丁美娟，劉藝丹，孔慶霞

Arhgef15基因位于人體第17號(hào)染色體，其編碼的Rho鳥嘌呤核苷酸交換因子蛋白15(Arhgef15)是Rho鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEFs)的一個(gè)亞類。RhoGEF具有鳥嘌呤核苷酸交換活性，可以調(diào)控Rho GTP酶由失活型(與GDP結(jié)合)向活性型(與GTP結(jié)合)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而使Rho GTP酶在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮分子開關(guān)的作用。Arhgef15又稱突觸抑制蛋白，可抑制興奮性突觸的形成。研究發(fā)現(xiàn)，Arhgef15的異常表達(dá)參與癲癇、Alzheimer’s病(AD)、Angelman綜合征(AS)和腦血管疾病的發(fā)生發(fā)展[1]。現(xiàn)就Arhgef15的結(jié)構(gòu)、功能及在CNS疾病發(fā)生過程中的作用及其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 Arhgef15的結(jié)構(gòu)和功能

Arhgef15與人類疾病密切相關(guān)，最早由Ogita等[1]在血管平滑肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。由于Arhgef15僅在血管平滑肌細(xì)胞(VSMCs)中表達(dá)，被命名為Vsm-RhoGEF/KIAA0915。

Arhgef15在健康成人組織中表達(dá)非常低，一般局限于海馬，是五種Dbl相關(guān)的GEFs中的一種。Dbl家族的一個(gè)重要特征是存在由約200個(gè)氨基酸殘基組成的Dbl同源(DH)結(jié)構(gòu)域和由約100個(gè)殘基組成的pleckstrin同源(PH)結(jié)構(gòu)域。DH結(jié)構(gòu)域主要負(fù)責(zé)Dbl RhoGEFs的催化活性，并形成與鄰近PH結(jié)構(gòu)域的鳥嘌呤核苷酸交換反應(yīng)的最小催化單元。除串聯(lián)DH-PH結(jié)構(gòu)域外，該家族成員還包含調(diào)節(jié)GEF活性，亞細(xì)胞定位或與其他分子相互作用的其他結(jié)構(gòu)域[2]。遺傳損失和功能獲得研究表明，Arhgef15可激活小G蛋白R(shí)hoA，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的調(diào)節(jié)器，在發(fā)育中的大腦中起著限制樹突生長(zhǎng)和突觸發(fā)育的作用[3]。

GTPases的Rho家族是Ras超家族的亞組。與其他小GTP酶一樣，Rho家族成員也可以作為分子開關(guān)。Ras相似物GTP酶(Rho GTPases)以其在調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架中的作用而聞名。因此，它們參與多種細(xì)胞骨架依賴性過程，如細(xì)胞粘附、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、胞質(zhì)分裂、吞噬作用、形態(tài)發(fā)生和軸突導(dǎo)向。此外，Rho GTPases在轉(zhuǎn)錄調(diào)控和細(xì)胞轉(zhuǎn)化中也起著重要作用。Rho GTPases參與這些基本的過程，因此其活性應(yīng)該在時(shí)空上受到嚴(yán)格控制。同時(shí)，各種調(diào)節(jié)分子均參與調(diào)節(jié) GTPases的活性，但GEFs、GTP酶激活蛋白(GAPs)和鳥嘌呤核苷酸解離抑制劑(GDIs)處于調(diào)節(jié)的中心[2]。RhoGEF參與Rho GTPase活性的調(diào)節(jié)，RhoGEF與游離Rho GTPase的親合力大于Rho GTPase-GDP復(fù)合物的親合力，進(jìn)一步催化鳥嘌呤核苷酸[4]。

2 與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系

Arhgef15在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用引人矚目。2005年Sahin等[5]證實(shí)，Arhgef15在大腦中高度表達(dá)，并根據(jù)其與Ephexin1的編碼基因在哺乳動(dòng)物中的高度同源性，將它命名為Ephexin5。目前Arhgef15與癲癇、AD[6]、Angelman綜合征[7]、腦血管疾病[1]的關(guān)系已成為研究熱點(diǎn)。

