原钙粘蛋白与精神分裂症

周胜利 陈 刚

原钙粘蛋白(Protocadherin，PCDH)属于钙粘蛋白家族。钙粘蛋白是一种同亲型结合Ca2+依赖的细胞黏着糖蛋白，对胚胎发育中的细胞识别、迁移、组织分化以及成体组织器官的构成具有重要作用。不同细胞及发育不同阶段的细胞，其表面的钙粘蛋白的种类与数量均有所不同。而PCDH主要在脑中合成，在突触连接处也存在，在各种类型组织的发育中，PCDH似乎主要作用在中枢神经系统。中枢神经系统具有多种PCDH，它们对突触结构的形成与稳定具有作用。目前认为其表达过程涉及利用不同的启动子和RNA剪接产生不同的原钙粘蛋白，原钙粘蛋白组合表达产物决定突触连接的特异性，从而影响神经系统的发育。精神分裂症是一种常见的重型精神疾病，终生患病率约为0.5% ～1%［1］，精神分裂症的发病可能与PCDH相关，本文对其进行综述。

1 原钙粘蛋白(PCDH)概述

原钙粘蛋白在胞外区通常有6～7个串联重复单位，也有一个一次跨膜结构域，胞质区和经典钙粘蛋白有一些相似性。在基因结构中，PCDH和经典钙粘蛋白的显著差异在于，PCDH基因的外显子异常巨大［2］。PCDH基因家族成员的胞外域都是由单个大的外显子编码，同样，PCDH的跨膜结构域和胞内短的细胞质部分也是由大的单个外显子编码，形成完整的PCDH分子。根据PCDH基因组结构的不同，原钙粘蛋白家族又可以分为两个亚型:聚集型 PCDH和非聚集型PCDH。目前，聚集型 PCDH可被细分为 PCDHɑ，PCDHβ和PCDHγ。非聚集型PCDH可再被分为3个组群，分 别是 PCDHδ1(PCDH1、PCDH7、PCDH9、PCDH11)，PCDHδ2(PCDH8、 PCDH10、 PCDH17、PCDH18、PCDH19)和单体 PCDHs(PCDH15、PCDH16、PCDH21、MUCDHL)［3］。

2 原钙粘蛋白(PCDH)与神经发育

在神经发育过程中，神经回路的功能涉及几乎所有阶段的细胞间精确调控的相互作用，包括神经元分化，神经元迁移，轴突分枝，树突分枝，突触形成和稳定［4］。这需要大量细胞表面受体协调行动，细胞表面受体的动态调节使神经元在神经回路发展中扮演重要角色。PCDH包含了一个在脊椎动物神经系统中表达的细胞表面受体家族。细胞表面受体蛋白的多样性可能与单个神经元起作用，单个神经元表达多种细胞识别分子，通过形成不同的神经元组件来生成各种脑功能。生成神经元组件和神经网络的机制涉及分子代码，正是分子代码赋予神经元个性，让其识别不同的神经元。PCDH是一个大型亚科内的钙粘蛋白，集群PCDH基因是由3个串联的基因编码，并出现在所有的已知脊椎动物基因组中。集群PCDH基因以一种随机组合的方式在神经细胞内表达。此外，由异性多亚基蛋白PCDH亚型构成的顺式四聚体是细胞与细胞间相互作用的选择性结合单位，显然集群PCDH基因产物在轴突发生、突触形成和神经元的存活中起重要作用［5］。根据 Yagi T［6］在哺乳动物中的研究，集群PCDH家族包括3个基因群PCDH-ɑ，PCDH-γ，PCDH-β。在大脑发育中，这个家族由于神经元分化呈现上行调节，然而PCDH-ɑ则由于髓鞘形成产生抑制调节。集群PCDH在嗅球，海马和小脑中直到成年都持续表达。分析PCDH-ɑ蛋白第一个钙粘蛋白结构域结构，发现它没有经典钙粘蛋白的那种需要亲同种抗原粘附的特性，但包含了一个PCDH特异的环状结构。在PCDH-ɑ中，一个精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)环状超二级结构结合beta1整合素。基因簇的表达由多个启动子和独联体剪切调控。在单细胞水平，几十个PCDH-ɑ和PCDH-β mRNA被调控导致不同的外显子组合表达。PCDH-ɑ和PCDH-γ蛋白质形成的低聚物在细胞表面进一步增加了分子多样性。

