神经疾病风险基因肌细胞增强因子2研究进展
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基金项目
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•黑龙江省自然科学基金（H2018057）
肌细胞增强因子2（MEF2）是一种首先在肌肉细胞中被发现的特定的转录因子，在广泛的组织中具有多种功能，并且与许多疾病有关。
近期研究显示，MEF2被认为是影响神经元发育和神经系统疾病产生的重要因素之一，MEF2及其靶基因与几种神经类疾病的产生有关，包括AD、PD、亨廷顿病（HD）、脆性X综合征（FXS）等。
MEF2对于神经系统的正常发育和功能至关重要。
一、MEF2的结构
脊椎动物中MEF2分为4个亚型，即MEF2A、B、C和D，分别由高度保守的N端MADS-box结构域、保守的MEF2结构域和具有转录活性的C端结构域3个功能结构域组成。
MADS-box由57个氨基酸组成，是MEF2靶基因与富含A/T的DNA序列结合的场所。与MADS-box相邻的是由29个氨基酸组成的MEF2结构域，它具有提高DNA结合的亲和力以及促进其他蛋白质二聚化的功能。
脊椎动物的MEF2与MADS-box两者约有95%的相似性，并且约有50%的氨基酸是相同的，但其本身缺乏转录活性。MADS-box通常与富含A/T的DNA序列结合，而MEF2能够优先结合序列5'-CC（A/T）（T/A）AAATAG-3'。
MEF2的C端作为转录激活结构域，包括核定位序列和多个磷酸化基序，受复合交替剪接模式的影响，并且在各种MEF2亚型（A～D）之间具有相对较低的氨基酸同源性。
由于MEF2的组织结构特性，使其可以接收和响应来自各种细胞内信号通路的输入，同时，MEF2的活性也受到来自细胞外不同信号通路的影响。
二、MEF2的活性调节
MEF2在正常生理过程中和病理条件下受到多种信号途径的调控，其中包括Ca2+信号通路、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路等。
MEF2转录因子家族成员与钙依赖性信号通路密切相关，Ca2+信号通路是MEF2活性的主要调节机制。一些辅助性因子和激酶通过Ca2+信号通路调控的MEF2活性。
Dai等发现内皮素信号通过钙调素-CaMKII-组蛋白去乙酰化酶信号级联增强MEF2C活性，以激活神经中多种基因的表达。
此外钙调神经磷酸酶介导的MEF2激活是MHCI通路控制幼年大鼠皮层神经元的突触密度的重要环节。
研究发现，通过对C1C2细胞进行转染和培养，证实了钙调磷酸酶在C2C12成肌细胞分化过程中对MEF2活性刺激中的作用。
MAPK信号通路是一种普遍存在的，在细胞分化、增殖、凋亡等生物学过程中发挥着重要作用的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶转导通路。
MAPK包括细胞外信号调节激酶（ERK）、应激激活蛋白激酶（JNK）和p38激酶（p38MAPK），其中p38MAPK作为肌源性分化过程中的重要激活因子，可通过磷酸化C端活性区的氨基酸激活MEF2C。
当被p38MAPK介导的磷酸化共价修饰时，MEF2的转录激活特性增强，Ehyai等发现p38MAPK介导的MEF2磷酸化激活增强了其与β-Catenin的相互作用，能够促进部分细胞的增殖，其中包括血管平滑肌细胞。
MEF2家族也是Wnt/β-Cateinin通路基因的下游靶点，研究发现，在MEF2A基因敲除小鼠中，miR-410和miR-433两种mRNA在骨骼肌再生过程中被下调，Wnt活性降低，因此MEF2A和Wnt信号通路对成年小鼠骨骼肌再生有促进作用，在MEF2的靶组织中p38MAPK/MEF2通路与Wnt通路存在动态交叉关系。
此外，蛋白磷酸酶2B或钙调磷酸酶可以直接使MEF2脱磷酸，从而影响其对靶DNA序列的亲和力，促进其转录活性。
三、MEF2的生物学功能
1.MEF2与神经元分化、成熟：
在神经系统中MEF2对于神经元活性调节有重要作用，并参与其分化、成熟过程，同时抑制神经元发育过程中细胞的凋亡。
通过对于不同发育过程中表达模式的研究发现，MEF2亚型在神经元分化与成熟的不同阶段发挥着不同的作用，例如随着神经元的分化和成熟，MEF2A和MEF2D的表达也相对增加，而MEF2C的表达则保持相对稳定。
Zhu等以神经干细胞（NSCs）作为离体研究神经元分化过程的模型，发现与非神经元细胞相比，分化后的MEF2在神经元中的表达明显高于其在未分化的NSCs中的表达，shRNA介导的MEF2A基因敲除也可减少NSCs衍生神经元的数量，这些数据证明了MEF2A参与了NSCs分化与成熟的过程。