2.1 在癲癇中的作用 癲癇發(fā)作是繼卒中和神經(jīng)退行性疾病后老年人第三常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，具有突然發(fā)生、反復(fù)發(fā)作的特點(diǎn)，臨床表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)、感覺、意識(shí)、自主神經(jīng)、精神等障礙，但本質(zhì)上是大腦神經(jīng)元異常放電引起的短暫腦功能失常[8-9]。Arhgef15在大腦特別是海馬中高表達(dá)，在大腦中的功能已被廣泛熟知[10]。Arhgef15影響興奮性突觸發(fā)育，參與癲癇的發(fā)生發(fā)展。已證實(shí)，Eph-Ephrin信號(hào)通路參與神經(jīng)系統(tǒng)興奮性突觸的形成，并使興奮性突觸維持正常水平。研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，Arhgef15被Ephrin-B受體酪氨酸激酶B2(EphB2)快速磷酸化，然后通過E3泛素連接酶UBE3A靶向蛋白酶體依賴性降解[9]。Arhgef15的上調(diào)增加了Rho家族蛋白的活化，特別是RhoA、Cdc42和Rac[11]。研究者發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，出生早期Arhgef15水平較高，Arhgef15通過激活信號(hào)蛋白R(shí)hoA(一種限制樹突棘生長(zhǎng)的GTP酶)阻斷異常突觸形成。當(dāng)Ephrin-B配體激活EphB2受體后，EphB2將Arhgef15磷酸化，并進(jìn)一步協(xié)助其泛素化，從而使Arhgef15被蛋白酶體降解，促進(jìn)突觸的成熟。當(dāng)Arhgef15在神經(jīng)元內(nèi)過度表達(dá)時(shí)，Arhgef15抑制EphB2的活性，抵消了EphB2對(duì)Arhgef15的促降解作用，從而保證Arhgef15的較高水平，并保持低突觸連接的數(shù)量，以便神經(jīng)元不隨意與其他細(xì)胞形成突觸。當(dāng)Arhgef15某一位點(diǎn)發(fā)生突變時(shí)，Arhgef15蛋白表達(dá)降低，EphB活性抑制減弱，發(fā)育中的樹突和軸突中的Ephrin-B促進(jìn)EphB自磷酸化，增加了EphB催化激酶活性。磷酸化的EphB催化Arhgef15的酪氨酸磷酸化，導(dǎo)致Arhgef15的降解，使Arhgef15的交換活性降低，對(duì)Rho家族蛋白的激活能力減弱，從而減弱對(duì)興奮性發(fā)育的抑制，導(dǎo)致大腦中興奮性突觸數(shù)目的增加[10]。病理狀態(tài)下的神經(jīng)元突觸向其末端下位或鄰近神經(jīng)元突出和延伸，從而形成新的突觸聯(lián)系，最終導(dǎo)致神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)重組，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元異常興奮，為癲癇的反復(fù)發(fā)作奠定了基礎(chǔ)[12-13]。Arhgef15突變可能導(dǎo)致交換活性降低，大腦興奮性突觸數(shù)目增加。這可能是觀察到的癲癇發(fā)作的根本原因。

2.2 在AD中的作用 AD是一種年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，其特征為進(jìn)行性記憶喪失，認(rèn)知功能受損以及淀粉樣斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成[14]。淀粉樣蛋白-β(Aβ)蛋白質(zhì)的積累被認(rèn)為是AD發(fā)病機(jī)制中的一個(gè)促發(fā)事件[15]，Aβ產(chǎn)生增加會(huì)破壞神經(jīng)元功能，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

Aβ觸發(fā)的EPHB2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)在被認(rèn)為是AD病理學(xué)的核心特征[16-17]。正常發(fā)育過程中，Arhgef15被Ephrin-B受體酪氨酸激酶B2(EphB2)快速磷酸化，然后通過E3泛素連接酶UBE3A靶向蛋白酶體依賴性降解，隨后Arhgef15蛋白水平保持低水平進(jìn)入成年期[9]。AD中Aβ誘導(dǎo)EPHB2信號(hào)傳導(dǎo)喪失，導(dǎo)致Arhgef15表達(dá)增加。Arhgef15過表達(dá)在神經(jīng)元發(fā)育早期抑制樹突棘形成。在整個(gè)生命過程中，海馬樹突棘經(jīng)歷持續(xù)的動(dòng)態(tài)變化，與學(xué)習(xí)和記憶密切相關(guān)，并在AD中受到深刻影響。因此，Aβ誘導(dǎo)Arhgef15表達(dá)增加，使海馬依賴性的學(xué)習(xí)和記憶等功能下降。同時(shí)，Arhgef15的減少可以保護(hù)小鼠免于發(fā)生學(xué)習(xí)和記憶缺陷，但是抑制Arhgef15能否逆轉(zhuǎn)這些缺陷仍有待進(jìn)一步研究[5]。研究表明，Arhgef15在健康成人組織中表達(dá)非常低，并且通常在海馬體中，提示Arhgef15是一種較特異的治療靶點(diǎn)，只有患病者才能檢測(cè)到其病理學(xué)表達(dá)升高，從而發(fā)揮靶向作用[2]。因此，制備其抑制劑、靶向嵌合體蛋白水解酶或負(fù)變構(gòu)調(diào)節(jié)劑是可行的，可能為治療AD提供新的、關(guān)鍵的治療干預(yù)途徑。