Bass T等［7］在斑马鱼的10号和14号染色体发现了两个PCDH基因簇，每个基因簇又被分成PCDH-ɑ和PCDH-γ亚基因簇家族，预计有100个PCDH分子。通过分析4个PCDH亚基因簇的表达，发现在发育中的斑马鱼神经系统中PCDH转录物上调，在成年鱼脑中，4个PCDH基因簇在分化的神经元中都有表达，尤其在丘脑核、顶盖和小脑中。每个基因簇的表达模式部分重叠，但有部位差异和表达强度的不同，PCDH-γ也在神经元前体细胞，胚胎室管膜细胞及成年神经系统表达。研究表明，不同的PCDH在分化的斑马鱼神经元中表达，进而表明PCDH在细胞粘附和信号传导中的保守功能。

Lefebvre JL等［8］用一种条件突变去分析PCDH-γ基因在神经系统发育和功能中的作用，视网膜PCDH-γ特异性缺失导致小鼠在首次产后两周中间神经元和视网膜调节细胞的自然死亡率增高。通过基因敲除bax凋亡基因来阻止细胞凋亡，发现即使注定凋亡的细胞，在数量和质量上也会有一定的关联。此外，电生理分析在没有PCDH-γ基因存在时，视觉信息的处理基本正常。结果表明，PCDH-γ基因在视网膜具体细化方面可有可无，但在细胞凋亡周期过程中，在确定神经元数量、大小及比例方面起主导作用。

转录阻抑物CTCF(Colorado Territorial Correctional Facility)，又叫11-锌指蛋白或CCCTC-结合因子，是CTCF基因编码的转录因子，与绝缘体的活性相关。CTCF是染色体构象改变的关键分子，Hirayama T等［9］在大鼠有丝分裂后期的神经元中采取CTCF条件性基因敲除后，大鼠则表现产后生长缓慢，行为异常，并且大脑支配的功能性躯体感觉有缺陷。在基因表达方面，CTCF缺陷大鼠和正常对照大鼠的皮层和海马之间，390个转录片段的表达有显著差异，尤其在神经元中随机表达的53个PCDH基因亚型的表达量显著下降。在大脑发育中，CTCF缺陷大鼠显示其树突分枝和脊椎密度有缺陷。虽然它们的兴奋性突触后电流显示正常振幅，但只在低频率下发生。实验结果表明，CTCF通过控制PCDH的表达，调节功能性神经发育和神经元的多样性。

3 原钙粘蛋白(PCDH)在精神分裂症中的研究

在精神分裂症(SZ)患者中，神经发育异常是最有力的病因学假说之一。Gregório SP等［10］利用 MRI获取SZ患者脑部结构数据，研究了30个关于神经发育和大脑发育的基因，发现32个DNA多态性与大脑层结构之间可能存在关联。取25名SZ患者的外周血细胞，使用多种程序进行基因分型，用修正的Bonferroni调整的标准统计方法评价这种假定的关联。假定关联同样在PCDH12之间被发现，PCDH12是一种参与轴突指导和突触特异性及细胞折叠的细胞粘附分子，故PCDH12可能与SZ有关联。

