Epac是近年来新发现的分子，单独或与PKA联合接受cAMP的作用。Epac在体内广泛分布，也导致其功能的多样性。研究发现，Epac在精神分裂症、阿尔兹海默综合征、自闭症等神经系统疾病中扮演重要作用。本文从Epac的分布、结构和功能以及与神经系统疾病的相关性作一综述。
Epac与神经系统疾病的相关性研究进展
刘 静 陶欣荣 杨 辉 张荣波△
安徽理工大学医学院医学前沿实验中心，安徽 淮南 232001
基金项目：国家自然科学基金(81471161)
作者简介：刘静，硕士在读，Email：993359152@qq.com
△通信作者：张荣波，教授，硕士生导师，Email：zhangrb3060@sina.com
【摘要】 Epac是近年来新发现的分子，单独或与PKA联合接受cAMP的作用。Epac在体内广泛分布，也导致其功能的多样性。研究发现，Epac在精神分裂症、阿尔兹海默综合征、自闭症等神经系统疾病中扮演重要作用。本文从Epac的分布、结构和功能以及与神经系统疾病的相关性作一综述。
【关键词】 Epac；Epac1；Epac2；精神分裂症；阿尔兹海默综合征；自闭症
【中图分类号】 R74 【文献标识码】 A 【文章编号】 1673-5110(2018)09-1041-04 DOI：10.12083/SYSJ.2018.09.260
Research progress on the relationship between Epac and nervous system diseases
LIU Jing，TAO Xinrong，YANG Hui，ZHANG Rongbo
Frontier Test Center，Medical College of Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China
【Abstract】 Epac is a newly discovered molecule in recent years，either alone or in conjunction with the PKA to accept the role of cAMP.Epac is widely distributed in the body，which also leads to the diversity of its functions.It has been found that Epac plays an important role in the neurologic diseases such as schizophrenia，Alzheimer's disease and autism.This article reviews the distribution，structure and function of Epac and the correlation with the disease of the nervous system.
【Key words】 Epac；Epac1；Epac2；Schizophrenia；Alzheimer's disease；Autism
cAMP直接激活的交换蛋白(exchange protein directly activated by cAMP，Epac)也称cAMP-鸟嘌呤交换因子(cAMP-GEF)。1998年，由DE ROOIJ等[1]首次发现。同年，Epac的两种异构体被发现，即Epac1(cAMP-GEF-Ⅰ)和Epac2(cAMP-GEF-Ⅱ)[2]。Epac作为cAMP的胞内受体，可以单独或与PKA联合接受cAMP作用。在中枢神经系统，Epac参与多种疾病的病理生理过程，包括精神分裂症、阿尔兹海默综合征、自闭症等。我们回顾了Epac与神经系统相关性的研究进展和动物实验结果，以Epac为靶点研究新的药物，可作为几种神经系统疾病新的治疗方法。
1 Epac的分布
Epac有两种亚型Epac1和Epac2。Epac1在体内分布广泛，主要在心脏、血管、肾、肺、脂肪组织、中枢神经系统、子宫等组织中表达。Epac2A、Epac2B以及Epac2C是Epac2的3种剪切变异体，其中Epac2A主要分布在胰腺、中枢神经系统以及内分泌组织，Epac2B则主要分布在肾上腺，而Epac2C主要在肝脏中表达。在亚细胞结构中，Epac1分布在细胞核周，Epac2A主要在细胞质中。PARNELL等[3]的实验也证实了这一点，将Epac1-HA或Epac2A-HA转染到HEK293T细胞中，通过免疫荧光共聚焦显微镜观察发现Epac1在核膜集聚，Epac2A则均匀分布在整个细胞。
