視神經蛋白的功能及其在神經退行性疾病中的作用 ①

鄭若玲，譚 潔

(桂林醫學院廣西腦與認知神經科學重點實驗室，廣西 桂林 541199)

視神經蛋白(optineurin, OPTN)是一種在細胞內表達的高豐度蛋白，最初因其與青光眼的發生發展相關而被命名。研究表明，OPTN參與囊泡運輸、炎癥反應、自噬、高爾基體形態維持等胞內過程，與腫瘤、免疫性疾病及神經退行性疾病等多種疾病有密切聯系[1-3]。近年來，OPTN與神經退行性疾病的關系受到越來越多的關注。本文對OPTN的功能及其與神經退行性疾病的關系進行總結，希望能為神經退行性疾病的機制研究及治療方案提供參考。

1 視神經蛋白概述

OPTN，又稱為E3-14.7K相互作用蛋白、亨廷頓相互作用蛋白-7(HIP-7)、NEMO-相關蛋白等。1998年，OPTN通過酵母雙雜交系統被初次分離，并被檢測到與腺病毒E3-14.7K蛋白發生相互作用，由此被命名為E3-14.7K相互作用蛋白[4]。2002年，一項對54個常染色體顯性遺傳成人原發性開角型青光眼家族的研究發現，這種遺傳性疾病由10號染色體上Optn基因的突變所引起，因而OPTN被正式命名為視神經蛋白[5]。

OPTN蛋白由Optn基因編碼。人的Optn基因位于10號染色體的短臂上，大小為38.216 kbp，由16個外顯子組成，包括位于5′-非翻譯區的3個非編碼外顯子和編碼 66 kDa 蛋白質的13個外顯子[5]。對5′-非翻譯區進行選擇性剪接可產生具有相同開放閱讀框的4種不同異構體，編碼可能具有不同組織特異性表達模式的OPTN蛋白[6]。

OPTN在人、靈長類動物、真核生物、哺乳動物等多個物種上均有表達，如狗、黑猩猩、牛、恒河猴、小鼠、大鼠、雞、蛙和斑馬魚等[7]。OPTN在不同組織中的表達存在差異。Fagerberg等人所著新版本的人類蛋白質圖譜中，對來自95名人類個體的27種不同組織樣本進行全基因組整合轉錄組學和基于抗體的蛋白質組學分析發現，OPTN在27種組織中均存在表達，表達量位居前6位的組織分別為脂肪、腎上腺、睪丸、卵巢、腎臟、腦[8]。

OPTN蛋白由多個卷曲螺旋結構域、一個亮氨酸拉鏈結構域、一個微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3, LC3)相互作用區(lC3-interaction region, LIR)、一個泛素結合結構域(ubiquitin-binding domain, UBD)和一個C-末端鋅指結構域組成[9]。OPTN作為一種多結構域的多功能蛋白，本身不攜帶任何酶活性，通過與具有不同功能的蛋白質相互作用而發揮多種功能[1, 10-11]。

2 視神經蛋白的生物學功能

2.1 視神經蛋白與自噬

作為一種自噬受體，OPTN在自噬清除病原體、受損的線粒體和蛋白質聚集體中發揮重要作用。Wild等人在營養剝奪誘導自噬的條件下，發現OPTN能夠與泛素化載體連接并通過其LIR結合自噬標記物LC3，從而介導細胞對腸道沙門氏菌的自噬清除[12]。將OPTN與泛素或LC3蛋白的結合位點突變后，細胞內沙門氏菌的增殖明顯增加[12]。OPTN在上調或突變后，可誘導自噬，并成為自噬清除的底物[13-14]。

OPTN作為自噬受體介導兩種降解細胞內物質的途徑。在泛素依賴的選擇性自噬途徑中，細菌、錯誤折疊的蛋白質及其聚集體、有缺陷的線粒體等被泛素包裹后通過UBD與OPTN結合，隨后再與LC3結合并形成雙層膜結構的吞噬體，從而引發自噬過程[15-16]。在泛素非依賴的自噬途徑中，OPTN通過其C末端卷曲螺旋結構域識別蛋白質聚集體，再通過其LIR將LC3招募到蛋白質聚集體中，最終進行自噬清除蛋白質聚集[17]。在這兩種途徑中，TANK結合激酶1(TANK binding kinase 1, TBK1)都能通過磷酸化OPTN 177位的絲氨酸提高OPTN與LC3的親和力，從而進一步指導自噬降解；而OPTN又能夠反過來作用于TBK1，提高TBK1的磷酸化能力[18-19]。

2.2 視神經蛋白與囊泡運輸

OPTN通過與多個囊泡蛋白作用從而參與囊泡運輸過程。研究表明，OPTN與肌球蛋白Ⅵ、Rab8、亨廷頓蛋白、TBC1D17、轉鐵蛋白受體等均可發生相互作用[20]。肌球蛋白Ⅵ是肌球蛋白超家族成員之一，在胞內定位于高爾基復合體、網格蛋白包被囊泡、核周圍小泡及靠近細胞膜的囊泡中，參與高爾基體形態的維持和胞吐作用[21]。肌球蛋白Ⅵ在分泌途徑中具有向肌動蛋白絲負端運輸貨物的獨特能力[22]。OPTN可與肌球蛋白Ⅵ的C端結合，兩者在高爾基復合體和近細胞膜的囊泡中共定位[21]。OPTN或肌球蛋白Ⅵ的缺失均可顯著減少與細胞膜融合的囊泡數量，增加未完成融合的囊泡比例和錨定在細胞膜上的囊泡數量[23]。

OPTN與Rab8結合也可調節囊泡運輸過程。敲減OPTN或Rab8可導致轉鐵蛋白受體陽性的囊泡向細胞膜的運輸速度減慢[24]。在與Rab8結合后，OPTN通過招募結合TBC1D17負向調控Rab8的活性，從而抑制轉鐵蛋白受體陽性囊泡的回收[25]。此外，OPTN通過與亨廷頓蛋白和Rab8結合，調節Rab8陽性囊泡的形成和運輸[26]。

2.3 視神經蛋白與炎癥反應

NEMO是促炎轉錄因子NF-κB的必需調節劑，OPTN因為與NEMO具有高度同源性而被認為在NF-κB的激活和炎癥反應中發揮重要的調節作用[27]。

OPTN敲低可增加神經元的NF-κB活性，導致神經元死亡，而過表達OPTN野生型或突變體可抑制NF-κB活性，挽救OPTN敲除誘導的神經元死亡[28]。另外，OPTN可以通過充當外周免疫細胞中TBK1激活和干擾素-β(interferon-β, IFN-β) 產生的中間環節來調節炎癥信號傳導[29]。OPTN突變的原代小膠質細胞在接受Toll樣刺激后，其TBK1活化、IFN-β產生和抗炎因子表達減少，在補充IFN-β后小膠質細胞的抗炎因子表達可恢復正常[30]。以上研究提示，OPTN的突變能促進炎癥反應，而炎癥因子的失衡可能是OPTN突變攜帶者神經元變性的潛在疾病誘因。

3 視神經蛋白在神經退行性疾病中的作用

OPTN在多種神經退行性疾病的蛋白質包涵體中均有檢出，如ALS、PD、阿爾茨海默癥、克雅氏病等[31]。自噬障礙導致的蛋白質聚集體和線粒體損傷是大多數神經退行性疾病共有的關鍵病理特征。OPTN突變可能導致多種蛋白質異常聚集和神經元損傷變性[32-33]。

3.1 視神經蛋白與青光眼

青光眼是一類以視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell, RGC)死亡和視神經纖維退化為特征的導致不可逆失明的神經退行性疾病。對54個常染色體顯性遺傳成人原發性開角型青光眼家族的分析顯示，有16.7%的患者攜帶OPTN突變[5]。在青光眼患者中，OPTN的突變多為錯義突變，其中E50K突變最為常見。生物信息學分析顯示，攜帶OPTN E50K突變的小鼠出現小膠質細胞激活、年齡依賴性能量缺陷和自噬-溶酶體通路功能障礙[34]。OPTN E50K突變可抑制細胞自噬水平，影響TDP-43蛋白降解并導致體內和體外的RGC凋亡[35]。在16月齡的E50K突變小鼠中，OPTN與Rab8介導的囊泡運輸過程受阻，視網膜中RGC和突觸連接缺失，神經纖維層發生變性[36]。

