Drebrin 參與樹突棘發育及認知功能形成的研究進展

謝 梅 徐 平

遵義醫科大學附屬醫院神經內科，貴州遵義 563000

認知功能是大腦接受外界刺激后加工處理獲取有效信息的過程，包含記憶、語言、執行和理解等。突觸可塑性在神經系統學習與記憶的認知過程中起著重要作用，而樹突棘是大腦發揮其認知功能的關鍵場所，其形態變化和發育嚴重影響大腦行使高級功能的能力，其中位于樹突棘的Drebrin 能夠特異性結合神經元肌動蛋白，參與樹突棘和突觸可塑性動態變化過程，故與大腦認知功能密切相關。深入探討Drebrin 樹突棘發育及認知功能的關系，可能有利于將來對認知功能障礙疾病的治療和預防提供新靶點，本文就此進行綜述。

1 Drebrin 的生物特性

Drebrin 是一個分子量約為120 000 D 的單體蛋白，目前研究發現其主要包含N-末端肌動蛋白解聚因子同源結構域（N-terminal actin-depolymerizing factor homology，ADF-H）、卷曲螺旋結構域（coiled-coil，CC）和羧基尾部，分為Drebrin E 和Drebrin A，當Drebrin中插入ins2 序列后，Drebrin E 逐漸被Drebrin A 替代，其中與肌動蛋白結合的區域是CC 結構域，ADF-H區域可與組蛋白標記閱讀器ZMYND8 相互作用，羧基尾部則與突觸后支架蛋白Homer 結合參與興奮性突觸的樹突棘穩態調節作用[1]。Homer 是突觸后致密區（postsynaptic density，PSD）中最豐富的支架蛋白之一，當Homer 四聚體化和磷酸化后，可特異性結合Drebrin，加強Drebrin 與肌動蛋白的結合，誘導神經元樹突棘的絲狀偽足形成[2]。最近報道Drebrin 的ADF-H 結構域還能與Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ的β 亞基結合（CaMKⅡβ），參與調節CaMKⅡβ 在樹突棘中的定位[3]。

2 樹突棘、認知功能與Drebrin 的關系

2.1 Drebrin 參與樹突棘形成

樹突棘是中樞神經系統興奮性突觸發生的重要場所，突觸連接強度直接影響神經元的交流，其形態與突觸活動密不可分，包含細長型、蘑菇型、短粗型及絲狀偽足。有研究發現，與正常人比較，有認知功能障礙的阿爾茲海默病（Alzheimer’s disease，AD）患者的瘦長型和蘑菇型的樹突棘數量明顯減少[4]。樹突棘的結構和功能直接影響包括學習和記憶在內的認知功能，而樹突棘的形成、維持和調節主要受F-肌動蛋白及其與各種肌動蛋白結合蛋白相互作用的調控，其中Drebrin 是一種與神經元發育密切相關的肌動蛋白結合蛋白，絕大部分存在于興奮性突觸的樹突棘中，在調節樹突棘生長發育過程中起關鍵作用[5-6]。González-Tapia 等[7]研究結果證明，樹突棘形態及密度隨著Drebrin 的變化而變化，同時成年大鼠表現出不同程度的認知功能，進一步揭示了樹突棘可塑性的分子機制。

樹突棘作為大腦信息處理的基本單元，是中樞神經系統絕大部分興奮性突觸的接受區域，大多數谷氨酸能突觸前的末端支配樹突棘，樹突棘的結構由肌動蛋白骨架和PSD 組成[8]。肌動蛋白包含G-肌動蛋白和F-肌動蛋白，兩者的動態平衡是肌動蛋白骨架形成的關鍵因素。PSD 是一種高度集中于位于樹突棘突觸后膜的支架蛋白，可直接與谷氨酸受體相互作用改變樹突棘形態，因此，有人提出肌動蛋白細胞骨架和PSD 共同調節樹突棘形態變化，進而參與認知功能[9]。Takahashi 等[10]發現，Drebrin A 呈簇狀分布的絲狀偽足是成熟樹突棘的前體，可誘導PSD-95 重新聚集，對樹突棘的形成至關重要。樹突棘的成熟伴隨著肌動蛋白骨架從線性到分支的變化，其機制可能是Drebrin A 與mDia2-formin 構建體的FH2 結構域相互作用，抑制肌動蛋白成束，誘導肌動蛋白向分支變化[11]。總之，若Drebrin A 水平下降將出現樹突棘發育障礙，導致大腦學習、記憶等認知功能受損。