2 Epac的结构和功能
2．1 Epac的结构 Epac的异构体Epac1和Epac2拥有相似的结构特点，由C端的催化域和N端的调节域共同构成的一种多结构域的蛋白。C端的催化域携带CDC25域，通过REM及RA域稳定空间结构。REM域能够将GDP转化为GTP，RA域则可将CDC25域与REM域分离开。N端的调节域包括膜锚定蛋白DEP域和高亲和力的cAMP-B域。DEM域主要作用在于调节Epac1重新分布到质膜上，这一过程中cAMP-B域起辅助作用，进一步提高了Epac1质膜定位的准确性。此外，通过对Epac2基因敲出的小鼠重新导入外源的Epac2发现，Epac2A主要存在于胰岛细胞的质膜附近，而Epac2B主要在细胞质中，单独将cAMP-A域导入细胞后也定位在质膜附近[4]，进一步证明了N端 cAMP-A域在亚细胞定位的过程中也发挥了重要的作用。Epac1和Epac2两者结构的差异主要在于Epac2的N末端有环状核苷酸结合域(cyclic nucleotide-binding domain，CNBD)[5]，CNBD1能够降低环磷腺苷的亲和力 。
2．2 Epac的功能 Epac在体内的广泛分布导致其功能的多样性。神经系统中Epac可以增强突触的传递，参与调节神经递质的释放[6]。Epac联合PKA协同作用诱导神经元的分化[7]，cAMP/Epac信号通路加强脑内出血的的炎症反应[8]。另外，Epac1能够抑制肝星状细胞的增殖[9-10]，从而进一步抑制或逆转肝纤维化的过程。Epac2A缺失引起的葡萄糖刺激胰岛β细胞分泌胰岛素受损[11]，GLP-1受体激动剂利拉鲁肽和格列美脲合用会降低胰岛素分泌，而Epac2A(＋/＋)小鼠的胰岛素分泌增强[12]。激活的Epac1可以减弱离体培养内皮细胞的渗透性，Epac1的选择性激动剂能够减轻血管炎症反应。此外，Epac参与了癌细胞的迁移[13]，敲除Epac能够抑制卵巢癌细胞的增殖[14]。除上述功能外，Epac还参与细胞内的多种反应，如钙离子的触发、胞吐、细胞连接的形成等。近年来有研究发现，T细胞Epac1缺失可以导致SMAD7蛋白水平增加，减少SMAD4的表达同时能够抑制SMAD2的磷酸化以应对TGFβ1的治疗[15]。
3 Epac与神经系统疾病的相关性
3．1 Epac与精神分裂症 精神分裂症是一种多因素引起的破坏性精神类疾病，常表现为幻觉、精神错乱、社交退化、情感扁平化等。cAMP级联反应可以调控一系列中枢神经系统过程，cAMP主要通过刺激环核苷酸门控通道(CNGC)、PKA以及Epac参与机体活动[16-17]。虽然对PKA做了很多研究，但目前对Epac在中枢系统的功能了解甚少，但有相关研究表明，cAMP的下游分子Epac可能与精神分裂症有关，主要通过调节整合素和Gas蛋白影响精神分裂症的病理过程。
Epac/Rap1信号通路可以激活整合素信号传递诱导整合素介导的细胞黏附，阻断整合素信号传递与精神分裂症密切相关。有学者发现，在Ovcar3 细胞中加入Epac激动剂后，贴壁细胞的百分比上升明显，细胞的黏附力增强[18]。整合素是细胞黏附分子，在大脑发育和维持大脑功能中扮演至关重要的角色。细胞黏附分子基因的点突变可能会改变配体的结合，从而增加精神分裂症的易患性。日本科学家SUPRIYANTO等[19]选择中枢神经系统中细胞黏附分子的15个基因位点检测其与278例精神病患者和284名正常人的关联性，发现ITGA8基因(整合素基因)与精神分裂症密切相关。有学者研究发现，缺乏整合素信号传递的小鼠将导致精神分裂症的相关表型[20]。由此我们推断，Epac/Rap1信号通路通过介导细胞黏附的过程，从而进一步促进或抑制精神分裂症的发生、发展。
Epac能够调控Gas蛋白。Gas是G蛋白的亚单位，Gas在体内过表达将导致成人精神分裂症的相关表型，表现为惊反射的前脉冲抑制实验(prepulse inhibition of acoustic startle，PPI)异常。AVISSAR等[21]通过分析正常人与未经治疗的精神分裂症患者的单核细胞后发现，精神分裂症患者的Gas信号通路明显提高。以此为基础，KELLY等[22]通过转基因技术建立动物模型使Gas在小鼠体内过表达，与对照组相比，Gas组小鼠PPI明显偏低。通过检测转基因小鼠海马齿状回、CA1区等脑区Gas mRNA的表达水平明显提高，进一步检测后发现，在Gas过表达的小鼠海马皮质、海马、前额皮质cAMP水平显著下降。cAMP水平的下降进而引发对下游分子Epac的激活减少。治疗精神病的药物均可提高C57BL/6J的 PPI，通过使用Epac的激动剂8-pCPT-2’-O-Me-cAMP明显提升了PPI，说明Epac在精神分裂症是一个关键的靶点。
