LRRK2基因突变与帕金森病

　　作者：杜青青,沈勤*　　作者单位：南通大学医学院， 江苏 南通

　　【关键词】 帕金森病,LRRK2基因,基因突变

　　1 LRRK2基因突变是帕金森病关键影响因子

　　大部分PD患者为散发性病例， 仅有约10%～20% 患者有家族遗传背景，目前已经被定位和克隆的与遗传性帕金森病相关的基因主要有：①常染色体隐性遗传性早发型PD的相关基因：Parkin， PINK， DJ1，其中多数早发型PD是由于Parkin基因突变引起的。早发型PD临床特点与散发性PD患者不同的是发病年龄相对较早，平均发病年龄在22岁左右，首发症状以震颤、记忆力减退为主， 青年型常染色体隐性遗传帕金森病曾在美洲 、欧洲 、中东及北非有报道。②常染色体显性遗传性迟发型PD的相关基因：SNCA，LRRK2等。常染色体显性PD患者与散发性PD患者相比较，临床特点以晚发为主，平均发病年龄较晚，病程相对较长，首发症状以静止性震颤和动作迟缓最为常见，其次是肌强直和姿势反射障碍。在这些与PD相关的基因中，LRRK2突变是常染色体显性遗传性PD最常见的、研究最多的致病基因，对该基因的功能特征、分子机制和调节机制的研究对阐明PD发病机制以及发现新的治疗靶点具有重要意义。由LRRK2引起的PD及其他神经退行性疾病有着相同或相似的病理特征并呈现多样性，最主要的特征是路易小体的出现和黑质纹状体多巴胺神经元的缺失。LRRK2突变携带者以典型PD 为主要临床表现, 如静止性震颤、强直、动作缓慢、姿势平衡障碍，对左旋多巴治疗反应良好等[2]。先前的研究将这种遗传性PD的基因定位在人的12号染色体上的一个叫做PARK8的区域中。在新近的研究中，科学家们着重于对这些家族成员的DNA进行精细分析并最终确定该关键致病基因和突变位点，进一步了解它所编码的多功能蛋白在神经退行性疾病中的作用。

　　2 LRRK2的表达定位及结构特征

　　2.1 LRRK2的表达定位

　　LRRK2基因在人、小鼠和大鼠脑组织的不同区域中均有表达，包括黑质、壳核、纹状体、杏仁核区域、海马、皮层及小脑，而在其他组织如肾、肺、脾脏、淋巴结中LRRK2的表达量远远高于脑组织[3]。此外，LRRK2在小鼠脑组织不同区域或神经核团具有表达差异，在大脑皮质、海马、尾壳核、杏仁核区域LRRK2蛋白表达量最高，在黑质、丘脑及下丘脑部分核团、小脑普肯野细胞层也有中等强度的表达量。LRRK2蛋白在HEK293细胞中内源性表达，基本分布于细胞质中，与线粒体有很好的共定位，亚细胞定位显示LRRK2主要分布于线粒体、 囊泡、 内质网、高尔基体和突触终末端等细胞质膜性结构周围, 但无跨膜域;其中约10%位于线粒体外膜, LRRK2编码的LRRK2蛋白能与线粒体外膜脂筏上的相关蛋白相互作用，而脂筏中含有诸多信号分子和免疫受体，在细胞生命活动中扮演非常重要的角色，提示LRRK2可能参与囊泡转运及轴突导向[4]。

　　2.2 LRRK2的结构特征

　　据文献报道，人的LRRK2基因位于染色体12p11.2-q13.1(小鼠于染色体15)，长约144 kb(含有7 581个碱基对)，含有51个外显子，编码一个由2 527个氨基酸组成，相对分子质量为275 000的LRRK2蛋白质，属于ROCO蛋白家族，具有多个功能区域[5]。主要功能域有6个：ARM重复序列和锚蛋白重复序列(an ARM repeat and an ankyrin repeat，ANN)、富含亮氨酸重复序列区(Leucinerich repeat, LRR) 、Ras蛋白复合体(Ras in complex proteins, ROC) 、Ras蛋白C末端重复序列(Cterminal of ROC, COR) 、MAPKKK结构域(即激酶结构域)和色氨酸(W)天冬氨酸(D)重复序列区(每个重复序列由40个色氨酸和天冬氨酸组成，又称WD40区域)。其中，LRR功能域主要参与蛋白质间的相互作用;ROC和COR 功能域具有GTP 酶活性,在Ras介导的细胞转化、细胞分裂、黏着作用的形成及MAPK信号通路中起重要作用[6];激酶结构域主要与下游蛋白质的磷酸化有关;WD40 区域是一个在进化上高度保守的区域，主要参与蛋白质间的相互作用,可与多种蛋白可逆性结合，也参与运输和信号传导过程，其中ROC结构域和MAPKKK结构域备受关注。