M98K是另一個常見的與青光眼相關聯的OPTN突變[5]。在體外培養的視網膜細胞中，過表達M98K-OPTN可降低細胞內的轉鐵蛋白受體水平，造成細胞死亡[37]。M98K-OPTN通過與泛素和LC3結合誘導自噬，介導轉鐵蛋白的胞內降解[37]。以上研究提示，正常的細胞自噬水平對維持視網膜RGC的生存至關重要，OPTN突變導致的自噬異常是青光眼首要的發病原因。

3.2 視神經蛋白與肌萎縮側索硬化癥

肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一種累及大腦和脊髓，病因復雜的運動神經元退行性疾病。OPTN于 2010 年首次被確定為ALS的致病基因，至今已發現有20種突變體與ALS相關[38-39]。而OPTN的陽性包涵體也在不同類型的ALS患者中被檢出[31]。

在攜帶OPTN突變的ALS病人中，可觀察到小膠質細胞NF-κB的表達上調[40]。在培養的神經細胞中敲低OPTN會上調NF-κB活性，造成神經細胞死亡，使用NF-κB的抑制劑可逆轉以上現象[28]。將攜帶有ALS患者泛素結合缺陷的E478G突變型OPTN的慢病毒注入小鼠運動皮層，可導致促炎細胞因子分泌增加、免疫細胞浸潤、小膠質細胞增生及小鼠運動功能受損[41]。此外，細胞的自噬異常也與ALS的發病相關。過表達ALS的突變型E478G或Q398X均可導致自噬小體的成熟障礙和聚集[42]。編碼超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1)的基因突變所導致的蛋白質異常聚集是家族性ALS的發病原因之一，突變的SOD1與OPTN結合會導致線粒體自噬通量減少[43]。以上研究提示，OPTN突變介導的炎癥反應和自噬異常是ALS的重要病因，抗炎和挽救自噬異常是治療與OPTN突變相關的ALS的可能方向。

3.3 視神經蛋白與帕金森病

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一種環境和遺傳因素相互作用導致的神經退行性疾病，不同亞型之間病因與臨床表現的異質性為疾病的防治帶來了重大的挑戰[44]。PD的病理特征主要是黑質多巴胺(dopamine, DA)能神經元的進行性丟失及細胞內路易小體(LBs)的形成，其中LBs主要由α-突觸核蛋白(α-synuclein, α-syn)組成[45]。α-syn在細胞內聚集后進入LBs和路易神經突中，進而導致黑質DA能神經元的丟失，引起紋狀體DA能神經元信號的減少，最終造成患者的運動功能失調[46]。

在用魚藤酮誘導的大鼠PD模型中，通過對其免疫熒光染色，可在大鼠中腦黑質致密部(substantia nigra pars compacta, SNc)的DA能神經元中檢測到OPTN[47]。在臨床前和終末期大鼠PD模型的DA能神經元中，OPTN表達量上升，且與LC3和α-syn共定位，這提示PD模型中DA能神經元的變化可能與OPTN的表達量有關，OPTN的表達量可隨著PD的進程而改變[47]。

在PD患者腦組織中，免疫組織化學結果顯示LBs外周部分有明顯的OPTN表達，而中心部分則較弱，且路易神經突也有OPTN陽性信號[25]。編碼富含亮氨酸重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)的基因突變是最常見的導致PD的單基因病因[48]。在PD病人的成纖維細胞中，LRRK2的突變增強其激酶底物RAB10的磷酸化，導致OPTN在去極化的線粒體上積累，引起去極化誘導的線粒體自噬和線粒體功能受損[49]。另外，對來自全基因組關聯研究數據集和小規模PD相關性研究的700多萬個基因多態性進行Meta分析發現，造成青光眼的OPTN M98K突變是PD的一個危險因素[50]。以上研究表明，OPTN的表達異常與PD的發病存在關聯，但其具體機制尚不清楚。

4結語

OPTN作為一種多結構域蛋白，參與體內多種細胞過程，與神經退行性疾病的發生發展密切相關。盡管多項研究已表明OPTN的突變或表達異常與多種疾病的發生存在關聯，OPTN可通過影響線粒體自噬和炎癥反應導致相關細胞和組織發生病理性改變，但是OPTN如何影響神經退行性疾病的發生發展過程尚不明確。因此，對OPTN在神經退行性疾病中所起的作用有待進一步開展研究。