MEF2与神经疾病关联研究进展

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本文作者：王莉江文作者单位：第四军医大学西京医院神经内科

在多种类型细胞中，作为细胞内钙信号转导通路的终端分子－肌细胞增强因子-2(mef2)是特异性基因表达和转录的中心调控因素。神经系统中，MEF2分布广泛，且具有多种生物学功能，如调控神经元的成熟及突触的形成等;不同条件下，MEF2可促进神经元存活，而应激和神经毒物能下调MEF2而导致神经元凋亡;相反，上调MEF2活性可不同程度地起到神经保护作用，这在多种神经系统疾病中均有体现。本文就MEF2的结构、分布、生理功能及其与神经系统疾病关系的研究进展综述如下。

1MEF2的结构及亚型组成

MEF2是一类最早发现于肌肉中的核转录因子，它与DNA中富集A/T的序列结合，调控众多参与肌肉形成和发育的基因表达。大量研究证实，MEF2不仅在肌肉组织中高表达，在神经系统中同样能检测到它的大量存在。MEF2属于MADS-box转录调节因子家族，后者通过与其他含有MADS结构域的因子结合行使不同水平的转录调控。脊椎动物的MEF2蛋白由4个基因编码(MEF2A、B、C、D)，各亚型在胚胎形成及成体组织中均有表达，但在时间和空间上存在差异性和重合性。MEF2由3部分组成，N’端开始的56个氨基酸，被称为MADS-BOX，它是DNA结合区，在众多生物中具有高度保守性;紧邻MADS-BOX的是一个由29个氨基酸组成的MEF2结构域，它不仅能影响DNA与MADS-BOX的结合程度，还介导了MEF2不同蛋白间的同源和异源二聚化。脊椎动物中，MEF2蛋白有50%的氨基酸是一致的，高度保守的MADS-BOX和MEF2结构域相似度达95%。虽然这两者对于DNA结合已经足够，但仍缺乏转录活性。MEF2的C’端即是它的转录活性区，由许多具有调节能力的微小结构域组成，包括核定位序列和大量磷酸化位点，因此该区域具有基因多样性，氨基酸序列同源度很低，这也是MEF2参与并调节众多生命过程的结构基础。MEF2的组成决定了其能接受及应答来自细胞内多种通路的信息，另外，MEF2的活性也受细胞外环境的影响［1］。

2MEF2在神经系统中的分布

MEF2亚基多位于细胞核内，以同源或异源二聚体的形式结合在DNA上，通过与其他转录因子相互作用影响目的基因的表达。所有的MEF2家族成员在神经系统中都有高表达，尤其是MEF2C［2］。Lin等首次用MEF2不同亚型的特异探针进行RNAblot分析，观测到成年大鼠脑内，MEF2A，C，D在海马(齿状回颗粒细胞层及CA1～CA4的锥体细胞)，嗅球(僧帽细胞)，大脑皮层(全层)中均有较高表达;而在发育中的小脑颗粒神经元(CGNs)中，MEF2A，D的含量逐渐上升，MEF2C则相反。免疫组织化学结果显示，除了上述分布特征以外，MEF2在其他脑区(丘脑)神经元中也有一定表达，而胶质细胞中则很少［3，4］。Neely等发现，除了细胞核，MEF2在细胞质有也有少量分布，大都分布在线粒体和内质网中，参与氧化呼吸链的调节及机体自噬作用的完成［5，6］。

3MEF2在神经系统中的功能

作为细胞内钙信号通路的终端，MEF2主要被3条通路激活:CaMK/HDACs;p38/ERK5/MAPK;Calcineurin/NFAT［7，8］。激活的MEF2调节钙相关基因的转录和表达，参与神经元正常生命活动的进行。

