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作者简介:孟晓轲,女,1972年1月7日,主治医师,河南省确山县第一人民医院神经内科;李和平,男,1980年6月13日,医师,河南省郑州大学第二附属医院神经康复科09级研究生。��
【摘要】帕金森病是一种由于多种因素共同作用导致的神经变性疾病。关于遗传因素对帕金森病的发病作用已有100多年的研究,越来越多的研究证明遗传因素在帕金森病发病中的有着重要作用。近些年发现的LRRK2基因与家族性及散发性帕金森病关系密切,已经成为研究热点。本文主要对LRRK2基因及其与帕金森病研究进展进行综述。【关键词】LRRK2;基因;帕金森�
doi:10.3969/j.issn.1006-1959.2010.09.430文章编号:1006-1959(2010)-09-2650-02
早在1817年,英国医生James Park in son通过《An essay on the shaking palsy》首先报道了帕金森病��[1]�。关于帕金森病病因与发病机制,目前较为流行的假说有遗传、内外环境毒素接触、氧化应激、线粒体功能异常、免疫因素、细胞凋亡等。�
帕金森病已成为第二大常见神经退行性疾病,其临床特征是静止性震颤,肌肉强直,动作迟缓,同时伴有特殊姿势。主要病理改变为黑质多巴胺能神经元变性,残留胞体内发生特征性改变,出现“路易小体”,致使纹状体中的多巴胺水平下降,从而引起整个基底神经节环路功能改变。帕金森病的发病率随年龄增长而增加,10%-20%的患者有家族史。随着对帕金森病发病机制的研究,提示遗传因素在帕金森病发病中有着不容忽视的作用。现已发现与帕金森病明确有关的致病基因有7个,分别是a-synuclein、Parkin、NCH-L1、NURR1、DJ-1、PNK1和LRRK2基因。而LRRK2基因突变是常染色体显性遗传最常见的原因,并且最有可能在典型晚期发病的帕金森病中起作用。�
1.LRRK2的结构和功能�
LRRK2高度保守,位于12号染色体p11.2-13.1,含有51个外显子,长约144kb,其遗传方式属于常染色体显性遗传,编码含2527个氨基酸,分子量为280kDa的蛋白,又称为dardarin蛋白或富亮氨酸重复序列激酶,属于表面膜蛋白家族。�
目前认为,LRRK2蛋白结构由ANK、LRR、ROC、COR、MAPKKK和WD-40七个功能域构成。其中,ANK、LRR和WD-40参与蛋白之间的相互作用,原核生物和真核生物中都发现有ANK,LRR重复序列可参与调解GTP酶和蛋白激酶的活性,WD-40是最为常见的重复序列;GTP可通过结合ROC结构域调控LRRK2蛋白激酶活性,其结构域的基因突变与帕金森病的发生密切相关:通常GTP酶在细胞信号转导和调控过程中是不可或缺的,而ROC结构域正是LRRK2蛋白的GTP酶活性区域,结合GTP后通过GTP酶进行分解,从而激活LRRK2蛋白的GTP酶活性,但是有别于MAPKKK的是LRRK2蛋白中的GTP酶活性可以独立存在,而其酪氨酸激酶的活性必须以GTP酶的活性为前提;MAPKKK结构域参与底物的磷酸化作用,是LRRK2蛋白的激酶活性区,最新研究发现二聚体的GTP类似物结合可以引起LRRK2发生自体磷酸化。LRRK2进行自身磷酸化的部位是位于激酶活性区域的2个残基。GTP酶和MAPKKK位于细胞信号传导的上游,提示LRRK2在帕金森病发病中的重要作用:C-末端的GTP酶域,即COR(对羧基的Ras终端),其所发挥的功能还不明确。已发现的几乎所有领域都可以确定其发生了点突变。这种蛋白质确切的生理作用未知,有可能通过多种方式参与多个功能结构域。�
2.LRRK2的细胞和组织分布�
