GADD34在神经退行性疾病中的作用.pdf

第 47 卷第 2 期浙江师范大学学报(自然科学版)Vol.47,No.22024 年 5 月 Journal of Zhejiang Normal University(Nat.Sci.)May 2024 DOI:10.16218/j.issn.1001-5051.2024.023GADD34 在神经退行性疾病中的作用金志刚,管观文,顾锦瑄,陈俊熠(浙江师范大学 生命科学学院,浙江 金华 321004)摘 要:随着我国人口老龄化不断加剧,神经退行性疾病的发病率呈明显上升趋势.神经退行性疾病的主要特征为大脑和脊髓特定神经元的进行性丢失,并伴随认知和运动障碍等神经功能障碍.常见的神经退行性疾病包括阿尔茨海默病(Alzheimers disease,AD)、亨廷顿病(Huntingtons disease,HD)、帕金森病(Parkinsons dis-ease,PD)和肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)等.近年来的研究表明,生长停滞和 DNA 损伤诱导蛋白 34(growth arrest and DNA damage-inducible protein 34,GADD34)与神经退行性疾病密切相关.GADD34 是蛋白磷酸酶 1(protein phosphatase 1,PP1)的调节亚基,当细胞受到氧化应激、内质网应激和病毒感染等压力时被诱导表达,从而促进细胞的压力适应以及稳态恢复.然而,GADD34 在神经退行性疾病患者及小鼠模型中表达异常,并在其病理发生过程中发挥重要作用.因此,GADD34 将有望成为治疗神经退行性疾病的潜在新靶点.关键词:GADD34;神经退行性疾病;阿尔茨海默病;亨廷顿病;帕金森病;肌萎缩侧索硬化症中图分类号:Q256 文献标识码:A 文章编号:1001-5051(2024)02-0121-12The role of GADD34 in neurodegenerative diseasesJIN Zhigang,GUAN Guanwen,GU Jinxuan,CHEN Junyi(College of Life Sciences,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China)Abstract:With the aging of Chinas population,the incidence of neurodegenerative diseases has been in-creasing significantly.Neurodegenerative diseases were characterized by the gradual loss of specific neurons in cerebrum and spinal cord,concomitantly with neurological dysfunction,such as cognitive impairment and movement disorder.Common neurodegenerative diseases included Alzheimers disease(AD),Huntingtons disease(HD),Parkinsons disease(PD),and amyotrophic lateral sclerosis(ALS).Recent studies showed that growth arrest and DNA damage-inducible protein 34(GADD34)was closely associated with neurodegen-erative diseases.As a regulatory subunit of protein phosphatase 1(PP1),GADD34 was induced when cells were exposed to oxidative stress,endoplasmic reticulum stress,viral infection and other stress.GADD34 played an important role in cellular adaptation to stress and homeostasis restoration.However,GADD34 