3．1MEF2与神经元的存活，成熟和分化

MEF2的表达可提高新生神经元的存活率。实验证实，胚胎皮质来源的神经元中，MEF2C的突变可引起凋亡神经元数目的增加，同样，在小脑颗粒细胞中通过RNA干扰技术阻断MEF2A的表达可降低神经元的存活率，其对神经元的保护作用可见一班［9］。Ca2+信号通路对神经元的存活和成熟具有重要意义，同时还能调控胚胎及成体脑中神经元前体细胞(NPC)的分化过程。在离体的胚胎纹状体NPC中观察到，随着分化的进行，细胞内Ca2+信号加强，NPC向神经元分化并能形成较长的轴突，同时γ-氨基丁酸的形成增加。另有来自成人大脑皮质NPC的实验证实，阻断介导细胞内Ca2+内流的L-型Ca通道，能抑制NPC向神经元的分化。因此，Ca2+对神经元的形成及其形态的调节起重要作用。而上升的细胞内Ca2+作用的其中一个下游靶点就是MEF2转录因子家族［10］。Lin等用MEF2肽的多克隆抗体观测小脑内颗粒层MEF2蛋白的表达时发现，随着发育的进行，作为成熟小脑颗粒神经元分化的一个标志，GABAA受体α6亚基的RNA含量也在上升。Brian等发现MEF2D在分化前后胚胎脑皮质来源的NPCs中均有表达，且在神经元的形成过程中逐渐增多，胶质细胞则相反。另外，MEF2D的表达水平和神经元轴突的长度有相关性，即神经元轴突越长，MEF2D表达的水平越高。近有研究显示，作为MEF2D基因表达的激动剂，ERK5在NPCs的分化过程中逐渐升高;而阻遏剂，组蛋白脱乙酰酶Ⅱ的含量则下降［11］。由此可见，MEF2表达的升高与神经元的成熟和分化密切相关。

3．2MEF2与突触可塑性

神经兴奋性的形成及基本组成单位是突触，神经环路的实现依赖于促进和抑制突触形成因素的平衡，这其中起重要作用的是多种兴奋性依赖的转录因子，如MeCP2和MEF2。无论单个神经元或是局部神经回路中，这些因子能调控谷氨酸能及γ-氨基丁酸能突触的数量［12］。Flavell等发现海马神经元兴奋后，细胞内Ca2+浓度升高，激活MEF2A、D，进一步抑制了兴奋性突触数量的上升。在CGNs中，MEF2A的泛素化可抑制其转录活性，促进突触的成熟［13］。Shalizi等表明细胞受各种刺激后引起Ca2+内流，致使神经钙调素活化，后者协同PKC、MKK/P38等通路最终磷酸化MEF2A，使其由泛素化转变为活化状态，从而抑制了树突的突触后分化，而且突触素1(Synapsin-1)及突触后致密物质的含量也有所下降。上述过程影响了海马细胞LTP和LTD的形成，最终导致生物个体学习记忆能力的改变［14，15］。有趣的是，MEF2对突触的形成和维持会因部位的不同而起到相反作用。比如敲除海马神经元中MEF2A、D基因，可观察到突触及树突棘数量的升高，而在CGNs中则相反，这与MEF2参与的转录后修饰不同有关。

3．3MEF2与神经毒性损伤

各种引起神经系统功能和结构损伤的能力的内源或外源化合物称为神经毒性，它可发生在生命周期中的任何阶段，在许多神经系统疾病中也有体现。Li等发现神经毒性物质可通过增加半胱天冬酶(caspase)的表达清除MEF2s，从而导致神经元凋亡［16］。Okamoto等在脑缺血损伤模型中也发现了MEF2C被降解的碎片。另有实验证实，转染具有结构活性的MEF2C可阻碍NMDA受体介导的神经毒性作用［17］。Gong等用过氧化氢处理皮质神经元，发现细胞核及细胞质中细胞周期蛋白依赖性激酶5(CDK5)活性大大增强，他们证实MEF2是CDK5细胞核内作用的直接靶标，且CDK5通过磷酸化MEF2D转录区的Ser444位点从而抑制其活性。而突变的MEF2可避免上述过程［18］。另外，降低CDK5活性或加强MEF2功能可减少谷氨酸介导的神经元毒性作用。这些发现阐明了调控MEF2活性的一个很重要机制，即CDK5→caspase→MEF2，这种机制在多种神经毒性状态下均有涉及［19］。

