細胞分裂周期蛋白42在神經系統疾病中機制的研究進展

胡 穎，梁 濤，張 駿

(遵義醫學院附屬醫院神經內科，貴州 遵義563000)

細胞分裂周期蛋白42(cell division cycle 42，CDC42)是Rho家族的小GTP酶，Rho家族的GTP酶屬于低分子量的RAS超家族鳥嘌呤核苷酸結合蛋白。Rho家族的小GTP酶在轉錄激活、肌動蛋白細胞骨架的重組和細胞形態過程中發揮重要作用[1]。CDC42分子量為25 000，其基因定位于1p36.1[2]，Farhan和Hsu[3]發現CDC42表達于不同的亞細胞膜區室中，包括細胞膜、高爾基復合體和內質網,絕大多數研究集中于CDC42在細胞膜上的作用。其中細胞膜上的CDC42在細胞極性和肌動蛋白細胞骨架的調節中發揮關鍵作用，CDC42活性受損會引起細胞的黏附、遷移減少，導致細胞形態異常和細胞凋亡[4]。CDC42在調節神經元中的突觸小泡運輸和肌動蛋白動力學中起關鍵作用[5]，CDC42使細胞骨架-肌動蛋白解聚，誘導偽裝絲足的快速形成，減少樹突棘的密度和體積[6]，樹突棘的調節是突觸功能和可塑性的關鍵組成部分，而樹突棘失調與幾種精神病和神經系統疾病有關[7]，所以CDC42可能在一些常見的神經系統疾病的發病機制中起作用。近年來，針對CDC4的研究逐漸增多，CDC42的活性改變可能參與了某些神經系統疾病發病，現對CDC42在精神分裂癥、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、癲癇、腦卒中等常見神經系統疾病中的表達變化及CDC42在這些神經系統疾病中作為潛在治療靶點的可能性進行綜述。

1 CDC42概述

CDC42是一種小GTP酶，小GTP酶參與大多數神經細胞的發育過程，包括神經發生、遷移、軸突生長和突觸可塑性[8]。小GTP酶通常作為分子開關，在活性(與GTP結合)和非活性(與GDP結合)狀態之間循環，從而將上游信號傳遞到下游效應器[3]。在此循環過程中需要以下3種必不可少的調節因子:①鳥嘌呤核苷酸交換因子，催化GTP向GDP進行轉換，使GTP酶與GTP結合后分子結構發生構象改變，隨后與下游底物進行信號轉導。②GTP酶活化蛋白(GTPase activating proteins,GAPs)，促進GTP酶分子內部的GTP水解，使GTP酶失活而關閉信號轉導。③GDP解離抑制因子(guanine nucleotide dissociation inhibitors,GDIs)，抑制GDP從GTP酶上解離[9]。多種鳥嘌呤核苷酸交換因子和GAPs的存在是為了確保信號通路的特異性和微調調節的精確性[10]。Rho GTP酶及其相關分子控制著神經元的遷移、神經突的伸長和分支以及突觸形成等發育過程[1]，它們參與了幾乎所有細胞調節的過程，因此在細胞內信號轉導途徑中扮演重要角色[3]。Rho家族GTP酶含有一個分子量低于200的氨基酸殘基的Dbl同源結構域和相鄰的C端，以及120氨基酸殘基的pleckstrin同源結構域。Rho GTP酶的Dbl同源結構域促進與GEFs的反應以及之后的GTP向GDP轉換的過程，然而pleckstrin同源結構域通過結合磷酸肌醇將Rho GTP酶定位在細胞膜上[11]。作為小GTP酶，CDC42在其無活性狀態下與GDP結合，并通過與GDI結合在胞質中保持可溶狀態，CDC42在與GEF相互作用時被激活，在與GTP結合的活性狀態中，CDC42與效應器結合以促進其生物學功能[3]。

