视神经蛋白的功能及其在神经退行性疾病中的作用 ①

郑若玲，谭 洁

(桂林医学院广西脑与认知神经科学重点实验室，广西 桂林 541199)

视神经蛋白(optineurin, OPTN)是一种在细胞内表达的高丰度蛋白，最初因其与青光眼的发生发展相关而被命名。研究表明，OPTN参与囊泡运输、炎症反应、自噬、高尔基体形态维持等胞内过程，与肿瘤、免疫性疾病及神经退行性疾病等多种疾病有密切联系[1-3]。近年来，OPTN与神经退行性疾病的关系受到越来越多的关注。本文对OPTN的功能及其与神经退行性疾病的关系进行总结，希望能为神经退行性疾病的机制研究及治疗方案提供参考。

1 视神经蛋白概述

OPTN，又称为E3-14.7K相互作用蛋白、亨廷顿相互作用蛋白-7(HIP-7)、NEMO-相关蛋白等。1998年，OPTN通过酵母双杂交系统被初次分离，并被检测到与腺病毒E3-14.7K蛋白发生相互作用，由此被命名为E3-14.7K相互作用蛋白[4]。2002年，一项对54个常染色体显性遗传成人原发性开角型青光眼家族的研究发现，这种遗传性疾病由10号染色体上Optn基因的突变所引起，因而OPTN被正式命名为视神经蛋白[5]。

OPTN蛋白由Optn基因编码。人的Optn基因位于10号染色体的短臂上，大小为38.216 kbp，由16个外显子组成，包括位于5′-非翻译区的3个非编码外显子和编码 66 kDa 蛋白质的13个外显子[5]。对5′-非翻译区进行选择性剪接可产生具有相同开放阅读框的4种不同异构体，编码可能具有不同组织特异性表达模式的OPTN蛋白[6]。

OPTN在人、灵长类动物、真核生物、哺乳动物等多个物种上均有表达，如狗、黑猩猩、牛、恒河猴、小鼠、大鼠、鸡、蛙和斑马鱼等[7]。OPTN在不同组织中的表达存在差异。Fagerberg等人所著新版本的人类蛋白质图谱中，对来自95名人类个体的27种不同组织样本进行全基因组整合转录组学和基于抗体的蛋白质组学分析发现，OPTN在27种组织中均存在表达，表达量位居前6位的组织分别为脂肪、肾上腺、睾丸、卵巢、肾脏、脑[8]。

OPTN蛋白由多个卷曲螺旋结构域、一个亮氨酸拉链结构域、一个微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)相互作用区(lC3-interaction region, LIR)、一个泛素结合结构域(ubiquitin-binding domain, UBD)和一个C-末端锌指结构域组成[9]。OPTN作为一种多结构域的多功能蛋白，本身不携带任何酶活性，通过与具有不同功能的蛋白质相互作用而发挥多种功能[1, 10-11]。

2 视神经蛋白的生物学功能

2.1 视神经蛋白与自噬

作为一种自噬受体，OPTN在自噬清除病原体、受损的线粒体和蛋白质聚集体中发挥重要作用。Wild等人在营养剥夺诱导自噬的条件下，发现OPTN能够与泛素化载体连接并通过其LIR结合自噬标记物LC3，从而介导细胞对肠道沙门氏菌的自噬清除[12]。将OPTN与泛素或LC3蛋白的结合位点突变后，细胞内沙门氏菌的增殖明显增加[12]。OPTN在上调或突变后，可诱导自噬，并成为自噬清除的底物[13-14]。

OPTN作为自噬受体介导两种降解细胞内物质的途径。在泛素依赖的选择性自噬途径中，细菌、错误折叠的蛋白质及其聚集体、有缺陷的线粒体等被泛素包裹后通过UBD与OPTN结合，随后再与LC3结合并形成双层膜结构的吞噬体，从而引发自噬过程[15-16]。在泛素非依赖的自噬途径中，OPTN通过其C末端卷曲螺旋结构域识别蛋白质聚集体，再通过其LIR将LC3招募到蛋白质聚集体中，最终进行自噬清除蛋白质聚集[17]。在这两种途径中，TANK结合激酶1(TANK binding kinase 1, TBK1)都能通过磷酸化OPTN 177位的丝氨酸提高OPTN与LC3的亲和力，从而进一步指导自噬降解；而OPTN又能够反过来作用于TBK1，提高TBK1的磷酸化能力[18-19]。

