蛋白磷酸酶1及其去磷酸化與抑郁癥的關聯研究

馬相賢 蔣宇婷 王三旺 崔明湖

1濱州醫學院附屬醫院濱州醫學院第一臨床醫學院，濱州 256600；2濱州醫學院附屬醫院心理科，濱州 256699

在真核細胞中，蛋白質主要在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上磷酸化［1］。蛋白磷酸酶是一組多樣化的蛋白質，可以抵消蛋白激酶的作用［2］。蛋白磷酸酶去磷酸化通過水解催化蛋白質中磷酸基在神經元功能的許多方面發揮著關鍵作用，包括參與調節突觸通訊的關鍵步驟［3］，并且可通過其在突觸處催化細胞中大部分磷酸絲氨酸和磷酸蘇氨酸的去磷酸化來調控突觸可塑性，從而參與調節抑郁癥［4］。

蛋白磷酸酶1（protein phosphatase 1，PP1）和蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）屬于磷酸蛋白磷酸酶超家族（phosphoprotein phosphatase superfamily，PPP），在真核生物磷酸酶反應中占90%以上，PP2A在抑郁癥中的作用已被多次討論過［5-7］。另外近期研究證明了動物和人類的內側腦前額葉外皮層中隸屬蛋白磷酸酶2C（protein phosphatase 2C，PP2C）家族的蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依賴的1F（PPM1F）［8］，也與抑郁癥有關［9］。我們的最新研究同時證明了海馬中的PPM1F通過調節神經興奮性來調節抑郁相關行為［10］，而PP1的作用的研究相對較少。PP1是一個主要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶，在所有的真核生物中高度保守，并普遍表達，顯示出廣泛的底物特異性，在許多細胞過程中起著顯著作用，如細胞周期，減數分裂，蛋白質合成，細胞凋亡，細胞骨架動力學，糖原代謝等［11］。有研究發現PP1也與突觸可塑性息息相關，其在突觸上的募集與抑郁癥有關，但還沒有足夠的證據表明PP1是否能夠負責直接調節抑郁癥，也不確定PP1與突觸素共定位的增加是否與抑郁程度相關［12］。PP1在抑郁癥發生發展中的作用仍然令人困惑，這可能是抑郁癥研究中容易忽視PP1的原因之一［13］，缺血再灌注損傷的相關研究也是如此［14］。為了促進開發治療抑郁癥的新方法，有必要在抑郁癥疾病領域研究PP1及其去磷酸化的作用機制，為抑郁癥的分子機制探索提供思路和線索。

PP1與突觸可塑性

蛋白磷酸酶是一組特殊的蛋白質，根據其磷酸化絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基的特異性可以進行分類。已知有4個結構不同的家族。其中一類是PPP類的絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白磷酸酶，包括PP1、PP2A和鈣/鈣調蛋白調節酶（protein phosphatase 2B，PP2B），也稱為鈣調磷酸酶［15-16］。突觸可塑性是學習和記憶的細胞模型，蛋白磷酸酶通過對抗蛋白激酶，調節許多涉及突觸可塑性底物的可逆磷酸化［17］。PP1作為PPP類的絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白磷酸酶中一種重要的存在，也可以間接調控某些化學修飾來影響學習和記憶［18］，也是調節突觸可塑性和神經紊亂的重要磷酸酶［11］。

