hnRNPD在神經發育過程中的作用

代 鵬 孔祥東

鄭州大學第一附屬醫院遺傳與產前診斷中心，鄭州 河南 450052

基因表達調控對生物體的生長發育以便適應生存環境變化至關重要。在真核細胞中，mRNA的穩定性及其正確調控表達是細胞對外界刺激作出應答的重要基礎。穩定的mRNA參與調節許多原癌基因和細胞因子，以確保其正確表達，但是在疾病中的異常調控就會導致癌癥、慢性炎癥、心腦血管疾病等的發生[1-3]。hnRNPD(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein D)又稱AUF1，是核不均一核糖核蛋白(hnRNPs)家族成員之一，具有介導相關mRNA衰變及增強某些mRNA穩定的雙重調節功能，精確而快速調控基因表達，激活相關信號通路，在DNA修復、RNA剪接、穩定端粒等許多方面發揮重要作用[4-5]。研究表明，hnRNPD是多種生物學途徑的中樞調節因子，參與炎癥、癌癥、心血管疾病、衰老和病毒感染等多種疾病發生發展[6-7]。研究顯示，hnRNPD在神經發育過程中特異性表達，調控相關基因表達參與神經元等分化成熟以及相關疾病的發生發展，但其作用機制不詳?，F將hnRNPD在神經發育和參與疾病中的作用及可能調控機制作一綜述。

1 hnRNPD概述

hnRNPD是核不均一核糖核蛋白(hnRNPs)家族成員之一，編碼基因位于4號染色體(4q21)，包含10個外顯子，通過可變剪接產生4個亞型(p37AUF1、p40AUF1、p42AUF1和p45AUF1)[6-8]。在大多數細胞中，p37AUF1和p40 AUF1可以在細胞核和細胞質自由穿梭，p42AUF1和p45AUF1主要分布在細胞核[6-7]。

位于基因3’端非翻譯區富含A、U元件(如AUUUA)是轉錄后水平調節mRNA穩定性的元素之一。它兼具介導相關mRNA衰變及增強某些mRNA穩定性的作用，腺嘌呤和尿嘧啶元件(adenosine and uridine rich elements，AREs)結合蛋白在此過程中發揮關鍵作用。hnRNPD是被最早純化和克隆的AREs結合蛋白(ARE-binding proteins，ARE-BPs)，通過識別和結合ARE元件，在DNA修復、RNA剪接、端粒延長等許多方面發揮重要作用[6，11]。除與RNA結合外，hnRNPD對DNA中富含G鏈的重復序列具有高度親和性，進而調控一些DNA參與基因表達[11]。AUF1在不同RNA上發揮獨特功能可能與RNA序列、局部RNA結構環境、蛋白轉譯后修飾、協作性RNA結合蛋白、microRNA以及競爭性反式因子相關[7，12]。YOON等[13]利用光活性增強核糖核苷交聯和免疫共沉淀(PAR-CLIP)技術揭示了hnRNPD能夠結合大量富含U-/GU的序列，調控編碼基因和非編碼基因(如microRNA、lncRNA)表達，參與細胞增殖、分化、衰老、免疫和應急反應。hnRNPD介導相關mRNA衰變或穩定的機制還不太清楚，需要深入探索，但初步研究表明，hnRNPD在含有ARE序列的基因上形成大的多亞單位復合物，包括hnRNPD以及由帽子結構依賴的翻譯起始因子和熱休克伴侶蛋白所組成的信號轉導調控復合物(ASTRC)介導相關mRNA衰變或穩定。

作為基因轉錄表達的重要調控因子，hnRNPD具有雙重調節功能，精確而快速調控基因表達水平，激活相關信號通路。若細胞中hnRNPD基因表達異常將會影響其下游大量基因的表達水平，從而介導多種疾病的發生與發展，如炎癥、癌癥、心血管疾病和病毒感染[14-18]。

