Rho鸟嘌呤核苷酸交换因子15在神经系统疾病中的研究进展

丁美娟，刘艺丹，孔庆霞

Arhgef15基因位于人体第17号染色体，其编码的Rho鸟嘌呤核苷酸交换因子蛋白15(Arhgef15)是Rho鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEFs)的一个亚类。RhoGEF具有鸟嘌呤核苷酸交换活性，可以调控Rho GTP酶由失活型(与GDP结合)向活性型(与GTP结合)转换，进而使Rho GTP酶在细胞信号转导通路中发挥分子开关的作用。Arhgef15又称突触抑制蛋白，可抑制兴奋性突触的形成。研究发现，Arhgef15的异常表达参与癫痫、Alzheimer’s病(AD)、Angelman综合征(AS)和脑血管疾病的发生发展[1]。现就Arhgef15的结构、功能及在CNS疾病发生过程中的作用及其调控机制进行综述。

1 Arhgef15的结构和功能

Arhgef15与人类疾病密切相关，最早由Ogita等[1]在血管平滑肌细胞中发现。由于Arhgef15仅在血管平滑肌细胞(VSMCs)中表达，被命名为Vsm-RhoGEF/KIAA0915。

Arhgef15在健康成人组织中表达非常低，一般局限于海马，是五种Dbl相关的GEFs中的一种。Dbl家族的一个重要特征是存在由约200个氨基酸残基组成的Dbl同源(DH)结构域和由约100个残基组成的pleckstrin同源(PH)结构域。DH结构域主要负责Dbl RhoGEFs的催化活性，并形成与邻近PH结构域的鸟嘌呤核苷酸交换反应的最小催化单元。除串联DH-PH结构域外，该家族成员还包含调节GEF活性，亚细胞定位或与其他分子相互作用的其他结构域[2]。遗传损失和功能获得研究表明，Arhgef15可激活小G蛋白RhoA，肌动蛋白细胞骨架的调节器，在发育中的大脑中起着限制树突生长和突触发育的作用[3]。

GTPases的Rho家族是Ras超家族的亚组。与其他小GTP酶一样，Rho家族成员也可以作为分子开关。Ras相似物GTP酶(Rho GTPases)以其在调节肌动蛋白细胞骨架中的作用而闻名。因此，它们参与多种细胞骨架依赖性过程，如细胞粘附、细胞运动、胞质分裂、吞噬作用、形态发生和轴突导向。此外，Rho GTPases在转录调控和细胞转化中也起着重要作用。Rho GTPases参与这些基本的过程，因此其活性应该在时空上受到严格控制。同时，各种调节分子均参与调节 GTPases的活性，但GEFs、GTP酶激活蛋白(GAPs)和鸟嘌呤核苷酸解离抑制剂(GDIs)处于调节的中心[2]。RhoGEF参与Rho GTPase活性的调节，RhoGEF与游离Rho GTPase的亲合力大于Rho GTPase-GDP复合物的亲合力，进一步催化鸟嘌呤核苷酸[4]。

2 与神经系统疾病的关系

Arhgef15在神经系统中的作用引人瞩目。2005年Sahin等[5]证实，Arhgef15在大脑中高度表达，并根据其与Ephexin1的编码基因在哺乳动物中的高度同源性，将它命名为Ephexin5。目前Arhgef15与癫痫、AD[6]、Angelman综合征[7]、脑血管疾病[1]的关系已成为研究热点。

2.1 在癫痫中的作用 癫痫发作是继卒中和神经退行性疾病后老年人第三常见的神经系统疾病，具有突然发生、反复发作的特点，临床表现为运动、感觉、意识、自主神经、精神等障碍，但本质上是大脑神经元异常放电引起的短暂脑功能失常[8-9]。Arhgef15在大脑特别是海马中高表达，在大脑中的功能已被广泛熟知[10]。Arhgef15影响兴奋性突触发育，参与癫痫的发生发展。已证实，Eph-Ephrin信号通路参与神经系统兴奋性突触的形成，并使兴奋性突触维持正常水平。研究发现，在神经系统发育过程中，Arhgef15被Ephrin-B受体酪氨酸激酶B2(EphB2)快速磷酸化，然后通过E3泛素连接酶UBE3A靶向蛋白酶体依赖性降解[9]。Arhgef15的上调增加了Rho家族蛋白的活化，特别是RhoA、Cdc42和Rac[11]。研究者发现，在正常情况下，出生早期Arhgef15水平较高，Arhgef15通过激活信号蛋白RhoA(一种限制树突棘生长的GTP酶)阻断异常突触形成。当Ephrin-B配体激活EphB2受体后，EphB2将Arhgef15磷酸化，并进一步协助其泛素化，从而使Arhgef15被蛋白酶体降解，促进突触的成熟。当Arhgef15在神经元内过度表达时，Arhgef15抑制EphB2的活性，抵消了EphB2对Arhgef15的促降解作用，从而保证Arhgef15的较高水平，并保持低突触连接的数量，以便神经元不随意与其他细胞形成突触。当Arhgef15某一位点发生突变时，Arhgef15蛋白表达降低，EphB活性抑制减弱，发育中的树突和轴突中的Ephrin-B促进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，导致Arhgef15的降解，使Arhgef15的交换活性降低，对Rho家族蛋白的激活能力减弱，从而减弱对兴奋性发育的抑制，导致大脑中兴奋性突触数目的增加[10]。病理状态下的神经元突触向其末端下位或邻近神经元突出和延伸，从而形成新的突触联系，最终导致神经元网络重组，使神经网络中的神经元异常兴奋，为癫痫的反复发作奠定了基础[12-13]。Arhgef15突变可能导致交换活性降低，大脑兴奋性突触数目增加。这可能是观察到的癫痫发作的根本原因。