was aberrantly expressed in patients and mouse models of neurodegenerative diseases,which was essential for the pathogenesis of neurodegenerative diseases.Consequently,GADD34 was expected to be a potential target for treatment of neurodegenerative diseases.The role of GADD34 in neurodegenerative diseases was also briefly 收文日期:2023-10-16;修订日期:2023-12-14基金项目:国家自然科学基金资助项目(31970755);浙江省自然科学基金资助项目(LY21C120001)作者简介:金志刚(1976),男,江苏苏州人,教授,博士.研究方向:细胞应激反应及其相关疾病.summarized and discussed.Key words:GADD34;neurodegenerative diseases;Alzheimers disease;Huntingtons disease;Parkinsons disease;amyotrophic lateral sclerosis 神经退行性疾病是中枢神经系统或周围神经系统神经元进行性丢失的神经系统疾病,严重影响患者生活质量1.随着年龄的增长,老年人患神经退行性疾病的风险越来越高.以最常见的神经退行性疾病阿尔茨海默病(Alzheimers disease,AD)为例,平均每 10 个 65 岁以上的老年人中,就有 1 个 AD 患者.然而,目前仍没有有效的治疗方法能够治疗神经退行性疾病,一旦发病,疾病进程就是不可逆的2.多项研究表明,GADD34 在多种神经退行性疾病中起调控作用,可能是治疗神经退行性疾病的潜在新靶点.1 细胞应激反应1.1 整合应激反应(ISR)整合 应 激 反 应(integrated stress response,ISR)是进化上保守的细胞内信号网络,受多种内在和外在因素激活.外在因素包括氨基酸饥饿、葡萄糖剥夺、病毒感染、缺氧、血红素缺乏、活性氧和DNA 损伤等3-5.细胞内应激如内质网应激,也可以激活 ISR3.为响应各种应激,细胞会激活一系列细胞信号传导,而这些细胞信号传导集中于真核翻译起始因子 2(eukaryotic translation initiation factor 2,eIF2)51 位丝氨酸的磷酸化6-8.共有 4 个eIF2 激酶负责 eIF2 的磷酸化,PERK(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase),PKR(protein kinase R),HRI(heme-regulated inhibitor)和 GCN2(general control non-derepressible-2),它们分别被内质网应激、病毒感染、氧化应激以及氨基酸饥饿所激活6-8(见图 1).磷酸化的 eIF2(P-eIF2)引起全局蛋白质合成减少,但选择性翻译特定的 mRNA,如转录激活因子 4(activating transcription factor 4,ATF4).ATF4 进一步上调CHOP 和 GADD34,促进细胞压力适应和存活.GADD34 与 PP1c 组成磷酸酶全酶负责 P-eIF2的去磷酸化,负反馈调控 ISR 并终止 ISR 信号.eIF2 的磷酸化和去磷酸化是细胞响应和适应压力的关键.ISR 的核心枢纽位于 eIF2-eIF2B图 1 GADD34 在 ISR 中的作用复合物中,该复合物控制 eIF2GTP蛋氨酸起始 tRNA 三元复合物(ternary complex,TC)的形成,这是启动新蛋白质合成的先决条件.当细胞受到内在或外在应激时,P-eIF2 通过非竞争性地阻断 eIF2B 抑制了功能性 TC 的组装9.而 TC 可用性的降低导致了蛋白质合成的重编程:随着 TC翻译起始的速率受限,全局蛋白质合成减少,并触发特定 mRNA 的翻译,如 ATF4,以帮助细胞适应压力和存活9.ATF4 mRNA 在其 5-非翻译区(5-untranslated regions,5UTR)中含有上游开放阅读框(upstream open reading frames,uORF),阻止其典型 AUG 的起始10-12.ISR 诱导的 TC 减少使得部分核糖体在 ATF4 的典型 AUG 处启动.