从先前的研究可以看出,被认为是遗传性帕金森病的相关基因在脑组织均有广泛的分布。LRRK2基因在正常脑组织的分布如下:通过原位杂交等技术发现LRRK2在小鼠脑组织内广泛表达,但在不同的区域或神经核团表达显示出一些差异。在大脑皮质、海马、尾壳核、杏仁核区域表达量最高;在黑质、丘脑及下丘脑部分核团、小脑普肯野细胞层表达量中等。大脑皮质、尾壳核、黑质、小脑普肯野细胞等区域属于运动神经系统,而这些区域的LRRK2蛋白表达量较高,这正符合PD病人运动系统功能障碍的表现,提示LRRK2可能参与了调节运动神经系统的作用。细胞和组织内的细胞均可找到一个LRRK2可能发挥功能的特定的位置,对包括脑黑质多巴胺能神经元结构的研究表明,LRRK2可看做是一个胞浆蛋白,主要存在于细胞质,尤其是高尔基体,突触小泡,质膜,溶酶体和线粒体外膜等细胞膜相结构。还可以分布于神经细胞树突、轴突等部位��[2]�。最近的研究还表明,LRRK2能够与脂筏关联,暗示LRRKZ蛋白可能参与膜相结构的生物合成、降解、运输等过程,LRRK2调节突触囊泡循环,突起生长和维持高尔基的正常功能,溶酶体,导致线粒体功能障碍,这些作用可能损害多巴胺神经元生存。LRRK2蛋白部分定位于线粒体外膜,提示其可能参与调控线粒体的功能。具体机制不清楚,可能与线粒体膜的稳定性有关。�
3.LRRK2基因突变的致病机制�
LRRK2基因结构复杂,功能多样,其突变率也较高,首次发现LRRK2基因突变源于一个日本家系,其表现为迟发型帕金森显性遗传。约有1%-2%的散发性帕金森病人发生了LRRK2基因突变,7%左右的家族性帕金森病例也发现存在LRRK2基因突变。但是不同人种和地区帕金森病患者的致病基因并不相同。�
LRRK2基因突变最主要的影响就是GTP酶和酪氨酸激酶活性增强,并可以引起ROC结构域和WD-40结构域的改变,从而引起病变。目前研究较多的为以下三种基因突变:�
3.1G2019S突变。到目前为止,已有集中错义突变被证实,其中,G2019S突变是最普遍的(116多个错义突变)��[3]�。在欧美一些国家其突变率可达10%,但不认为是中国帕金森患者的高致病基因。G2019S是LRRK2基因的41号外显子,在G2019S和邻近的I2020T突变位于N端酪氨酸激酶结构域,属于激活循环的一部分。这些突变是通过增强LRRK2自身磷酸化水平和底物磷酸化水平,引起LRRK2激酶活性增高,从而发生自身磷酸化或通用基板髓鞘碱性蛋白磷酸化,G2019S突变体具有较强的细胞毒性,可降低神经元活性,引发细胞内Lewy body的形成,可通过线粒体途径诱导细胞凋亡:还可增加磷酸酶的活性从而影响胞内运输,导致轴突的生长发育障碍。而LRRK2激酶活性增高产生神经毒性,最终将导致细胞死亡。最近的研究结果显示在MAPK参与从G2019S牵连异常蛋白磷酸化突变的患者白细胞信号的关键蛋白磷酸化显着的改变。鉴于G2019S基因突变对帕金森病影响重大,有研究提出在其下游找到一个可对G2019S进行操控的蛋白,将为帕金森病的干预治疗带来好处。�
3.2R1441C/G突变。Zimp rich等对46个常染色体显性遗传性PD家系分析时发现LRRK2的Roc结构域中在同一位点存在R1441G和R1441C两个突变,一些研究表明,LRRK2激酶的活动是由GTP通过调节LRRK2的ROC域的内在GTP酶。这一点可从突变的GTP酶ROC域(R1441C,R1441G)扰乱GTP结合和水解激酶活性得到印证��[4]�。R1441C/G突变将引起神经元结果和功能发生改变,细胞骨架出现异常,这也是神经退行性疾病病理改变的一个显著特征。�
3.3G2385R突变。G2385R也是一个重要的基因突变点,在西方国家白种人病例对照研究中尚未发现与帕金森病的相关性,而在中国台湾和中国大陆的研究中却发现与帕金森病存在明显相关性,该点突变是亚洲人帕金森病的研究热点。G2385R突变会引起线粒体功能障碍,发生细胞凋亡,认为LRR结构域和WD-40结构域参与了这一过程��[5]�。�
此外,在一些帕金森患者中还发现了Y1699C突变,I2020T和K544E突变。现在越来越多的研究,明显表现出激酶活性的LRRK2由于致病基因突变影响细胞凋亡,可能是导致神经退行性疾病病理激活的直接作用。�
4.与其他致病基因的关系�
帕金森病致病基因多样,机制复杂,各致病基因间必然存在千丝万缕的联系,至今没有阐释清楚,但已有研究提示LRRK2基因参与了帕金森病中 -synulein基因的聚集。 -synulein是发现的第一个帕金森病的致病基因,其基因突变可增强细胞的氧化应激水平,并在多巴胺多用下引起 -synulein蛋白质结构发生改变,导致泛素-蛋白质体系功能紊乱,进而形成Lewy小体,导致神经元变性。在病理结果发现有Lewy小体富集的帕金森病人的脑组织中,LRRK2与 -synulein两种蛋白质存在共同定位,并且存在相互结合,研究认为两者的共同作用是通过GSK的方式发生的,作用程度受氧化应激作用的影响。�
泛素蛋白酶系统功能异常是家族性和散发性帕金森病的发病机制之一。Parkin蛋白是一种泛素连接酶,对神经细胞有保护作用,是蛋白泛素化的中转站。待清除的蛋白质首先结合到Parkin,然后与E2相连的已活化泛素结合而发挥其降解蛋白质的功能。Parkin是泛素蛋白酶系统的重要组成部分,发挥E3连接酶的作用,其基因突变也是导致帕金森病的主要原因。有研究认为Parkin的RNG2结构域可以和LRRK2的COR结构域结合,产生蛋白聚集体,导致蛋白质代谢异常。但LRRK2并不是被Parkin泛素化,说明有可能LRRK2在调控Parkin的酶活性中发挥了作用。�
至于LRRK2与其它基因之间是否存在分子通路或者存在相互作用等问题已被提出,有待进一步研究。深入探查该基因结构与功能变化与帕金森病发病的相关性无疑具有特别重要的理论和临床价值。�
5.展望�
由于帕金森病发病机制的复杂,病理变化多样,可能受到基因-基因和基因-环境多重复杂因素的影响,所以我们在研究过程中不但要注意单个因素的作用,更应该注意因素和因素间的协同作用。阐明帕金森病的病因与发病机制,建立客观和可靠的诊断手段,寻找非常有效而副作用少的治疗药物及方法仍然是21世纪神经科学领域的重要研究方向之一。LRRK2基因突变是对帕金森病研究的一个新的亮点。遗传外显率的不同和病理的多形性显示,LRRK2正常功能更可能影响相关基底神经节的老化,而不是直接诱发疾病。在这种背景下的,其它可以促进神经退行性疾病的诱因就值得加以探讨。LRRK2作为一个激酶,了解其激酶活性调控机制意义重大,因为其激酶突变体引起的激酶活性改变已被证实是帕金森病的重要致病机制。而激酶又是许多疾病干预和治疗的主要作用点,LRRK2参与蛋白激酶活性调节的功能域有可能成为潜在治疗靶点。长期服用外源性帕金森病药物会产生不良反应,而基因治疗克服了这一点,它可以通过直接调节大脑的化学信号,进一步削弱副作用。帕金森病是一种严重影响中老人健康和生活质量的神经系统变性疾病,目前还无法根治。LRRK2基因突变的发现从临床、遗传和病理视角改变了我们对帕金森病的理解,在研究发病及治疗都提供了新的思路,并有可能解释相似研究及其他神经退化性疾病。LRRK2基因发现时间还不长,其结构和功能机制都有待进一步研究。
参考文献�
[1]刘鹏,秦川.LRRK2基因与帕金森病[J].中国比较医学杂志,2008,8(18):40-42.�
[2]Heather Melrose.Update on the functional biology of Lrrk2[J].Future Neurol,2008,3(6):669-681.�
[3]Yang L,Kubota C,O"Neill M,et al.Expression of imprinted genes is aberrant in deceased newborn cloned calves and relatively normal in surviving adult clones[J].Molec Reprod Dev,2005,71(4):431-438.�
[4]Zhenyu Yue.LRRK2 in Parkinson"s disease:in vivo model and approaches for understanding pathogenic roles.FEBS J,2009,276(22):6445-6454.�
[5]张婷,曹立.LRRK2与帕金森病[J].国际神经病神经外科学杂志,2007,5(34):467-471.�
