蛋白磷酸酶1及其去磷酸化与抑郁症的关联研究

马相贤 蒋宇婷 王三旺 崔明湖

1滨州医学院附属医院滨州医学院第一临床医学院，滨州 256600；2滨州医学院附属医院心理科，滨州 256699

在真核细胞中，蛋白质主要在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基上磷酸化［1］。蛋白磷酸酶是一组多样化的蛋白质，可以抵消蛋白激酶的作用［2］。蛋白磷酸酶去磷酸化通过水解催化蛋白质中磷酸基在神经元功能的许多方面发挥着关键作用，包括参与调节突触通讯的关键步骤［3］，并且可通过其在突触处催化细胞中大部分磷酸丝氨酸和磷酸苏氨酸的去磷酸化来调控突触可塑性，从而参与调节抑郁症［4］。

蛋白磷酸酶1（protein phosphatase 1，PP1）和蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）属于磷酸蛋白磷酸酶超家族（phosphoprotein phosphatase superfamily，PPP），在真核生物磷酸酶反应中占90%以上，PP2A在抑郁症中的作用已被多次讨论过［5-7］。另外近期研究证明了动物和人类的内侧脑前额叶外皮层中隶属蛋白磷酸酶2C（protein phosphatase 2C，PP2C）家族的蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依赖的1F（PPM1F）［8］，也与抑郁症有关［9］。我们的最新研究同时证明了海马中的PPM1F通过调节神经兴奋性来调节抑郁相关行为［10］，而PP1的作用的研究相对较少。PP1是一个主要的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶，在所有的真核生物中高度保守，并普遍表达，显示出广泛的底物特异性，在许多细胞过程中起着显著作用，如细胞周期，减数分裂，蛋白质合成，细胞凋亡，细胞骨架动力学，糖原代谢等［11］。有研究发现PP1也与突触可塑性息息相关，其在突触上的募集与抑郁症有关，但还没有足够的证据表明PP1是否能够负责直接调节抑郁症，也不确定PP1与突触素共定位的增加是否与抑郁程度相关［12］。PP1在抑郁症发生发展中的作用仍然令人困惑，这可能是抑郁症研究中容易忽视PP1的原因之一［13］，缺血再灌注损伤的相关研究也是如此［14］。为了促进开发治疗抑郁症的新方法，有必要在抑郁症疾病领域研究PP1及其去磷酸化的作用机制，为抑郁症的分子机制探索提供思路和线索。

PP1与突触可塑性

蛋白磷酸酶是一组特殊的蛋白质，根据其磷酸化丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基的特异性可以进行分类。已知有4个结构不同的家族。其中一类是PPP类的丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白磷酸酶，包括PP1、PP2A和钙/钙调蛋白调节酶（protein phosphatase 2B，PP2B），也称为钙调磷酸酶［15-16］。突触可塑性是学习和记忆的细胞模型，蛋白磷酸酶通过对抗蛋白激酶，调节许多涉及突触可塑性底物的可逆磷酸化［17］。PP1作为PPP类的丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白磷酸酶中一种重要的存在，也可以间接调控某些化学修饰来影响学习和记忆［18］，也是调节突触可塑性和神经紊乱的重要磷酸酶［11］。

PP1是一种寡聚酶，由1个催化亚基（PP1C）和1个或2个调节亚基（称为PP1的调节因子，RIPPOs）组成。PP1C有3个 不 同 的基 因编 码，PPP1CA（11q13.2）、PPP1CB（2p23.2）和PPP1CC（12q24.11），分别产生3种典型的亚型，分别是PP-1A（PP1α）、PP-1B（PP1β）和PP-1G（PP1γ）［19］，他们受到大量相互作用的亚基的调控，这些亚基定义了他们的酶底物特异性［13］。PP1的3个亚型序列高度保守，他们的N端和C端存在差异，这可能是他们结合亲和力不同的原因。不同的结合亲和力导致PP1亚型在定位和底物特异性上的差异。具体来说，PP1α和PP1γ在突触的集中定位［20］表明了他们在突触可塑性中的重要性。与这一观点一致的是，神经元肌动蛋白和蛋白磷酸酶-1结合蛋白neurabin作为PP1的靶向蛋白在长时程抑制（long-term depression，LTD）和长时程增强（long-term potentiation，LTP）诱导中发挥关键作用，在大脑中优先与PP1γ结合［21］，LTP和LTD是2种被充分研究的相反形式的突触可塑性的兴奋性突触，分别加强和削弱突触［22］。在体外，neurabin与PP1γ的结合亲和力最高，与PP1α的结合程度较低，与PP1β的结合最小［23-24］。而PP1β可能通过调控突触前蛋白的磷酸化状态在突触中发挥关键作用［25］。此外，整个外显子组测序研究已经确定了有超过17例PP1β突变的患者患有发育迟缓、智力残疾、社交障碍以及在某些情况下出现焦虑和癫痫等神经精神疾病［26-28］，提示PP1β在突触可塑性和神经发育中发挥重要作用。综合上述PP1 3种不同亚型在突触可塑性中的研究，多方验证了PP1在突触可塑性和大脑功能方面发挥了重要作用。PP1在神经系统中微妙而多样的作用凸显了阐明PP1全酶的功能及其调控的重要性。同时通过PP1β的突变可导致焦虑出现的证据，可以推测PP1或许也与其他精神疾病有关，比如，据世界卫生组织预测在2030年将成为全球最大负担的疾病-抑郁症［29］。

去磷酸化与突触可塑性

PP1作为一种主要的丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，在树突棘和细胞核中富集，并去磷酸化多种重要的底物，这些底物控制着突触可塑性和记忆的各个方面，在突触可塑性和神经发育中发挥重要作用［30］。Siddoway等［31］研究证明了在有PP1参与的突触降尺度过程中，去磷酸化占据了不可忽视的地位，在LTD期间，许多突触后靶点的去磷酸化被证明对于突触可塑性的调节发挥了有利作用，与此同时PP1也被激活［32］。