一旦被激活,ATF4 可以调节参与细胞存活(抗氧化反应、氨基酸生物合成和自噬)、衰老和凋亡的转录程序.ATF4 激活的最终结果取决于细胞类型、应激源的性质和应激持续时间13-16.如果不能恢复蛋白翻译稳态,ATF4 会通过调节凋亡程序来消除受损细胞3,9.eIF2 的去磷酸化是 ISR 信号终止以恢复蛋白质合成和正常细胞功能的核心17.它是由蛋白磷酸酶 1(protein phosphatase 1,PP1)全酶介导的,PP1 全酶含有 PP1 催化亚基(protein phospha-tase 1 catalytic subunit,PP1c)和 2 个调节亚基中的 1 个,即 GADD34 或 eIF2 磷酸化组成抑制因子(constitutive repressor of eIF2 phosphorylation,CReP).在非应激细胞中,CReP 与 PP1c 形成的221浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷PP1 全酶呈组成型表达,通过维持低水平的eIF2 磷酸化来维持翻译稳态18.而在 ISR 后期,ATF4 被 P-eIF2 所诱导,进而上调 GADD34,GADD34 与 PP1c 形成的 PP1 全酶呈应激诱导表达,通过蛋白磷酸酶活性高效催化 P-eIF2 去磷酸化19(见图 1).因此,GADD34 与 eIF2/P-eIF2 形成 1 个重要的负反馈回路,在细胞应激中促进了蛋白质合成的恢复以及细胞存活20-21.尽管多种应激对于 ISR 的激活聚集在对eIF2 的磷酸化上,但细胞最终的命运并不总是相同的.ISR 激活的作用取决于应激的性质、持续时间和严重程度,分子层面上则与 eIF2 的磷酸化调控、ATF4 和其他转录因子的表达调控有关22-23.现在普遍认为,短暂的 ISR 是 1 种适应性的、有利于细胞存活的反应,旨在应对应激压力以及恢复细胞内稳态,而长时的 ISR 被认为是 1 种激活细胞死亡诱导的信号24.值得注意的是,通过及时终止 ISR 信号,重新启动必需蛋白质的合成,在促进细胞长期存活方面也起着关键作用.这主要依赖于 ATF4 及其下游靶标 CHOP 诱导的磷酸酶调节亚基 GADD34 对 P-eIF2 的去磷酸化17,20-21,25.1.2 ISR 与神经退行性疾病神经退行性疾病的特征之一是错误折叠蛋白质的积累与聚集26-28.虽然有溶酶体途径、蛋白酶体和自噬等蛋白质降解系统可以去除错误折叠蛋白质,但是由于转录和翻译过程中的错误、基因突变、有毒化合物和细胞应激,错误折叠蛋白质的积累仍然可能发生29.ISR 主要是促进细胞生存、恢复细胞稳态的程序,但在严重的压力下,ISR的持续激活或过度激活会驱动细胞死亡.在多种神经退行性疾病(包括 AD,PD,HD 和 ALS)患者和动物模型的大脑中检测到 PKR,PERK,GCN2和 eIF2 的磷酸化,证明了神经退行性疾病中ISR 的持续激活30-35.最近的遗传学和药理学研究表明,调节 ISR可以逆转认知功能障碍以及由蛋白质稳态缺陷引起的表现为长期记忆障碍的神经退行性变.通过抑制上游 ISR 传感器激酶 PKR,或使用 ISR 抑制剂 ISRIB,可逆转唐氏综合征小鼠模型中的异常翻译程序、突触可塑性和长期记忆缺陷36.唐氏综合征是人类智力残疾最常见的遗传因素,同时也是 AD 的高发病因素,大多数唐氏综合征患者在 45 岁时发展为 AD 患者36-37.在 AD 小鼠模型中,PERK 的遗传抑制可防止神经退行性变38.在早发性 PD 果蝇模型中,通过药物抑制 PERK具有神经保护作用39.而在 ALS 小鼠模型中,通过 ATF4 或 GADD34 的基因缺失,或使用 PP1 抑制剂 salubrinal、GADD34 抑制剂胍那苄或 sephin1治疗,抑制 ISR 的特定分支,可以改善突变型超氧化物歧化酶 1(mutant superoxide dismutase type 1,mtSOD1)ALS 动物模型的疾病进程40-44.因此,调节 ISR 是一种逆转认知功能障碍、治疗神经退行性疾病的潜在途径36.2 GADD342.1 GADD34 的蛋白质结构及生理功能人类 GADD34 蛋白由 PPP1R15A 基因编码.GADD34 蛋白的 N 端含有内质网靶向序列,负责GADD34 蛋白质合成后的蛋白分选与内质网定位.