2 hnRNPD基因敲除鼠

hnRNPD基因敲除鼠揭示了hnRNPD對眾多生物學通路具有中心調節作用[6]。小鼠在hnRNPD缺失后會表現出具有組織、細胞或者環境特異性的復雜表型[6]。許多情況下表型的復雜性是在特定的組織背景下，不同hnRNPD亞型功能不同以及異常調節的mRNA參與眾多不同的功能造成的[6，7]。

hnRNPD基因敲除小鼠發現hnRNPD在調節炎癥反應中非常重要[19-21]。當受到內毒素侵害時，hnRNPD基因敲除鼠表現出嚴重的感染性休克癥狀，甚至出現器官衰竭和死亡，原因是hnRNPD純合子缺失和無法削弱通過其誘導ARE-mRNA去穩定的增強而造成炎性細胞因子表達的結果[21]，但雜合缺失hnRNPD敲除小鼠在受到內毒素刺激后表現為慢性內毒素血癥但不會死亡，提示基因劑量在hnRNPD功能和單倍體缺失中的重要性。hnRNPD基因敲除鼠還表現出和成人銀屑病類似的慢性異位性皮炎[20]。hnRNPD基因敲除鼠表現出發育落后、早衰和腫瘤等相關疾病，證明了hnRNPD在生長發育、維持端粒和腫瘤發生過程中發揮重要作用(圖1)[19，21]。盡管hnRNPD被認為是炎癥反應的弱化子，炎癥反應與DNA損傷和細胞衰老相關聯，但是單獨這些無法解釋基因敲除鼠復雜的早衰表型和發育落后。因此，hnRNPD缺失會造成人體嚴重而復雜的多種疾病和綜合征。hnRNPD在人體和小鼠不同組織表達的相似性提示小鼠體內由于hnRNPD缺乏而導致的生理病理過程很有可能代表了人體的疾病情況[19]，但需要進一步闡述hnRNPD在人體系統疾病過程中發揮的功能。

圖1 hnRNPD基因敲除鼠表現發育落后的特征Figure1 Characteristics of hnRNPD knockout mice showing developmental backwardness

3 hnRNPD與神經發育

基因協調表達對機體正常發育至關重要，受遺傳和表觀遺傳因素的影響，轉錄后調控是調節神經發育的關鍵控制點。相關文獻報道hnRNPD異構體在整個神經發育過程中特異性表達[6，22]。hnRNPD異構體均在大腦發育過程中表達，其中p40AUF1和p42AUF1表達水平最高[23]。大鼠模型中，第14天的胚胎神經祖細胞中就能檢測到hnRNPD，發育第18天的皮質所有細胞表達hnRNPD[24]。研究表明，hnRNPD在小腦形成過程中，p37AUF1、p40AUF1和p42AUF1的mRNA以及蛋白水平在小腦發育過程中基本保持不變，但p45AUF1逐漸增加。此外，所有hnRNPD異構體在出生后第2天(p2)穩定下降，最終在p28的腦中表達水平最低[22]。在大腦皮質發育過程中，hnRNPD表達于早期皮質神經形成，且主要位于腦室和腦下室壁區域。除了hnRNPD異構體及其表達模式在神經發育中發揮重要作用，hnRNPD表達受NMDA受體( N-甲基-D-天冬氨酸受體，N-methyl-D-aspartic acid receptor)激活的調控[25]。NMDA受體激活會導致一系列細胞內的級聯效應，調控神經細胞存活、分化和可塑性。在小腦顆粒細胞中，NMDA受體的激活會導致AUF1異構體的蛋白質衰減和編碼鳥苷酸環化酶α2亞基的mRNA增加，從而影響鳥苷酸環化酶的定位和神經元細胞的分化。

另有研究表明，hnRNPD能夠與組蛋白脫乙酰化酶1(HDAC1)和轉移相關蛋白2(MTA2)相互作用，通過招募染色質重塑分子結合到富含AU的DNA元件，調節神經元不同階段的基因表達[24]。研究顯示，hnRNPD異構體在調節腦啡肽(ENK)基因表達過程中發揮不同的功能，如大腦中只有p37AUF1、p40AUF1和p42AUF1可以結合富含AT的dsDNA進而調節ENK基因的細胞特異性表達[23]。hnRNPD在神經發育的研究主要集中在hnRNPD異構體在整個神經發育過程中特異性表達水平以及表達模式，而其表達水平和功能與神經元功能、表觀遺傳間關聯性以及分子機制的研究報道甚少。

