2019, Vol. 46扩展功能
文章信息
- 文冬妮, 叶钦勇
- CHCHD2与神经系统疾病的研究进展
- 国际神经病学神经外科学杂志, 2019, 46(5): 585-589
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文章历史
收稿日期: 2019-01-16
修回日期: 2019-09-09
2. 福建医科大学附属协和医院神经内科/福建省分子神经病学重点实验室/福建医科大学脑血管病研究室, 福建省福州市 350001
CHCHD2属于CHCHD蛋白家族，到目前为止，该家族已经鉴定出了9个成员：CHCHD1、CHCHD2、CHCHD3、CHCHD4、CHCHD5、CHCHD6、CHCHD7、CHCHD8和CHCHD10[1]。该家族与线粒体结构关系密切，CHCHD1是线粒体核糖体的重要组成部分，CHCHD3、CHCHD6和CHCHD10参与维持线粒体嵴结构的完整性[1, 2]，CHCHD4可以影响线粒体呼吸链复合物亚基的表达[3]；还有一些与神经系统疾病相关，其中CHCHD2是帕金森病(PD)的致病基因[4]，CHCHD10与肌萎缩侧索硬化(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)有关[5]。下面我们总结了一些CHCHD2蛋白的功能及作用机制及其与人类神经系统疾病的联系。
1 CHHCD2结构和定位所有CHCHD蛋白家族成员都至少具有一个CHCH结构域，通常每个CHCH结构域呈现螺旋-转角-螺旋折叠状，并通过两个二硫键稳定，在每个螺旋中，两个半胱氨酸残基被九个氨基酸分开，形成一对CX9C序列[1]。在人类中，大多数含有两个CX9C序列的蛋白质都参与细胞色素C氧化酶的组装并维持线粒体的结构和功能[6]。CHCHD蛋白还包含其他功能域，如线粒体靶向序列(mitochondrial targeting sequence, MTS)、DUF73结构域、跨膜结构域和α-螺旋片段[1]。使用MTS检测软件分析CHCHD蛋白家族中含有MTS的成员，结果显示CHCHD2具有MTS结构。目前的数据表明，CHCHD2基因跨越4921个碱基对，含有4个外显子，位于染色体7p11.2上[7]。Aras等[8]研究发现，CHCHD2是一种双细胞器定位的蛋白质，即在正常生长的细胞中大多数CHCHD2位于线粒体，并通过Mia40/Erv1二硫化物中继系统介导进入线粒体膜间隙，而在各中缺氧、毒性等压力应激期间，大多数CHCHD2转移至细胞核中。
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| 注：引自Zhou ZD, Saw WT, Tan EK. Erratum to: Mitochondrial CHCHD-Containing Proteins: Physiologic Functions and Link with Neurodegenerative Diseases[J]. Molecular Neurobiology, 2016, 54(7): 1-3. 图 1 CHHCD2的结构示意图 |
细胞色素C氧化酶(cytochromr C oxidase, COX)，即复合物IV，是电子传递链的末端酶，它将电子从细胞色素C转移到氧分子，并在氧化磷酸化过程中通过其内部线粒体膜产生质子梯度，建立跨膜的电化学势[9]。Aras等[8]的研究发现在人胚胎肾上皮细胞(293细胞)线粒体中，CHCHD2结合并调节COX的活性，在过表达CHCHD2的细胞中，COX活性增高，在敲减CHCHD2的细胞中，COX活性降低，线粒体超氧化物岐化酶和谷胱甘肽过氧化物酶都减少，氧化磷酸化功能明显受到影响，从而降低细胞清除率进而导致活性氧水平增高。而Baughman等[10]也已证实CHCHD2基因对氧化磷酸化功能有至关重要的作用。
