FBXO7與帕金森病的關(guān)系研究進(jìn)展

余嬌 葉欽勇

帕金森病(Parkinson’s disease，PD) 是第二種最常見的老年神經(jīng)退行性疾病，病理表現(xiàn)為黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性退變和路易小體形成，主要生化改變是紋狀體區(qū)多巴胺遞質(zhì)水平降低、多巴胺與乙酰膽堿遞質(zhì)失衡，臨床表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)遲緩、靜止性震顫、肌強(qiáng)直、姿勢(shì)平衡障礙等。PD的平均發(fā)病年齡為60～65歲，但大約5%～10%的患者發(fā)病年齡在40歲以下，這些早發(fā)型PD患者的發(fā)病多數(shù)與致病基因的突變有關(guān)[1]。2008年，Shojaee等[2]首次發(fā)現(xiàn)早發(fā)型PD的發(fā)病與F-box蛋白7(F-box only protein 7，F(xiàn)BXO7)基因突變相關(guān)。近年來研究發(fā)現(xiàn)FBXO7基因可以通過調(diào)控泛素蛋白酶體系統(tǒng)、線粒體自噬及核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)通路等參與PD發(fā)病[3]。基于此，本文將圍繞FBXO7的結(jié)構(gòu)定位、功能及其在PD發(fā)病過程中可能參與的致病機(jī)制等展開綜述。

1 FBXO7的結(jié)構(gòu)

FBXO7為高等真核生物中的保守蛋白，是F-box蛋白(F-box protein，F(xiàn)BP)家族成員，F(xiàn)BXO7基因位于人類的22q12-q13號(hào)染色體上，由9個(gè)外顯子組成，區(qū)域大小約為24.15 kb，其編碼一個(gè)由522個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)[4]，蛋白結(jié)構(gòu)包括了 1～78位的泛素樣結(jié)構(gòu)域(ubiquitin-like domain，Ubl)、129～169位的細(xì)胞周期蛋白激酶6(CDK6)結(jié)合位點(diǎn)、 182～325位的FBXO7/PI31結(jié)構(gòu)域、335～378位的F-box基序(F-box domain，F(xiàn)BD)、423～522位的脯氨酸富集區(qū)(proline-rich regions，PRR)和466～496位的R(Ar)DP基序[5](圖1)。FBXO7包括4種亞型，其中亞型1是該蛋白在大多數(shù)組織和培養(yǎng)細(xì)胞系中表達(dá)最豐富的形式，本文將圍繞亞型1的功能及其在PD中的作用機(jī)制進(jìn)行探討[6-7]。

注：FBXO7：F-box蛋白7：Ubl：泛素樣結(jié)構(gòu)域；CDK：細(xì)胞周期蛋白依賴性蛋白激酶；FP：Fbxo7/PI31相互作用的結(jié)構(gòu)域；F-box：F-box結(jié)構(gòu)域；PRR：富含脯氨酸富集區(qū)；N端Ubl中的p.T22M(突變基因的堿基序列為c.C65T)，與Parkin直接相互作用；F-box結(jié)構(gòu)域附近的p.R378G(基因突變的堿基序列為c.C1132G)降低了FBXO7形成E3連接酶復(fù)合體的能力；位于內(nèi)含子區(qū)域的IVS7+1G/T破壞了FBXO7 mRNA的剪接，干擾mRNA的成熟過程，導(dǎo)致產(chǎn)生功能異常的蛋白質(zhì)，以及C端的p.R498X(基因突變的堿基序列為c.C1492T；位于蛋白末端附近的一個(gè)底物招募結(jié)構(gòu)域) 圖 1 FBXO7結(jié)構(gòu)示意圖及其突變基因型對(duì)應(yīng)的堿基突變類型[5]

