CDK-5在神经病变研究现况

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本文作者：张红丽刘亚玲作者单位：河北医科大学第二医院神经内科

细胞周期依赖性蛋白激酶5(cdk-5)最初是从鼠脑c-DNA库中提取克隆出来，并发现其可以磷酸化赖氨酸-丝氨酸-脯氨酸序列的神经微丝，因与CDK家族成员CDK-1、CDK-2分别具有58%、61%的氨基酸序列同源性，故被称为神经特异性CDC2激酶(NCLK)［1］。CDK-5是由292个氨基酸残基组成，相对分子质量为33×103的蛋白质，CDK-5具有高度保守性，且广泛存在于中枢神经系统中，可磷酸化一系列与细胞的形态及动力学有关的蛋白质，目前所知道的CDK-5的底物大多数为细胞骨架蛋白、信号转导分子和一些调节蛋白，在有丝分裂后的神经元中，CDK-5对发育的脑组织中神经元的迁移和分化至关重要。并且在一些神经变性病，如帕金森病(Parkinsondisease，PD)、阿尔茨海默病(Alzheimerdisease，AD)、肌萎缩性侧索硬化、亨廷顿病等疾病的神经元损伤中也存在CDK-5的异常聚集。已证实CDK-5参与神经变性疾病的发生、发展过程，因此CDK-5备受关注。

1CDK-5概述

CDK-5是脯氨酸限定性丝/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶，它包含有全部保守的蛋白激酶区域，并在第Ⅲ区域中含有CDK家族成员共有的PSTAIRE结构域［2］。现已发现受CDK-5磷酸化的底物约20多种，其作用底物均含有一致性序列(S/T)PX(K/H/R)［3］，具体底物包括Tau、高相对分子质量神经丝蛋白(neurofilamentH，NF-H)和囊泡蛋白等。CDK-5在哺乳动物组织中广泛表达，以脑中表达最高，CDK-5的活性并不仅局限在中枢神经系统［4］。CDK-5大部分以单体形式存在，只有与其特异激活因子p35、p39结合后才具有生物活性，进而磷酸化其底物。p35-CDK-5主要分布于胞质，p39-CDK-5主要分布于胞核，这种分布的差异也决定了两者功能的不同［5］。CDK-5通过磷酸化特定位点来调节其激酶活性，CDK-5的活性位点有Thr14、Thr15、Alb和Ser159等，p35通过泛素蛋白酶体系统降解，缺乏CDK-5磷酸化位点的p35突变体的稳定性增强，半衰期延长［6］，故p35的磷酸化与蛋白酶体降解可对CDK-5活性起负性调节作用。

2CDK-5在神经系统发育中的作用

2．1CDK-5与神经元的迁移和分化

剔除CDK-5的小鼠60%在子宫内就死亡，这可能与神经系统缺陷有关，类似情况也发生在p35－/p39－的小鼠。有趣的是这种现象完全可被植入p35启动子下游的CDK-5基因转染所逆转，表明神经元细胞CDK-5的活性在正常的神经系统发育中起不可替代的作用［7-8］。CDK-5激酶活性不仅存在于神经元细胞还存在于小神经胶质细胞［9］、星形胶质细胞［10］和少突胶质细胞［11］，有学者在体内实验研究证实，CDK-5在少突胶质细胞的分化过程中扮演重要角色［12］。正常成年哺乳动物大脑皮质的六层板层结构是通过神经元的正确迁移而形成的，且遵循早期神经元在皮质深层，晚期神经元向外迁移的模式，但这种皮层形成模式在CDK-5和p35突变小鼠模型中完全被打乱［13］。Ayala等［14］报道了皮质神经元迁移中与CDK-5相互作用的一系列底物，如MAP1b、Tau、Ndell等，这对迁移过程中CDK-5信号通路的建立有重要意义。Miyamoto等［15］首次报道CDK5在血小板源性生长因子诱导的少突胶质前体细胞迁移中的作用。CDK5/p35在中枢神经系统的中间神经元的定位很重要，p35缺失的小鼠存在皮质板层结构倒错与大量的中间神经元堆积在皮质层上层，进一步证实这种不正常的定位源于滞后的切向迁移阻止了中间神经元迁移到特定的位置［16］。此外，在脊髓神经元中，CDK-5的缺失导致交感和副交感神经节神经元以及2种中间神经元无法迁移到正确位置［17］。然而，CDK-5参与神经元迁移的下游分子还有待进一步研究。