2 CDC42與精神分裂癥

精神分裂癥是一組病因未明的精神疾病，多發生于青壯年，臨床表現為感知、思維、情感、行為等多方面的障礙以及精神活動的不協調。Ramos-Miguel等[12]發現選擇性地減少額葉和顳葉的棘密度與精神分裂癥相關。盡管在大腦發育期間建立了大量的突觸連接，但在青春期和成年期，樹突棘的數量和形態仍持續變化，樹突棘形態的動態變化與復雜的信號級聯網絡對激動蛋白細胞骨架的快速重組相關，其中一些信號轉導途徑與精神分裂癥有潛在相關性。有研究認為精神分裂癥患者的某些認知缺陷似乎是源于背外側前額葉皮質出生后發育的改變[13]，背外側前額葉皮質的第3層錐體細胞樹突棘的密度變化和對某些認知功能有重要的作用,并且在精神分裂癥中減少。Datta等[14]實驗表明，精神分裂癥患者背外側前額葉皮質灰質中CDC42的轉錄水平較低，與第3層棘密度呈正相關。Ide和Lewis[15]研究表明,CDC42信號通路中至少有3種不同的分子干擾模式,可能會造成精神分裂癥的第3層錐體細胞棘缺損。Rho-GDP解離抑制因子α是一種GDI，在第3層錐體細胞中的表達水平較高，表明CDC42可能在精神分裂癥中處于非活動GDP結合狀態。在較低水平的CDC42表達情況下，預測CDC42-CDC42效應蛋白和CDC42-p21活化激酶-LIM激酶信號通路調節肌動蛋白的能力會在精神分裂癥中的第3層錐體神經元受損，精神分裂癥第3層錐體神經元樹突棘異常的突出與調節層特異性表達的分子的信號有關，如CDC42效應蛋白信使RNA優先在人類背外側前額葉皮質的第3層表達[16]，CDC42的活化抑制CDC42效應蛋白的表達，CDC42的瞬時活化通常發生于谷氨酸刺激后的單個棘中，它的瞬時活化破壞了由CDC42效應蛋白介導的septin屏障的組裝，還使F-actin介導的棘生長和突觸增強所必需的第二信使和細胞骨架蛋白進入突觸后分子的棘頭部。ARHGDIA的表達增強聯合CDC42、CDC42效應蛋白表達減少起放大作用，損害谷氨酸刺激后septin屏障的開放，從而抑制棘生長和維持所需的分子流進入棘頭部，最終導致棘丟失。活化的CDC42通過CDC42-p21活化激酶-LIM激酶信號級聯反應抑制肌動蛋白解聚的cofilin家族，cofilin家族蛋白調節棘結構穩定性所需的F-actin的組裝和分解。上述放大作用進一步降低了CDC42-p21活化激酶-LIM激酶信號通路的活性，促進棘丟失[14]。這些機制可能為精神分裂癥提供新的治療靶點。

3 CDC42與AD

AD是常見的進行性神經系統退行性疾病，以漸進性的認知和記憶的障礙和情志的異常改變為主要臨床癥狀。AD的主要病理改變是由β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein,Aβ)沉積形成的老年斑和由磷酸化的tau蛋白組成的神經元纖維纏結[17]。Rho GTP酶活性的失調可能與Aβ的生成相關，從而導致肌動蛋白聚合的缺失、樹突棘的缺失，而這可能參與了AD的發病機制[11]。Seidman和Mirsky[18]研究發現，額葉皮質功能障礙是導致與年齡相關的行為和認知缺陷的基本病理過程，該功能障礙讓老年人易患神經退行性疾病，其中CDC42是在額葉皮質功能下調過程中最重要的基因。Aguilar等[19]認為CDC42參與AD的發病機制。在轉基因小鼠中，核糖核酸酶P RNA組分H1與miR-326-3p/miR-330-5p結合導致CDC42的表達上調，在核糖核酸酶P RNA組分H1上MRE突變后，該作用被破壞。核糖核酸酶P RNA組分H1可能通過與miR-330-5p競爭上調CDC42表達并促進海馬神經元樹突棘形成，這可能是AD發病機制早期的代償機制[20]。Pelleieux等[21]發現CDC42的門控酶可促進大腦中tau磷酸化的產生。在AD患者中，認知障礙的主要原因可能是神經突起萎縮和神經突觸丟失，這是由毒性Aβ(主要是Aβ寡聚體)引起的。CDC42可能通過影響cofilin活性進一步調節Aβ對肌動蛋白細胞骨架動力學的影響，在AD動物模型中，丹皮酚磺酸鈉可以減弱D-gal和AICI3誘導的RAC1/CDC42的上調，阻止毒性Aβ的形成，導致cofilin1的再分配及p-cofilin1/cofilin1比例的降低，進而引起棒狀形成減少、突觸和樹突丟失，最終改善行為缺陷。丹皮酚廣泛應用于中藥，為AD的治療方案提供了新的思路[22]。