Pedrosa E 等［11］在 SZ 和双向障碍(Bipolar disorder，BD)的关联分析中，定位了一些变异特别强的PCDH编码基因作为候选区域，其中一个是与5q31关联的PCDH家族。它包括超过50个外显子编码的3个相关的远距离基因 PCDH-ɑ，PCDH-γ 和 PCDH-β。通过利用不同的启动子和不同的剪切方式可产生数以千计的不同原钙粘附蛋白。他们用抗体共价修饰H3组蛋白的芯片技术定位PCDH-ɑ增强子，研究增强子上的SNP位点rs31745。发现在BD中，此位点的等位基因在BD患者中纯合子显著增加，分析显示，SNP可引起和大脑蛋白特异性有关的等位基因改变。因此，5q31关联位点被看作是一个精神疾病的易感位点。Lachman HM 等［12］在5q31关联位点发现一个16.7 kb的缺失，影响PCDH-ɑ外显子8-10，这种多态性拷贝数变异被认为是潜在的SZ和BD易感位点。他们用缺失特异性引物扩增DNA，然后通过电泳来确定一群来自美国白人SZ和一群来自捷克的BD及相应对照样中ɑ8-ɑ10的变异频率。然而，在SZ和BD与正常人的对照中并未发现明显的ɑ8-ɑ10频率变异。尽管是阴性结果，但从理论和连锁分析综合考虑，还是认为5q31位点是SZ和BD的易感位点。

Dean B等［13］用限制性片段差异显示(RADD)测量了波特曼地区46个精神分裂症患者和对照组的mRNA表达水平，确定的mRNA利用实时定量PCR，PCR和免疫印记技术再做进一步研究，发现MBNL1和PCDH17的mRNA水平在病程较短的患者中增高，而非慢性患者。研究表明，基因表达水平差异可能缘于精神分裂症的持续时间。MBNL1和PCDH17应作为精神分裂症的易感基因需要进一步研究。

突触发生是中枢神经系统发育的重要一环，参与这个过程的PCDH基因是细胞突触形成和相应细胞识别的主要因子。Durand CM等［14］分别研究了位于X和Y染色体上两个表达和变异紧密相联的PCDH家族成员PCDH11X/Y。PCDH11Y是人类特有的罕见基因，PCDH11X/Y转录主要在大脑皮层。对30个自闭症患者基因筛查发现两个PCDH11Y多态性变异氨基酸F885V和K980N，与本病完全关联。他们又在男性自闭症(n=110)，多动症(n=61)，躁郁症(n=61)，强迫症(n=51)，精神分裂症(n=61)和相应的对照组之间做了变异频率的研究，却未发现显著性差异。Giouzeli M等［15］用变性高效液相色谱技术检测精神分裂症和分裂情感性精神病患者在PCDHX和 PCDHY基因组编码序列及相邻内含子序列上的差异。发现PCDHX有3个编码变异，PCDHY有2个变异，但是均和家族性精神病无关。尽管PCDHX和PCDHY的序列变异与精神疾病无关，但发现了该区域X染色体失活的特有状态，因此，PCDHX/Y控制的表观遗传学与精神疾病的关系值得深入研究。

PCDH8基因定位于13号染色体，有证据表明和SZ的发生有关。Bray NJ等［16］用DHPLC对30例SZ患者的PCDH8基因表达序列和5端超过800bp的侧翼序列进行了多态性筛查，发现了9个SNP位点，其中包括PCDH8基因第一个外显子内的3个位点。多态性可引起氨基酸的改变，可使SZ患者和对照组中产生氨基酸的表达差异，然而这种多态性在家族遗传上并未优先传递。另外，在SZ患者和其兄弟姐妹中发现的稀有单核苷酸变异也未在大样本中得到验证，这些结果表明似乎PCDH8多态性对SZ易感性可能仅有微弱作用。

4 小结

原钙粘蛋白在生物发育，尤其是中枢性神经系统发育中起重要作用，并且与精神疾病有密切关联。尽管其在精神疾病发病机制中的研究还处在初级阶段，但随着新技术的发展，对其进一步的研究将会对精神疾病的诊断与治疗产生重大的意义。

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