2.2 Drebrin 參與突觸可塑性過程

突觸可塑性包含短期和長期：短期突觸可塑性即易化、抑制和增強；長期突觸可塑性包括長時程增強（long-term potentiation，LTP）和長時程抑制（long-term depression，LDP），是細胞學習記憶的生物學基礎。Siegel-Hertz 等[12]使用Drebrin A 基因敲除小鼠的海馬切片進行電生理學研究，海馬區LTP 出現損傷，并且在成年小鼠中表現更加明顯，小鼠的海馬依賴性恐懼記憶也同樣受損，表明Drebrin A 對成人突觸可塑性和學習記憶的認知功能極其重要。活性調節的骨骼相關蛋白是LTP 的主要調節因子，其泛素化后與Drebrin A形成復合物，參與LTP 的動態電弧持續合成過程[13]。Drebrin A 參與突觸可塑性的LTP 過程，其機制還可能與LTP 誘導Drebrin A 和F-肌動蛋白復合物的迅速外流和隨后的復合物重新進入樹突棘有關，該過程與NMDA 受體激活誘導的Ca2+進入樹突棘調節Drebrin A、F-肌動蛋白復合物外流和肌球蛋白ⅡATP 酶抑制劑抑制該復合物外流有關[14]。LTD 是一種活動依賴性突觸功能降低的表現形式，在大腦發育中占主導地位，于成年后逐漸消失，對神經連接的發育及重塑至關重要。Yasuda 等[15]經實驗證明，同時敲除Drebrin E和A 的小鼠無法誘導NMADA 受體依賴的LTD，若單獨敲除Drebrin A 則表現高強度LTD，說明如果Drebrin E 向Drebrin A 的轉化出現障礙后將引起LTD。

2.3 Drebrin 參與細胞氧化應激后的保護作用

神經元是一種代謝能力高度活躍的細胞，高耗氧的同時活性氧（reactive oxygen species，ROS）也大量產生，過量的ROS 導致神經元產生氧化應激反應進而損害神經元樹突棘結構。雖然ROS 可被抗氧化系統緩沖，但在衰老、高強度活動等特定條件下，ROS 可誘導酶等大分子活化產生氧化損傷，損害突觸可塑性，進而降低大腦認知功能[16]。共濟失調-毛細血管擴張癥突變（ataxia-telangiectasia mutated，ATM）激酶是一種由DNA 雙鏈斷裂引起Mre-Rad50-Nbs1（MRN）DNA 修復復合物激活的一種蛋白激酶，其氧化形式中的二硫鍵交聯體可特異性阻斷氧化途徑的活化，缺乏ATM 激酶可對ROS 和一些能夠誘導產生氧化應激的藥物產生超敏反應[17]。有實驗證明，大腦中存在ATM 激酶，其介導Drebrin 磷酸化后對抗細胞氧化應激，ATM 和Drebrin 共同調節肌動蛋白骨架來對抗能量消耗及ROS，是一種保護神經元免受ROS 傷害的機制之一，從而防止突觸功能障礙及由其產生的認知功能缺陷[18]。

2.4 Drebrin 參與認知功能的其他作用

Elizondo 等[19]研究發現，Drebrin 參與樹突狀細胞內肌動蛋白骨架的穩定，有利于樹突狀細胞對大顆粒的攝取和內吞，不僅阻止病毒、細菌等異物侵入，還能促進樹突狀細胞對T 細胞的抗原呈遞作用和炎癥因子的分泌以維持免疫應答，維持神經元發育和認知功能形成相對安全的環境。神經元從生發區遷移至最終層流區對神經回路的形成至關重要，認知功能的執行離不開神經元的正常發育，而神經元的發育需經歷遷移和極性的形成，Drebrin 介導的微管-肌動蛋白偶聯參與了神經元的遷移途徑，通過Drebrin 和Siah2 E3泛素連接酶相互作用來協調遷移神經元中極化細胞器的運輸[20-21]。CX43 是一種普遍的細胞間連接蛋白，其與細胞骨架之間的相互作用需要Drebrin 的直接參與，該過程與神經元遷移和細胞通訊密切相關[22]。故Drebrin 可能是神經元遷移的重要功能蛋白之一。細胞通訊是一種通過突觸釋放神經介質和細胞縫隙連接通道來調節神經元Ca2+、cAMP、cGMP 等細胞信號的傳導，Drebrin 參與的細胞骨架重排可影響細胞縫隙連接通道的狀態，Drebrin 的降低能直接導致星形膠質細胞縫隙連接通道喪失功能，而Drebrin 主要根據細胞活性變化來形成或重新定位星形膠質細胞的連接蛋白通道，進而參與神經元細胞通訊的調控[23]。

