桥尾蛋白的结构、功能及其与神经系统疾病关系的研究进展

陈菲，周青珍，杨文琼

桥尾蛋白（gephyrin）是第一个被发现、研究最广泛的抑制性突触后膜骨架蛋白，在非神经组织如肾、肝、肺、视网膜中均可检测到桥尾蛋白，在哺乳动物中桥尾蛋白主要在中枢神经系统表达［1-4］。桥尾蛋白存在于突触后膜上，具有组装和稳定抑制性突触等作用，是中枢神经系统中抑制性神经突触聚集和外周组织中钼辅因子（molybdenum cofactor，MoCo）进行生物合成所必需的双功能膜蛋白［5-7］。此外，桥尾蛋白在甘氨酸（Glycine，Gly）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能受体聚集、抑制性突触信号传递、长时程增强（long-term potentiation，LTP）过程中必不可少［8］。自Heinrich Betz团队1982年首次发现桥尾蛋白至今，其已被证实可结合多种类型抑制性突触分子，进而调控抑制性突触的形成、功能及可塑性［9-10］，但目前仍存在许多尚未解决的问题。本文综述了桥尾蛋白的结构、功能及其与神经系统疾病的关系。

1 桥尾蛋白的结构

SASSOÈ-POGNETTO等［11］通过运用抗桥尾蛋白抗体而首次在哺乳动物视网膜GABA能受体中发现桥尾蛋白的超微结构，证实桥尾蛋白存在于哺乳动物整个中枢神经系统中。LARDI-STUDLER等［12］通过免疫染色法发现，桥尾蛋白选择性定位于Gly和GABA能受体上。后续研究发现，桥尾蛋白分子量为93 kDa，脊椎动物桥尾蛋白包含3个主要结构域，分别为20 kDa的G域、43 kDa的E域、18～21 kDa的C域，其中G域与E域通过中央结构域—C域进行连接［13］。G域和E域对应细菌中负责合成MoCo的MogA和MoeA蛋白质，C域包含大量突触蛋白翻译后修饰位点、结合位点的残基，如GABA能受体相关蛋白、动力蛋白的轻链等，因此C域被认为与桥尾蛋白的功能最为密切；此外，G域负责形成稳定的三聚体，而分离的E域则形成二聚体并表现出与Gly能受体亚基具有高亲和力的结合位点。

2 桥尾蛋白的功能

2.1 桥尾蛋白与抑制性突触后膜受体 桥尾蛋白的主要功能之一是作为骨架蛋白而将抑制性突触受体稳定在突触后膜上［9］，其可能作为一种中枢蛋白而整合各种抑制性突触活动和信号，并通过聚集在突触后膜上的Gly和GABA能受体而调节抑制性突触信号的传递。此外，桥尾蛋白还能通过与神经连接素-2、骨桥蛋白（osteopontin）等相互作用而参与抑制性突触的成熟、功能维持等。

有研究者通过免疫染色观察发现，Gly能受体在神经元中的分布与桥尾蛋白簇在突触后的定位几乎完全重叠，而抑制桥尾蛋白的表达会阻断Gly能受体在突触后膜的聚集，提示桥尾蛋白与Gly能受体相互作用依赖于桥尾蛋白与Gly能受体β亚基之间的高亲和力结合［14］。GABA能受体在突触后膜的聚集主要通过桥尾蛋白等骨架蛋白相互作用实现，靶向删除GABA能受体γ2亚基会阻碍GABA能受体与桥尾蛋白在突触后膜聚集，但γ2亚基并不会直接与桥尾蛋白结合，因此桥尾蛋白在GABA能突触后膜聚集的具体机制尚不完全清楚。此外，桥尾蛋白在突触后膜聚集位点具有一定选择性，意味着神经元具有特异性分子机制以确保桥尾蛋白的靶向和突触后膜聚集，但抑制性突触后膜位点的多分子复合物的形成过程及桥尾蛋白在非突触位点自身聚集的阻断机制目前尚不明确。

2.2 桥尾蛋白与抑制性突触可塑性 突触可塑性主要分为短期突触可塑性和长期突触可塑性，其中短期突触可塑性主要包括易化、抑制、增强，长期突触可塑性主要表现形式为LTP和长时程抑制（long-term depression，LTD）。有研究表明，突触可塑性是学习记忆的基础［15］，桥尾蛋白可能与部分抑制性突触可塑性有关，如GABA能受体的β3亚单位磷酸化可促进抑制性突触后LTP过程中突触外位点的桥尾蛋白聚集［16］，而桥尾蛋白组装障碍会阻断化学诱导的抑制性突触后LTP过程和GABA能受体的聚集。也有研究表明，桥尾蛋白在突触后膜的聚集及随后的受体固定对于突触后LTP的抑制信号传导至关重要；PETRINI等［16］研究结果显示，干扰桥尾蛋白的聚集会限制突触后抑制性LTP的形成及GABA能受体的聚集，甚至起着决定性作用。

3 桥尾蛋白与神经系统疾病

3.1 桥尾蛋白与MoCo缺乏症 钼是人体必需微量元素之一，单独存在于生物体内时不具有生物活性，只有与蛋白质或蝶呤结合形成MoCo才具有酶催化作用［17-18］。自然界中存在两种控制钼氧化还原状态和催化能力的辅因子，即以铁硫簇为基础的铁MoCo和以钼蝶呤（molybdopterin，MPT）为基础的MoCo。目前所知的含钼酶均是以MoCo的形式参与酶的催化，常见含钼酶包括硝酸盐还原酶、黄嘌呤脱氢酶、醛氧化酶、亚硫酸盐氧化酶、线粒体氨肟还原蛋白［19］。人类MoCo缺乏症是一种严重的常染色体隐性遗传代谢紊乱性疾病，主要表现为出生时开始出现无法治愈的新生儿惊厥、神经元缺失，并于出生1年内死亡，死亡原因主要是亚硫酸盐氧化酶活性丧失而导致有毒亚硫酸盐沉积［20-22］。