3．4MEF2与药物成瘾

药物滥用和药物成瘾作为当今世界性的公共卫生问题，引起了人们的广泛关注和高度警觉。研究证实，持续给予可卡因，可增加伏核(NAc)中间神经元树突棘的数量，从而导致行为反应的敏感化。Pulip-paracharuvil等发现上述病理过程是依赖cAMP介导的纹状体MEF2活性下降来实现的，而cAMP是钙调蛋白(Calmodu-lin)和钙调磷酸酶活性的关键调控者。因此，MEF2是突触可塑性调节的关键因子，其活性的降低参与了可卡因诱导的NAc树突棘密度的升高。然而，人为增强生理状态下NAc中MEF2的活性却可增强可卡因的依赖敏感性，这一点说明，NAc中MEF2活性的下降可能是限制可卡因产生的长时间不适应行为反应的一种代偿机制［20］。Mlewski等在急性和慢性给予大鼠安非他明(精神刺激药)后4h，可观测到P25蛋白水平的上升，后者持续激活CDK5，进一步磷酸化MEF2，抑制其活性。这部分解释了MEF2在精神兴奋药物敏化中的作用机制［21］。另有研究证实，CDK5不仅能磷酸化MEF2，在激素依赖形成中同样可以磷酸化糖皮质激素受体(GRs)，这也侧面反映了糖皮质激素应激系统和MEF2通路有所交汇［22］。近期资料显示，长期给予大鼠乙醇添加饲养，可降低MEF2A、DmRNA的转录活性，亦可降低谷氨酸转运体4(GluT4)的表达水平，同时提高血清TNFα的含量。因此，慢性乙醇处理可降低心肌AMPKα和MEF2的活性，这与大鼠GluT4的表达下调有关［23］。而在脑中乙醇对MEF2是否有如此调控作用很值得探究。

4MEF2与神经系统疾病的关系

4．1MEF2与Alzheimer病(AD)

AD是老年人常见的神经系统变性疾病，是痴呆的最常见病因。它的一个很重要的病理特征就是Aβ淀粉样肽的异常沉积。而后者是由Aβ前体蛋白(APP)通过β和γ分泌酶剪切而成。β-APP剪切酶(BACE1)，是一种跨膜的天冬氨酸激酶，它的启动子区和5’非翻译区包含多种转录因子结合位点，其中包括MEF2D结合区，这表明Aβ的毒性作用可能和MEF2有关［24］。此外，Dong等在SN4741细胞中发现Aβ抑制了MEF2的活性，且这种抑制具有剂量依赖性及肽片段特异性。另有研究表明，MEF2A基因的多态性可增加迟发性AD(LOAD)患病的风险，这与MEF2的P279L等位基因可降低MEF2A的转录活性有关［25］。与Aβ相反，Aβ前体蛋白APP在应激条件下能有效保护神经元。Burton等报道在缺乏APP的鼠B103细胞中导入人野生型APP(hAPPwt)，而不是家族性AD患者的突变型APP(FAD-hAPPmut)，可增强P38MAPK依赖的磷酸化作用，从而激活MEF2［26］。因此，MEF2在APP介导的神经保护过程中扮演重要角色。另外，Wang等证实，参与AD病理改变的微管相关蛋白Tau是糖原激酶3β(GSK3β)的底物之一，后者通过直接磷酸化MEF2D抑制其活性，这一过程参与了AD的退行性改变，而突变后的MEF2D则可避免此过程［27］。

4．2MEF2与Parkinson病(PD)

