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蛋白激酶5与微管相关蛋白tau磷酸化的关系

       作者：胡慧, 王平, 孔明望, 丁凤敏

【Summary】  阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是一种以进行性痴呆为特征的神经退行性疾病，以严重的记忆减退和认知障碍为主要临床表现。目前有关AD的发病机制尚不甚明了。过度磷酸化的tau蛋白组成的神经原纤维缠结(NFT) 是AD的主要神经病理学特征之一。细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶5 ( cyclindependent kinase 5，cdk5) 主要在神经系统中激活，是脑发育、神经定位、突触发生与传递的重要调节因子，参与了AD病人脑内tau蛋白的异常磷酸化，在AD的发病过程中可能发挥重要作用。本文简要介绍cdk5的结构及其分布部位，tau蛋白的结构与功能，对cdk5对微管相关蛋白tau磷酸化的关系进行了初步的探讨，为临床防治AD提供一些新的思路。

【Keys】  cdk5； tau蛋白； 阿尔茨海默病

    【Abstract】  Alzheimer's disease is a progressive disease characterized by neurodegenerative disease，with severe memory impairment and cognitive impairment as the main clinical manifestations.  At present, about the pathogenesis of AD is not very clear.  Hyperphosphorylation of tau protein composition of the original nerve fibers tangle（NFT） AD is the main feature of neuropathology.  Cyclindependent protein kinase 5 (cyclindependent kinase 5, cdk5)was activated mainly in the nervous system. It is an important regalator for brain development, nerve location, and synaptic transmission.  cdk5 participated abnormal tau protein phosphorylation in AD patients brains， may play an important role in the disease. This paper introduces the structure of the cdk5 and its distribution site, tau protein structure and function，and studies on relationship between cdk5 microtubuleassociated protein tau phosphorylation was made for the prevention and treatment of clinical AD.

    【Key words】  cdk5;  tau protein;  Alzheimer′s disease

     阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种常见的老年性痴呆症，是一种以进行性痴呆为特征的神经退行性疾病。它以细胞外β淀粉样蛋白(βamyloid peptide，Aβpeptide)聚集形成的老年斑( senile plaque)和细胞内异常过度磷酸化的tau蛋白聚集形成的神经纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT)为主要病理特征。NFT以成对螺旋丝样结构(paired helical filament, PHF)存在，与临床痴呆症状呈正相关［1］ 。影响tau蛋白过度磷酸化的因素包括蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶系统。诸多研究表明，细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶5 ( cyclindependent kinase 5，cdk5)失调在参与神经退行性疾病发病过程中发挥着重要作用［2］。

    1  cdk5的结构特征及其分布部位

    Cdk5是细胞周期素依赖性蛋白激酶(CDK)家族一特殊成员，与cdk2相比较，氨基酸序列相似性可达70%，相同性高达60%，同时cdk5也包含了全部的保守的蛋白激酶区域，并在第Ⅲ区域中含有cdk家族成员共有的PSTAIRE结构域［3］。但它既非细胞周期素依赖，也不调节细胞周期。相反，它在有丝分裂后神经元复杂迁移过程中起关键作用。cdk5是SerThr蛋白激酶，可在KSPXK基序磷酸化tau蛋白［4］。cdk5复合物由催化亚单位cdk5和调节亚单位p35, p39或p25组成，且它的活性必须依赖于与激活剂(p35，是一种分子量为 35kD 的膜相关蛋白)或神经元cdk5激活剂异构体（p39）的相互作用。最近有报道指出，cdk5的Ser159位点被酪蛋白激酶I(CKI)磷酸化后，激酶活性可明显增强，提示cdk5的完全激活，除需与p35结合外，可能还需要激酶的作用［3］。

    cdk5是脑发育、神经定位、突触发生与传递的重要调节因子，在所有的组织均表达,但p35或p39仅在脑中表达,所以cdk5是主要在(或仅在)神经系统起作用的蛋白激酶。一系列有关cdk5在大鼠中枢神经系统(central never system，CNS)中表达的实验证实:cdk5在哺乳动物组织中广泛表达，但以在脑中表达程度最高。胚胎期早期，几乎检测不到cdk5的存在，胚胎期后期，cdk5的表达开始增强，成熟脑内cdk5 mRNA的表达在海马及其相关结构中最高［3］。

