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本文作者：張紅麗劉亞玲作者單位：河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科

細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶5(cdk-5)最初是從鼠腦c-DNA庫中提取克隆出來，并發(fā)現(xiàn)其可以磷酸化賴氨酸-絲氨酸-脯氨酸序列的神經(jīng)微絲，因與CDK家族成員CDK-1、CDK-2分別具有58%、61%的氨基酸序列同源性，故被稱為神經(jīng)特異性CDC2激酶(NCLK)［1］。CDK-5是由292個氨基酸殘基組成，相對分子質(zhì)量為33×103的蛋白質(zhì)，CDK-5具有高度保守性，且廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，可磷酸化一系列與細(xì)胞的形態(tài)及動力學(xué)有關(guān)的蛋白質(zhì)，目前所知道的CDK-5的底物大多數(shù)為細(xì)胞骨架蛋白、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子和一些調(diào)節(jié)蛋白，在有絲分裂后的神經(jīng)元中，CDK-5對發(fā)育的腦組織中神經(jīng)元的遷移和分化至關(guān)重要。并且在一些神經(jīng)變性病，如帕金森病(Parkinsondisease，PD)、阿爾茨海默病(Alzheimerdisease，AD)、肌萎縮性側(cè)索硬化、亨廷頓病等疾病的神經(jīng)元損傷中也存在CDK-5的異常聚集。已證實CDK-5參與神經(jīng)變性疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，因此CDK-5備受關(guān)注。

1CDK-5概述

CDK-5是脯氨酸限定性絲/蘇氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶，它包含有全部保守的蛋白激酶區(qū)域，并在第Ⅲ區(qū)域中含有CDK家族成員共有的PSTAIRE結(jié)構(gòu)域［2］。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)受CDK-5磷酸化的底物約20多種，其作用底物均含有一致性序列(S/T)PX(K/H/R)［3］，具體底物包括Tau、高相對分子質(zhì)量神經(jīng)絲蛋白(neurofilamentH，NF-H)和囊泡蛋白等。CDK-5在哺乳動物組織中廣泛表達(dá)，以腦中表達(dá)最高，CDK-5的活性并不僅局限在中樞神經(jīng)系統(tǒng)［4］。CDK-5大部分以單體形式存在，只有與其特異激活因子p35、p39結(jié)合后才具有生物活性，進(jìn)而磷酸化其底物。p35-CDK-5主要分布于胞質(zhì)，p39-CDK-5主要分布于胞核，這種分布的差異也決定了兩者功能的不同［5］。CDK-5通過磷酸化特定位點來調(diào)節(jié)其激酶活性，CDK-5的活性位點有Thr14、Thr15、Alb和Ser159等，p35通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)降解，缺乏CDK-5磷酸化位點的p35突變體的穩(wěn)定性增強，半衰期延長［6］，故p35的磷酸化與蛋白酶體降解可對CDK-5活性起負(fù)性調(diào)節(jié)作用。

