DISC1在精神分裂症发病机制中的作用

钦可为 刘秀杰

DISC1在精神分裂症发病机制中的作用

钦可为 刘秀杰

染色体(1；11）(q42.1；q14.3）平衡易位后会引起断点部位精神分裂症断裂基因1(disrupted-in-schizophrenia-1，DISC1）突变［1］。DISC1是很多精神疾病的潜在易感基因，已有研究表明，DISC1的基因突变、单核苷酸多态性与精神分裂症、双相障碍等精神疾病的发病都有密切关系［1，2］。但是DISC1参与精神疾病发病的作用机制还不清楚。近年来，有关DISC1的生物学特性，生理功能以及参与精神疾病发病的研究不断深入。我们对目前的研究现状作一综述。

1 DISC1的生物学特性

1.1 DISC1的基因结构

人类DISC1基因含13个外显子，转录本全长约7.5 kb。人DISC1基因可以选择性剪切产生至少4个亚型：L亚型(long isoform，包括1-13外显子，AF222980）；Lv亚型(long variant isoform，11号外显子远端缺失66个碱基，AB007926）；S亚型(short isoform，9号内含子选择性3'UTR末端，AJ06177）；Es亚型(extremely short isoform，1a外显子选择性剪切并且在3号外显子后终止转录，AJ506178）。成人脑内海马区主要表达DISC1全长mRNA，而其他亚型的转录子表达很少［2］。在猕猴、小鼠、大鼠以及斑马鱼等其他物种中，研究人员也都发现了DISC1的表达。DISC1在进化上较保守，但在物种之间仍存在一定差异。

1.2 DISC1的蛋白结构

全长的人DISC1蛋白含854个氨基酸，它的氨基端由1，2号外显子编码形成一个“球形功能域(1～350 aa）”，而羧基末端则由3～13号外显子编码形成富含螺旋结构的区域(351～854 aa）。氨基端区域缺少二级结构，富含丝氨酸、丙氨酸、甘氨酸等序列。羧基端区域则富含许多环状结构域，其中包括2个亮氨酸拉链基序，这些环状区域有利于DISC1与其他蛋白间的结合，在进化上也较保守。

1.3 DISC1的表达

DISC1在成体和胚胎的许多组织中都有表达，包括心脏、脑、胎盘、肾脏和胰腺等组织，尤其在胎盘、心脏和脑中表达较高。DISC1在人脑多个脑区中都有广泛表达，其中，在海马齿状回中的表达较高，而在颞侧和海马旁皮层内的表达较低［2］。DISC1的亚细胞定位具有一定的特异性，在神经元的轴突末端、突触后区域、线粒体、中心体、内质网及细胞核等区域均有表达［3］。DISC1在脑组织发育过程中的表达是一个动态变化的过程。在人脑组织中，DISC1 mRNA在产前、新生儿期和青春期的表达较高，而在成年期则表达较低。而在海马中，从发育期到成年DISC1都有表达。在齿状回颗粒细胞中，DISC1在出生后第一周内表达升高并一直持续到成年期，而CA 1区DISC1的表达在成年期则逐渐降低［4］。DISC1的表达模式表明其在神经元发育和成熟过程中可能扮演着重要角色。

2 DISC1基因与精神疾病的关系

1990年，St Clair等［5］首次报道在某精神病高发的苏格兰家族中，精神病易感性与(1；11）染色体平衡易位突变具有关联性。在调查随访的77名家族成员中，有34名染色体易位携带者，其中发现有16人患精神疾病；而另外43名非易位携带者成员中仅有5人被诊断为精神病。通过对1和11号染色体易位突变断点部位的分子遗传学研究，发现1号染色体断点部位的两个表达序列最具易感基因特征，将其命名为DISC1和DISC2。

3 DISC1的生理功能及其在精神疾病发病中的作用机制

迄今为止，对DISC1的生理功能及其在精神疾病发病中的作用机制的研究主要是通过寻找并解析其相互作用分子来实现的。已有的研究发现了众多DISC1的相互作用伴侣，DISC1结合分子的发现不但加深了我们对该分子生理功能的认识，而且这些结果表明，DISC1的确与精神疾病的发病有着密切的联系。