4 CDC42與癲癇

癲癇由不同病因引起腦部神經元高度同步化異常放電導致，但其發病機制仍不完全清楚，目前發病機制有離子通道學說、異常網絡學說等，證據表明，中樞神經系統中突觸的功能障礙和重組以及病理性興奮環形成與癲癇有關[6]。CDC42在顳葉癲癇患者的腦組織和癲癇腦組織中表達增加，而且在癲癇大鼠的海馬區域表達也明顯增加，在毛果蕓香堿誘導的癲癇模型中，用CDC42的特異性抑制劑ML141預處理可降低癲癇發作的嚴重程度。對毛果蕓香堿誘導的癲癇模型海馬切片中CA1區錐體神經元進行全細胞膜片鉗記錄，發現ML141顯著抑制動作電位的頻率，增加微抑制性突觸后電流的幅度和頻率，并增加誘發抑制性突觸后電流的幅度。然而，ML141對微興奮性突觸后電流沒有影響[23]。提示CDC42與癲癇發生機制有關。Gorter等[24]認為微RNA的表達及其對信號通路的調控作用對研究癲癇治療的可能靶點有重要作用。有研究表明，miR-132在大鼠顳葉內側癲癇的發生過程中持續升高[25]，p250GAP是miR-132的靶點，p250GAP是一種GAP，可以通過抑制下游Rho GTP酶的活性與多種突觸蛋白相互作用，包括RhoA、RAC1和CDC42[26-27]。所以CDC42可能與癲癇的發生機制也有關。Wayman等[27]在無鎂培養基誘發的海馬神經元癲癇模型中，發現沉默miR-132蛋白的表達可減少慢性復發性癲癇的發作。p250GAP使中樞神經系統中RAC1和CDC42活性增高，抑制miR-132或p250GAP對RAC1的活性沒有影響，抑制miR-132后，p250GAP表達上調，CDC42的活性受到抑制，抑制p250GAP后，CDC42的活性增強，因此miR-132可能通過調節p250GAP的表達、下游CDC42的活化及樹突棘的形態和功能來發揮作用。這可能為新型抗癲癇藥物的研發提供了新的靶點，可能對抗癲癇藥物治療耐受性差的患者來說多了一種更好的選擇[6]。

5 CDC42與腦卒中

腦卒中指由于大腦血供中斷超過24 h引起的局灶性或全腦的功能紊亂[28]，腦卒中是全球第二大死亡原因，也是致殘的主要原因[29]，故有必要研究腦卒中相關的發病機制和藥物靶點。Wei等[30]發現大鼠在長期適度運動后，腦組織中的CDC42、RAS相關蛋白1b、11型非受體蛋白酪氨酸磷酸化酶、Rho-GDP解離抑制因子α和酪氨酸3-加單氧酶/色氨酸5-加單氧酶激活蛋白ε多肽5種參與神經營養因子信號通路蛋白的表達增加，可能在增加心血管健康、增強免疫能力、降低神經系統疾病風險、預防肥胖、癌癥、腦卒中、糖尿病等方面發揮作用。侯氏黑散是一種經典的中藥，該中藥可以通過Netrin-1/RAC1/CDC42信號通路促進腦缺血后軸突和神經再生的修復[31]。Mo等[32]發現急性缺血性卒中患者的外周淋巴細胞中CDC42表達降低。所以CDC42可能與腦卒中發病機制有關。近年來，有研究表明，腦卒中和其他缺血性損傷是慢性進展性炎癥的表現，在缺血性卒中發作后，一種繼發性細胞死亡機制介導了更嚴重的神經損害，這是由于內源性神經炎癥過程上調使局部缺氧組織受到損傷，誘導細胞凋亡，與此同時還啟動了一個炎癥級聯反應的反饋環路，進一步擴大了損傷的區域[33]。腦卒中引起的興奮性毒性和氧化應激進一步激活神經炎癥，神經炎癥在卒中后長期腦損傷中起關鍵作用。LJ529是A3腺苷受體的激動劑，Choi等[34]發現在大鼠的大腦中動脈阻塞模型中，LJ529可能通過活化A3腺苷受體，抑制小膠質細胞中RAC、CDC42、Rho等Rho GTP酶的活性和極化表達，可能抑制肌動蛋白極性和細胞骨架的變化，從而抑制MCP-1誘導的炎性細胞的趨化和遷移來減輕缺血性腦損傷。