　　LRRK2不仅是一种激酶，而且是GTPase。这两种酶活性在功能上可能是相关联的。LRRK2同时具有ROC和MAPKKK两个激酶结构域，且两个结构域间存在调节作用;其中ROC结构域具有GTPase激酶活性，属于开关蛋白，通过与GTP结合活化、水解失活间的转化来调节LRRK2的激酶活性;提示ROC结构域是LRRK2发挥功能的调节中心，是潜在的药物调节靶点，与临床治疗密切相关[7]。MAPKKK是信号转导过程中的关键因子，属于较大的酪氨酸激酶类蛋白亚族(MLKs)[8]。GTP酶和MAPKKK参与多条信号传导通路的上游调节，主要与一些蛋白质分子的磷酸化与去磷酸化相关，位于神经信号传导级联的上游，表明LRRK2在多种神经细胞信号传导过程中起到重要的整合作用，而LRRK2基因该结构域的相关突变很可能会干扰这些信号的正确传导，导致PD及其他神经退行性疾病的发生。

　　3 LRRK2 的常见突变及相关蛋白

　　3.1 LRRK2常见突变

　　到目前为止，已证实约有20多个与PD发病相关的LRRK2突变位点，不同的突变位点位于LRRK2的不同结构域, 并具有明显的区域和种族差异性。 经鉴定与PD相关的常染色体显性遗传突变点位于LRRK2的LRR、ROC、COR和MAPKKK结构域;常见的氨基酸置换突变位于ARM重复序列和锚蛋白重复序列以及WD40结构域[9]。近年来，研究较为广泛的突变位点有9个，分别是位于ROC结构域的R1441C，R1441G，R1441H，R1514Q突变;位于COR区域的Y1699C突变;位于激酶结构域的G2019S，I2020T，I2012T突变以及位于WD40区域的G2385R突变。这些位点突变是如何导致PD发病的机制目前还没有明确的结论。

　　G2019S是最常见的突变位点，位于LRRK2的41号外显子上，是LRRK2激酶结构域中保守的镁离子结合区域[10]。该突变位点在家族性PD患者中的突变率约为2%～6%，在散发性PD患者中的突变率仅为1%～2%。G2019S突变在北欧犹太人群和北非人群中比较常见，突变率高达20%～40%，但在亚洲人群中比较罕见[11]。先前的研究发现，G2019S突变能够增加LRRK2蛋白激酶活性，加速ERM(ezrin/radixin/moesin)蛋白磷酸化，从而抑制神经轴突的生长，导致相关的多巴胺神经元出现生长缺陷[12]，这可能与其致病机制有关。G2385R突变常见于亚洲人种，在新加坡，中国大陆和中国台湾3个地区发现的G2385R突变与中国人的PD密切相关[11]。该位点突变与LRRK2的WD40功能域有关，其机制可能是诱导WD40功能域上的N末端豆蔻酰化从而促使神经毒性的产生，触发细胞凋亡;同时，G2385R突变使该结构域的正电荷大量增加，进而影响细胞的物质运输和信号传导，加速了LRRK2蛋白自身的聚集，促使各种神经纤维聚集体和包涵体的产生，从而干扰LRRK2与其他蛋白质间的相互作用[13-14]。也有学者认为该位点突变会导致线粒体功能紊乱从而导致PD发病。

