JIP3蛋白结构及生理功能研究

段 珊

(济宁医学院生物科学学院,山东 日照 276826)

JNK相互作用蛋白3(JIP3)蛋白作为JIP家族的一名成员，最初被认为是c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-teminal kinase,JNK)信号通路中的支架蛋白能够与各级JNK级联分子相互作用并调节JNK信号通路的激活[1-3]。近年来,随着研究的深入,陆续发现JIP3蛋白具有在胞浆运输中衔接运载物和驱动蛋白的作用[4-9]、介导酪氨酸激酶B(tyrosine kinase receptor,TrkB)受体顺轴突转运的作用[10]以及调节神经元轴突生长[11]的作用。

1 JIP3蛋白分子结构研究进展

1.1 分子克隆和序列分析

在研究与JNK信号通路蛋白的相互作用蛋白时，利用JNK1作为诱饵进行酵母双杂交实验，发现了2个能够与JNK1相互作用而不与细胞外信号调节激酶2相互作用的克隆。通过测序发现这2个克隆的重叠区域对应于一段互补DNA(cDNA)序列，并将其命名为JNK相互作用蛋白3简称JIP3[1]。从小鼠心脏CDNA文库和小鼠大脑CDNA文库中分离出的最大的JIP3cDNA克隆分别为JIP3a(5442bp)和JIP3b(5512bp)。序列分析表明这2个cDNA克隆本质上基本相同，但是JIP3b有2处长度分别为18和27个碱基的插入因此比JIP3a长。此外，JIP3a的第376位的苯丙氨酸在JIP3b中被亮氨酸所代替。JIP3a和JIP3b可能是同一个基因的转录子在不同的剪切过程中形成的[1]。具体结构示意图见图1。

序列分析表明在JIP3蛋白的氨基末端有JNK结合区域、几个螺旋卷曲环状的预测功能区域以及一个亮氨酸拉链结构的功能区域，而这几个功能区也陆续被发现作为与其它蛋白的结合区域而发挥作用,具体见图1。

不同的方式分别代表JIP3蛋白中的功能结构域：螺旋卷曲区域、JNK接合区以及亮氨酸拉链区

图1 JIP3蛋白结构示意图

1.2 JIP3蛋白的表达

通过检测：JIP3信使RNA在小鼠脑中表达最高，在心脏和其他组织中表达较低，且在鼠脑中广泛表达[1,12-13]。而在神经元细胞中，JIP3蛋白主要分布在核周区域和神经突起的末梢和生长锥中[10]。

1.3 JIP3蛋白在周围神经中的运输

在外周神经系统中,坐骨神经结扎实验表明：JIP3蛋白既能够进行顺向转运也能够进行逆向转运[10]。而在机体受到损伤时，JIP3蛋白更倾向于和负责逆向运输动力蛋白激活蛋白(dynactin)结合，导致逆向运输的净增长[14]。这种运输方式会影响到其运载物的运输方向及后续生理功能。

2 JIP3蛋白生理功能研究进展

2.1 促进JNK信号通路的激活

JIP3蛋白与MAPK信号通路各级都发生相互作用,其中包括JNK、MAPK激酶(MKK7)以及MAPK激酶(MLK3)[1]。而JIP3蛋白本身分子量较大，那么可以认为JIP3蛋白作为一种大的支架蛋白,既能与各级激酶结合且提供一个场所来促进JNK信号通路的激活。免疫共沉淀试验表明:JIP3 能够与JIP家族其他成员如JIP1/JIP2形成寡聚体来发挥作用,且JIP3的N端的环状区即是结合部位[1,3]。

2.2 作为衔接蛋白连接驱动蛋白以及其运载物

目前已知：在神经元这种高度极化的细胞中进行的物质转运根据其运输方向可以分为顺向转运(由微管负极端向正极端的转运)和逆向转运(由微管正极端向负极端的转运)，其中顺向转运是由驱动蛋白kinesin-1介导的[15-18]。驱动蛋白kinesin-1由2条重链2条轻链组成：头部具有ATP结合部位和微管结合部位，另一端是驱动蛋白重链和轻链组成的扇形尾端[15]。多项研究证实：JIP3蛋白通过其亮氨酸拉链区与驱动蛋白kinesin-1 的轻链的TPR区域直接结合[1,10]，又通过其它结合区域与一些跨膜分子等结合[1,9-10]，这种结合作用导致了JIP3蛋白及其运载的蛋白可以通过驱动蛋白kinesin-1进行顺向转运。在线虫和果蝇中对JIP3蛋白的同源异构体syd和UNC-16进行基因敲除后,发现其囊泡顺向转运的量减少[5,19-20],同样也证实JIP3蛋白可以作为衔接蛋白衔接驱动蛋白及其运载物。