通过RNA干扰MEF2A的方法可以发现颗粒神经元中MEF2A表达的敲低，显性干扰MEF2膜去极化的颗粒神经元可抑制因MEF2依赖性转录而触发的细胞凋亡，体现了MEF2A对小脑颗粒神经元活动依赖性起到调节的生物学作用。
另有研究表明，上调p38下游转录因子p53的表达，有促进肿瘤细胞凋亡的作用，而对缺血后脑卒中神经元的保护，可通过抑制p38/p53通路实现，p38作为对MEF2有磷酸化作用的MAPK家族重要成员之一，其抑制剂对大鼠神经元的损伤有一定保护作用，发生机制与阻断p53介导的细胞凋亡通路有关。
在感觉神经元中，ERK5/MEF2D通路通过调控抗凋亡基因bcl-2家族成员中bcl-w的表达，能够促进感觉神经元存活。
MEF2是p38和ERK5的常见底物，由于ERK5-MEF2C通路的抑制，在脑缺血预处理的海马Ca1区域TUNEL阳性凋亡细胞的数量明显高于其对照组，证明ERK5-MEF2C信号传导在神经保护和抗凋亡方面起到重要作用。
2.MEF2与突触可塑性
神经元的活动影响突触的基因转录及突触可塑性，Ca2+通过N-甲基-D天冬氨酸(NMDA）受体或通过L型电压敏感钙通道流入成熟神经元，细胞内钙升高导致多种信号分子的激活，包括与神经元功能有关的钙敏感信号酶——钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMPK），活化的CaMPKⅡ通过调节突触的α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体数量影响树突生长，而MEF2转录因子家族正是细胞内Ca2+作用的其中一个下游靶点。
在神经元中，MEF2可通过神经营养素刺激和突触释放增加的神经递质释放而引起的钙内流而激活。MEF2能够限制兴奋性突触的数量，这些突触分别来自小脑颗粒神经元、海马神经元和伏隔核中棘神经元，被MEF2神经元的活性依赖性激活诱导了基因表达程序。
Barbosa等发现Ana在培养海马神经元中敲除RNA干扰介导的MEF2A和MEF2D，增加了兴奋性突触的数量，相反MEF2A在小脑颗粒神经元中的缺失则会导致树突爪数量减少。
在发育中的小鼠躯体感觉皮层中，MEF2C能够调节突触传递和重塑。在体感皮层的Ⅱ/Ⅲ层锥体神经元中测量时，Emxl谱系前脑细胞中MEF2C的条件性胚胎敲除会降低谷氨酸能突触强度并增加GABA能抑制性突触传递，这是由于MEF2C作为转录抑制因子的作用。
突触中的谷氨酸释放还可以持续诱导突触可塑性形式。
MEF2C的缺失会导致谷氨酸能突触强度下降，但它也导致野生型小鼠侧皮质输入的谷氨酸能突触传递增加，表明MEF2C可以差别地调节局部与远距离突触传递，相反，在缺乏MEF2C表达的Ⅱ/Ⅲ层神经元中不存在这种突触减弱，这表明MEF2C对于这种活性依赖性电路可塑性可能具有重要作用。
3.MEF2与神经毒性
能够引起神经系统结构或功能损害的化合物被称为神经毒性。
细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）家族的成员CDK5主要通过神经元特异性激活剂p35和p25表达。
将大鼠幼崽和海马神经元培养物暴露于1.5%异氟醚4h，结果显示经过异氟醚处理，CDK5异常激活，抑制了MEF2A-Ser-408水平的磷酸化和MEF2功能，从而引起神经元凋亡。
Tang等发现神经毒性信号激活CDK5，CDK5直接在其反式激活域磷酸化MEF2，增强MEF2A和MEF2D的半胱天冬酶依赖性裂解，使MEF2不稳定。
通过MEF2C-Ca转染实验可以发现，MEF2C-Ca改善了NMDA诱导的神经元凋亡，而MEF2（MEF2-DN和AF-3）的显性干扰形式阻断了这种神经保护作用，说明MEF2可以预防NMDA诱导的神经元凋亡。
通过MEF2的半胱天冬酶催化的裂解实现兴奋性毒性神经元应激/细胞凋亡的途径，半胱天冬酶抑制剂或激活MEF2表达，能够有效抑制NMDA暴露后神经元细胞死亡，这对于大量急性和慢性神经退行性疾病可能具有治疗意义，因为其疾病发生过程中涉及过度的NMDA受体刺激。
四、神经疾病的风险基因MEF2
1.AD与MEF2
AD是一种以记忆力衰退和认知障碍为主要表现的神经退行性疾病，数据显示，2010年全世界有3560万人患有AD，预计每20年将增加1倍，2030年约将上升至6570万人，造成巨大的社会负担。
这种疾病被认为是由淀粉样蛋白β的可溶性寡聚体的积累引起的，此外对于AD的发病机制，研究人员还曾提出包括炎症及神经元丢失假说等几十种假说。
在成年野生型小鼠的中枢神经系统中干扰素-β的过度表达，会诱导小胶质细胞衰老样转录特征，损害认知能力。
