯減少[26]，由于PAK3能調節γ氨基丁酸在神經細胞間的遷移和生長發育，因此PAK3活動減少可能抑制細胞分化或突觸前發育，從而減少海馬CA1椎體神經元的抑制性突觸前輸入。關于GIT1-PIX-RAC-PAKs通路失調參與注意缺陷多動障礙的發病機制還需進一步探討及研究。

壓力可以導致突觸可塑性改變，包括突觸的結構和功能異常，這種改變可能是導致抑郁癥的原因[27]。一項檢測抑郁癥受試者尸檢大腦內PAK1和PAK3 mRNA水平變化的研究發現，在抑郁癥患者的前額皮質中PAK1表達受到抑制，同時在抑郁癥患者的海馬體中PAK3 mRNA水平也明顯下降[28]。在抑郁癥患者的大腦中觀察到PAK1和PAK3失調表明，PAKs信號的中斷也可能對人類抑郁癥的病理產生影響。由于PAKs參與神經發育的各個階段，此研究還提出抑郁癥患者海馬及前額皮質的體積減小可能是因為PAKs參與的信號途徑失調所致。

2 PAKs與其他神經系統相關疾病

PAKs調節的細胞骨架、細胞形態和生存以及突觸可塑性的功能在唐氏綜合征患者的神經元中均受損，在唐氏綜合征的體外神經模型(16-三體胎鼠細胞，即CTb細胞)中，過度表達的唐氏綜合征黏附分子會解除對PAKs活動的控制并影響調節突觸可塑性的信號通路，PAK1及其下游效應器LIMK和絲切蛋白活化時間會延長，導致肌動蛋白基底纖維狀肌動蛋白/球狀肌動蛋白比率增加(即肌動蛋白聚合增多)從而減少神經生長，上述研究結果表明，唐氏綜合征黏附分子基因過表達會引起PAKs通路失調，從而導致三體細胞系神經元可塑性的改變[29]，PAK1的異常激活可能是唐氏綜合征發病機制之一。

目前認為富亮氨酸重復激酶2基因突變在帕金森病中起作用，而PAK6已被證實是富亮氨酸重復激酶2的結合伙伴，因此PAKs可能也參與帕金森病等神經變性疾病的病理過程[30]。由于PAKs參與對細胞周期及增殖的調控，研究還發現其參與某些神經系統腫瘤的發病機制，如惡性周圍神經鞘瘤的生長和轉移[31]，以及可作為神經纖維瘤2型-缺陷腦膜瘤的治療靶點[32]。

3 小 結

來自遺傳、生物化學和動物數據的證據表明，正常的學習和記憶需要有功能的PAKs活動及相關通路，而其正常的活動及通路在上述神經系統疾病中被打亂。基于這些疾病中PAKs的異常激活，對于存在突觸功能缺陷的神經系統疾病的治療來說，PAKs抑制劑可能是一種有效的治療方法。已有動物研究發現，抑制PAK1、PAK3能夠改善脊髓小腦共濟失調的臨床表現及病理改變[33]。一項關于沖繩蜂膠的藥理研究表明，沖繩蜂膠可能通過抑制PAKs的活性而改善AD等神經退行性疾病的病理變化[34]。目前已在實驗研究中證明能改善AD神經缺陷癥狀的PAKs抑制劑，包括姜黃素、SSH(名為Slingshot的絲切蛋白磷酸酶)、SRC家族的激酶抑制劑(如PP1和PP2)、PAK1/LIM激酶抑制劑、PAK1阻斷劑IPA-3和PAK1抑制劑PF-3758309，后兩者已經被證明在AD大鼠的模型中可以改善大鼠的空間記憶障礙[35]。在FXS模型小鼠的研究過程中發現PAKs抑制劑FRAX486在成人FXS中有快速診斷治療的潛力[23]。但是，由于PAKs信號在突觸可塑性、學習和記憶方面起重要作用，PAKs抑制劑成為腦部疾病的直接藥物靶點可能存在一定的局限性。

PAKs在神經系統中廣泛存在，并參與細胞骨架、細胞增殖及突觸形成等重要的生理過程，因此在病理狀態下PAKs很有可能參與AD、HD、FXS等神經系統疾病的發生及發展過程。盡管現在大多數的神經系統疾病相關疾病的發病機制尚未明確，但PAKs作為改善癥狀的潛在治療靶點是有價值的。