FBXO7突變分布于FBXO7蛋白的多個(gè)功能結(jié)構(gòu)域，截至目前共發(fā)現(xiàn)7個(gè)FBXO7突變基因型[8-9]。其中與PD發(fā)生有密切關(guān)系的突變有以下5個(gè)。(1)純合錯(cuò)義突變p.R378G位于F-box基序，是其第378位的精氨酸被甘氨酸替代，該突變降低了FBXO7蛋白與s相激酶相關(guān)蛋白1(S-phase kinase-associated protein 1，Skp1)的親和力，破壞了SCFFBXO7(Skp1-Cullin1-F-box)復(fù)合物的組裝和底物泛素化，極大地影響了細(xì)胞的生存和增殖。(2)純合截?cái)嗤蛔僷.R498X位于PRR結(jié)構(gòu)域內(nèi)，是其第498位的精氨酸突變?yōu)榻K止密碼子，導(dǎo)致C端缺少脯氨酸結(jié)合域，這會(huì)削弱SCFFBXO7復(fù)合體的E3連接酶活性[10]。(3)剪接位點(diǎn)突變IVS7+1G/T位于內(nèi)含子區(qū)域內(nèi)，是居間序列7號(hào)內(nèi)含子區(qū)域第1個(gè)堿基由G變成T，破壞了FBXO7 mRNA的剪接，干擾mRNA的成熟過程，導(dǎo)致功能異常的蛋白質(zhì)產(chǎn)生[11]。(4)錯(cuò)義突變p.T22M是FBXO7蛋白Ubl結(jié)構(gòu)域內(nèi)第22位的蘇氨酸被蛋氨酸所替代，該突變削弱了FBXO7與帕金蛋白(Parkin)之間的相互作用，損害Parkin到去極化線粒體的易位，而Parkin到去極化線粒體的易位這一過程對(duì)啟動(dòng)神經(jīng)保護(hù)性自噬至關(guān)重要。(5)純合突變p.L34R，是N端Ubl域中第34位的亮氨酸被精氨酸替代，與FBXO7蛋白的核定位密切相關(guān)[12]。

2 FBXO7的定位

既往研究發(fā)現(xiàn)，單體綠熒光雙能蛋白(monomeric azami-green geminin，mAG-geminin)和DNA染料Hoechst聯(lián)合染色后，F(xiàn)BXO7在細(xì)胞有絲分裂靜止期(quiescent phase，G0)/第一間隙期(gap 1 phase，G1)定位在胞質(zhì)，當(dāng)細(xì)胞過渡到細(xì)胞有絲分裂合成期(synthesis phase，S)/第二間隙期(gap 2 phase，G2)時(shí)，F(xiàn)BXO7向細(xì)胞核內(nèi)積聚，這表明FBXO7通常定位于細(xì)胞質(zhì)，在G1/S相變時(shí)聚集到細(xì)胞核中[13]。FBXO7中存在一個(gè)富含亮氨酸的核輸出序列(nuclear export sequence，NES)，NES負(fù)責(zé)與核輸出蛋白1(CRM1)結(jié)合，F(xiàn)-box結(jié)構(gòu)域與Skp1結(jié)合。FBD與Skp1的結(jié)合阻止了FBXO7與CRM1的接觸，這種競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合有助于維持FBXO7的胞質(zhì)定位[14]。FBXO7在正常人大腦皮層(尤其是額頂葉區(qū)域)、紋狀體、蒼白球、丘腦、黑質(zhì)、紅核、小腦深部核等處表達(dá)水平較高，在海馬和小腦皮質(zhì)處表達(dá)水平較低。在FBXO7基因突變的PD患者，F(xiàn)BXO7呈低表達(dá)。細(xì)胞核FBXO7定位需要一個(gè)完整的N端，F(xiàn)BXO7相關(guān)突變基因p.L34R純合突變?nèi)〈薔端泛素樣域中的一個(gè)高度保守的氨基酸，該氨基酸與FBXO7蛋白的核定位有關(guān)。上述FBXO7的細(xì)胞定位及區(qū)域定位錯(cuò)誤與PD的發(fā)生均有密切關(guān)系。

