细胞骨架中的肌动蛋白参与了一系列的重要生理活动, 包括肌肉收缩、胞质分裂、神经纤维再生与退行性改变等。这些生理过程的实现除了需要肌动蛋白参与, 还需要一些能够起到调节肌动蛋白聚合和解聚作用的蛋白。根据最近的研究表明, 分子量为15~20 k Da的肌动蛋白解聚因子/丝切蛋白分子家族 (ADF/cofilin family) 如肌动蛋白解聚因子 (actin depolymerizing factor, ADF) 、丝切蛋白 (cofilin) 、抑制蛋白 (profilin) 、载肌动蛋白 (actophorin) 等能够在一定条件下起到使肌动蛋白微丝解聚的作用, 从而影响细胞骨架蛋白动力学。
一、cofilin的蛋白结构与信号通路
人类的ADF/cofilin蛋白能够编码166个氨基酸。在基因水平, cofilin基因有2种亚型, 分别为cofilin-1和cofilin-2。其中cofilin-1基因定位于11q13染色体, cofilin-2基因定位于14号染色体[1]。在蛋白水平, cofilin-1主要表达在非肌肉组织, 特别是脑组织。cofilin-2主要在肌肉组织中表达如骨骼肌和心肌等, 且为成熟骨骼肌中唯一的亚型。cofilin家族的全序列和功能区域都是高度保守的。其中, 第98位的天冬氨酸和第133位的组氨酸搭成一个盐桥, 以稳定分子及为其提供适合的p H环境[2]。
cofilin不仅参与多种细胞调节过程, 如细胞运动、胞质环流等, 而且与多种信号通路或分子相互作用, 如丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK) 信号通路。分子量为38 k Da的丝裂原活化蛋白激酶 (P38/MAPK) 通路作为“应激诱导”的MAPK, 主要参与了细胞的增殖与凋亡, 在许多神经退行性疾病中均被广泛激活, 且与神经元增长呈负相关性。
二、cofilin蛋白对肌动蛋白的调节机制
cofilin蛋白活性受到自身磷酸化与去磷酸化的调节。cofilin可以从丝状肌动蛋白上剪切掉肌动蛋白单体, 从而减小丝状肌动蛋白长度, 进而解聚肌动蛋白。在cofilin蛋白家族中最为保守的氨基酸位点为其N末端的丝氨酸3 (Ser3) 位点。当Ser3位点被磷酸化时, cofilin剪切肌动蛋白单体的活性被抑制, cofilin蛋白失活形成p-cofilin。这使得丝状肌动蛋白数量、长度增加, 并在一定程度上提高了F肌动蛋白的稳定性[3]。
涉及cofilin的磷酸化酶主要有两类, 分别是LIM激酶 (lin-11/ISI-1/MCC-3, LIMK) 和睾丸蛋白激酶 (testicular protein kinase, TESK) 。它们能特异地结合Ser3位点使之磷酸化。LIMK为普遍存在于Rho家族下游的激酶。Rho鸟苷三磷酸酶家族 (Rho-GTPases) , 活化的大鼠肉瘤相关肉毒素底物 (Ras-related C3 botulinum toxin substrate, Rac) 和细胞周期分裂蛋白42 (cell division cycle 42, Cdc42) 是与肌动蛋白 (actin) 和微管蛋白 (tubulin) 细胞骨架及神经突触重塑密切相关的调节因子。它们能通过效应激酶Rho相关激酶 (Rhoassociated kinase, ROCK) 和p21活性激酶 (p21-activated kinase, PAK) 分别激活LIM区域激酶1 (LIM-domain kinase 1, LIMK1) , 进而促进cofilin磷酸化[4]。Pandey等[5]的研究发现LIMK间接活化也可以通过溶血磷脂酸 (lysophosphatidic acid, LPA) 刺激血小板引起。
涉及cofilin的去磷酸化酶主要有两类, 分别是丝切蛋白磷酸酶家族 (slingshot phosphatases, SSH) 和卤酸脱卤酶家族 (haloaciddehalogenase, HAD) 的丝切蛋白活化磷酸酶 (chronophin, CIN) [6]。其中, SSH广泛分布在哺乳动物的各种组织中, CIN磷酸酶主要分布在人大脑中。两者共同的作用是水解发生磷酸化的Ser3的磷酸基, 进而激活cofilin蛋白的促进肌动蛋白丝的解聚活性[7]。
三、影响cofilin对肌动蛋白作用的因素
1. 受到p H的调节:
cofilin对肌动蛋白的作用主要受p H的调节。p H对cofilin分子的影响表现为p H值较低时其与纤维状肌动蛋白 (filamentous-actin, F-actin) 结合, 随着p H值不断升高, 解聚活性逐渐增强, 其与F-actin的结合能力逐渐减弱, 而与球状肌动蛋白 (globular-actin, G-actin) 的结合能力不断增强。在p H<7.0时, 人源cofilin与F-actin结合;在p H>7.5时, 人源cofilin仅与G-actin结合。在p H为8.0时, cofilin既能够解聚微丝并结合G-actin形成1∶1的cofilin-G-actin复合物, 又能起到隔离G-actin的作用, 在一定程度上阻止肌动蛋白的聚合。
2. 受到细胞内外信号分子的调节:
细胞内外信号分子也参与到了对cofilin的活性的调节。这些信号分子通过细胞内的信号转导通路, 即信号分子介导细胞内部的第二信使对蛋白激酶/磷脂酶的活性进行调节, 从而使cofilin蛋白分子磷酸化或p-cofilin蛋白分子去磷酸化, 实现对胞内肌动蛋白微丝骨架的精细化调节。在皮层神经元细胞中, 较高水平的Ca2+浓度和环磷酸腺苷 (cyclic adenosine monophosphate, c AMP) 浓度可以加速p-cofilin去磷酸化的进程。两种因子均通过活化蛋白磷脂酶发挥p-cofilin去磷酸化作用。Ca2+通过激活蛋白磷脂酶2B (protein phosphatase 2B, PP2B) 使p-cofilin去磷酸化, 而c AMP通过激活蛋白磷脂酶1 (protein phosphatase 1, PP1) 使p-cofilin去磷酸化。根据Padmanabhan等的实验结果证实:星形胶质细胞在用c AMP处理培养15 min后, 即可引起肌动蛋白骨架的破裂。另外, 能够起到加速p-cofilin去磷酸化的影响因子还包括促胰岛素、肾上腺素 (epinephrine) 、表皮生长因子 (epidermal growth factor, EGF) 等。10%的二甲基亚砜 (dimethyl sulfoxide, DMSO) , 二丁酰环磷酸腺苷 (dibutyryl cyclic AMP, d Bc AMP) , ML-9等处理也可以降低cofilin的磷酸化水平, 从而导致胞内微丝重排。
四、cofilin蛋白与神经系统发育
1. 参与神经元分化:
作为细胞骨架的重要组成成分, actin的解聚与重塑影响着神经元的极化以及树突和轴突的形成。而cofilin蛋白通过调控actin分子, 间接参与了神经元的分化。Talens-Visconti等[8]通过研究发现:Rho蛋白家族广泛分布于神经系统, 其中的Rho E分子可以通过抑制ROCK/LIMK/cofilin信号通路, 促进actin的重塑诱导神经元分化。Loubet等[9]则通过沉默朊病毒蛋白 (Pr Pc) 辅助发现:Pr Pc在神经元中可以导致黏着斑翻转改变以及过度活化Rho A/ROCK/LIMK/cofilin信号通路, 使得actin稳定性升高, 抑制了神经元分化。Li等[10]的研究发现, 利用神经细胞黏附分子 (NACM) 激活Pak1, 当Pak1活化LIMK1之后, 后者可以磷酸化失活的cofilin引起actin骨架重组, 继而诱导神经元分化。
2. 参与神经元运动:
神经元的定向运动对于神经系统的正常发育以及神经系统损伤后神经修复具有重要意义。富集于运动神经元前缘的cofilin蛋白参与调控了细胞骨架的动态变化, 后者则构成了神经元定向运动的基础。Lee等[11]的研究发现:神经元的定向运动与actin动态变化密切相关, 神经元的前缘通过F-actin的重塑推动神经元向前运动, 在基部通过F-actin的解聚拉着神经元前进。Marsick等[12]的研究发现:将神经生长因子 (NGF) 和netrin-1注射入颞视网膜神经细胞, 激活神经细胞内cofilin信号通路来加速F-actin的聚合, 可以感受到环境中适宜生长方向的生长锥细胞 (vegetative cone) 最后发生转向生长。以上实验研究都证实了cofilin蛋白对神经元的运动具有重要调控作用。
3. 参与神经突触的可塑性:
神经突触可塑性是指突触在内因或外因作用下, 调整功能、改变结构形态和增减数目的能力, 从而使得神经环路发生某些适应性的变化[13]。研究表明cofilin蛋白参与调节突触的可塑性, 继而参与记忆的形成与巩固过程。Zhang等[14]研究发现:当cofilin蛋白的Ser3位点处于非磷酸化状态时, cofilin蛋白被激活, 促使树突棘形态结构发生变形。Gu等[15]的对照试验显示:当cofilin蛋白处于过度磷酸化状态, 树突棘密度显着降低, 并且丝状不成熟的幼稚的树突形成增多而蘑菇型的成熟树突棘数量减少。Des Marais等[16]研究发显示:cofilin蛋白通过切割作用调控肌动蛋白, 从而聚合创造新的棘突和解聚旧的肌动蛋白纤维, 致使树突棘发生动态改变。
五、cofilin蛋白与中枢神经系统疾病
1. cofilin蛋白与癫痫:
癫痫是一类由于大脑神经元异常放电, 导致短暂的大脑功能障碍的慢性疾病。以异常突触为基础, 所形成的异常兴奋性神经环路参与癫痫的发生发展过程[17]。研究表明, 作为影响细胞骨架蛋白动力学的重要因子, cofilin蛋白的异常与癫痫的发病有密切联系。Xiao等[18]在研究中发现:癫痫病患者体内细胞周期分裂蛋白 (cell division cycle 43, cdc42) 的表达水平明显升高, cdc42可以激活LIM1而促进cofilin蛋白的磷酸化, 引起神经锥和神经突起的形成导致异常神经回路的形成。Tavazoie等[19]在研究中发现:编码cofilin磷酸化位点突变引起的结节性硬化病患者, 同样办法癫痫的机率大大增加。Sierra-Paredes等[20]则在对癫痫疾病的诱发因素研究中发现:轮替使用F-actin稳定因子Jasplakinohde和解聚因子Latruneulin A, 最后试验动物癫痫的发病率明显增高, 并且神经元兴奋性升高。该过程很有可能是由于以上两种因子的轮换破坏了正常的神经网路, 并且促进了新的异常神经通路的形成, 最终诱发癫痫。综上我们可以了解到, cofilin蛋白的磷酸化和去磷酸化的平衡, 对于癫痫疾病的发生发展至关重要。
2. cofilin蛋白与帕金森病:
帕金森病是一种人类最常见的神经退行性疾病, 临床上以静止性震颤、运动迟缓、肌紧张和姿势步态障碍为特征。其主要的病理改变是黑质中多巴胺能神经元的丢失和向中型多棘纹状体投射的神经元树突棘密度的减低[21]。在对其病理机制的研究中发现:LRRK2-PKA-cofilin信号通路与帕金森病的发生有关。最早参与该方面研究的是美国国立卫生院, 他们研究发现:二型富亮氨酸重复激酶 (leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2) 与帕金森病的发病存在有相关性。当敲出该基因之后, cofilin蛋白被过度磷酸化, 树突棘的密度明显降低, 病理表现为突触发育迟缓, 呈现出帕金森病显着的临床特征。在对其机制的研究过程中, Parisiadou等[22]发现:敲出LRRK2基因之后, 导致了纹状体投射神经元 (striatal projection neurons, SPNs) 部位的蛋白激酶A (protein kinase A, PKA) 活性降低。后者引起突触后致密蛋白-95 (post-synaptic density protein-95, PSD-95) 表达相应减少, 继而使得cofilin蛋白过度磷酸化, 树突棘的成熟受到阻碍。同时他们在对照研究中发现:当LRRK2基因被敲出之后, 除了cofilin蛋白之外的其余几种可以影响actin可塑性的肌动蛋白结合蛋白如Arp2/3、CAP1的表达并不会受到影响, 表明了LRRK2仅仅通过cofilin蛋白来调控树突棘的发育。
3. cofilin蛋白与脊髓损伤:
脊髓损伤是一种由于外界直接或者间接因素导致脊髓受损, 在损害的相应节段出现各种运动、感觉和括约肌功能障碍, 肌张力异常以及病理反射等相应改变[23]。在对cofilin蛋白与脊髓损伤相关性的研究中, 国内学者有突出的贡献。侯伟健等[24]研究发现:当机体包括脊髓在内的中枢神经系统发生损伤后, cofilin蛋白与p-cofilin蛋白之间的平衡状态会被改变, 且与损伤及修复的时间长短相关。在对“无骨折脱位型颈脊椎损伤”的研究中发现:实验组羊的损伤脊髓细胞中cofilin蛋白呈高表达, 而在对照组同节段的脊髓细胞中表达明显较低。在对大鼠脊髓损伤模型研究发现:Mst3b/LIMK1/cofilin系统与参与了脊髓损伤的发病与修复。当过度激活损伤脊髓细胞中的Mst3b/LIMK1/cofilin系统, 该类损伤的脊髓细胞有更多的生长锥分支生成;而在对比试验中, 通过沉默Mst3b分子使得该通路被抑制, 发现该类脊髓细胞有极少神经锥生成。以上实验提示, cofilin蛋白有助于损伤脊髓细胞内的骨架形成、促进脊髓损伤的修复。