PP1是一種寡聚酶，由1個催化亞基（PP1C）和1個或2個調節亞基（稱為PP1的調節因子，RIPPOs）組成。PP1C有3個 不 同 的基 因編 碼，PPP1CA（11q13.2）、PPP1CB（2p23.2）和PPP1CC（12q24.11），分別產生3種典型的亞型，分別是PP-1A（PP1α）、PP-1B（PP1β）和PP-1G（PP1γ）［19］，他們受到大量相互作用的亞基的調控，這些亞基定義了他們的酶底物特異性［13］。PP1的3個亞型序列高度保守，他們的N端和C端存在差異，這可能是他們結合親和力不同的原因。不同的結合親和力導致PP1亞型在定位和底物特異性上的差異。具體來說，PP1α和PP1γ在突觸的集中定位［20］表明了他們在突觸可塑性中的重要性。與這一觀點一致的是，神經元肌動蛋白和蛋白磷酸酶-1結合蛋白neurabin作為PP1的靶向蛋白在長時程抑制（long-term depression，LTD）和長時程增強（long-term potentiation，LTP）誘導中發揮關鍵作用，在大腦中優先與PP1γ結合［21］，LTP和LTD是2種被充分研究的相反形式的突觸可塑性的興奮性突觸，分別加強和削弱突觸［22］。在體外，neurabin與PP1γ的結合親和力最高，與PP1α的結合程度較低，與PP1β的結合最小［23-24］。而PP1β可能通過調控突觸前蛋白的磷酸化狀態在突觸中發揮關鍵作用［25］。此外，整個外顯子組測序研究已經確定了有超過17例PP1β突變的患者患有發育遲緩、智力殘疾、社交障礙以及在某些情況下出現焦慮和癲癇等神經精神疾病［26-28］，提示PP1β在突觸可塑性和神經發育中發揮重要作用。綜合上述PP1 3種不同亞型在突觸可塑性中的研究，多方驗證了PP1在突觸可塑性和大腦功能方面發揮了重要作用。PP1在神經系統中微妙而多樣的作用凸顯了闡明PP1全酶的功能及其調控的重要性。同時通過PP1β的突變可導致焦慮出現的證據，可以推測PP1或許也與其他精神疾病有關，比如，據世界衛生組織預測在2030年將成為全球最大負擔的疾病-抑郁癥［29］。

去磷酸化與突觸可塑性

PP1作為一種主要的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，在樹突棘和細胞核中富集，并去磷酸化多種重要的底物，這些底物控制著突觸可塑性和記憶的各個方面，在突觸可塑性和神經發育中發揮重要作用［30］。Siddoway等［31］研究證明了在有PP1參與的突觸降尺度過程中，去磷酸化占據了不可忽視的地位，在LTD期間，許多突觸后靶點的去磷酸化被證明對于突觸可塑性的調節發揮了有利作用，與此同時PP1也被激活［32］。

Morishita等［33］表明PP1對突觸底物的精確靶向是表達LTD的關鍵，但目前尚不清楚活化的PP1是如何使突觸中無數蛋白質中的特定蛋白底物去磷酸化的。有研究通過神經電生理誘導實驗使配對的突觸前和突觸后活性水平降低從而弱化LTD，使得小鼠發揮抗抑郁作用。在突觸傳遞中占據重要地位的N-甲基-D-天冬氨酸谷氨酸受體（NMDAR）被弱激活，會導致更少的鈣離子流入，優先激活PP1，則PP1會在其中發揮效能從而極大地促進LTD［12］。該實驗驗證了涉及PP1的蛋白-蛋白相互作用在將PP1靶向到相關突觸底物的過程中發揮了關鍵作用，且一定程度上PP1與抑郁癥是相關的。但目前還沒有足夠的證據表明它是否負責直接調節抑郁癥，也不確定PP1在突觸上的共定位增加與抑郁程度是否直接相關。

突觸可塑性與抑郁癥機制

抑郁癥是一種普遍存在且使人衰弱的精神疾病，自殘和自殺企圖的發生率很高，這會增加家庭的負擔［34-35］。抑郁癥的屬性包括情緒低落、快感缺乏、自殺念頭、精神運動遲緩或激越、食欲和睡眠模式的改變、精力缺乏或疲勞加劇。此外，抑郁癥的患病率預計將持續增加，根據世界衛生組織成員國的統計，到2030年抑郁癥會成為疾病負擔的第二大原因［36］。遺傳、神經化學和環境因素與抑郁癥的發生和發展有關。雖然針對抑郁癥的藥理治療，包括選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑、去甲腎上腺素再攝取抑制劑、三環類抗抑郁藥和單胺氧化酶抑制劑已被廣泛使用，但這些抗抑郁藥需要數周至數月的治療，近50%的患者表現出非常差或無反應［37-38］。盡管在過去的幾十年中進行了廣泛的研究，但是抑郁癥的病因學和病理生理學尚未完全弄清楚。