在蛋白质中间区域,含有 4 个富含脯氨酸(P)、谷氨酸(E)、丝氨酸(S)和苏氨酸(T)的PEST 重复序列(PEST1-4),负责招募 eIF2,其中PEST1-3 对于 eIF2 的招募至关重要.同时,C 端的 KVRF 基序是结合 PP1c 所必需的(见图 2).基础条件下,GADD34 mRNA 翻译主要受 uORF2调控,导致 GADD34 蛋白翻译抑制;应激条件下,GADD34 mRNA 翻 译 主 要 受 ORF 调 控,促 进GADD34 蛋白翻译.应激条件导致细胞内 P-eIF2和 GADD34 的表达上调,GADD34 通过 KVRF 基序和 PEST 重复序列分别招募 PP1c 和 P-eIF2,与 PP1c 组装成 PP1 全酶对 P-eIF2 去磷酸化45.GADD34 是受细胞应激诱导表达的多功能蛋白质,在 ISR 过程中促进了蛋白质翻译和细胞稳态的恢复46-48.当 ISR 被激活时,eIF2 被磷酸化,大部分蛋白质的翻译被抑制,同时选择性地促进特定基因的翻译,从而促进蛋白质正确折叠或降解错误折叠的蛋白质49.P-eIF2 导致 ATF4上调,从而促进参与伴侣功能和蛋白质降解的基因的转录,ATF4 进而上调 GADD34 和 CHOP.如果细胞中错误折叠的蛋白质过多,ATF4-GADD34在应激时无法恢复细胞正常稳态,CHOP 会诱导细胞凋亡或自噬50.GADD34 作为一种磷酸酶调321 第 2 期 金志刚,等:GADD34 在神经退行性疾病中的作用图 2 GADD34 的翻译调控及其蛋白质结构图节亚基,可以使 P-eIF2 去磷酸化,使细胞恢复正常的蛋白质合成,阻止细胞走向凋亡或自噬的命运51.2.2 GADD34 的表达调控同 ATF4 一样,GADD34 mRNA 的5UTR 也存在 uORF,并且介导对 GADD34 翻译的调控.一般来说,uORF 作为扫描核糖体的屏障,调节了真正ORF 的翻译.在一定的细胞条件下,核糖体可以绕过 uORF 并在真正 ORF 处重新启动翻译52.研究得较为清楚的翻译再启动机制是控制 ATF4,ATF5 和酵母 GCN4 翻译的机制.该机制的核心是上游 uORF 的翻译刺激下游 AUG 的翻译或重新启动,而下游 uORF 的翻译导致翻译终止和核糖体解离53-54.GADD34 是 转 录 因 子 ATF4 的 直 接 靶 基因55.在应激条件下,GADD34 基因的转录被ATF4 激活,从而提供了有待翻译的大量 GADD34 mRNA 17.人 GADD34 5UTR 包含 2 个不重叠的uORF(uORF1 和 uORF2),在基础和应激条件下,二者均发挥了重要的翻译调控作用52.研究表明,GADD34 通过不同于 ATF4 的机制来调控蛋白翻译.在基础条件下,uORF1 起始的翻译较差,核糖体主要利用 uORF2 来翻译.然而,核糖体在uORF2 启动翻译后,无法在下游 ORF 重启翻译,导致 GADD34 蛋白翻译被抑制.而在应激条件下,受 TC 限制,在 uORF2 的翻译重启变慢,使得GADD34 蛋白翻译起始于 ORF52(见图 2).GADD34 的严谨调控保证了 GADD34 的正常生理功能.GADD34 在应激条件下的诱导表达通过帮助细胞恢复蛋白质翻译和适应压力,发挥细胞保护作用.基础条件下 GADD34 的表达抑制同样具有重要意义.基础条件下 GADD34 的诱导表达,如低剂量药物刺激或错误折叠蛋白质积累,使细胞在应对压力时无法有效磷酸化 eIF2 并激活ISR,从而发挥细胞毒性作用56,这提示 GADD34可能在神经退行性疾病中发挥了不同作用.3 GADD34 与 AD3.1 AD 及其发病机制AD 是最常见的神经退行性疾病,主要症状为记忆和认知障碍57-58.但由于其病因和发病机制不清楚,目前尚无有效的治疗方法59.虽然绝大多数 AD 是散发性的,但淀粉样蛋白前体(amy-loid precursor protein,APP)、早老素 1(presenilin 1,PS1)和早老素 2(presenilin 2,PS2)这 3 个基因的突变会导致罕见的家族性 AD(familial Alzheimers disease,fAD).fAD 症状比散发性 AD(sporadic Alzheimers disease,sAD)更早出现,通常为 30 50 岁60.目前认为约 70%的 AD 风险可归因于遗传因素.