3 FBXO7的功能及其作用機(jī)制

3.1 FBXO7與泛素蛋白酶體系統(tǒng)FBXO7蛋白的F-box結(jié)構(gòu)域通過與Skp1-Cullin復(fù)合物結(jié)合，形成SCF泛素連接酶復(fù)合物，即泛素蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system，UPS)中的E3連接酶。因此，F(xiàn)BXO7可以參與底物識(shí)別和募集以實(shí)現(xiàn)泛素化，并隨后通過蛋白酶體降解[16]。此外，也有研究顯示FBXO7基因敲除小鼠中可以發(fā)現(xiàn)蛋白酶體活性降低、早發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙以及過早死亡[17]。

蛋白酶體抑制劑31(proteasome inhibitor 31，PI31)是蛋白酶體與動(dòng)力蛋白輕鏈蛋白(DYNLL1/2)耦聯(lián)的接頭。PI31失活可以抑制軸突中蛋白酶體的運(yùn)動(dòng)，破壞突觸的蛋白穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)和功能，PI31介導(dǎo)的蛋白酶體軸突運(yùn)輸受損可能是神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的原因之一[18]。FBXO7蛋白缺失會(huì)導(dǎo)致PI31的切割和失活，蛋白酶體活性降低[19]。蛋白酶體的完整性和活性依賴于FBXO7蛋白酶體亞基α2(proteasomal subunit-α2，PSMA2)，PSMA2是蛋白酶體核心顆粒的一部分，具有蛋白水解活性。FBXO7基因p.R378G純合錯(cuò)義突變降低了FBXO7對(duì)Skp1的親和力，導(dǎo)致FBXO7-PSMA2的相互作用受到破壞，使細(xì)胞受到蛋白酶體慢性功能障礙的影響，引起異常的泛素化[20]，這提示FBXO7的SCF依賴性E3連接酶活性的喪失將是PD發(fā)病機(jī)制中的一個(gè)重要方面。

3.2 FBXO7與線粒體能量代謝及線粒體自噬FBXO7通過其Ubl域直接與Parkin相互作用，促進(jìn)其被募集到線粒體中，啟動(dòng)線粒體吞噬。位于FBXO7的Ubl結(jié)構(gòu)域中的p.T22M突變消除了其與Parkin的相互作用，從而阻止其補(bǔ)充去極化線粒體，引發(fā)線粒體功能障礙[21]。FBXO7缺乏與細(xì)胞內(nèi)NAD+水平降低有關(guān)，在線粒體呼吸作用減弱的情況下，線粒體膜電位和ATP含量降低，細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生增加，ROS激活了FBXO7缺陷細(xì)胞中聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶〔poly (ADP-ribose) polymerase，PARP〕的活性。PARP過度激活導(dǎo)致FBXO7缺陷細(xì)胞的線粒體功能障礙，最終導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元變性[22]。FBXO7基因p.R498X純合截?cái)嗤蛔兛梢源龠M(jìn)FBXO7從細(xì)胞核移位到線粒體并形成有害的FBXO7聚集體，導(dǎo)致線粒體自噬過程的損傷和功能障礙，線粒體清除延遲[23]。

3.3 FBXO7與NF-κB信號(hào)通路Spagnol等[24]發(fā)現(xiàn)了一種通過E3泛素連接酶FBXO7介導(dǎo)泛表達(dá)轉(zhuǎn)錄子亞型2(ubiquitously expressed transcript isoform 2，UXT-V2)的蛋白酶體降解來抑制 NF-κB信號(hào)通路的新機(jī)制，根據(jù)其涉及的不同受體，F(xiàn)BXO7在NF-κB信號(hào)通路中具有相反的功能。雖然 FBXO7可以正向調(diào)節(jié)骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體(bone morphogenetic protein receptor, BMPR)-神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體相互作用的黑色素瘤抗原基因(neurotrophin receptor-interacting melanoma antigen gene,NRAGE)-轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β活化激酶(transforming growth factor-Beta activated kinase, TAK1)-轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β活化激酶結(jié)合蛋白(TAK1 binding protein,TAB1)復(fù)合物的形成，上調(diào)NF-κB活性，但它也通過泛素化腫瘤壞因子(tumor necrosis factor，TNF)受體相關(guān)因子2(TNF receptor associated factors 2，TRAF2) 和細(xì)胞凋亡抑制蛋白1(cellular inhibitor of apoptosis proteins 1，cIAP-1)負(fù)向調(diào)節(jié)該途徑，從而降低受體相互作用蛋白激酶-1 (receptor interacting protein 1，RIP1)泛素化并減弱NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)[24]。此外，錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白積累會(huì)激活神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的幾種信號(hào)通路，最終導(dǎo)致NF-κB的激活和促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，從而加重神經(jīng)元退行性改變。