近期以來，持續的抑郁癥抑郁情感狀態的發展被認為是由于多巴胺、血清素、去甲腎上腺素及5-羥色胺等神經遞質介導的突觸傳遞的持續改變［39］。雖然這些遞質的身份在過去幾年里發生了變化，但文獻缺乏他們所調節的神經生理機制之間的機械聯系，以及這些機制是如何改變神經元功能從而影響情感穩態的［40］。突觸前和突觸后突觸強度的長期增加和減少都可以被誘導［41］，但他們與治療包括抑郁癥在內的許多精神疾病的相關性實際上還未闡明，但突觸強度的改變可能是導致抑郁癥的病因之一。有研究表明，長期活動依賴的突觸強度變化，即突觸可塑性，以及為易于誘導未來長期變化而改變的設定點，即元可塑性，可能是建立和扭轉抑郁癥抑郁行為狀態的關鍵［4］，不過雖然LTP和LTD在各種突觸中都有很好的記錄，但這些不同形式的突觸可塑性在抑郁癥中的作用仍有待闡明。嚙齒動物研究已經發現一個NMDAR的部分激動劑GLYX-1，具有顯著的抗抑郁作用［42］，而GLYX-1在鼠海馬切片的研究表明它可以敏銳地增加LTP和LTD［43］，這也說明由GLYX-1聯系的突觸可塑性與抑郁癥存在不可忽視的聯系。

由于每個突觸具有不同的信息處理和編碼能力，長期突觸可塑性一直是認知、記憶存儲和抑郁癥研究的主要目標，所以突觸可塑性對抑郁癥和其他神經精神疾病的潛在意義不應該因為缺乏研究而被低估［44］。

與抑郁癥相關的蛋白磷酸酶

與PP1同屬蛋白磷酸酶家族一員的PPM1F，是一種絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，屬于PP2C家族［8］，之前有研究發現經受壓力模型誘導抑郁相關行為的小鼠PPM1F基因在杏仁核和內側前額葉皮質（mPFC）中有差異表達，而人類血液中PPM1F的mRNA水平下調，說明在動物和人類的內側腦前額葉外皮中的PPM1F與抑郁癥和焦慮癥有關［9］，我們的實驗進一步證明了海馬中的PPM1F可通過調節神經興奮性來調節抑郁相關行為，可能是抑郁癥或其他精神疾病的重要病理基因［10］。

另外，Lecca等［5］利用小鼠證明了PP2A抑制可能通過去磷酸化中間附屬蛋白來調控γ氨基丁酸能（GABA）受體以改善抑郁癥樣癥狀，并且在抑郁癥的習得性無助模型中發揮作用。GABA受體廣泛存在于神經系統中，定位于突觸前和突觸后的突觸外位點，其異常表達和信號與許多精神疾病有關，包括癲癇、抑郁癥、焦慮癥和藥物成癮［45］。

小 結

確定病理基因新的功能對抑郁癥的研究很重要。近幾十年的研究表明，蛋白質通過可逆磷酸化，執行磷酸酶功能，在所有生物體中組成了一系列重要的信號和機制的調控［46］。PP1作為蛋白磷酸酶中的重要一員，在身體中廣泛表達，參與了眾多細胞過程，在大腦功能調節和神經精神疾病中被大量研究，其中情緒應激引起的PP1表達的變化可能有許多病理生理學意義。綜上研究可推測PP1可能通過去磷酸化的形式調節神經興奮性或者其他方式來調節抑郁癥及抑郁相關行為，這需要通過實驗進一步去驗證。洞察PP1的去磷酸化對于抑郁癥的調節作用可能有助于發現治療或預防抑郁癥的新方法，故應在以后的研究中加以探索。