3 Drebrin 與認知功能障礙相關疾病

Drebrin 作為一種大腦發育調節蛋白，參與神經元的結構發育和功能變化，與各種認知功能障礙相關的疾病，尤其是中樞神經系統疾病密切相關。AD 是一種影響老年人記憶與認知的神經退行性疾病，β 淀粉樣蛋白（amyloid β，Aβ）是AD 發生的重要病理生理機制，已經明確突觸傳遞速度的降低和樹突棘的喪失發生于AD 淀粉樣斑塊和神經元細胞損失之前，Aβ 衍生的可擴散配體（Aβ-derived diffusible ligand，ADDL）可介導Aβ 毒性，ADDL 與突觸后位點結合誘導樹突棘的Drebrin 損失，且Drebrin 數量減少發生于樹突棘形態和密度變化之前，故有研究者認為，Drebrin 可作為AD 前驅期的觀察指標[24]。Gordon-Weeks[25]對AD的樹突棘可塑性研究發現，Drebrin/EB3/Cdk3 細胞內信號途徑參與了該過程，即當Drebrin 與肌動蛋白側鏈結合后，末端結合蛋白（end-binding protein，EB）作為一種微管加端追蹤蛋白，可特異性結合Drebrin，加強動力微管與肌動蛋白骨架在LTP 期間的結合，促進樹突棘成熟，但AD 中Drebrin 顯著減少，影響突觸可塑性并因此導致認知功能障礙。Cofilin 是另一種肌動蛋白結合蛋白，可競爭Drebrin 結合F-肌動蛋白，甚至這兩種蛋白可與F-肌動蛋白完全結合，Cofilin 促進F-肌動蛋白轉換，而Drebrin 抑制F-肌動蛋白解聚以穩定肌動蛋白細胞骨架，兩者之間的分子串擾參與神經元細胞骨架調節途徑，該途徑受損被認為是AD、衰老、唐氏綜合征及癲癇合并認知功能障礙的機制之一[26]。Dombroski 等[27]對癲癇患者海馬進行研究發現，海馬Drebrin 的表達與癲癇發作頻率呈負相關，與言語記憶等呈正相關。同時，抗Drebrin 血清陽性患者出現癲癇發作、記憶障礙和腦脊液蛋白質含量增加，研究證明，原代海馬神經元暴露于抗Drebrin 自身抗體后，突觸組成和Drebrin 分布出現異常，棘波率增加，突觸放電出現反映網絡超興奮性。解釋：抗Drebrin 自身抗體定義了一種反復發作和神經精神損害的慢性綜合征[28]。精神分裂癥、躁狂癥等疾病的認知功能下降均與樹突棘密度及形態變化密切相關[29]。成年大腦中Drebrin A 減少可誘導mGluR5 依賴的LTD 增強，增強的mGluR5 依賴的LTD 已被認為是脆性X 綜合征精神發育遲滯的基礎生理變化，除此之外，在抑郁、焦慮的大鼠腦中也能觀察到由Drebrin A 減少引起LTD增強的變化[30]。

4 展望

Drebrin 不僅參與樹突棘發育形成和突觸可塑性變化來影響認知功能，涉及各種認知功能障礙疾病，如AD、抑郁癥、精神發育遲滯等，最近也有研究發現，Drebrin 可結合一種修飾組蛋白的轉錄調節因子ZMYND8，抑制腫瘤轉移[31]。進一步研究Drebrin 在認知功能中的作用，有助于揭示認知功能障礙相關神經系統疾病的發生機制，可能成為藥物干預的新分子靶點。