3.1 DISC1与LIS1，NUDE，NUDEL间的相互作用

无脑回基因(lissencephaly1，LIS1）是无脑回畸形病的易感基因。LIS1可以与核分布因子E(nuclear distribution factor，NUDE），和核分布因子E同源蛋白(NUDE-like，NUDEL）结合［6］。LIS1、NUDE和NUDEL基因突变会造成神经元发生和迁移异常。LIS1、NUDEL和NUDE均可定位于中心体，而中心体在决定迁移方向以及把细胞核拉向神经突的过程中发挥了关键作用。缺乏LIS1和NUDEL的细胞中，核和中心体之间的距离异常大［7］。LIS1和NUDEL还影响微管的稳定和形成，并会参与微管相关的的轴浆运输。NUDEL基因敲减引起细胞骨架和/或或轴浆运输异常，导致神经突生长抑制。

DISC1与LIS1、NUDEL、NUDE、动力蛋白(dynein）及动力蛋白激活蛋白(dynactin）等均可结合［8，9］。DISC1可以定位于中心体而参与控制微管动力，过表达C末端缺失突变的DISC1可以阻断LIS1、NUDEL、dynein及dynactin在中心体的蓄积。表达突变的DISC1可以引起微管结构的解聚，延迟微管星体的形成。过表达全长DISC1可以促进神经突的生长，而过表达C末端缺失的DISC1或基因敲除DISC1的表达都会抑制PC12细胞突起的生长，阻断DISC1和NUDEL的结合可以抑制神经突的生长［9］。这表明，DISC1以及DISC1/NUDEL的结合参与了对神经突生长的调控。这些研究表明，DISC1参与了LIS1/NUDE/NUDEL通路参与的微管活动。DISC1与微管蛋白(-tubulin）和中心粒旁素(pericentrin B）也有结合，这对于LIS/NUDEL蛋白复合体在中心体上的定位是极为重要的。用胚胎电转的方法敲减孕14.5天小鼠大脑中的DISC1表达，在出生后第2天检测发现从室旁区向皮层的神经元迁移受到了抑制，出生后第14天发现部分神经元迁移出现错位和异常的树突分支［10］，这表明，DISC1参与了对神经元迁移的调控。在小鼠脑内，NUDEL和DISC1之间的结合是随发育而变化的，这种结合变化与神经元迁移、皮层发育等过程中DISC1的表达变化在一定程度上是一致的，这也表明DISC1参与了神经发育过程的调节。总之，DISC1与NUDEL、LIS1等间的结合参与了对细胞有丝分裂、神经元迁移、神经元突起生长以及细胞内物质转运等多种生理活动的调节。DISC1与这些分子间的结合可能参与了DISC1相关精神分裂症的发病。

3.2 DISC1与PDE4B间的结合

PDE4B是磷酸二酯酶(phosphodiesterase-4s，PDE4s）家族成员之一，PDE4s可以水解cAMP而广泛参与细胞内多种活动的调节。在基因敲除，精神病药物治疗等实验中，已有很多遗传及生化研究证明PDE4s与精神疾病相关。Millar等［11］发现PDE4B的UCR2调节域能与DISC1的N端结合，这种结合是cAMP依赖性的，cAMP水平升高会导致PDE4B与71kDa的DISC1解离，同时伴有PDE4B催化活性增加。由这些结果可以推断，cAMP水平升高可以使DISC1与PDE4B间的结合解离，从而解除DISC1对PDE4B活性的抑制。N-乙基-N-亚硝基脲(N-ethyl-N-nitrosourea，ENU）诱导产生小鼠第二个外显子编码区Q31L与L100P两个位点突变，突变小鼠表现出抑郁样、精神分裂样症状，这些表型可以被抗抑郁及抗精神分裂药物所缓解，这两个位点的突变可以使DISC1与PDE4B间的结合减少［12］。显然，DISC1可以通过与PDE4B的结合对其活性产生调控，这个过程很可能参与了DISC1相关精神疾病的发病。