MoCo的生物合成可以分为4步［23］：第1步是三磷酸鸟苷（guanosine triphosphate，GTP）环化，第2步是MPT合成，第3步是MPT活化，第4步是钼插入到MPT上。钼依赖性酶如亚硫酸氧化酶、黄嘌呤氧化还原酶活性在桥尾蛋白催化MoCo生物合成的第4步必不可少。桥尾蛋白参与MoCo合成的步骤如下：G域结合MPT并催化腺苷酸转移到MPT末端磷酸盐上，随后将腺苷酸化的MPT转移至E域［24］。MoCo缺乏症分为A型、B型、C型3种类型，其中只有C型被证实与桥尾蛋白基因（GPHN）突变有关［25］，GPHN的移码缺失会影响桥尾蛋白中负责甲基化MPT的G域及水解腺苷键而插入钼因子所需的E域［26］。

3.2 桥尾蛋白与阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）AD的发病机制复杂，可能由多种因素共同作用所致，包括兴奋性Gly毒性、淀粉样蛋白沉积、钙稳态失调、自由基与氧化应激损伤、胰岛素相关糖代谢异常等。虽然对AD的研究已有100多年的历史，但其具体发病机制至今尚未完全明确。既往关于AD发病机制的研究集中在淀粉样斑块、神经原纤维缠结与认知功能的关系，近年大量研究证实淀粉样斑块、神经原纤维缠结形成之前发生的早期突触变化更有可能是导致AD患者认知障碍的原因之一［27-29］。尸检结果显示， AD患者皮质区GABA能受体表达降低［30］。

目前，关于桥尾蛋白表达水平与认知功能关系的研究报道较少，桥尾蛋白在AD患者中的表达与GABA能受体水平下降是否一致尚不清楚。HALES等［31］研究表明，因AD死亡患者脑组织桥尾蛋白密度和表达水平明显降低，提示抑制性突触数量降低；AGARWAL等［32］研究表明，男性AD患者脑组织中特征性桥尾蛋白表达水平较女性明显降低；KISS等［30］通过免疫组化实验证实，AD晚期小鼠海马CA1区、齿状核区桥尾蛋白表达水平降低，抑制性突触数量减少。但AD患者中枢神经系统桥尾蛋白表达水平降低是通过何种分子通路实现的？桥尾蛋白表达水平异常是否与AD的发病直接相关？这些问题仍需进一步研究，而明确桥尾蛋白在AD发病中的作用及分子机制是未来研究方向之一。

3.3 桥尾蛋白与癫痫 癫痫发病机制复杂，目前关于桥尾蛋白与癫痫关系的研究主要是针对癫痫患者中枢神经系统中活化的GABA能受体衰减、桥尾蛋白聚集下调［33-34］。研究表明，癫痫患者脑脊液中GABA含量明显降低，且脑脊液GABA含量与癫痫发作频率有关；桥尾蛋白在抑制性突触后膜上形成的多聚体对维持正常神经抑制性信号必不可少，桥尾蛋白功能障碍有可能导致癫痫。桥尾蛋白异常参与癫痫的发病分子作用机制可能为：细胞应激诱导GPHN外显子跳跃产生异常剪接形式的RNA，继而产生变性的或无活性的蛋白［35］。

既往研究表明，细胞应激所致GPHN不规则剪接可造成颞叶癫痫（temporallobeepilepsy，TLE）患者截短的桥尾蛋白变体的表达［36］，异常剪接的GPHN mRNA已被证实与TLE有关，其作用机制为异常剪接的mRNA缺乏编码桥尾蛋白G域的外显子而导致细胞应激（如温度异常、碱中毒），继而引发 TLE［35］。FÖRSTERA 等［37］首次报道了 1例伴 GPHN 基因杂合突变的癫痫性脑病婴儿，该病例由于GPHN错义突变而导致所合成的桥尾蛋白失去原有功能，但并不影响蛋白的结构和折叠，因此失去原有功能的桥尾蛋白在突触后膜聚集并造成GABA能受体功能严重损伤。DEJANOVIC等［24］在TLE患者和TLE大鼠海马区、邻近皮质中均观察到GPHN异常表达，并认为桥尾蛋白突变可导致神经元过度兴奋、抑制性神经元发育异常及癫痫发作，提示TLE患者存在GABA能受体介导的神经传导缺陷［34］。因此，进一步了解桥尾蛋白等骨架蛋白失调对GABA能受体功能中的调节作用可能会为研究癫痫的病理生理机制及癫痫新药物作用靶点提供新思路。

4 小结与展望

神经系统疾病如MoCo缺乏症、AD、TLE均可能部分归因于抑制性神经传导缺陷，而桥尾蛋白在抑制性神经元调节中具有重要作用，因此不难推测MoCo缺乏症、AD、TLE的发生可能与桥尾蛋白有关。目前研究已证实MoCo缺乏症C型与GPHN突变有关、AD患者脑组织中桥尾蛋白表达水平下降、TLE与桥尾蛋白异常剪接有关［38］。近年大量研究证实，桥尾蛋白对抑制性突触的结构、功能调节至关重要，并可能与生物体内各种抑制性神经通路有关，但目前桥尾蛋白在Gly和GABA能受体功能调节中的确切作用机制尚不完全清楚，今后研究仍需更深入、细致地了解其动态调控抑制性突触后膜相关受体聚集的病理生理意义，以期能早期预防、干预甚至治愈相关神经系统疾病。