4. cofilin蛋白与神经性疼痛:
神经性疼痛是一种由于在没有外界刺激的条件下而感到的疼痛, 又称自发痛。其主要是由坐骨神经等外周神经发生损伤或者功能障碍所引。Wang等[25]在研究中发现:作为细胞骨架的重要组成成分, actin的解聚与重建的平衡异常与神经性疼痛的发生相关;Qiu等[26]研究发现:当各种因素刺激坐骨神经引起其损伤后, Rho/LIMK/cofilin系统将被激活, 引发机体产生神经源性疼痛;而在对比试验中, 利用Simvastain处理损伤神经元, 可以降低Rho/LIMK/cofilin系统的活性, 神经源性疼痛的症状也得到缓解。综上可以得出cofilin蛋白与神经性疼痛的发生过程密切相关, 该蛋白可能成为未来治疗神经性疼痛的靶向分子。
六、总结与展望
近些年来, 通过科研工作者的不断努力, 作为调节细胞骨架动态平衡的关键因子, cofilin蛋白的相关结构、功能以及调节机制的研究得以不断深入。研究发现神经系统疾病与cofilin蛋白以及其调解网络之间存在密切联系, 这也更加深刻地表明了cofilin蛋白在机体正常发育中的重要性。然而我们也不得不正视cofilin蛋白研究所面对的难题:cofilin蛋白切割actin纤丝以及重建细胞骨架的具体机制;各种分子因素如何影响cofilin的活性;cofilin如何影响神经系统的发育;如何决定神经系统疾病的临床表现类型。这些都对于正确认识两者之间的关系, 并且针对cofilin蛋白通路采取特异性的靶向治疗至关重要。我们有理由相信, 通过医学科学的发展和进步, 以及医务工作者们的不断努力, 神经系统疾病难以治愈的困境一定会被打破, 从而能够为更多的患者带来康复的曙光。
参考文献
[1] MACIVER S K, HUSSEY P J.The ADF/cofilin family:actinremodeling proteins[J].Genome Biol, 2002, 3 (5) :reviews3007.
[2] 赵微, 苏玉虹, 巴彩凤, 等.Cofilin蛋白功能及活性调节[J].中国生物化学与分子生物学报, 2007, 23 (09) :706-710.
[3] AGNEW B J, MINAMIDE L S, BAMBURG J R.Reactivation of phosphorylated actin depolymerizing factor and identification of the regulatory site[J].J Biol Chem, 1995, 270 (29) :17582-17587.
[4] DAN C, KELLY A, BERNARD O, et al.Cytoskeletal changes regulated by the PAK4 serine/threonine kinase are mediated by LIM kinase 1 and cofilin[J].J Biol Chem, 2001, 276 (34) :32115-32121.
[5] PANDEY D, GOYAL P, SIESS W.Lysophosphatidic acid stimulation of platelets rapidly induces Ca2+-dependent dephosphorylation of cofilin that is independent of dense granule secretion and aggregation[J].Blood Cells Mol Dis, 2007, 38 (3) :269-279.
[6] HUANG T Y, DERMARDIROSSIAN C, BOKOCH G M.Cofilin phosphatases and regulation of actin dynamics[J].Curr Opin Cell Biol, 2006, 18 (1) :26-31.