2.2 在AD中的作用 AD是一种年龄相关的神经退行性疾病，其特征为进行性记忆丧失，认知功能受损以及淀粉样斑块和神经原纤维缠结的形成[14]。淀粉样蛋白-β(Aβ)蛋白质的积累被认为是AD发病机制中的一个促发事件[15]，Aβ产生增加会破坏神经元功能，并最终导致细胞死亡。

Aβ触发的EPHB2信号转导现在被认为是AD病理学的核心特征[16-17]。正常发育过程中，Arhgef15被Ephrin-B受体酪氨酸激酶B2(EphB2)快速磷酸化，然后通过E3泛素连接酶UBE3A靶向蛋白酶体依赖性降解，随后Arhgef15蛋白水平保持低水平进入成年期[9]。AD中Aβ诱导EPHB2信号传导丧失，导致Arhgef15表达增加。Arhgef15过表达在神经元发育早期抑制树突棘形成。在整个生命过程中，海马树突棘经历持续的动态变化，与学习和记忆密切相关，并在AD中受到深刻影响。因此，Aβ诱导Arhgef15表达增加，使海马依赖性的学习和记忆等功能下降。同时，Arhgef15的减少可以保护小鼠免于发生学习和记忆缺陷，但是抑制Arhgef15能否逆转这些缺陷仍有待进一步研究[5]。研究表明，Arhgef15在健康成人组织中表达非常低，并且通常在海马体中，提示Arhgef15是一种较特异的治疗靶点，只有患病者才能检测到其病理学表达升高，从而发挥靶向作用[2]。因此，制备其抑制剂、靶向嵌合体蛋白水解酶或负变构调节剂是可行的，可能为治疗AD提供新的、关键的治疗干预途径。

2.3 在AS中的作用 AS又称“快乐木偶综合征[18]”、“天使综合征”、“安吉尔曼综合征”，是以15q11～13染色体区域基因异常(即15q11～13 染色体区域的泛素蛋白酶UBE3A基因缺陷)引起的以严重发育迟缓、智力低下、语言障碍、共济失调、癫痫发作、愉快表情为特征的神经遗传性疾病。患者可伴有严重共济失调、异常行为等[19-20]。

神经系统发育过程中，UBE3A的功能以及UBE3A突变如何导致AS尚不完全清楚。有研究表明，UBE3A是一种神经元活性调节蛋白，通过泛素化和降解突触蛋白Arc来控制突触功能。UBE3A功能破坏使Arc表达增加和兴奋性突触处AMPA受体数量减少，导致突触功能减退[19]。同时，UBE3A是Arhgef15的神经信号分子，神经元UBE3A缺失，Arhgef15降解减少，使Arhgef15累积，通过激活信号蛋白RhoA阻断突触形成，导致神经元网络功能障碍[11]。以上这两种通路最终导致AS发生。

2.4 在脑血管疾病中的作用 血管生成需要动态调整细胞形态，依赖于严格控制细胞骨架蛋白[21]。细胞骨架调整发生在整个血管生成过程中，包括发芽、细胞迁移、血管生成和稳定[22-23]。最近报道强调RhoGEFs在血管系统中的总体重要性。这些报告分析了其在高血压患者动脉和血管平滑肌细胞中的表达情况[24]。在血管中，Rho GTP酶有助于形成肌动蛋白成核位点，组装对启动血管芽形成起关键作用的动态细胞骨架结构。Arhgef15的作用可能与启动内皮发芽的血管生成信号的整合有关。Arhgef15参与了Cdc42对血管内皮生长因子的激活，并被认为是维持内皮细胞粘附Arhgef15的正调控因子[25]。

Arhgef15的另一个名称是Vsm-RhoGEF，代表血管平滑肌特异性RhoGEF。顾名思义，它被鉴定为在来自不同组织(包括心脏、肝脏、肾脏、主动脉和脾脏)的血管平滑肌细胞中表达的RhoGEF。随着其表达模式的识别，Vsm-RhoGEF作为EphA4信号传导的关键下游调节剂的作用已被证实。Ephrin-A与EphA4结合并作用于Vsm-RhoGEF的DH-PH结构域诱其酪氨酸磷酸化，磷酸化的Vsm-RhoGEF进一步激活RhoA，从而诱导与血管平滑肌收缩相关的应激纤维的形成，调节血管平滑肌收缩性[1]。

Arhgef15作为内皮细胞特异性交换因子介导血管内皮生长因子诱导的Cdc42活化并增强RhoJ失活，促进肌动蛋白聚合和细胞运动性。小GTP酶Cdc42在活跃的GTP结合状态和不活跃的GDP结合状态之间循环，促进各种类型细胞中的肌动蛋白聚合，并且参与不同的细胞运动的过程[26]，调节内皮细胞中细胞骨架重组。目前，Arhgef15及其所在通路的相关因子已成为抗血管生成治疗的新的研究热点[24]。

3 展望

Arhgef15是小G蛋白调节因子家族成员之一，调控多种小G蛋白的生物学活性，有助于小G蛋白上的鸟苷二磷酸和鸟苷三磷酸相互转换，从而活化Ras和Rho等小G蛋白。Arhgef15的异常表达与许多疾病的病理生理过程有着密切的联系。现在Arhgef15与癫痫、AD、AS和脑血管疾病的发生、发展关系已成为研究热点。Arhgef15可能成为CNS疾病治疗的新靶点，为难治性神经系统疾病提供新的辅助治疗手段。