PD是一种中老年人常见的运动障碍疾病，以黒质多巴胺(dopamine，DA)能神经元的变性缺失为主要病理特征。实验表明，纹状体多巴胺的损耗减少了表达D2受体的纹状体-苍白球中间神经元的树突棘密度及谷氨酸能突触的数量。这些树突棘的形成依赖Ca2+v1．2L-型钙通道介导的Ca2+内流。而细胞膜去极化和MEF2可上调Nur77和Arc基因，后两者与突触重塑相关［28］。Crocker等报道给予MPTP(人工合成海洛因)后，多巴胺神经元的丢失与钙激活酶(Calpain)密切相关［29］。Smith等揭示了CDK5介导的转录因子MEF2表达是钙激活酶的下游事件。他们发现MPTP激活CDK5通过增加钙激活酶依赖的CDK5激动剂P35向P25(与发病相关)的转换。高度活化的CDK5在Ser444位点磷酸化MEF2D，抑制其活性，这在多巴胺神经元的丢失过程中起关键作用［30］。

4．3MEF2与Huntington病(HD)

HD是影响纹状体和大脑皮质的常染色体显性遗传病，它是由于γ-氨基丁酸对多巴胺的抑制性调节受损，导致黒质DA能神经元过度活跃所致。3-硝基丙酸(3-NP)是由某些植物和真菌产生的毒性物质，它是琥珀酸脱氢酶的特异性抑制剂，而后者则是连接氧化磷酸化与电子传递的枢纽之一，能为多种原核及真核细胞的呼吸链提供电子。体内注射3-NP可选择性诱发纹状体的病理改变，这与HD中相似，因此，这为研究HD的发病机制提供了有力的模型依托。研究表明，海马神经元中，3-NP激活钙蛋白酶和CDK5，从而诱导神经元凋亡，这与MEF2含量的下降及活性的降低有关［31］。

4．4其它

神经元中，MEF2很重要的一个功能就是调控突触的形成。在某些与突触数量及功能异常的神经精神疾病中，如癫痫和自闭症，可观察到MEF2的作用靶标发生了变异，进一步证实了这些疾病中抑制突触发育的兴奋性依赖基因表达有异常［32］。脆性X综合征(FXS)，是智力缺陷和自闭症最常见的遗传类型，它的发病是由于一个与RNA绑定的蛋白质(FMRP)功能的缺失，而FMRP通过兴奋性依赖的转录因子MEF2来促进突触的消除［33］。另外，MEF2C的缺陷与瑞特综合征(Rettsyndrome)有关，后者是一种以孤独为主要临床特征的精神疾病，伴有严重的突触功能缺陷［34］。缺血缺氧性脑病在神经科非常常见，如何在脑血管事件发生后尽可能多的保护神经元是一直被关注的话题。Wang等观察了大鼠脑缺血预处理(CIP)后，海马CA1区神经元MEF2C与ERK5的表达情况，后者作为MAPK家族的成员之一，可通过应激反应及不同的生长因子被激活。他们发现在给予了CIP后的动物组，MEF2C于再灌注后期(6h～5d)活性明显升高。免疫共沉淀结果证明ERK5与MEF2C于再灌注3d均明显升高，这种变化可被ERK5的反义核苷酸阻断，而抑制ERK5-MEF2通路可使海马CA1区TUNEL阳性凋亡细胞数量明显增多，同样也消除了CIP的神经保护作用。以上证明，CIP后ERK5-MEF2通路在抗细胞凋亡及神经保护方面起重要作用［35］。

5展望

MEF2转录因子家族在调节神经元基础生命过程中是众多信号通路的效应者。而对其在神经系统中的功能揭示还不够完善，许多问题亟待解决。比如，MEF2相关的调控机制是否具有细胞特异性?MEF2调节神经细胞功能与在其他细胞类型中是否不同?不同疾病发展过程中是否有MEF2亚基的特异性调节?以及在病理条件下，胶质细胞中MEF2的表达情况及可能存在的作用机制?等等这些问题的解答需要我们对MEF2在神经系统中的功能认识进一步提高。另外，MEF2显示出的良好的神经保护作用及对兴奋性环路的调控作用，预示着其在缺血缺氧性脑病，癫痫及某些精神疾病中可能成为新的药物靶点。