3.3 DISC1-FEZ1间的结合

Miyoshi等［13］发现DISC1与成束和延伸因子ζ-1 (fesciculation and elongation factor zeta 1，FEZ1）可以结合，它们与肌动蛋白(F-actin）也可以结合形成复合体。DISC1和FEZ1在神经元发育早期即有表达，在大鼠海马，皮层和嗅球等多个脑区两者存在广泛共存。进一步的研究发现，这些结合可能参与了神经突的生长过程。在PC12细胞中，神经生长因子刺激可以增强DISC1与FEZ1间的结合，促进神经突生长。而阻断两者间的结合后，神经突的生长也受到抑制。这些结果提示，DISC1有可能在发育期通过与FEZ1以及F-actin的结合来参与调节神经突生长。在一个日本人群的调查中发现，FEZ1的SNP与精神分裂症的发病存在关联［14］，FEZ1基因敲除小鼠表现出明显的活动过度和对精神类兴奋药反应增加的表现。那么，在DISC1基因发生易位断裂后，是否影响到了FEZ1与DISC1之间的结合，从而影响到神经网络的发育成熟并引起精神分裂症的发病呢？这是一个需要深入探讨的问题。

3.4 DISC1与14-3-3蛋白和Kinesin-1间的相互作用

14-3-3蛋白约占可溶性脑蛋白总数的1%，它们参与了许多重要的脑功能活动。14-3-3可以通过与-synuclein结合参与帕金森病的发病，而14-3-3、LIS1和NUDEL蛋白在生长锥中的蓄积有赖于DISC1和Kinesin-1的存在。在精神分裂症患者前额叶大脑皮层中14-3-3基因的表达下降，某些14-3-3基因在精神药物用药过程中表达有变化［15］。DISC1有可能作为转运体参与转运14-3-3ε、LIS1和NUDEL等蛋白到生长锥中而调节轴突生长。Cecconi等［16］用抗抑郁药物氟西汀治疗小鼠，对其脑皮层神经元进行蛋白组学分析发现，14-3-3家族中的两种亚型14-3-3η与14-3-3ζ与精神疾病有关联。这提示，DISC1与14-3-3可能参与了精神疾病的发病。

众多DISC1结合蛋白的发现表明，DISC1在大脑中可能起到一个枢纽作用，通过与多种分子形成复合体参与调节细胞骨架形成、细胞周期循环、信号转导、物质转运等众多细胞内事件。DISC1功能的重要性和广泛性可以用来解释它与精神分裂症发病的关系。尽管众多遗传学证据表明精神疾病是受多基因、多因素影响的，但由于DISC1是一个参与了多种中枢神经系统的发育过程的枢纽蛋白，DISC1单基因的突变就可能导致精神疾病的发生。

3.5 DISC1的其他功能

在整体动物水平进行基因操控是研究基因生理功能的最佳途径，例如进行条件性基因敲除、转基因等人为改变某一基因的时空表达模式，观察对动物各项表征的影响。然而，可能是由于DISC1的剪切机制复杂，剪切体众多，DISC1的基因敲除小鼠一直没能够制备成功。Hikida等［17］制备了DISC1负性突变体的转基因小鼠，该小鼠表现出精神分裂样表现，并伴有侧脑室的不对称扩大，这些表现与人类患者很相似。有研究者将慢病毒介导的RNA干扰载体注射至成体小鼠海马齿状回区域，以实现对新生神经元中DISC1在单细胞水平的敲减。他们的研究发现，DISC1表达水平的下调可以加速海马新生神经元的发育，导致神经元胞体过大、树突和突触过度发育、动作电位增强以及新生神经元迁移异常等［18］。也有研究报道，通过病毒介导的RNA干扰减少DISC1的表达可以抑制神经前体细胞的增殖，使其退出细胞循环周期并开始分化。这一效应被认为是DISC1与糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase3β，GSK3β）相互结合并通过β-catenin信号通路所作用的结果。

4 结语

虽然，随着对DISC1结合蛋白相关功能的研究，我们对DISC1这种精神疾病风险因子的特性以及致病过程等都有更深入的认识。但是，仍然存在许多问题需要进一步研究。首先，DISC1的遗传学特性及其与精神病发病的确切关联还不十分清楚。其次，DISC1的多个亚型及DISC2的功能还有待深入研究。另外，有关DISC1基因上游转录调控事件也有待深入研究，这对于阐明DISC1家族成员功能及参与精神疾病发病是一个重要环节。与疾病相关的基因突变引起DISC1在生化学特性、生理学功能变化并参与相关疾病的发病研究仍将是本领域内关注的重点问题。

1 Millar JK，Wilson-Annan JC，Porteous DJ，et al.Disruption of two novel genes by a translocation co-segregating with schizophrenia. Hum Mol Genet，2000，22(9）：1415-1423.