2.2 视神经蛋白与囊泡运输

OPTN通过与多个囊泡蛋白作用从而参与囊泡运输过程。研究表明，OPTN与肌球蛋白Ⅵ、Rab8、亨廷顿蛋白、TBC1D17、转铁蛋白受体等均可发生相互作用[20]。肌球蛋白Ⅵ是肌球蛋白超家族成员之一，在胞内定位于高尔基复合体、网格蛋白包被囊泡、核周围小泡及靠近细胞膜的囊泡中，参与高尔基体形态的维持和胞吐作用[21]。肌球蛋白Ⅵ在分泌途径中具有向肌动蛋白丝负端运输货物的独特能力[22]。OPTN可与肌球蛋白Ⅵ的C端结合，两者在高尔基复合体和近细胞膜的囊泡中共定位[21]。OPTN或肌球蛋白Ⅵ的缺失均可显著减少与细胞膜融合的囊泡数量，增加未完成融合的囊泡比例和锚定在细胞膜上的囊泡数量[23]。

OPTN与Rab8结合也可调节囊泡运输过程。敲减OPTN或Rab8可导致转铁蛋白受体阳性的囊泡向细胞膜的运输速度减慢[24]。在与Rab8结合后，OPTN通过招募结合TBC1D17负向调控Rab8的活性，从而抑制转铁蛋白受体阳性囊泡的回收[25]。此外，OPTN通过与亨廷顿蛋白和Rab8结合，调节Rab8阳性囊泡的形成和运输[26]。

2.3 视神经蛋白与炎症反应

NEMO是促炎转录因子NF-κB的必需调节剂，OPTN因为与NEMO具有高度同源性而被认为在NF-κB的激活和炎症反应中发挥重要的调节作用[27]。

OPTN敲低可增加神经元的NF-κB活性，导致神经元死亡，而过表达OPTN野生型或突变体可抑制NF-κB活性，挽救OPTN敲除诱导的神经元死亡[28]。另外，OPTN可以通过充当外周免疫细胞中TBK1激活和干扰素-β(interferon-β, IFN-β) 产生的中间环节来调节炎症信号传导[29]。OPTN突变的原代小胶质细胞在接受Toll样刺激后，其TBK1活化、IFN-β产生和抗炎因子表达减少，在补充IFN-β后小胶质细胞的抗炎因子表达可恢复正常[30]。以上研究提示，OPTN的突变能促进炎症反应，而炎症因子的失衡可能是OPTN突变携带者神经元变性的潜在疾病诱因。

3 视神经蛋白在神经退行性疾病中的作用

OPTN在多种神经退行性疾病的蛋白质包涵体中均有检出，如ALS、PD、阿尔茨海默症、克雅氏病等[31]。自噬障碍导致的蛋白质聚集体和线粒体损伤是大多数神经退行性疾病共有的关键病理特征。OPTN突变可能导致多种蛋白质异常聚集和神经元损伤变性[32-33]。

3.1 视神经蛋白与青光眼

青光眼是一类以视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell, RGC)死亡和视神经纤维退化为特征的导致不可逆失明的神经退行性疾病。对54个常染色体显性遗传成人原发性开角型青光眼家族的分析显示，有16.7%的患者携带OPTN突变[5]。在青光眼患者中，OPTN的突变多为错义突变，其中E50K突变最为常见。生物信息学分析显示，携带OPTN E50K突变的小鼠出现小胶质细胞激活、年龄依赖性能量缺陷和自噬-溶酶体通路功能障碍[34]。OPTN E50K突变可抑制细胞自噬水平，影响TDP-43蛋白降解并导致体内和体外的RGC凋亡[35]。在16月龄的E50K突变小鼠中，OPTN与Rab8介导的囊泡运输过程受阻，视网膜中RGC和突触连接缺失，神经纤维层发生变性[36]。