Ⅰ型干扰素的积累可下调小胶质细胞中的MEF2C，引起免疫激发导致小胶质细胞反应升高，MEF2C对于小胶质细胞起到“关闭”因子的作用，弹性调节炎症状况，这在大脑老化过程中普遍存在。
因此MEF2C功能丧失可能有助于大脑衰老和AD炎症环境的生成，从而加剧认知障碍和AD病理学表现。
淀粉样蛋白前体蛋白（APP）在翻译后水平诱导MEF2激活有效预防神经元凋亡，MEF2C是APP蛋白水解的潜在调节因子，在此期间产生β淀粉样蛋白，是AD发病机制之一。
MEF2在一些大脑中与学习和记忆相关区域高表达，如额叶和内嗅皮层、齿状回和杏仁核等，也决定了MEF2在AD认知功能中的重要作用。
2.PD与MEF2
与AD一样，PD是一种与年龄有很强相关性的神经退行性疾病，黑质多巴胺能神经元的选择性丧失是PD的病理特征之一，转录因子功能紊乱、蛋白的异常聚集等因素都会引起神经元死亡，并促进PD的发展。
miRNA是一种非编码RNA，由20～25个核苷酸组成，miRNA通过与靶mRNA的3'-UTR区域配对来调节基因表达，参与多种细胞活动，其中miR-128可以影响小鼠PD模型中的神经元兴奋性，并对其进行行为调节，这是通过影响ERK2多个离子通道和信号传导的表达来完成的。
研究显示，MEF2D受到一系列miRNA的负调控，miR-421抑制剂可逆转神经毒素对MEF2D表达的降低的诱导，起到保护神经元作用。参与PD神经退行性过程的各种激酶能够以其在转录、翻译、稳态和自噬等过程中发挥的不同作用，区分为正调节和负调节因子。
相关的酶中p38MAPK是MEF2的一个正调节因子，MEF2可以通过p38依赖途径来保护神经元免受细胞凋亡的损害。
在小脑颗粒神经元中，高浓度的KCl诱导膜去极化，使环磷酸腺苷-蛋白激酶A途径通过在Thr-20处磷酸化MEF2与DNA结合活性及基因表达，促进神经元存活。
ERK5磷酸化并激活MEF2，从而介导BDNF的神经保护功能，但病理条件下CDK5的过度活化可能对神经元有毒并抑制MEF2的神经保护功能。
因此，MEF2功能的失调可作为PD发病机制关键因素。
3.自闭症谱系障碍（ASD）与MEF2
ASD作为一种严重的神经发育障碍，具有遗传性，其特征主要表现为重复的刻板行为、社交和沟通障碍、兴趣单一等。
关于ASD中出现的神经损伤的机制仍未完全清楚，但目前研究表明，其病理表现与神经元活动依赖性失调引起的突触发育和功能异常有关，包括兴奋性和抑制性突触比例的失衡。
海马体中兴奋性突触的减少受到MEF2转录活性的调节。研究发现，通过量化突触前后标记物的共定位，MEF2C条件性敲除的小鼠皮质锥体神经元的树突GABA能突触密度约是正常的3倍，同时神经元上的树突棘密度显著降低，证明MEF2C对兴奋性和抑制性突触的密度有直接或间接的调节作用。
MEF2活性的缺陷可在胚胎神经祖细胞发育早期出现，在NSCs中，MEF2C的敲除会产生一些类似ASD的神经发育缺陷。
4.FXS与MEF2
FXS是ASD常见的遗传形式之一，属于智力残疾遗传形式，常有焦虑、多动、认知障碍、社交恐惧等表现。
脆性X智障基因（FMR1）突变导致RNA结合蛋白FMRP的表达降低是其主要病理机制。
FMR1敲除小鼠和FXS患者表现出神经元树突棘异常增多，这种情况类似于敲除MEF2亚型所观察到的情况。
研究发现，MEF2的激活会导致野生型神经元中兴奋性突触数量的减少，但对于Fmr1敲除神经元则没有明显影响，这表明MEF2可能依赖于FMRP对突触数量产生影响。
FXS的某些病理生理和症状的形成可能与MEF2和FMRP靶mRNAs调控失调有关，MEF2蛋白是调控miRNAs子集转录的因素之一，miRNAs又与FMRP存在着调节相关mRNAs的蛋白质合成的相互作用。
5.其他
人类基因组相关研究（GWAS）和基于患者群体的基因组测序研究表明，MEF2是几种常见精神疾病的危险基因，包括额颞叶变性病、注意缺陷及多动障碍、精神分裂症等。
五、总结与展望
MEF2蛋白通过调节多个基因靶标的表达，在神经系统的发育和维持中起着关键作用。
MEF2s可以在关键时期调节活动依赖性突触重塑，并且与许多神经发育障碍和精神疾病的风险有关。
然而，对于MEF2基因控制大脑发育和功能机制的解释，还没有完备的理论支持。
此外，MEF2在其他脑细胞中的作用才刚刚开始被探索，如小胶质细胞和中间神经元群体。
MEF2蛋白可能是治疗多种疾病的潜在靶点，了解MEF2对大脑发育的各种贡献可能会揭示神经发育和功能的重要原则，对MEF2活化的机制及其下游靶点、特定信号通路病理和药理机制的更深研究，有助于常见精神障碍治疗策略的制订。
作者姓名、单位
来源：神经疾病与精神卫生 2022年10月20日第22卷第10期
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