6 CDC42與其他神經系統疾病

激活轉錄因子4(activating transcription factor 4,ATF4)是學習和記憶的關鍵調節因子。特異性海馬ATF4下調可導致突觸可塑性改變、記憶缺陷以及谷氨酸能功能降低。同時，GABAB受體是抑制神經遞質GABA的代謝型受體，在控制神經元放電過程中起關鍵作用。GABAB受體轉運或功能的缺陷與各種神經和精神疾病有關，其中包括癲癇、焦慮、抑郁、精神分裂癥、成癮和疼痛[35]。已有研究表明，ATF4通過調節RhoGDIα的表達來影響Rho GTP酶蛋白水平，從而調節細胞記憶、運動等功能[36]。GABAB受體的運輸過程受ATF4的影響，在海馬神經元中，ATF4下調后可以通過介導CDC42的缺失進一步降低膜結合的GABAB受體水平，最終增加內在興奮性[35]。EF-hand域家族D2蛋白是一種在神經元細胞中表達豐富的保守的鈣結合蛋白，研究發現EF-hand域家族D2蛋白的表達在AD、帕金森病、亨廷頓病、肌萎縮側索硬化癥和精神分裂癥中都有變化，EF-hand域家族D2蛋白可能通過調節RAC1，Cdc42和RhoA的活性來調節細胞遷移等[37]。在Habib等[38]研究發現，CDC42在許多退行性疾病，例如AD、帕金森病、肌萎縮側索硬化癥和額顳癡呆中均有下調表現。

在自閉癥譜系障礙中，腫瘤壞死因子α是研究較多的與自閉癥譜系障礙相關的生物標志物，腫瘤壞死因子α水平升高導致胱天蛋白酶3水平升高，引起神經元細胞凋亡，導致神經元缺乏，這是自閉癥的發病機制之一，此外，腫瘤壞死因子α還可以通過激活CDC42和GOPC(golgi associated PDZ and coiled-coil motif containing)進一步調節GRID2的表達，這個信號轉導通路可能也參與了自閉癥譜系障礙的發病機制[39]。

TDP-43(43-kDa TAR DNA-binding protein)是肌萎縮側索硬化癥的泛素化包涵體和額顳葉變性的泛素化陽性包涵體的主要成分，TDP-43的功能失活參與了神經變性疾病的發病機制，在分化的Neuro-2a細胞中的敲低TDP-43可以抑制神經突起生長并誘導細胞死亡，在這些敲低細胞中，Rho家族成員RhoA、RAC1和CDC42 GTP酶被滅活，并且這些分子的膜定位減少，說明CDC42可能也參與了肌萎縮側索硬化癥及額顳葉變性的發病機制[40]。

7 結 語

CDC42在神經系統中廣泛存在，同時參與了細胞生長、增殖、遷移、細胞骨架及突觸形成、凋亡等重要的生理過程，因此在病理狀態下CDC42很有可能參與了精神分裂癥、AD、癲癇、腦卒中及其他神經系統疾病的發生及發展過程，CDC42可能與精神分裂癥患者背外側額葉皮質的錐體細胞棘缺失相關；在AD中，CDC42在額葉皮質功能下調中起著重要作用；同時，癲癇及腦卒中的發病機制也與CDC42的活性改變有關。通過CDC42在這些疾病中的異常表達以及信號通路的改變，可以認為在其他神經系統疾病中CDC42的研究也很有意義。盡管現在大多數的神經系統疾病的發病機制尚未明確，但CDC42作為改善癥狀的潛在治療靶點有一定的價值。