2.2 作为转录因子促进COX4I2基因的转录COX由13个亚基组成，其中3个最大的亚基由线粒体DNA编码，其余10个由细胞核内的基因组DNA编码，细胞色素C氧化酶亚基4(COX4)是COX的亚基之一，是一种关键的调节亚基，由细胞核内的基因组DNA编码；COX4有两种同工亚型COX4I1和COX4I2，COX4I1前体蛋白长度为169个氨基酸，其表达无处不在，COX4I2具有171个氨基酸，其表达具有组织特异性，在肺、气管和胎盘中高度表达，而在心脏和脑中表达水平较低[11]。CHCHD2作为转录因子调节核内COX4I2的表达，CHCHD2能够感知缺氧应激，并自动启动自身的正反馈环致转录物和蛋白质增加，是细胞耗氧量的直接调节因子[8]。Maik等[12]之前在COX4I2的近端启动子中发现了一个高度保守的13-bp序列，其作为氧反应元件起作用，在4%氧浓度(缺氧)下具有最大活性。当CHCHD2与COX4I2基因近端启动子中的氧反应元件结合后，COX4I2的转录被激活[13]。
2.3 与BCL-XL直接相互作用抑制细胞凋亡细胞凋亡是一种调节严格的程序性细胞死亡形式，对胚胎发育、组织稳态和免疫反应至关重要，细胞凋亡的异常调节可导致多种疾病，包括自身免疫性疾病、神经退行性疾病、癌症等。线粒体外膜透化是细胞凋亡过程中的关键控制点，其可致促细胞凋亡的线粒体内容物细胞色素C释放。线粒体外膜透化主要由Bcl-2家族蛋白中Bax控制，Bax主要受抗凋亡蛋白Bcl-xL的调节[14]，Bcl-xL也是Bcl-2家族的成员，可通过与Bax相互作用而抑制Bax活性并阻止Bax在线粒体中的积累[15]。Liu等[14]研究发现CHCHD2能增强U2OS和HeLa细胞的抗凋亡能力。CHCHD2能与Bcl-xL结合并抑制Bax在线粒体的积累和寡聚化，当CHCHD2不存在于线粒体中时，Bcl-xL抑制Bax活化和阻止细胞凋亡的能力减弱，这导致Bax寡聚化并加速线粒体外膜透化和细胞凋亡。
2.4 促进细胞迁移细胞迁移是一个进化保守的过程，在胚胎发育、伤口愈合、免疫反应、血管生成和癌症转移等过程中发挥着重要的作用[16]。Seo等[7]将CHCHD2鉴定为促进细胞迁移的基因，他们发现当CHCHD2过表达时能促进细胞迁移，当敲减CHCHD2时能减少细胞迁移，且认为CHCHD2诱导的细胞迁移与肌动蛋白应力纤维和黏着斑的形成增强有关，CHCHD2蛋白直接与具有抑制迁移活性的透明质酸结合蛋白1相互调节以平衡细胞迁移。另外，Wei等[17]的研究表明，CHCHD2基因的拷贝数和蛋白水平与非小细胞肺癌中的表皮生长因子受体相关，且呈共同扩增正相关状态，CHCHD2还被认为是细胞增殖、迁移和呼吸的效应物，参与非小细胞肺癌细胞系的线粒体蛋白和线粒体外蛋白的相互作用。
3 CHCHD2在神经退行性疾病中的表达与作用 3.1 CHCHD2与帕金森病帕金森病(Parkinson's disease, PD)主要改变为黑质纹状体致密部多巴胺能神经元退行性变及路易小体的形成，临床常表现为静止性震颤、肌强直、运动迟缓等症状[18]。CHCHD2突变与晚发性常染色体显性遗传性PD和散发性PD都有关[4]。到目前为止，在常染色体显性遗传的PD患者中鉴定出了3种CHCHD2遗传突变体：c.182C>T(p.Thr61Ile)、c.434G>A(p.Arg145Gln)和c.300+5G>A。Funayama等[4]通过二代测序的方法在一个日本PD家系中发现了CHCHD2基因的c.182C>T(p.Thr61Ile)杂合突变，并且通过一代测序在该家系两代8例PD患者基因中找到了该突变。接着，Funayama等[4]扩大样本，在日本的340例家族性PD的患者中发现了CHCHD2其它的2个可能与PD相关的突变：c.434G>A(p.Arg145Gln)和c.300+5G>A；且在517例散发性PD患者中发现CHCHD2基因的单核苷酸多态性c.