“典型的”AD 可能是由遗传和环境因素之间复杂的相互作用共同驱动的61.AD 的主要病理特征是淀粉样斑块和神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFTs)62.淀粉样蛋白(amyloid-,A)沉积导致的小胶质细胞激活被认为在 AD 发病机制中起关键作用63.淀粉样斑块在细胞外积聚,主要由异常折叠的 A40和A42组成,它们是 APP 代谢的 2 种副产物.NFTs主要由成对的螺旋细丝组成,由过度磷酸化的 tau蛋白组成64.淀粉样蛋白假说是 AD 发病机制的主流理论,该理论认为,大脑中 分泌酶和 分421浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷泌酶对 APP 的相继切割产生病理形式 A 的积累是主要的病理过程,并且该过程是由 A 产生和清除之间的不平衡所造成的65.遗传学研究表明,所有的 fAD 突变都参与 A 的产生或加工,并导致毒性形式 A 的相对过量产生66.虽然致密核斑块内的纤维状 A 最初被认为对 AD 的发展至关重要,但现在认为可溶性 A 低聚物可能是最致病的形式.从 AD 患者大脑中纯化的 A 低聚物会导致突触功能障碍、损伤树突棘并导致神经元死亡67-68.3.2 GADD34 在 AD 中的作用GADD34 与 AD 关联的重要证据是 GADD34在 AD 患者大脑神经元和少突胶质细胞中表达增加.与对照小鼠相比,GADD34 在 APP 转基因小鼠和 AD 转基因 J20 小鼠大脑中的表达也显著升高69-70.这提示 GADD34 可作为 AD 的生物标志物,并且 GADD34 可能在 AD 中发挥重要作用,多项研究也证明了此猜测.多项研究表明,GADD34 可能通过恢复蛋白质翻译在 AD 病理过程中发挥了神经保护作用.在 APP23 AD 模 型 小 鼠 的 海 马 体 中 注 射GADD34.5(截短的 GADD34,包含 GADD34 的功能区),促进 GADD34 的功能获得,虽然没有改善小鼠对新物体的识别,但改善了新物体定位能力.在条件性恐惧实验中,将 GADD34.5 注射到杏仁核中能够维持小鼠的情境恐惧记忆.这些结果表明,GADD34 通过抑制 eIF2 磷酸化有效改善了AD 模型小鼠的空间认知记忆和情境恐惧条件反射71.槲皮素(quercetin)是 1 种多酚,可通过诱导 AD 模型小鼠大脑中的 GADD34,抑制 eIF2 的磷酸化和 ATF4,抑制 PS1 表达和 A 产生,改善小鼠记忆55,72(见图 3).以上研究表明,上调GADD34 能够显著改善 AD 模型小鼠的认知和记忆能力.图 3 GADD34 在神经退行性疾病中的作用4 GADD34 与 HD4.1 HD 及其发病机制HD 是一种常染色体显性的神经退行性疾病,具有独特的症状,包括舞蹈病、肌张力障碍、协调失调、认知能力下降和行为困难.亨廷顿蛋白(Huntingtin protein,HTT)是 HD 的突变蛋白,它是由扩增的 CAG 三联重复序列导致 N 端的聚521 第 2 期 金志刚,等:GADD34 在神经退行性疾病中的作用谷氨酰胺链产生的.HD 的确切病理机制尚不清楚,但利用该疾病转基因动物模型的研究正积极揭示其病理发生机制,并提出潜在治疗方案73.突变的 HTT(mutant HTT,mtHTT)通过多种机制导致神经元功能障碍和神经元死亡,包括形成异常聚集体及其对细胞蛋白质稳态、轴突运输、转录、翻译、线粒体和突触功能的干扰74-75.4.2 GADD34 在 HD 中的作用mTOR 信号通路的结节性硬化症蛋白复合物(tuberous sclerosis complex,TSC)是受 GADD34 去磷酸化调控的另一底物.在小鼠和果蝇 HD 模型中显示,雷帕霉素对哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路的阻断可诱导自噬并降低 mtHTT 毒性76-77.mTOR 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,在控制细胞生长、增殖和存活中起重要作用78.mTOR 受由 TSC1 和TSC2 蛋白组成的 TSC 复合物调控79.