2.3 特异性介导TrkB受体顺轴突转运并能增强其配体脑源性神经营养因子(brain-derived neurothrophic factor,BDNF)的信号转导效应

研究表明：JIP3蛋白能够与神经营养因子受体TrkB结合并介导其依赖于驱动蛋白kinesin-1的顺轴突转运(见图2)[10]，在体外培养的神经元中增强JIP3蛋白的表达能够显著提高TrkB受体的顺轴突转运量进而增强其配体BDNF的信号转导效应；反之亦然：干扰掉JIP3蛋白的表达后，TrkB受体的顺轴突转运量随之显著减少，活细胞工作站中观察到神经元中顺轴突转运的TrkB受体减少

JIP3蛋白作为链接蛋白一端与驱动蛋白kinesin-1的轻链结合;另一端与TrkB受体的近膜区结合，介导其特异性的顺轴突转运

图2 JIP3蛋白特异性介导TrkB受体顺轴突转运

而静止的TrkB受体增多，其配体BDNF的信号转导效应减少或消失[10]。有意思的是：增加或减少JIP3蛋白的表达量对于树突中的顺向转运没有影响。

2.4介导激活的JNK 以及溶酶体的逆向运输

众所周知，高度极性的神经元中的长轴突转运包括顺向转运和逆向转运。而逆向转运的顺利进行需要动力蛋白(dynein)和其运载物之间的精确识别和配对。最近研究发现:JIP3蛋白可以作为衔接蛋白介导激活的JNK 以及溶酶体的逆向运输[14]。将斑马鱼的JIP3基因敲除后，发现其轴突末梢严重肿胀,其中主要是大量激活的JNK 以及溶酶体。其机制主要是由于JIP3基因敲除后,激活的JNK 以及溶酶体的逆向运输的频率明显降低而顺向运输频率不变,这样这些运载物就被源源不断地运向轴突末梢而不能被运送回胞体最终造成了轴突末梢的高度肿胀。在加入缺乏JNK结合区域的JIP3蛋白后,磷酸化的JNK仍然堆积在轴突末梢不能正常输送回胞体,说明JNK与JIP3蛋白的相互作用一旦被破坏,磷酸化的JNK的逆向转运就不能顺利进行[14]。研究表明:JIP3蛋白对于激活的JNK 以及溶酶体的逆向运输是必不可少的,同样说明JIP3蛋白事实上作为一种衔接蛋白介导这些运载物和dynein之间的连接。

2.5 调节神经元轴突生长作用

神经元的高度极性是大脑中神经环路的精确传导的基本要素。研究人员发现:JIP3蛋白在轴突发育的关键时期在轴突末梢高度表达[11]。在体外培养的海马和皮层神经元中提高或者降低JIP3蛋白的表达能够相应增强或者减弱神经元轴突的生长，这表明JIP3蛋白可以促进神经元轴突的生长[11]。研究还发现:JIP3蛋白被驱动蛋白kinesin成功地运输到轴突末梢是附近JNK磷酸化完成的前提条件,而轴突末梢激活的JNK通过调节肌动蛋白解聚因子(cofilin)的活性以及调节微丝的运动来促进轴突末梢的延长。简而言之，JIP3蛋白通过与驱动蛋白kinesin-1的轻链结合被运输到轴突末端，进而增强JNK信号通路及cofilin的活性以及调节微丝的运动，从而促进轴突的生长[11]。

2.6 在大脑发育过程中的作用

JIP3基因敲除的小鼠生下不久就因为不能呼吸而死亡，显微解剖分析发现其连接左右大脑半球的端脑联合形成缺陷[21-22]；说明JIP3蛋白的正常表达对于大脑端脑联合的形成是必不可少的,其机制可能与JIP3蛋白对于MLK信号通路其作用有关[21]。已往研究表明:神经特异性的混合性谱系激酶(MLK)通过在大脑发育过程中激活JNK信号通路调节神经元骨架活动从而促进端脑联合的形成的。而JIP3蛋白由于其激活JNK作用也成为大脑发育中端脑联合形成的必要条件。而缺乏JIP3蛋白表达造成的端脑联合缺陷，在体内表达的同家族成员JIP1后可以被部分纠正，也说明了JIP3蛋白家族在大脑发育中的关键作用[22]。

3 结语

本文对JIP3蛋白的分子结构及生理功能2个方面的研究进展进行了综述。分子结构上主要介绍了其序列、结构域以及在体内的表达和分布；生理功能方面主要阐述了其作为支架蛋白促进JNK信号通路的激活、作为衔接蛋白连接驱动蛋白以及其运载物、特异性介导TrkB受体顺轴突转运并能增强其配体BDNF的信号转导效应、介导激活的JNK 以及溶酶体的逆向运输、调节神经元轴突生长作用以及在大脑发育过程中的作用。作为一个近年来研究的热点蛋白，JIP3蛋白的功能尚未完全明确，值得进行下一步的深入研究；由于其在神经系统中起到的重要作用，也许不久的将来JIP3蛋白会出现在神经系统疾病的分子生物学治疗当中。

[1] Kelkar N,Gupta S,Dickens M,et al.Interaction of a mitogen-activated protein kinase signaling module with the neuronal protein JIP3[J].Mol Cell Biol,2000,20(3):1030-1043.