M98K是另一个常见的与青光眼相关联的OPTN突变[5]。在体外培养的视网膜细胞中，过表达M98K-OPTN可降低细胞内的转铁蛋白受体水平，造成细胞死亡[37]。M98K-OPTN通过与泛素和LC3结合诱导自噬，介导转铁蛋白的胞内降解[37]。以上研究提示，正常的细胞自噬水平对维持视网膜RGC的生存至关重要，OPTN突变导致的自噬异常是青光眼首要的发病原因。

3.2 视神经蛋白与肌萎缩侧索硬化症

肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一种累及大脑和脊髓，病因复杂的运动神经元退行性疾病。OPTN于 2010 年首次被确定为ALS的致病基因，至今已发现有20种突变体与ALS相关[38-39]。而OPTN的阳性包涵体也在不同类型的ALS患者中被检出[31]。

在携带OPTN突变的ALS病人中，可观察到小胶质细胞NF-κB的表达上调[40]。在培养的神经细胞中敲低OPTN会上调NF-κB活性，造成神经细胞死亡，使用NF-κB的抑制剂可逆转以上现象[28]。将携带有ALS患者泛素结合缺陷的E478G突变型OPTN的慢病毒注入小鼠运动皮层，可导致促炎细胞因子分泌增加、免疫细胞浸润、小胶质细胞增生及小鼠运动功能受损[41]。此外，细胞的自噬异常也与ALS的发病相关。过表达ALS的突变型E478G或Q398X均可导致自噬小体的成熟障碍和聚集[42]。编码超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1)的基因突变所导致的蛋白质异常聚集是家族性ALS的发病原因之一，突变的SOD1与OPTN结合会导致线粒体自噬通量减少[43]。以上研究提示，OPTN突变介导的炎症反应和自噬异常是ALS的重要病因，抗炎和挽救自噬异常是治疗与OPTN突变相关的ALS的可能方向。

3.3 视神经蛋白与帕金森病

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一种环境和遗传因素相互作用导致的神经退行性疾病，不同亚型之间病因与临床表现的异质性为疾病的防治带来了重大的挑战[44]。PD的病理特征主要是黑质多巴胺(dopamine, DA)能神经元的进行性丢失及细胞内路易小体(LBs)的形成，其中LBs主要由α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)组成[45]。α-syn在细胞内聚集后进入LBs和路易神经突中，进而导致黑质DA能神经元的丢失，引起纹状体DA能神经元信号的减少，最终造成患者的运动功能失调[46]。

在用鱼藤酮诱导的大鼠PD模型中，通过对其免疫荧光染色，可在大鼠中脑黑质致密部(substantia nigra pars compacta, SNc)的DA能神经元中检测到OPTN[47]。在临床前和终末期大鼠PD模型的DA能神经元中，OPTN表达量上升，且与LC3和α-syn共定位，这提示PD模型中DA能神经元的变化可能与OPTN的表达量有关，OPTN的表达量可随着PD的进程而改变[47]。

在PD患者脑组织中，免疫组织化学结果显示LBs外周部分有明显的OPTN表达，而中心部分则较弱，且路易神经突也有OPTN阳性信号[25]。编码富含亮氨酸重复激酶2(leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)的基因突变是最常见的导致PD的单基因病因[48]。在PD病人的成纤维细胞中，LRRK2的突变增强其激酶底物RAB10的磷酸化，导致OPTN在去极化的线粒体上积累，引起去极化诱导的线粒体自噬和线粒体功能受损[49]。另外，对来自全基因组关联研究数据集和小规模PD相关性研究的700多万个基因多态性进行Meta分析发现，造成青光眼的OPTN M98K突变是PD的一个危险因素[50]。以上研究表明，OPTN的表达异常与PD的发病存在关联，但其具体机制尚不清楚。

4结语

OPTN作为一种多结构域蛋白，参与体内多种细胞过程，与神经退行性疾病的发生发展密切相关。尽管多项研究已表明OPTN的突变或表达异常与多种疾病的发生存在关联，OPTN可通过影响线粒体自噬和炎症反应导致相关细胞和组织发生病理性改变，但是OPTN如何影响神经退行性疾病的发生发展过程尚不明确。因此，对OPTN在神经退行性疾病中所起的作用有待进一步开展研究。