2CDK-5在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的作用

2．1CDK-5與神經(jīng)元的遷移和分化

剔除CDK-5的小鼠60%在子宮內(nèi)就死亡，這可能與神經(jīng)系統(tǒng)缺陷有關(guān)，類似情況也發(fā)生在p35－/p39－的小鼠。有趣的是這種現(xiàn)象完全可被植入p35啟動子下游的CDK-5基因轉(zhuǎn)染所逆轉(zhuǎn)，表明神經(jīng)元細(xì)胞CDK-5的活性在正常的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中起不可替代的作用［7-8］。CDK-5激酶活性不僅存在于神經(jīng)元細(xì)胞還存在于小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞［9］、星形膠質(zhì)細(xì)胞［10］和少突膠質(zhì)細(xì)胞［11］，有學(xué)者在體內(nèi)實驗研究證實，CDK-5在少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化過程中扮演重要角色［12］。正常成年哺乳動物大腦皮質(zhì)的六層板層結(jié)構(gòu)是通過神經(jīng)元的正確遷移而形成的，且遵循早期神經(jīng)元在皮質(zhì)深層，晚期神經(jīng)元向外遷移的模式，但這種皮層形成模式在CDK-5和p35突變小鼠模型中完全被打亂［13］。Ayala等［14］報道了皮質(zhì)神經(jīng)元遷移中與CDK-5相互作用的一系列底物，如MAP1b、Tau、Ndell等，這對遷移過程中CDK-5信號通路的建立有重要意義。Miyamoto等［15］首次報道CDK5在血小板源性生長因子誘導(dǎo)的少突膠質(zhì)前體細(xì)胞遷移中的作用。CDK5/p35在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的中間神經(jīng)元的定位很重要，p35缺失的小鼠存在皮質(zhì)板層結(jié)構(gòu)倒錯與大量的中間神經(jīng)元堆積在皮質(zhì)層上層，進(jìn)一步證實這種不正常的定位源于滯后的切向遷移阻止了中間神經(jīng)元遷移到特定的位置［16］。此外，在脊髓神經(jīng)元中，CDK-5的缺失導(dǎo)致交感和副交感神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元以及2種中間神經(jīng)元無法遷移到正確位置［17］。然而，CDK-5參與神經(jīng)元遷移的下游分子還有待進(jìn)一步研究。

2．2CDK-5與軸突生長

剔除CDK-5的小鼠除了有腦發(fā)育缺陷外還伴有軸突的生長障礙。Li等［18］在培養(yǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)CDK-5參與細(xì)胞軸突的生長過程。應(yīng)用免疫組織化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在胼胝體和外囊的神經(jīng)元分化期軸突部有CDK-5和p35的聚集。有學(xué)者認(rèn)為，CDK-5的亞基化對于樹突的生長有重要作用［19］。Pctaire1為Pctaire基因編碼的CDK相關(guān)的蛋白激酶，其激酶活性受CDK-5的調(diào)節(jié)。Fu等［20］進(jìn)一步研究證實，CDK-5可通過磷酸化Pctaire1激酶的絲氨酸第95位點起到促進(jìn)神經(jīng)元分化及軸突的生長的作用，然而，Pctaire基因剔除或絲氨酸第95位點磷酸化障礙都可破壞軸突生長。

2．3CDK-5與突觸發(fā)生

Cheung等［21］證實在海馬神經(jīng)元的樹突生長過程中有CDK-5的參與，在缺乏CDK-5激酶活性的突變小鼠中觀察到誘發(fā)樹突形成的腦源性神經(jīng)生長因子遭到破壞。另外，具有CDK-5磷酸化位點Ser478的神經(jīng)元比高表達(dá)TrKB而無Ser478磷酸化位點的神經(jīng)元有更多的樹突結(jié)構(gòu)［22］。同年，F(xiàn)u等［22］報道過CDK-5通過磷酸化ephexin1激活Eph受體A4，從而調(diào)節(jié)樹突棘的收縮。此外，CDK-5與蛋白底物Synapsin1、Munc18和Amphipysin作用介導(dǎo)突觸前神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。在胚胎的肌肉組織和神經(jīng)肌肉接頭處富含CDK-5和p35［23］，CDK-5還參與神經(jīng)肌肉接頭的形成和維持過程。總之，CDK-5可磷酸化很多與神經(jīng)突延伸，突觸和樹突棘成熟有關(guān)的底物蛋白來發(fā)揮其對神經(jīng)突觸發(fā)生與維持的調(diào)節(jié)作用。

3CDK-5在神經(jīng)變性疾病中的作用

神經(jīng)變性病是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)特定神經(jīng)元的損傷丟失為特征的一組慢性進(jìn)展性疾病，CDK-5誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡主要通過兩個不同的機制;一是通過細(xì)胞質(zhì)途徑導(dǎo)致細(xì)胞骨架崩解;二是細(xì)胞核途徑干擾促存活基因。2006年Camins等［24］認(rèn)為CDK-5/p25復(fù)合物還可能通過糖原合成酶激酶3β和C-JUNK通路致神經(jīng)元死亡。CDK-5究竟起促凋亡還是抑凋亡的作用取決于細(xì)胞的周圍環(huán)境、整體狀態(tài)和CDK-5的調(diào)節(jié)因子的情況。