4 FBXO7基因突變與PD的關(guān)系

2008年Shojaee等[2]發(fā)現(xiàn)了一個(gè)患有早發(fā)型PD的伊朗大家系，正式命名該病為PARK15，并將FBXO7基因確定為致病基因。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道中國(guó)人群中第一例早發(fā)型PD，其無義突變E470X可以將翻譯產(chǎn)物的第470個(gè)氨基酸的密碼子從谷氨酸改變?yōu)榻K止密碼子，導(dǎo)致蛋白質(zhì)過早截?cái)喈a(chǎn)生一種功能失調(diào)的FBXO7蛋白；錯(cuò)義突變N51S可以將翻譯產(chǎn)物的第51個(gè)氨基酸從天冬氨酸改變?yōu)榻z氨酸，這些均被認(rèn)為是致病突變[25-26]。PARK15為常染色體隱性遺傳，多于40歲以下發(fā)病，表現(xiàn)出典型的PD特征(運(yùn)動(dòng)遲緩、僵直、靜止性震顫和姿勢(shì)不穩(wěn))，此外還有痙攣、精細(xì)運(yùn)動(dòng)障礙和巴賓斯基征(表現(xiàn)為錐體束征)，常合并有肌張力障礙、吞咽困難、構(gòu)音障礙、皮質(zhì)萎縮和/或認(rèn)知功能下降等癥狀。PARK15多數(shù)為單側(cè)緩慢或不協(xié)調(diào)發(fā)病，但數(shù)年后癥狀對(duì)稱，進(jìn)展相對(duì)緩慢，左旋多巴可較好地持續(xù)改善帕金森癥狀，但發(fā)生運(yùn)動(dòng)并發(fā)癥更早且更嚴(yán)重[10，27]。

既往研究顯示在FBXO7基因敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)蛋白酶體活性降低、早發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙以及過早死亡[28-29]。通過免疫組織熒光技術(shù)在α-突觸核蛋白陽性包涵體(路易體、路易神經(jīng)突、膠質(zhì)胞質(zhì)包體)中檢測(cè)到FBXO7的免疫反應(yīng)性，這些發(fā)現(xiàn)提示FBXO7在突觸核蛋白相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮了作用[30]。α-突觸核蛋白積累是PD病理學(xué)的特征，錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白積累會(huì)激活神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的幾種信號(hào)通路[31]，最終導(dǎo)致NF-κB激活和促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，從而加重神經(jīng)元退行性改變。FBXO7通過FBD與SCF結(jié)合介導(dǎo) UXT-V2 的蛋白酶體降解，抑制 NF-κB信號(hào)通路。因此，通過FBXO7抑制NF-κB活性有望成為保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元的治療策略[32]。

綜上所述，F(xiàn)BXO7是由522個(gè)氨基酸組成、具有多個(gè)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，它的功能多樣性在生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)FBXO7發(fā)生突變時(shí)會(huì)導(dǎo)致常染色體隱性遺傳早發(fā)型PD，多于40歲前發(fā)病，除了典型的PD癥狀外，還有痙攣、精細(xì)運(yùn)動(dòng)障礙等錐體束征。PD是多因素、多機(jī)制相互作用相互影響的復(fù)雜病癥，因此從FBXO7分子水平深入研究PD的發(fā)病機(jī)制，可能為臨床治療提供重要線索。