2.3 在AS中的作用 AS又稱“快樂木偶綜合征[18]”、“天使綜合征”、“安吉爾曼綜合征”，是以15q11～13染色體區(qū)域基因異常(即15q11～13 染色體區(qū)域的泛素蛋白酶UBE3A基因缺陷)引起的以嚴(yán)重發(fā)育遲緩、智力低下、語言障礙、共濟(jì)失調(diào)、癲癇發(fā)作、愉快表情為特征的神經(jīng)遺傳性疾病?；颊呖砂橛袊?yán)重共濟(jì)失調(diào)、異常行為等[19-20]。

神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，UBE3A的功能以及UBE3A突變?nèi)绾螌?dǎo)致AS尚不完全清楚。有研究表明，UBE3A是一種神經(jīng)元活性調(diào)節(jié)蛋白，通過泛素化和降解突觸蛋白Arc來控制突觸功能。UBE3A功能破壞使Arc表達(dá)增加和興奮性突觸處AMPA受體數(shù)量減少，導(dǎo)致突觸功能減退[19]。同時(shí)，UBE3A是Arhgef15的神經(jīng)信號(hào)分子，神經(jīng)元UBE3A缺失，Arhgef15降解減少，使Arhgef15累積，通過激活信號(hào)蛋白R(shí)hoA阻斷突觸形成，導(dǎo)致神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能障礙[11]。以上這兩種通路最終導(dǎo)致AS發(fā)生。

2.4 在腦血管疾病中的作用 血管生成需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整細(xì)胞形態(tài)，依賴于嚴(yán)格控制細(xì)胞骨架蛋白[21]。細(xì)胞骨架調(diào)整發(fā)生在整個(gè)血管生成過程中，包括發(fā)芽、細(xì)胞遷移、血管生成和穩(wěn)定[22-23]。最近報(bào)道強(qiáng)調(diào)RhoGEFs在血管系統(tǒng)中的總體重要性。這些報(bào)告分析了其在高血壓患者動(dòng)脈和血管平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)情況[24]。在血管中，Rho GTP酶有助于形成肌動(dòng)蛋白成核位點(diǎn)，組裝對(duì)啟動(dòng)血管芽形成起關(guān)鍵作用的動(dòng)態(tài)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。Arhgef15的作用可能與啟動(dòng)內(nèi)皮發(fā)芽的血管生成信號(hào)的整合有關(guān)。Arhgef15參與了Cdc42對(duì)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的激活，并被認(rèn)為是維持內(nèi)皮細(xì)胞粘附Arhgef15的正調(diào)控因子[25]。

Arhgef15的另一個(gè)名稱是Vsm-RhoGEF，代表血管平滑肌特異性RhoGEF。顧名思義，它被鑒定為在來自不同組織(包括心臟、肝臟、腎臟、主動(dòng)脈和脾臟)的血管平滑肌細(xì)胞中表達(dá)的RhoGEF。隨著其表達(dá)模式的識(shí)別，Vsm-RhoGEF作為EphA4信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵下游調(diào)節(jié)劑的作用已被證實(shí)。Ephrin-A與EphA4結(jié)合并作用于Vsm-RhoGEF的DH-PH結(jié)構(gòu)域誘其酪氨酸磷酸化，磷酸化的Vsm-RhoGEF進(jìn)一步激活RhoA，從而誘導(dǎo)與血管平滑肌收縮相關(guān)的應(yīng)激纖維的形成，調(diào)節(jié)血管平滑肌收縮性[1]。

Arhgef15作為內(nèi)皮細(xì)胞特異性交換因子介導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的Cdc42活化并增強(qiáng)RhoJ失活，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白聚合和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)性。小GTP酶Cdc42在活躍的GTP結(jié)合狀態(tài)和不活躍的GDP結(jié)合狀態(tài)之間循環(huán)，促進(jìn)各種類型細(xì)胞中的肌動(dòng)蛋白聚合，并且參與不同的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的過程[26]，調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞中細(xì)胞骨架重組。目前，Arhgef15及其所在通路的相關(guān)因子已成為抗血管生成治療的新的研究熱點(diǎn)[24]。

3 展望

Arhgef15是小G蛋白調(diào)節(jié)因子家族成員之一，調(diào)控多種小G蛋白的生物學(xué)活性，有助于小G蛋白上的鳥苷二磷酸和鳥苷三磷酸相互轉(zhuǎn)換，從而活化Ras和Rho等小G蛋白。Arhgef15的異常表達(dá)與許多疾病的病理生理過程有著密切的聯(lián)系?，F(xiàn)在Arhgef15與癲癇、AD、AS和腦血管疾病的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系已成為研究熱點(diǎn)。Arhgef15可能成為CNS疾病治療的新靶點(diǎn)，為難治性神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供新的輔助治療手段。