3．1CDK-5與AD

目前普遍認(rèn)為AD的主要發(fā)病機制是細(xì)胞外老年斑和神經(jīng)元纖維纏結(jié)的大量形成所產(chǎn)生的毒性作用。老年斑的主要成分是β淀粉樣蛋白(Aβ)，神經(jīng)元纖維纏結(jié)由雙股螺旋細(xì)絲組成，而這種雙股螺旋細(xì)絲是由大量異常高度磷酸化的tau蛋白形成的。Tau蛋白一些磷酸化位點能被CDK-5和糖原合成酶激酶3β磷酸化，并且tauSer396和Ser404的磷酸化還參與雙股螺旋細(xì)絲1的形成。海馬細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果表明［25］，神經(jīng)元變性時，由CDK5引發(fā)的tau蛋白異常磷酸化能易化糖原合成酶激酶3β對tau蛋白的磷酸化，從而阻礙其與微管結(jié)合，影響軸漿轉(zhuǎn)運過程。在AD患者腦提取物中發(fā)現(xiàn)p25含量顯著增高，患者額葉、頂葉和海馬p25/p35比率較對照組高，以額葉最明顯，證實p25與神經(jīng)毒性有關(guān)聯(lián)。2003年有學(xué)者利用體內(nèi)過表達(dá)p25的轉(zhuǎn)基因小鼠證實，CDK5酶活性的異常調(diào)節(jié)可導(dǎo)致Tau蛋白聚集和神經(jīng)纖維原纏結(jié)病理［26］。2011年Hsiao等［27］研究認(rèn)為，CDK-5參與生物隔離轉(zhuǎn)基因AD小鼠認(rèn)知障礙的發(fā)生。由此可見，在神經(jīng)毒性損傷條件下，CDK-5可以促進(jìn)神經(jīng)退行性病變的發(fā)生過程。

3．2CDK-5與PD

1995年，Brion和Couck發(fā)現(xiàn)CDK-5存在于PD患者中腦的路易小體中。超微結(jié)構(gòu)顯示，路易小體由8～10nm細(xì)纖維堆積而成，目前，已鑒定出高、中、低相對分子質(zhì)量的神經(jīng)絲蛋白，體外實驗證實，CDK-5可以磷酸化高、中相對分子質(zhì)量的神經(jīng)絲蛋白的KSP序列，故CDK5被認(rèn)為是路易小體的神經(jīng)絲蛋白磷酸化激酶。2003年，報道在PD小鼠模型中CDK-5的活性是增強的，而下調(diào)CDK-5的活性或應(yīng)用激酶抑制劑都可以保護(hù)多巴胺神經(jīng)元的缺失［28］。左旋多巴是治療PD的有效藥物，2003年，F(xiàn)ahn［29］研究顯示，PD患者腦內(nèi)紋狀體ΔfosB的表達(dá)增加可能與慢性攝入左旋多巴有關(guān)，而ΔfosB會增加CDK-5的轉(zhuǎn)錄并激活其活性。這就導(dǎo)致患者治療過程中對左旋多巴療效的降低。此外，在長期應(yīng)用左旋多巴治療后患者易出現(xiàn)異動癥，研究發(fā)現(xiàn)，在異動癥大鼠紋狀體內(nèi)Thr-34位點磷酸化的DARPP-32水平和CDK-5表達(dá)升高，如注入CDK-5抑制劑，異動癥大鼠的異常不自主運動癥狀則加重，對此解釋是異動癥大鼠紋狀體內(nèi)CDK-5表達(dá)顯著增強是繼發(fā)于ΔfosB增加的下游改變，是機體用于減輕長期左旋多巴治療所致D1/PKA通路活性增高的一種代償性適應(yīng)過程［30］。因此，在考慮應(yīng)用CDK-5抑制劑治療PD時應(yīng)該慎重，尚需要更多的實驗支持。