-9T>G(rs10043)和Pro2Leu(c.5C>T; rs142444896)，其分别增加了日本人群散发性PD的发病风险2.51倍和4.96倍。最近的一项研究，来自西欧的4个家族性PD患者，发现CHCHD2基因的p.Ala32Thr、p.Pro34Leu和p.Ile80Val突变也可能和家族性的PD相关[19]。另外，Meng等[20]的研究也发现，在果蝇身上CHCHD2的缺失会导致其基因结构异常和线粒体氧呼吸受损，导致氧化应激、多巴胺能神经元丢失和运动功能障碍等PD表现。以上这些发现支持CHCHD2的突变可能致线粒体功能障碍并参与PD的病理过程。
3.2 CHCHD2与路易体痴呆路易体痴呆(DLB)是临床上仅次于阿尔茨海默病(AD)的第二常见神经退行性痴呆疾病，临床主要表现为波动性认知障碍、帕金森综合征和以视幻觉为突出表现的精神症状[21]。Kotaro等[22]收集了1627名临床PD患者和610名经病理证实的DLB患者，PD和DLB组之间没有重叠情况，对这些病人CHCHD2基因的所有外显子进行测序，共鉴定出了9种罕见但没有临床意义的的外显子突变：p.P2L、p.G4R、p.P14S、p.A16A、p.V31V、p.P34L、p.A37V、p.A49V和p.A93V，其中8种位于CHCHD2基因的线粒体靶向序列(MTS)内，尽管CHCHD2基因突变在DLB中的作用仍有待进一步阐明，但不排除线粒体靶向序列中的罕见变异就是路易体病危险因素的可能。
3.3 CHCHD2与亨廷顿病亨廷顿病(Huntington's disease, HD)是一种单基因神经退行性疾病，临床上以缓慢进展的舞蹈症、精神异常和痴呆为特征[23]。在细胞核内由亨廷顿蛋白(HTT)突变而聚集形成的包涵体被认为是亨廷顿病的特征性病理变化[24]。突变HTT可直接影响线粒体轴突的运输功能，也可以间接通过影响线粒体钙处理系统使负责细胞器正常运作的核基因转录受到影响，从而导致线粒体呼吸功能受损[25]。另外，突变HTT还可以通过抑制PGC-1a的表达致线粒体功能破坏[26]。Feyeux等[27]用突变HTT蛋白基因构建人多能干细胞(hPSC)，利用差异转录组学结合功能检测早期基因表达变化，与对照组相比，发现在人胚胎干细胞(hESC)和分化的神经干细胞(NSCs)中CHCHD2基因表达有显著上升。早先，Boroveck等[28]也在HD患者的血细胞中观察到了CHCHD2基因有所上升。因此，推测CHCHD2可能是亨廷顿病的危险基因。
3.4 CHCHD2与无脑回畸形无脑回畸形又名平滑脑(lissencephaly)，是一种先天性脑部缺陷病。在正常人的大脑中，皮质会有脑回，其为膨隆而弯曲的折叠面，而平滑脑患者因大脑皮质表面神经元移行障碍，使神经元在白质中异常聚集，致脑部不会出现脑回或出现少量的脑回，患者一般表现出严重的神经元损伤，表现为智力障碍、运动障碍和癫痫，绝大部分在2岁以前夭折[29]。对2名平滑脑患者进行染色体微阵列测序，分别发现了LIS1基因缺失[30]和TUBA1A基因错义突变[31]，针对以上两种基因，Keiko等[32]用慢病毒转录方法做出了特异性诱导性多能干细胞(iPS)，并在两者分化的神经元细胞中鉴定出CHCHD2基因表达与对照组相比有所降低。此外，Zhu等[33]认为CHCHD2的表达似乎与多能干细胞的神经外胚层分化潜能相关，且CHCHD2也被证实有促细胞迁移作用[7]，所以我们有理由相信CHCHD2与皮质发育有一定的联系，但具体机制也需要进一步的研究证明。
4 结语CHCHD2对线粒体稳态起着重要作用，更是一种重要的线粒体调节因子；CHCHD2突变可影响线粒体呼吸链中复合物的表达, 导致线粒体呼吸和能量产生受损，这与一系列神经系统疾病相关联；了解CHCHD2与这些神经系统疾病的病理生理基础，为探索神经退行性疾病的治疗提供新的靶点。
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