Morishita等［33］表明PP1对突触底物的精确靶向是表达LTD的关键，但目前尚不清楚活化的PP1是如何使突触中无数蛋白质中的特定蛋白底物去磷酸化的。有研究通过神经电生理诱导实验使配对的突触前和突触后活性水平降低从而弱化LTD，使得小鼠发挥抗抑郁作用。在突触传递中占据重要地位的N-甲基-D-天冬氨酸谷氨酸受体（NMDAR）被弱激活，会导致更少的钙离子流入，优先激活PP1，则PP1会在其中发挥效能从而极大地促进LTD［12］。该实验验证了涉及PP1的蛋白-蛋白相互作用在将PP1靶向到相关突触底物的过程中发挥了关键作用，且一定程度上PP1与抑郁症是相关的。但目前还没有足够的证据表明它是否负责直接调节抑郁症，也不确定PP1在突触上的共定位增加与抑郁程度是否直接相关。

突触可塑性与抑郁症机制

抑郁症是一种普遍存在且使人衰弱的精神疾病，自残和自杀企图的发生率很高，这会增加家庭的负担［34-35］。抑郁症的属性包括情绪低落、快感缺乏、自杀念头、精神运动迟缓或激越、食欲和睡眠模式的改变、精力缺乏或疲劳加剧。此外，抑郁症的患病率预计将持续增加，根据世界卫生组织成员国的统计，到2030年抑郁症会成为疾病负担的第二大原因［36］。遗传、神经化学和环境因素与抑郁症的发生和发展有关。虽然针对抑郁症的药理治疗，包括选择性5-羟色胺再摄取抑制剂、去甲肾上腺素再摄取抑制剂、三环类抗抑郁药和单胺氧化酶抑制剂已被广泛使用，但这些抗抑郁药需要数周至数月的治疗，近50%的患者表现出非常差或无反应［37-38］。尽管在过去的几十年中进行了广泛的研究，但是抑郁症的病因学和病理生理学尚未完全弄清楚。

近期以来，持续的抑郁症抑郁情感状态的发展被认为是由于多巴胺、血清素、去甲肾上腺素及5-羟色胺等神经递质介导的突触传递的持续改变［39］。虽然这些递质的身份在过去几年里发生了变化，但文献缺乏他们所调节的神经生理机制之间的机械联系，以及这些机制是如何改变神经元功能从而影响情感稳态的［40］。突触前和突触后突触强度的长期增加和减少都可以被诱导［41］，但他们与治疗包括抑郁症在内的许多精神疾病的相关性实际上还未阐明，但突触强度的改变可能是导致抑郁症的病因之一。有研究表明，长期活动依赖的突触强度变化，即突触可塑性，以及为易于诱导未来长期变化而改变的设定点，即元可塑性，可能是建立和扭转抑郁症抑郁行为状态的关键［4］，不过虽然LTP和LTD在各种突触中都有很好的记录，但这些不同形式的突触可塑性在抑郁症中的作用仍有待阐明。啮齿动物研究已经发现一个NMDAR的部分激动剂GLYX-1，具有显著的抗抑郁作用［42］，而GLYX-1在鼠海马切片的研究表明它可以敏锐地增加LTP和LTD［43］，这也说明由GLYX-1联系的突触可塑性与抑郁症存在不可忽视的联系。

由于每个突触具有不同的信息处理和编码能力，长期突触可塑性一直是认知、记忆存储和抑郁症研究的主要目标，所以突触可塑性对抑郁症和其他神经精神疾病的潜在意义不应该因为缺乏研究而被低估［44］。

与抑郁症相关的蛋白磷酸酶

与PP1同属蛋白磷酸酶家族一员的PPM1F，是一种丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，属于PP2C家族［8］，之前有研究发现经受压力模型诱导抑郁相关行为的小鼠PPM1F基因在杏仁核和内侧前额叶皮质（mPFC）中有差异表达，而人类血液中PPM1F的mRNA水平下调，说明在动物和人类的内侧脑前额叶外皮中的PPM1F与抑郁症和焦虑症有关［9］，我们的实验进一步证明了海马中的PPM1F可通过调节神经兴奋性来调节抑郁相关行为，可能是抑郁症或其他精神疾病的重要病理基因［10］。

另外，Lecca等［5］利用小鼠证明了PP2A抑制可能通过去磷酸化中间附属蛋白来调控γ氨基丁酸能（GABA）受体以改善抑郁症样症状，并且在抑郁症的习得性无助模型中发挥作用。GABA受体广泛存在于神经系统中，定位于突触前和突触后的突触外位点，其异常表达和信号与许多精神疾病有关，包括癫痫、抑郁症、焦虑症和药物成瘾［45］。

小 结

确定病理基因新的功能对抑郁症的研究很重要。近几十年的研究表明，蛋白质通过可逆磷酸化，执行磷酸酶功能，在所有生物体中组成了一系列重要的信号和机制的调控［46］。PP1作为蛋白磷酸酶中的重要一员，在身体中广泛表达，参与了众多细胞过程，在大脑功能调节和神经精神疾病中被大量研究，其中情绪应激引起的PP1表达的变化可能有许多病理生理学意义。综上研究可推测PP1可能通过去磷酸化的形式调节神经兴奋性或者其他方式来调节抑郁症及抑郁相关行为，这需要通过实验进一步去验证。洞察PP1的去磷酸化对于抑郁症的调节作用可能有助于发现治疗或预防抑郁症的新方法，故应在以后的研究中加以探索。