3．2 Epac与阿尔兹海默综合征 阿尔兹海默综合征(Alzheimer's disease，AD)是临床常见的一种与年龄有关的神经退行性疾病，发病早期较为明显的症状主要是记忆力减退并伴大脑神经元的变性，进而逐步发展为自理能力及认知功能障碍，引起严重的痴呆，最终导致患者死亡。
Epac通过调控miR-124在AD过程中起重要作用。在AD患者前额皮质中，Epac1上调，Epac2下调。在神经炎症小鼠模型中发现Epac1蛋白的表达量上升。大量流行病学、临床医学已表明，散发性AD是由慢性脑灌注不足导致的血管障碍。微小RNA(miRNA)是低氧应激反应的理想介质，促进细胞对长期低氧的适应。AD患者脑中miR-124表达下降[23]。Epac能够抑制miR-124的转录，主要通过激活Ras样小GTP酶Rap1或Rap2。将Epac(＋/＋)或Epac(－/－)神经元(DIV16)分别用20 mmol/L 8-pCPT-Me-cAMP处理6 h后，Epac(＋/＋)组明显减少了miR-124的转录(P＜0.01)[24]。在慢性脑灌注不足的情况下，miR-124下调可通过Epac/Rap1通路的激活。ZHANG等[25]发现，在慢性脑灌注不足动物模型中，术后90 d后与假手术组相比，海马内Epac1和Epac2分别上升了1.5倍和4倍，Rap上升了30%。另外，在体外培养的神经干细胞中加入Epac激动剂，6 h后检测Rap1的活性上升了30%，而miR-124的表达下降到22%。也有研究发现，Epac可以通过控制miR-124影响小鼠的空间记忆和社会交往[24]。因此，阻断Epac/Rap1信号通路，可能减缓AD的发病进程，减慢记忆力损伤，缓解临床症状。
近来，有学者研究发现，在东莨菪碱导致的痴呆模型中，通过Epac/miR-124/Egr1信号通路调控褪黑素合成，进而减轻突触紊乱[26]。AD患者血清中褪黑素水平下降，补充褪黑色素能够逆转AD的病理和记忆力缺陷。Epac/Rap1通路和Epac/miR-124/Egr1信号通路调节miR-124在AD发病过程中发挥作用，但其具体的机制仍不清楚。
3．3 Epac与自闭症 自闭症多见于儿童，常见症状为社会交往、语言交流和重复行为的缺陷，是一种包括遗传因素在内的由多种不明原因引起的神经发育障碍，近年来发病率稳步增长[27]。也有报道发现，母亲免疫力的激活也会增加儿童自闭症的风险和严重程度[28]。
异常的突触功能及树突结构的减少导致神经元发育障碍，是自闭症病因的一个重要组成部分。Epac2罕见的编码变异能够引起自闭症，DEEPAK等[29]通过对孕C57BL小鼠子宫内的胚胎进行电穿孔使2/3层处的皮质神经元的Epac2被敲出，损伤Epac2与Ras之间的相互作用，影响Ras-Epac2-Rap通路，从而减少了基底树突的结构，选择性减少皮质锥体基底树突的复杂性。HUTSLER等[30]研究发现，在自闭症患者脑组织皮质2/3层的皮质神经元顶端树突的数量增加，揭示了顶端树突的数量与认知的功能成反比。这些发现提示，Epac2能够调节皮质神经元2/3层神经元的树突结构，进而影响自闭症的发病进程。
4 结语
神经系统疾病一直是现代医学治疗的难点，给人们的正常生活带来了重大压力及经济损失。但关于Epac与神经系统的相关性研究近年来还较少，Epac作为cAMP下游重要分子，可能在精神分裂症、阿尔兹海默综合征、自闭症等多种神经系统疾病起着重要作用。Epac功能的多样性增加了我们的研究兴趣，但其在神经系统疾病方面的具体发病机制还不十分清楚。对Epac的深入研究，尤其是Epac对神经元突触结构的影响及机制研究，为解决神经系统疾病治疗的难点提供有效的治疗靶点和途径。
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(收稿2018-02-18 修回2018-03-22)
本文编辑：夏保军
本文引用信息：刘静，陶欣荣，杨辉，张荣波．Epac与神经系统疾病的相关性研究进展[J]．中国实用神经疾病杂志，2018，21(9)：1041－1044.DOI：10.12083/SYSJ.2018.09.260