2．2CDK-5与轴突生长

剔除CDK-5的小鼠除了有脑发育缺陷外还伴有轴突的生长障碍。Li等［18］在培养的神经元细胞中也发现CDK-5参与细胞轴突的生长过程。应用免疫组织化学研究发现，在胼胝体和外囊的神经元分化期轴突部有CDK-5和p35的聚集。有学者认为，CDK-5的亚基化对于树突的生长有重要作用［19］。Pctaire1为Pctaire基因编码的CDK相关的蛋白激酶，其激酶活性受CDK-5的调节。Fu等［20］进一步研究证实，CDK-5可通过磷酸化Pctaire1激酶的丝氨酸第95位点起到促进神经元分化及轴突的生长的作用，然而，Pctaire基因剔除或丝氨酸第95位点磷酸化障碍都可破坏轴突生长。

2．3CDK-5与突触发生

Cheung等［21］证实在海马神经元的树突生长过程中有CDK-5的参与，在缺乏CDK-5激酶活性的突变小鼠中观察到诱发树突形成的脑源性神经生长因子遭到破坏。另外，具有CDK-5磷酸化位点Ser478的神经元比高表达TrKB而无Ser478磷酸化位点的神经元有更多的树突结构［22］。同年，Fu等［22］报道过CDK-5通过磷酸化ephexin1激活Eph受体A4，从而调节树突棘的收缩。此外，CDK-5与蛋白底物Synapsin1、Munc18和Amphipysin作用介导突触前神经递质的释放。在胚胎的肌肉组织和神经肌肉接头处富含CDK-5和p35［23］，CDK-5还参与神经肌肉接头的形成和维持过程。总之，CDK-5可磷酸化很多与神经突延伸，突触和树突棘成熟有关的底物蛋白来发挥其对神经突触发生与维持的调节作用。

3CDK-5在神经变性疾病中的作用

神经变性病是以中枢神经系统内特定神经元的损伤丢失为特征的一组慢性进展性疾病，CDK-5诱导神经元凋亡主要通过两个不同的机制;一是通过细胞质途径导致细胞骨架崩解;二是细胞核途径干扰促存活基因。2006年Camins等［24］认为CDK-5/p25复合物还可能通过糖原合成酶激酶3β和C-JUNK通路致神经元死亡。CDK-5究竟起促凋亡还是抑凋亡的作用取决于细胞的周围环境、整体状态和CDK-5的调节因子的情况。

3．1CDK-5与AD

目前普遍认为AD的主要发病机制是细胞外老年斑和神经元纤维缠结的大量形成所产生的毒性作用。老年斑的主要成分是β淀粉样蛋白(Aβ)，神经元纤维缠结由双股螺旋细丝组成，而这种双股螺旋细丝是由大量异常高度磷酸化的tau蛋白形成的。Tau蛋白一些磷酸化位点能被CDK-5和糖原合成酶激酶3β磷酸化，并且tauSer396和Ser404的磷酸化还参与双股螺旋细丝1的形成。海马细胞培养结果表明［25］，神经元变性时，由CDK5引发的tau蛋白异常磷酸化能易化糖原合成酶激酶3β对tau蛋白的磷酸化，从而阻碍其与微管结合，影响轴浆转运过程。在AD患者脑提取物中发现p25含量显著增高，患者额叶、顶叶和海马p25/p35比率较对照组高，以额叶最明显，证实p25与神经毒性有关联。2003年有学者利用体内过表达p25的转基因小鼠证实，CDK5酶活性的异常调节可导致Tau蛋白聚集和神经纤维原缠结病理［26］。2011年Hsiao等［27］研究认为，CDK-5参与生物隔离转基因AD小鼠认知障碍的发生。由此可见，在神经毒性损伤条件下，CDK-5可以促进神经退行性病变的发生过程。