    2  tau蛋白的结构特征与功能

    tau蛋白是存在于神经元中主要的微管相关蛋白。正常tau蛋白约每分子含两个磷酸分子，这些磷酸可分布于tau蛋白的不同位点。在成人脑中，tau蛋白共有6种异构体，其氨基酸数目从352至441个不等，分子量在55～65kD.tau蛋白一级结构最突出的特点是在蛋白质羧基端这一半具有3～4个含31或32个氨基酸残基的重复区，这些重复区参与构成tau蛋白的微管结合区，通过质量光谱测定法等方法，tau蛋白不具备任何有规则的二级结构(如α螺旋或β片层结构)［5］。tau蛋白的这种结构特征对于解释tau蛋白病理性聚集具有重要意义。目前已被鉴定的tau蛋白磷酸化位点已有20多个。所有被磷酸化的位点都是丝氨酸残基(ser)和苏氨酸残基(Thr)，约有一半是以Ser或Thr后续脯氨酸（Pro）的连接形式存在，这些磷酸化位点主要分布于tau蛋白重复区附近的两个侧区内，而在重复区内的磷酸化位点只有Ser 262和Ser 356［6］。

    tau蛋白生物学功能是诱导与促进微管蛋白聚合成微管。与新聚合的微管束缚在一起，防止解聚，维持其结构的稳定性，并通过与多种蛋白相互作用来行使其各种功能。tau蛋白的mRNA富含于少突胶质细胞突起的转折点、分支点和生长尖端；其参与激活膜上的fyn是少突胶质细胞髓鞘形成中重要的一步。这些结果说明了tau在促进少突胶质细胞成熟中的作用。tau蛋白通过结合到1433蛋白上，间接调节细胞内多种蛋白的分布和功能［7］。tau蛋白与各种磷酸酶和激酶的结合不仅可以调节自身磷酸化，也可以使这些磷酸转移酶定位到细胞内对应底物，调节其他蛋白的磷酸化状态。在体外培养细胞系中，tau蛋白还可提高神经突触的生长速率和范围。

    3  cdk5对微管相关蛋白tau磷酸化的关系

    在AD，神经原纤维缠结( NFTs)和老年斑(SPs)形成是其最明显特征, SPs主要由Aβ构成，NFTs包含双股螺旋纤维(PHF)和直丝( SF)。PHF是NFTs的主要组成纤维，由两股亚单位以螺旋方式相互盘曲而成。tau蛋白是一种神经系统特异性蛋白质，是构成PHF唯一必须的成分，异常磷酸化的tau蛋白堆积是NFTs构成过程中最早期细胞骨架改变之一(Schweers. 1995)。在正常人脑中，每分子tau蛋白修饰有2～3分子的磷酸基团，Tau蛋白磷酸化和去磷酸化之间的平衡调节着细胞骨架稳定性，影响轴突形态，但在病理情况下如神经退行性变时，每分子tau蛋白连接有9～10个磷酸基团［8］。这种过度的磷酸化使得tau蛋白失去了其生物学功能，易于聚集成双螺旋丝(paired helical filament  PHF)结构，并变成毒性分子，可猎获神经元中正常的微管相关蛋白，使微管结构崩解，神经元退变。在AD病人脑中发现最早改变的是tau蛋白磷酸化。在AD等神经退行性“tau疾病”中，神经细胞的退行性变性可能是一种新的细胞死亡形式，即神经退行性变性死亡（neurodegenrasis）。这种细胞慢性死亡很可能与细胞凋亡一样，是在某些分子有序调控下进行的；而tau蛋白过度磷酸化聚积可能是在细胞受到某些不良刺激后不同时段使神经细胞逃逸凋亡和进入退行性变性的共同机制［7］。2001年，Kerokoski等［9］ 报道神经细胞凋亡过程中tau蛋白磷酸化水平降低；最近，Amadoro等［10］报道过度表达全长tau蛋白的小脑颗粒细胞可对抗凋亡。因此，tau蛋白的异常过度磷酸化被广泛认为是AD等神经退行性疾病致病过程中的关键事件。不同蛋白激酶和磷酸化酶系统对tau蛋白的超磷酸化作用能引发tau蛋白的结构和构型改变，进而影响它与微管蛋白结合和微管聚集能力。近来众多研究发现，有多种蛋白激酶可以在AD相关位点磷酸化tau，在这些激酶中，cdk5对tau的磷酸化起着非常重要的作用［7］。丁绍红等［8］所做的实验证明，在体外tau蛋白在这些位点上能或多或少地被GSK 3β和cdk5磷酸化。比较GSK 3β和cdk5对tau的位点特异性磷酸化可以发现，cdk5对tau蛋白微管结合域N端位点的磷酸化能力较GSK 3β强。cdk5相关的蛋白激酶活性主要在脑内。cdk5具有十分广泛的生理作用，可通过对tau蛋白磷酸化的调控来限定神经元的极性，参与神经元的迁移过程，在神经系统发育和再生中起作用，还能磷酸化NFM，NFH的KSPXK序列及tau蛋白，利于细胞骨架的形成［3］。cdk5是脯氨酸指导的蛋白激酶，它只催化在C端连有脯氨酸的丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化，在tau蛋白分子中，许多位点是脯氨酸指导的位点，因此能被cdk5有效的磷酸化，这些位点主要有Ser199 、Ser202 、Thr205、Ser235和Ser404(Busciglio.1995)。另外还有研究结果提示［11］，cdk5基因在大鼠脑组织中的过量表达会导致动物出现AD样tau过度磷酸化和空间记忆障碍。这提示CDK5和tau蛋白异常磷酸化之间存在密切联系，CDK5引发了AD大脑tau蛋白异常磷酸化。