4 hnRNPD與4q21.2微缺失/微重復綜合征

染色體4q21.2微缺失/微重復綜合征是由4號染色體長臂中段1.35～20 Mb長度不等的缺失/重復，導致患者智力低下、發育遲緩、精神運動障礙、肌張力減退、面容畸形、語言障礙等臨床表現的綜合征[26-28]。1980年英國遺傳學家MCDERMOTT首次描述了4號染色體長臂4q13-4q22區段缺失，臨床表現為嚴重的生長遲緩、肌張力減低、發育遲緩和智力障礙[29]。智力障礙與發育遲緩在4q21缺失綜合征的嚴重程度與染色體缺失的相對長度有關，患兒在生后往往因呼吸抑制、復雜先天性心臟病、心跳驟停等死亡[30]。男女均可發病，據報道男女比例7∶5[30]。近年來，芯片和測序技術的飛速發展，其通量高、快速和高效等優勢，為遺傳性疾病的研究帶來重大變革[31]。目前國內外研究將芯片和高通量測序技術用于智力障礙/發育遲緩(intellectual/developmental disabilities，ID/DD)研究，明確導致ID/DD的病因，如染色體數目及結構異常、拷貝數變異、基因突變等[32]。關于4q21.2微缺失/微重復綜合征已有文獻報道，但多數是描述缺失區域的大小及相關基因[26-27，30，33-37]。BONNETT等[36]利用array-CGH芯片研究了9例4q21缺失綜合征的患者，發現1個1.37 Mb的缺失重疊區域與患者共有的表型相關，此區域包含PRKG2、RASGEF1B、hnRNPD、hnRNPDL和ENOPH1等基因。LEBEDEV等[27]利用aCGH芯片報道了1例伴發育遲緩、肌張力減退、面容畸形、語言障礙等臨床表現的患者，結果顯示存在1.61 Mb的重復區域，包含BMP3、PRKG2、RASGEF1B、hnRNPD、hnRPDL、ENOPH1、TMEM150C、LINC00575和SCD5等9個基因，與4q21.2缺失綜合征的1.37 Mb缺失區域重疊。HU等[33]利用aCGH芯片研究了3例4q21缺失綜合征的患者，并結合DECIPHER和ClinVar數據庫收集4q21缺失綜合征的病例報道，結果顯示存在1個761 kb(包含HNRNPD、HNRNPDL、ENOPH1和TMEM150C)的重疊區域，并提示該區域與患者的發育遲緩、肌張力減退和語言障礙表型相關。ZARREI等[26]整合分析了DECIPHER和ClinVar數據庫以及已發表相關文獻的4q21.2微缺失/微重復綜合征的缺失/重復區域包含的基因，結果發現1個171 kb的最小缺失/重復重疊區域，且這個區域僅包含hnRNPD基因(圖2)，提示hnRNPD可能是4q21.2微缺失/微重復綜合征的關鍵致病基因。LEBEDEV等[38]報道1例5.4歲女童發育遲緩、語言障礙、肌張力高、畸形巨頭，前額寬闊，額部隆起和四肢相對細長，并伴有惡性血管瘤以及乙狀結腸，aCGH結果顯示在4號染色體的4q21.21-q21.22區域包含1.61Mb的微重復片段，包括9個基因(BMP3，PRKG2，RASGEF1B，HNRNPD，HNRPDL，ENOPH1，TMEM150C，LINC00575，和SCD5)。這個微重復片段與4q21微缺失綜合征的最小臨界區域重疊，且患者的臨床特征與4q21微缺失綜合征患者相似。以上報道說明hnRNPD在神經發育以及神經相關疾病發生過程中發揮重要作用。

圖2 4q21.2微缺失/微重復綜合征的最小重疊區域 紅色代表缺失綜合征病例，藍色代表重復綜合征病例，虛線代表最小重疊區域Figure2 The smallest overlap region of the4q21.2microdeletion/microrepetition syndrome.Red represents the case of the missing syndrome，blue represents the case of repeat syndrome，and the dotted line represents the smallest overlap region

5 展望

hnRNPD作為多種生物學途徑的中樞調節因子，在神經發育過程中特異性表達，且是4q21.2微缺失/微重復綜合征致病關鍵基因以及參與機體生長發育、維持端粒穩定等過程。目前研究顯示，hnRNPD具有雙重調節功能，表達異常能夠影響到其下游大量基因的表達水平，激活相關信號通路，參與多種疾病的發生與發展，如炎癥、癌癥、心血管疾病和病毒感染，但hnRNPD在神經發育或神經相關疾病致病過程調控的相關基因以及參與信號轉導通路報道甚少，hnRNPD單倍型劑量不足導致ID/DD的致病機制亟待闡述。研究和揭示hnRNPD在神經發育過程中發揮生物學效應的分子機制以及相應的信號通路，解釋相關疾病的發生機制。