上游激酶对 TSC2 的磷酸化抑制了该复合物的活性80,而各种磷酸酶对 TSC2 的去磷酸化抑制了 mTOR 并激活了自噬.GADD34 与 TSC 复合物相互作用81,且过表达 GADD34 抑制了 TSC 复合物的磷酸化,从而增强细胞保护型自噬,并通过增强mtHTT 表达细胞的细胞活力,对神经元细胞具有保护功能82(见图 3).综上所述,GADD34 通过TSC/mTOR 通路对 HD 神经元细胞具有保护功能.使用 GADD34 诱导剂或激动剂可能会成为HD 治疗的一种新思路.5 GADD34 与 PD5.1 PD 及其发病机制PD 是一种进行性退行性疾病,伴有黑质致密部多巴胺能神经元的丧失以及神经元内存在胞质包涵体,即神经元中的路易小体83.PD 患者选择性神经元死亡的机制尚不完全清楚83-84.有证据表明,兴奋性毒性伴随能量代谢紊乱,线粒体复合体活性降低,以及泛素蛋白酶体系统(ubiquitin proteasome system,UPS)功能障碍可能是 PD 患 者 多 巴 胺 能 神 经 元 死 亡 的 重 要 原因83-84.PD 具有很强的遗传性,目前已确定的遗传位点已达 90 多个.此外,环境因素(如杀虫剂、水污染物或过量锰)和行为因素(如使用烟草、咖啡或头部创伤)已被发现在不同人群 PD 的发病机制中发挥作用85-86.parkin 蛋白质的功能下降或丧失是 PD 的潜在致病机制87.parkin 最初是在常染色体隐性遗传的早发型 PD 家族中发现的88,它是一种泛素E3 连接酶,含有 1 个氨基端泛素样结构域和 2 个RING 结构域,在 UPS 中 发 挥 蛋 白 质 降 解 功能89.parkin 蛋白质上与疾病相关的突变会导致蛋白质功能丧失90.虽然 parkin 突变相对不常见,但散发性 PD 中的 parkin 也会通过几种机制导致功能减弱或丧失,包括亚硝基化、氧化、磷酸化和聚集91.parkin 的表达可以恢复蛋白酶体的功能,促进细胞存活,而 parkin 的功能丧失会导致内质网应激,造成细胞内细胞毒性原纤维和蛋白质聚集物的积累89.此外,parkin 在多种神经元死亡模式中发挥保护作用.因此,上调 parkin水平将有利于神经元存活,并可作为 PD 的一种治疗策略92-94.5.2 GADD34 在 PD 中的作用研究发现,GADD34 在 PD 患者中表达上调95.转录因子 ATF4 是 parkin 的正调节因子.ATF4 在应对多种应激时上调,并可根据具体情况促进或减少神经元存活96-100.6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine,6-OHDA)和 1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium,MPP+)2 种毒素可诱导氧化应激并损伤线粒体呼吸和能量代谢,是 PD 相关神经变性模型药物.在 PD 细胞模型中,ATF4 可以促进神经元在这 2 种毒素下的存活87,101-102.此外,parkin 是 ATF4 介导的神经保护所必需的.以上研究表明,在 PD 相关模型中,ATF4 通过增加 parkin 水平来减少神经元死亡87.因此,上调 ATF4 的表达可以提高 parkin的水平,有利于神经元保护.胍那苄是 GADD34 的靶向抑制剂.研究发现,胍那苄抑制了 GADD34 靶向 eIF2 的去磷酸化功能,随着 P-eIF2 的增加,进一步导致 ATF4和 parkin 转录和翻译水平升高,促进了神经元在多种 PD 相关细胞模型中的存活87(见图 3).木犀草素是一种食物来源的化合物,具有多种生物活性和神经保护作用103.木犀草素能够显著降低 6-OHDA 对大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞系PC12 中 GADD34 的诱导,并完全改善 6-OHDA的细胞毒性104.另外,草本植物斑叶地锦的多酚621浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷提取物能够显著降低锰暴露对人类神经母细胞瘤 SKNMC 细胞中 GADD34 的诱导,并减少锰诱导的 SKNMC 细胞和大鼠大脑中的氧化应激和神经元细胞丢失105.