[2] Takino T,Nakada M,Miyamori H,et al.JSAP1/JIP3 cooperates with focal adhesion kinase to regulate c-Jun N-terminal kinase and cell migration[J].J Biol Chem,2005,280(45):37772-37781.

[3] Whitmarsh A J.The JIP family of MAPK scaffold proteins[J].Biochem Soc Trans,2006,34(Pt 5):828-832.

[4] Fu M M,Holzbaur E L.Integrated regulation of motor-driven organelle transport by scaffolding proteins[J].Trends Cell Biol,2014,24(10):564-574.

[5] Zheng Q,Nonet M L.UNC-16/JIP3/sunday driver:a new cop on the organelle highway[J].Genetics,2013,194(1):35-37.

[6] Hammond J W,Griffin K,Jih G T,et al.Co-operative versus independent transport of different cargoes by Kinesin-1[J].Traffic,2008,9(5):725-741.

[7] Verhey K J,Meyer D, Deehan R,et al.Cargo of kinesin identified as JIP scaffolding proteins and associated signaling molecules[J].J Cell Biol,2001,152(5):959-970.

[8] Arimoto M,Koushika S P,Choudhary B C,et al.The Caenorhabditis elegans JIP3 protein UNC-16 functions as an adaptor to link kinesin-1 with cytoplasmic dynein[J].J Neurosci,2011,31(6):2216-2224.

[9] Koushika S P.“JIP”ing along the axon:the complex roles of JIPs in axonal transport[J].Bioessays,2008,30(1):10-14.

[10] Huang S H,Duan S,Sun T,et al.JIP3 mediates TrkB axonal anterograde transport and enhances BDNF signaling by directly bridging TrkB with kinesin-1[J].J Neurosci,2011，31(29):10602-10614.

[11] Sun T,Yu N,Zhai L K,et al.c-Jun NH2-terminal kinase (JNK)-interacting protein-3 (JIP3) regulates neuronal axon elongation in a kinesin-and JNK-dependent manner[J].J Biol Chem,2013,288(20):14531-14543.

[12] Akechi M,Ito M,Uemura K,et al.Expression of JNK cascade scaffold protein JSAP1 in the mouse nervous system[J].Neurosci Res,2001,39(4):391-400.

[13] Miura E,Fukaya M,Sato T,et al.Expression and distribution of JNK/SAPK-associated scaffold protein JSAP1 in developing and adult mouse brain[J].J Neurochem,2006,97(5):1431-1446.

[14] Drerup C M,Nechiporuk A V.JNK-interacting protein 3 mediates the retrograde transport of activated c-Jun N-terminal kinase and lysosomes[J].PLoS Genet,2013,9(2):e1003303.

[15] Abe N,Almenar-Queralt A,Lillo C,et al.Sunday driver interacts with two distinct classes of axonal organelles[J].J Biol Chem,2009,284(50):34628-34639.

[16] Guzik B W，Goldstein L S.Microtubule-dependent transport in neurons:steps towards an understanding of regulation,function and dysfunction[J].Curr Opin Cell Biol,2004,16(4):443-450.

[17] Verhey K J,Hammond J W.Traffic control:regulation of kinesin motors[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2009,10(11):765-777.

[18] Butowt R,von Bartheld C S.Conventional kinesin-I motors participate in the anterograde axonal transport of neurotrophins in the visual system[J].J Neurosci Res,2007,85(12):2546-2556.

[19] Cavalli V,Kujala P,Klumperman J,et al.Sunday Driver links axonal transport to damage signaling[J].J Cell Biol,2005,168(5):775-787.

[20] Edwards S L,Yu S C,Hoover C M,et al.An Organelle Gagekeeper Function for Caenorhabditis elegans UNC-16(JIP3) at the Axon Initial Segment[J].Genetics,2013,194(1):143-161.

[21] Kelkar N,Delmotte M H,Weston C R,et al.Morphogenesis of the telencephalic commissure requires scaffold protein JNK-interacting protein 3 (JIP3)[J].Proc Natl Acad Sci USA,2003,100(17):9843-9848.

[22] Ha H Y,Cho I H,Lee K W,et al.The axon guidance defect of the telencephalic commissures of the JSAP1-deficient brain was partially rescued by the transgenic expression of JIP1[J].Dev Biol,2005,277(1):184-199.