3．2CDK-5与PD

1995年，Brion和Couck发现CDK-5存在于PD患者中脑的路易小体中。超微结构显示，路易小体由8～10nm细纤维堆积而成，目前，已鉴定出高、中、低相对分子质量的神经丝蛋白，体外实验证实，CDK-5可以磷酸化高、中相对分子质量的神经丝蛋白的KSP序列，故CDK5被认为是路易小体的神经丝蛋白磷酸化激酶。2003年，报道在PD小鼠模型中CDK-5的活性是增强的，而下调CDK-5的活性或应用激酶抑制剂都可以保护多巴胺神经元的缺失［28］。左旋多巴是治疗PD的有效药物，2003年，Fahn［29］研究显示，PD患者脑内纹状体ΔfosB的表达增加可能与慢性摄入左旋多巴有关，而ΔfosB会增加CDK-5的转录并激活其活性。这就导致患者治疗过程中对左旋多巴疗效的降低。此外，在长期应用左旋多巴治疗后患者易出现异动症，研究发现，在异动症大鼠纹状体内Thr-34位点磷酸化的DARPP-32水平和CDK-5表达升高，如注入CDK-5抑制剂，异动症大鼠的异常不自主运动症状则加重，对此解释是异动症大鼠纹状体内CDK-5表达显著增强是继发于ΔfosB增加的下游改变，是机体用于减轻长期左旋多巴治疗所致D1/PKA通路活性增高的一种代偿性适应过程［30］。因此，在考虑应用CDK-5抑制剂治疗PD时应该慎重，尚需要更多的实验支持。

3．3CDK-5与肌萎缩侧索硬化

肌萎缩侧索硬化的病理特点是在运动神经元的胞体和轴突近端的NFs的聚集。家族性肌萎缩侧索硬化症与SOD-1基因突变密切相关，Nguyen等［31］在SOD-1G37R转基因小鼠模型发现p25/p35比率升高，CDK-5活性增强，且核周伴有CDK-5、p25与NFs聚集、Tau蛋白和神经丝的高度磷酸化。2003年该学者进一步应用CDK-5磷酸化NF特异性抗体可标记出病变神经元有NF聚集，NFH过度表达也产生此种聚集现象［32］。轴索运输和细胞骨架是肌萎缩侧索硬化发病的中心环节，而NFs异常蓄积是导致轴索运输障碍的直接原因，CDK-5对Tau蛋白和神经丝蛋白的过度磷酸化进一步导致细胞骨架和轴索运输异常。以往这些研究证实，CDK-5参与了病变中神经元死亡病理［31-32］。因此，CDK-5对肌萎缩侧索硬化的发生、发展具有重要的病理生理学意义。

3．4CDK-5与亨廷顿病

亨廷顿病病理特点是Huntingtin(htt)蛋白中的多聚谷氨酰胺的膨胀扩张。研究显示，htt和CDK-5共同表达于胞膜，CDK-5可以在丝氨酸434位点磷酸化htt，对表达有htt588的细胞株的实验观察发现，CDK-5的磷酸化不仅降低了突变体htt的裂解，还大大削减了截短型htt蛋白聚集物的形成和其毒性作用。然而，在亨廷顿病转基因小鼠脑内CDK-5的活性与正常对照组却是降低的，其可能的原因是与htt干扰了CDK-5/p35复合物的形成。2005年，Luo等［33］证实，CDK-5磷酸化对表达有htt蛋白毒性片段的细胞确实有保护作用。CDK-5能否成为亨廷顿病的治疗的新靶点，目前正在进行实验研究。

3．5CDK-5与进行性核上性麻痹

进行性核上性麻痹是Tau蛋白疾病的一种散发形式，病理特征是在一些皮质下结构可见神经元纤维缠结。2002年，Borghi等［34］研究小组通过免疫印记和免疫组织化学的方法对7例进行性核上性麻痹，6例AD和7例对照病例的患者检测了脑中CDK-5/p35蛋白水平和分布，发现进行性核上性麻痹患者CDK-5的总蛋白水平较对照组高3倍，并与Tau蛋白免疫共存。此外，酯类超氧化物的毒性产物(如4-羟基壬烯醛、丙二醛)在进行性核上性麻痹患者脑中也选择性增高，并与Tau蛋白的病变程度呈正相关。由此可见，在进行性核上性麻痹的发病过程中，CDK-5激酶的大量产生参与Tau蛋白的磷酸化过程，从而促进Tau蛋白堆积而介导酯类过氧化的有害效应。

4结语

近年来，CDK-5作为细胞周期依赖性激酶家族中比较特殊的一员，在各个系统都有不少研究，在神经系统疾病，如神经变性病中所起的作用也日渐受到重视。虽然CDK-5在神经元迁移分化、轴突生长与突触发生过程中的作用已明确，但在神经系统变性中的研究仍然处于初级阶段，神经系统变性疾病一直被视为顽固而难治的疾病，是多年来神经病学专家们久攻难克的课题。伴随基础研究的发展，CDK-5与神经变性病的关系越来越密切，CDK-5既起到神经保护作用也可能导致疾病的进展，其具体的作用和机制有待进一步深入研究，期望为将来治疗神经变性疾病提供新思路和靶点。