　　3.2 LRRK2突变相关蛋白

　　目前，国内外关于LRRK2致病机制的研究主要集中在氧化应激，线粒体损伤机制和神经毒性机制等方面，这与LRRK2所编码的功能性蛋白密切相关。LRRK2基因突变极可能导致它所编码的LRRK2蛋白的功能改变，进而触发一系列通路障碍。先前的一系列报道表明与PD 相关的LRRK2 突变可同时影响其所具有的GTP 酶及蛋白激酶的活性。目前流行的一种假说认为这些突变直接或间接地提高了LRRK2激酶的活性，并且该激酶活性的增强与一些具有神经毒性的包涵体生成有关。研究发现，在ROC 结构域附近的R1441C/G、R1541Q及COR结构域中的Y1699C的突变能同时提高GTP 酶与其GTP底物的结合能力及蛋白激酶活性, I1371V 则仅能提高GTP 酶与其GTP底物的结合力;而能显著影响蛋白激酶活性的突变如激酶结构域附近G2019S、I2012T、I2020T和LRR功能域中的I1122V 均不会明显改变GTP酶与其底物GTP的结合力;而WD40功能域附近的G2385R对GTP 结合力及蛋白激酶活性没有显著影响，说明大部分与PD相关的突变能通过影响GTP酶活性来调节蛋白激酶活性[4]。在与PD有关的几种LRRK2突变中，G2019S，R1441G，I2020T能够显著提高激酶活性，其中以G2019S作用最为明显;R1441H、I2012T和G2385R突变对LRRK2激酶活性具有抑制作用，而R1441C、Y1699C和T2356I对其活性的改变没有影响[15-16]。

　　Zimprich等[17]在对大量神经退行性疾病患者的研究中发现，LRRK2与α突触角蛋白和tau蛋白的磷酸化有关，LRRK2的蛋白激酶活性影响这些蛋白在退化神经元中的聚集和降解过程。然而，LRRK2基因突变以何种方式引起PD，远比我们想象的要复杂得多。LRRK2激酶活性的改变也仅仅是其中的一种方式，但多数学者认为，影响LRRK2 的激酶活性可能是各个突变发挥神经毒性的共同通路。有报道指出，在LRRK2参与的真核细胞翻译启始因子4E(EIF4E)与翻译的负调控因子(4EBP)即EIF4E/4EBP调节通路中，LRRK2突变不但影响EIF4E介导的蛋白质翻译过程，而且能够削弱机体对氧化应激反应的耐受性，并显著降低大脑中多巴胺神经元的存活率[18]。研究表明LRRK2能与蛋白质翻译过程中的调控元件相互作用，从而影响蛋白质的翻译过程，这可能是LRRK2突变致病的另一途径。随着分子生物学和生物信息学的快速发展，对LRRK2基因表达量的数量性状基因座(QTL)分析结果发现，LRRK2基因在Chr4和Chr15 处存在连锁群体显著性水平阈值(LRS)≥20 的峰值，在Chr8，13和18处也有LRS为10的峰值，说明LRRK2的表达调控既有cis又有tran调节，对LRRK2表达调控的研究无疑将会给其发病机制的探索带来新的曙光。

　　还有学者认为LRRK2突变不仅仅与神经退行性有关，可能也参与其他疾病的发病过程。新的研究发现LRRK2基因在脾脏中的表达量具有明显的年龄依赖性，尤其是在B淋巴细胞中，提示LRRK2可能与人体的免疫系统功能相关，而LRRK2突变是否会导致免疫系统病变目前仍在探索中。

　　4 结 语

　　从帕金森病的发现到现在已经有近两百年的研究历史，由于引起帕金森病发病的因素多而且影响因素复杂，虽然对已发现的多种相关基因进行了大量研究，但是均未能够完全解释帕金森病的临床和病理学特点及机制。随着LRRK2基因的发现以及对可能导致帕金森病发病机制的深入研究，人们对帕金森病有了更深层次的认识，同时，也为更加深入和广泛地研究帕金森病发病机制提供了新的方向。尤其是LRRK2 蛋白及其突变蛋白的生理病理功能的确定，将为帕金森病的诊断和治疗提供新的靶点。LRRK2突变导致蛋白质相互作用的改变很可能是LRRK2突变体导致帕金森病发生的分子机制，因此，确定与LRRK2 相互作用的蛋白对于研究LRRK2的正常功能和探索LRRK2的致病机制有极其重要的意义。

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