3．3CDK-5與肌萎縮側(cè)索硬化

肌萎縮側(cè)索硬化的病理特點是在運動神經(jīng)元的胞體和軸突近端的NFs的聚集。家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥與SOD-1基因突變密切相關(guān)，Nguyen等［31］在SOD-1G37R轉(zhuǎn)基因小鼠模型發(fā)現(xiàn)p25/p35比率升高，CDK-5活性增強，且核周伴有CDK-5、p25與NFs聚集、Tau蛋白和神經(jīng)絲的高度磷酸化。2003年該學(xué)者進(jìn)一步應(yīng)用CDK-5磷酸化NF特異性抗體可標(biāo)記出病變神經(jīng)元有NF聚集，NFH過度表達(dá)也產(chǎn)生此種聚集現(xiàn)象［32］。軸索運輸和細(xì)胞骨架是肌萎縮側(cè)索硬化發(fā)病的中心環(huán)節(jié)，而NFs異常蓄積是導(dǎo)致軸索運輸障礙的直接原因，CDK-5對Tau蛋白和神經(jīng)絲蛋白的過度磷酸化進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞骨架和軸索運輸異常。以往這些研究證實，CDK-5參與了病變中神經(jīng)元死亡病理［31-32］。因此，CDK-5對肌萎縮側(cè)索硬化的發(fā)生、發(fā)展具有重要的病理生理學(xué)意義。

3．4CDK-5與亨廷頓病

亨廷頓病病理特點是Huntingtin(htt)蛋白中的多聚谷氨酰胺的膨脹擴(kuò)張。研究顯示，htt和CDK-5共同表達(dá)于胞膜，CDK-5可以在絲氨酸434位點磷酸化htt，對表達(dá)有htt588的細(xì)胞株的實驗觀察發(fā)現(xiàn)，CDK-5的磷酸化不僅降低了突變體htt的裂解，還大大削減了截短型htt蛋白聚集物的形成和其毒性作用。然而，在亨廷頓病轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)CDK-5的活性與正常對照組卻是降低的，其可能的原因是與htt干擾了CDK-5/p35復(fù)合物的形成。2005年，Luo等［33］證實，CDK-5磷酸化對表達(dá)有htt蛋白毒性片段的細(xì)胞確實有保護(hù)作用。CDK-5能否成為亨廷頓病的治療的新靶點，目前正在進(jìn)行實驗研究。

3．5CDK-5與進(jìn)行性核上性麻痹

進(jìn)行性核上性麻痹是Tau蛋白疾病的一種散發(fā)形式，病理特征是在一些皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)可見神經(jīng)元纖維纏結(jié)。2002年，Borghi等［34］研究小組通過免疫印記和免疫組織化學(xué)的方法對7例進(jìn)行性核上性麻痹，6例AD和7例對照病例的患者檢測了腦中CDK-5/p35蛋白水平和分布，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行性核上性麻痹患者CDK-5的總蛋白水平較對照組高3倍，并與Tau蛋白免疫共存。此外，酯類超氧化物的毒性產(chǎn)物(如4-羥基壬烯醛、丙二醛)在進(jìn)行性核上性麻痹患者腦中也選擇性增高，并與Tau蛋白的病變程度呈正相關(guān)。由此可見，在進(jìn)行性核上性麻痹的發(fā)病過程中，CDK-5激酶的大量產(chǎn)生參與Tau蛋白的磷酸化過程，從而促進(jìn)Tau蛋白堆積而介導(dǎo)酯類過氧化的有害效應(yīng)。

4結(jié)語

近年來，CDK-5作為細(xì)胞周期依賴性激酶家族中比較特殊的一員，在各個系統(tǒng)都有不少研究，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如神經(jīng)變性病中所起的作用也日漸受到重視。雖然CDK-5在神經(jīng)元遷移分化、軸突生長與突觸發(fā)生過程中的作用已明確，但在神經(jīng)系統(tǒng)變性中的研究仍然處于初級階段，神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病一直被視為頑固而難治的疾病，是多年來神經(jīng)病學(xué)專家們久攻難克的課題。伴隨基礎(chǔ)研究的發(fā)展，CDK-5與神經(jīng)變性病的關(guān)系越來越密切，CDK-5既起到神經(jīng)保護(hù)作用也可能導(dǎo)致疾病的進(jìn)展，其具體的作用和機制有待進(jìn)一步深入研究，期望為將來治療神經(jīng)變性疾病提供新思路和靶點。