综上所述,抑制 GADD34 的表达可显著提高 PD 细胞模型的存活.6 GADD34 与 ALS6.1 ALS 及其发病机制ALS 是一种致命的中枢神经退行性疾病,表现为上运动神经元和下运动神经元功能障碍的结合,最终导致负责肢体运动、吞咽、说话和呼吸等功能骨骼肌的进行性无力106.ALS 分为家族性 ALS(familial ALS,fALS)和散发性 ALS(spo-radic ALS,sALS),fALS 约占病例总数的 10%15%,其中约 70%的 fALS 患者在 C9orf72,TARD-BP,SOD1 和 FUS 等已知的 ALS 基因中存在突变,而这些突变被认为是导致疾病的原因107.大约 20%的 fALS 是由 mtSOD1 引起的108.虽然 mtSOD1 导致的 fALS 仅占总 ALS 的一小部分,但 mtSOD1 转基因小鼠已成为研究该疾病发病机制的有效模型.mtSOD1 诱导细胞毒性的机制尚不清楚,但有证据表明,错误折叠的 SOD1 的积累是其毒性和运动神经元死亡的基础.6.2 GADD34 在 ALS 中的作用在 mtSOD1 转基因 ALS 小鼠模型中,错误折叠的 mtSOD1 在内质网内积累,导致内质网应激,并激活 ISR43.研究表明,GADD34 抑制剂胍那苄能够显著改善 G93A mtSOD1 转基因小鼠的疾病进程,既延迟了发病时间,又延长了小鼠的存活时间43.另有研究表明,将 GADD34 shRNA 静脉注射到新生 G93A 和 G85R mtSOD1 小鼠中,可显著提高小鼠的存活时间.同时,G85R mtSOD1小鼠的 SOD1 聚集物、星形细胞增生和小胶质细胞增生均有所减少109(见图 3).另外,胍那苄可能对 sALS 也有效.sALS 中的SOD1 异常蛋白质与 mtSOD1 相类似110-112,意味着胍那苄可能通过抑制 sALS 中 SOD1 异常蛋白质的聚集,从而改善疾病进程.sALS 中存在 TDP-43,FUS 等多种蛋白质的聚集,而胍那苄可以降低秀丽隐杆线虫和斑马鱼中 ALS 相关的 mtTDP-43 和 mtFUS 表达引起的毒性113.综上所述,靶向抑制 GADD34 可显著缓解 sALS 和 fALS 的疾病进程,改善其疾病症状.7 基于 GADD34 的治疗策略7.1 胍那苄胍那苄最初是作为 2 肾上腺素能激动剂开发的,随后的一项研究描述了胍那苄的另一种活性,即通过阻断 GADD34 来增强 eIF2 的磷酸化114.基于此活性,研究人员就其对于神经退行性疾病的治疗展开了一系列研究:胍那苄在基于mtTDP-43 和 mtSOD1 过表达的神经变性模型中具有保护作用43,113.在体内和体外 PD 模型中,胍那苄结合 GADD34 并抑制其去磷酸化作用,促进 eIF2 磷酸化来提高 ATF4 表达从而提高 par-kin 水平,最终起到神经保护作用87.在 ALS 模型中,胍那苄通过靶向 GADD34 显著改善了 mt-SOD1 ALS 模型小鼠的疾病进程43.基于以下 2 个特点,胍那苄能够成为神经退行性疾病的潜在治疗药物.首先,胍那苄很容易穿过血脑屏障,直达大脑对神经元发挥作用115.其次,胍那苄是食品药品监督管理局批准的治疗高血压的药物.这将有助于该化合物在人体中的临床试验.胍那苄的一个缺点是它的 2 肾上腺素能活性可能导致低血压.因此,现在已经开发出了胍那苄类似物,如 sephin1116,胍那苄衍生物 6 和胍那苄衍生物 7117,在缺乏 2 肾上腺素能活性的同时仍具有神经保护活性116-117.7.2 槲皮素黄酮类化合物是特殊的羟基化酚类化合物,具有芳香环结构.槲皮素是类黄酮的特殊亚类,是具有生物活性的天然化合物,可促进植物的多种生理过程,如种子萌发、抗氧化和光合作用,并维持植物正常生长发育.槲皮素还是强抗氧化剂,能有效地提高植物对生物和非生物胁迫的耐受性118.对于槲皮素的研究起初多是对于植物的研究,它可以降低植物中的脂氧合酶、SOD、过氧化氢酶的活性,还可以降低丙二醛含量119.另有研究发现,槲皮素具有穿透血脑屏障的能力120,并且对于缺血121和动脉粥样硬化122均有保护作用.随后,科学家发现了槲皮素在 AD 中的作用,它通过诱导 GADD34 从而对 eIF2 去磷酸化,降低了 PS1 的表达和 A42的分泌,并改善了 AD 模型小鼠的认知和记忆障碍72(见表 1).721 第 2 期 金志刚,等:GADD34 在神经退行性疾病中的作用表 1 以 GADD34 为靶点的治疗研究药物疾病作用参考文献PD促进 parkin 转录和翻译水平升高,促进神经元在多种 PD 相关细胞模型中的存活87胍那苄fALS延迟了 G93A mtSOD1 转基因小鼠的发病,延长了生存时间延长了新生 G93A 和 G85R mtSOD1 小鼠的生存时间43109sALS降低了秀丽隐杆线虫和斑马鱼中 ALS 相关的 mtTDP-43 和 mtFUS 表达引起的毒性113槲皮素AD抑制 AD 小鼠模型中 A 产生、改善认知障碍并延长小鼠存活时间55,728 总结与展望错误折叠聚集蛋白质是包括 ALS 在内的多种神经退行性疾病的共同特征,与此同时,ISR 在多种神经退行性疾病中被激活9,109.