[7] NIWA R, NAGATA-OHASHI K, TAKEICHI M, et al.Control of actin reorganization by slingshot a family of phosphatases that dephosphorylate ADF/cofilin[J].Cell, 2002, 108 (2) :233-246.
[8] TALENS-VISCONTI R, PERIS B, GUERRI C, et al.Rho E stimulates neurite-like outgrowth in PC12 cells throughinhibition of the Rho A/ROCKAsignalling[J].J Neurochem, 2010, 112 (4) :1074-1087.
[9] LOUBET D, DAKOWSKI C, PIETRI M, et al.Neuritogenesis:the prion protein controlsβ1 integrin signaling activity[J].FASEB J, 2012, 26 (2) :678-690.
[10] LI S, LESHCHYNS'KA I, CHERNYSHOVA Y, et al.The neural cell adhesion molecule (NCAM) associates with and signals through p21-aotivated kinase 1 (Pakl) [J].J Neurosci, 2013, 33 (2) :790-803.
[11] LEE K C, LIU A J.New proposed mechanism of actinpolymerizationdriven motility[J].Biophys J, 2008, 95 (10) :4529-4539.
[12] MARSICK B M, FLYNN K C, SANTIAGO-MEDINA M, et al.Activation of ADF/cofilin mediates attractive growth cone turning toward nerve growth factor and netrin-1[J].Dev Neurobiol, 2010, 70 (8) :565-588.
[13] CASTREN E, HEN R.Neuronal plasticity and antidepressant actions[J].Trends Neurosci, 2013, 36 (5) :259-267.
[14] ZHANG L, LUO J, WAN P, et al.Regulation of cofilin phosphorylation and asymmetry in collective cell migration during morphogenesis[J].Development, 2011, 138 (3) :455-464.
[15] GU J, LEE C W, FAN Y, et al.ADF/cofilin-mediated actin dynamics regulate AMPA receptor trafficking during synaptic plasticity[J].Nat Neurosci, 2010, 13 (10) :1208-1215.
[16] DESMARAIS V, GHOSH M, EDDY R, et al.Cofilin takes the lead[J].J Cell Sci, 2005, 118 (Pt 1) :19-26.
[17] 龙乾发, 汪平, 汪凯, 等.癫痫治疗的研究进展[J].中华神经外科疾病研究杂志, 2016, 15 (5) :478-480.
[18] XIAO F, WANG X F, LI J M, et al.Overexpression of N-WASP in the brain of human epilepsy[J].Brain Res, 2008, 1233:168-175.
[19] TAVAZOIE S F, ALVAREZ V A, RIDENOUR D A, et al.Regulation of neuronal morphology and function by the tumor suppressors Tsc1 and Tsc2[J].Nat Neurosci, 2005, 8 (12) :1727-1734.
[20] Sierra-Paredes G, Oreiro-García T, Núez-Rodriguez A, et al.Seizures induced by in vivo latrunculin a and jasplakinolide microperfusion in the rat hippocampus[J].J Mol Neurosci, 2006, 28 (2) :151-160.
[21] PIENAAR I S, BURN D, MORRIS C, et al.Synaptic protein alterations in Parkinson's disease[J].Mol Neurobiol, 2012, 45 (1) :126-143.
[22] PARISIADOU L, YU J, SGOBIO C, et al.LRRK2 regulates synaptogenesis and dopamine receptor activation through modulation of PKA activity[J].Nat Neurosci, 2014, 17 (3) :367-376.
[23] 魏梁锋, 王守森, 章翔.急性创伤性颈髓损伤的手术治疗[J].中华神经外科疾病研究杂志, 2017, 16 (3) :193-196.
[24] 侯伟健, 田晓红, 柏树令, 等.缺氧缺血脑损伤大鼠脑组织Cofilin1 与ERK1/2蛋白表达与磷酸化的分析[J].解剖科学进展, 2012, 18 (1) :41-45.
[25] WANG X B, ZHOU Q.Spine remodeling and synaptic modification[J].Mol Neurobiol, 2010, 41 (1) :29-41.
[26] QIU Y, CHEN W Y, WANG Z Y, et al.Simvastatin attenuates neuropathic pain by inhibiting the Rho A/LIMK/Cofilin pathway[J].Neurochem Res, 2016, 41 (9) :2457-2469.