2 Lipska BK，Peters T，Kleinman JE，et al.Expression of DISC1 binding partners is reduced in schizophrenia and associated with DISC1 SNPs.Hum Mol Genet，2006，15(8）：1245-1258.

3 James R，Adams RR，Millar JK，et al.Disrupted in schizophrenia 1 (DISC1）is a multicompartmentalized protein that predominantly localizes to mitochondria.Mol Cell Neurosci，2004，26(1）：112-122.

4 Meyer KD，Morris JA.Immunohistochemical analysis of DISC1 expression in the developing and adult hippocampus.Gene Expr Patterns，2008，8(7-8）：494-501.

5 St Clair D，Blackwood D，Evans HJ，et al.Association within a family of a balanced autosomal translocation with major mental illness.Lancet，1990，336(8706）：13-16.

6 Sasaki S，Shionoya A，Ishida M，et al.A LIS1/NUDEL/cytoplasmic dynein heavy chain complex in the developing and adult nervous system.Neuron，2000，28(3）：681–696.

7 Badano JL，Teslovich TM，Katsanis N.The centrosome in human genetic disease.Nat Rev Genet，2005，6(3）：194-205.

8 Kamiya A，Tomoda T，Sawa A，et al.DISC1-NDEL1/NUDEL protein interaction，an essential component for neurite outgrowth，is modulated by genetic variations of DISC1.Hum Mol Genet，2006，15 (22）：3313-3323.

9 Ozeki Y，Tomoda T，Sawa A，et al.Disrupted-in-schizophrenia-1(DISC-1）：mutant truncation prevents binding to NudE-like (NUDEL）and inhibits neurite outgrowth.Proc Natl Acad Sci USA，2003，100(1）：289-294.

10 Kamiya A，Kubo K，Tomoda T，et al.A schizophrenia-associated mutation of DISC1 perturbs cerebral cortex development.Nat Cell Biol，2005，7(12）：1167–1178.

11 Millar JK，Pickard BS，Porteous DJ，et al.DISC1 and PDE4B are interacting genetic factors in schizophrenia that regulate cAMP signaling.Science，2005，310(5751）：1187-1191.

12 Clapcote SJ，Lipina TV，Millar JK，et al.Behavioral phenotypes of Disc1 missense mutations in mice.Neuron，2007，54(3）：387-402.

13 Miyoshi K，Honda A，Tohyama M，et al.Disrupted-In-schizophrenia 1，a candidate gene for schizophrenia，participates in neurite outgrowth.Mol Psychiat，2003，8(7）：685-694.

14 Yamada K，Nakamura K，Yoshikawa T，et al.Association analysis of FEZ1 variants with schizophrenia in Japanese cohorts.Biol Psychiatr，2004，56(9）：683-690.

15 Taya S，Shinoda T，Tsuboi D，et al.DISC1 regulates the transport of the NUDEL/LIS1/14-3-3epsilon complex through kinesin-1.J Neurosci，2007，27(1）：15-26.

16 Cecconi D，Mion S，Astner H，et al.Proteomic analysis of rat cortical neurons after fluoxetine treatment.Brain Res，2007，1135：41–51.

17 Hikida T，Jaaro-Peled H，Seshadri S，et al.Dominant-negative DISC1 transgenic mice display schizophrenia-associated phenotypes detected by measures translatable to humans.Proc Natl Acad Sci USA，2007，104(36）：14501-14506.

18 Duan X，Chang JH，Ge S，et al.Disrupted-in-schizophrenia 1 regulates integration of newly generated neurons in the adult brain. Cell，2007，130(6）：1146-1158.

2009-06-08）

(本文编辑：张文霞）

国家自然科学基金面上项目(30970999）

第二军医大学神经科学研究所，长征医院神经科学研究中心 200433(钦可为，第二军医大学生物技术专业2008级学员）。通信作者：刘秀杰，电子信箱lxj186517@126.com