因此,人们对靶向 ISR 作为神经退行性疾病的潜在治疗方法产生了兴趣123.ISR 被激活后,多种激酶负责eIF2 的磷酸化,而 P-eIF2 会抑制大部分蛋白质的翻译,仅有少量蛋白质能够翻译,如 ATF4,CHOP 和 GADD34.其中 GADD34 负责 P-eIF2的去磷酸化,从而促进蛋白质翻译恢复.现有研究表明,GADD34 在 AD 和 HD 中具有神经保护作用,在 PD 和 ALS 中具有神经毒性.尽管 GADD34 在 AD 中的作用尚存 在 争议70,造成不同神经退行性疾病模型中的不同结果,可能由多种因素导致:1)疾病类型.不同神经退行性疾病中发病机制不同,GADD34 在疾病发生发展所扮演的角色可能也不同.2)疾病模型.如细胞模型和动物模型,转基因模型或药物诱导模型的不同.3)药物及药效差异.不同公司生产的药物之间的差异,以及药物对于不同模型的药效等,都可能导致 GADD34 在疾病模型中呈现不同的效应.4)有些研究中仅使用单一的 GADD34抑制剂或诱导剂,需要进一步结合 GADD34 的敲除或过表达实验来验证 GADD34 的功能.GADD34 可能基于以下 2 点发挥神经保护作用:一是通过恢复 eIF2 的未磷酸化状态,以帮助细胞恢复蛋白翻译稳态和适应压力;二是通过调控相关信号通路,如 HD 中,GADD34 通过调控mTOR 信号通路,降低 mtHTT 毒性,为神经细胞提供保护.另一方面,在神经退行性疾病相关蛋白质聚集体的慢性压力下,GADD34 被诱导表达,可能基于以下 2 点发挥了神经毒性作用:一是GADD34 可能促进了慢性压力介导的神经炎症124;二是诱导的 GADD34 通过组装成 PP1 全酶,其蛋白磷酸酶活性拮抗了应激条件下的eIF2 磷酸化,导致细胞无法在应激条件下激活ISR56.多项研究表明,靶向 GADD34 有助于改善神经退行性疾病,同时,基于 GADD34 的治疗策略已经取得了一些进展,胍那苄和槲皮素 2 种药物均被发现能够改善疾病模型的疾病进程.但二者对 GADD34 的调控方向不同:基于 GADD34 的神经保护作用,槲皮素通过诱导 GADD34,抑制 AD模型小鼠中 A 的形成,改善了小鼠的认知障碍55,125;基于 GADD34 的神经毒性,胍那苄通过抑制 GADD34 延长了 PD 细胞模型和 ALS 小鼠模型的存活时间43,109.总而言之,现有研究表明,GADD34 在多种神经退行性疾病中均发挥了重要 作 用.然 而,GADD34 在神经退行性疾病中的具体作用机制目前还了解有限,有待于将来的进一步探究,特别是同时通过疾病模型中 GADD34 的功能获得和功能缺失实验来相互验证.GADD34 在神经退行性疾病中作用机制的阐明,也将为靶向 GADD34的潜在治疗策略提供重要依据.参考文献:1WILSON D M,COOKSON M R,VAN DEN BOSCH L,et al.Hallmarks of neurodegenerative diseasesJ.Cell,2023,186(4):693-714.2HOU Y,DAN X,BABBAR M,et al.Ageing as a risk factor for neurodegenerative diseaseJ.Nat Rev Neurol,2019,15(10):565-581.3PAKOS-ZEBRUCKA K,KORYGA I,MNICH K,et al.The integrated stress responseJ.EMBO Rep,2016,17(10):1374-1395.4CLEMENTI E,INGLIN L,BEEBE E,et al.Persistent DNA damage triggers activation of the integrated stress response to promote cell survival under nutrient restrictionJ.BMC Biol,2020,18(1):1-15.5AKMAN M,BELISARIO D C,SALAROGLIO