周期依赖性激酶 5

CDK5 是细胞周期蛋白依赖性激酶家族的成员，在有丝分裂后中枢神经系统（CNS）神经元中显着表达（Magen 等人的总结，2015 年）。

▼ 克隆与表达
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p34（CDC2）蛋白激酶（ 116940 ）调节真核细胞周期中的重要转变。Meyerson 等人使用与 CDC2 保守区域相对应的简并引物对 HeLa 细胞 mRNA 进行 RT-PCR（1992）鉴定了编码 7 种新型人类蛋白激酶的 cDNA。根据与 CDC2 的保守 PSTAIRE 基序相对应的区域的氨基酸序列命名 cdc2 相关激酶的公认做法，他们将这些蛋白质中的一个命名为 PSSALRE。预测的 291 个氨基酸的 PSSALRE 蛋白与 CDC2 具有 57% 的同一性。通过 SDS-PAGE，体外转录/翻译产物的表观分子量为 31 kD。Northern印迹分析在所有测试的人类组织和细胞系中检测到PSSALRE表达。

▼ 基因功能
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细胞周期蛋白依赖性激酶 5 主要在神经元中表达，在那里它磷酸化高分子量神经丝（NEFH；162230 ）和微管相关蛋白 tau（ 157140 ）（Ohshima 等人，1995 年）。

CDK5 是哺乳动物中枢神经系统正常发育所必需的。要被激活，CDK5 必须与其调节亚基 p35（CDK5R1；603460）相关联。帕特里克等人（1999）表明 p25，p35 的截短形式，在阿尔茨海默病患者大脑的神经元中积累（ 104300）。这种积累与 CDK5 激酶活性的增加相关。与 p35 不同，p25 不容易降解，p25 与 CDK5 的结合组成性激活 CDK5，改变其细胞位置，并改变其底物特异性。在体内，p25/CDK5 复合物过度磷酸化 tau，这降低了 tau 与微管结合的能力。此外，p25/CDK5 复合物在培养的原代神经元中的表达诱导细胞骨架破坏、形态学变性和细胞凋亡。帕特里克等人（1999）得出结论，p35 裂解，随后 p25 积累，可能与神经退行性疾病中细胞骨架异常和神经元死亡的发病机制有关。

比伯等人（1999）证明 CDK5 可以在 threonine-75 处磷酸化 DARPP32（ 604399 ），将其转化为 PKA 抑制剂（参见176911）。

可卡因通过阻断轴突末端的多巴胺再摄取来增强多巴胺介导的神经传递。大多数含有多巴胺的神经末梢支配大脑纹状体中的中等多刺神经元。可卡因成瘾被认为部分源于通过对抗重复给药的影响来维持平衡的神经适应。长期接触可卡因会上调几种改变基因表达的转录因子，这可能会介导这种补偿性神经和行为变化。一个这样的转录因子是 δ-FosB（ 164772 ），这是一种在可卡因接触结束后很长时间内仍存在于纹状体中的蛋白质。比伯等人（2001）通过使用来自诱导型转基因小鼠的纹状体材料的 DNA 阵列分析，将 Cdk5 鉴定为 δ-FosB 的下游靶标。δ-FosB 或慢性可卡因给药的过度表达提高了纹状体中 Cdk5 mRNA、蛋白质和活性的水平。此外，将 Cdk5 抑制剂注射到纹状体中会增强重复可卡因给药的行为影响。比伯等人（2001）得出的结论是，由 δ-FosB 介导的 Cdk5 水平的变化，以及由此产生的涉及 D1 多巴胺受体的信号传导的改变，有助于大脑中与可卡因成瘾相关的适应性变化。

王等人（2003）表明，大鼠的短暂前脑缺血导致海马 CA1 锥体神经元细胞死亡。这些细胞的缺血导致 p25 增加，这与 CDK5 的长期激活有关。激活的 CDK5在 ser1232 位点磷酸化 NMDA 受体-2A 亚基（NR2A；138253），导致通过 NMDA 突触受体的电流活性增强。CDK5 或 CDK5 和 NR2A 之间相互作用的抑制保护 CA1 锥体细胞免受缺血性损伤。王等人（2003）得出结论，CDK5 对 NMDA 受体的调节是导致 CA1 锥体神经元缺血性损伤的主要细胞内事件。

在小鼠中，Smith 等人（2003）表明 MPTP（一种破坏黑质纹状体多巴胺能通路的毒素）的给药导致 cdk5 表达和活性的增加。cdk5 的抑制减弱了由 MPTP 引起的多巴胺能神经元的损失。史密斯等人（2003）表明 cdk5 可能是帕金森病中多巴胺能神经元变性的调节剂（ 168600 ）。

谢等人（2003）发现Cdk5 的Fak（PTK2; 600758 ）磷酸化对于培养的小鼠神经元中的微管组织、核运动和神经元迁移很重要。磷酸化 Fak 沿着与细胞核相邻的中心体相关微管叉富集。非磷酸化 Fak 突变体的过度表达导致微管叉的解体和体外核运动受损以及体内神经元定位缺陷。谢等人（2003）得出结论，FAK 的 CDK5 磷酸化通过调节对核易位很重要的微管叉对神经元迁移至关重要。

双皮质素（DCX; 300121 ）的磷酸化在大脑中受到发育调节，磷酸化对应于 p35 的表达，p35 是 CDK5 的主要激活亚基。田中等人（2004）发现 Dcx 在小鼠大脑发育过程中被 Cdk5 在 ser297 上磷酸化。磷酸化降低了 Dcx 对体外微管的亲和力，降低了其对聚合的影响，并将其从培养的神经元中的微管中取代。此外，ser297 的突变以类似于抑制 Cdk5 活性的方式阻止了 Dcx 对神经元迁移的影响。田中等人（2004）得出结论，CDK5 的 DCX 磷酸化通过对微管的影响来调节其对迁移神经元的作用。

在 β 细胞衍生的 MIN6 细胞和大鼠胰岛中，Wei 等人（2005）证明 CDK5 的抑制增强了高浓度葡萄糖刺激后的胰岛素分泌，并且 p35-null 小鼠也表现出响应葡萄糖挑战的胰岛素分泌增强。在β细胞中，CDK5抑制增加了的Ca（2+）跨越L型电压依赖性钙通道流入（参照CACNA1C; 114205）在具有高葡萄糖刺激，但有没有葡萄糖刺激没有影响。CDK5 对 β 细胞钙通道的抑制调节归因于 CACNA1C ser783 环 II-III 的磷酸化，这阻止了与 SNARE 蛋白的结合，随后导致通道活性降低。魏等人（2005）得出的结论是，CDK5 是调节胰腺 β 细胞中葡萄糖刺激的胰岛素分泌的信号级联反应的一部分。

金等人（2006）证明 Wave1（ 605035 ）在体外和完整小鼠神经元中被 Cdk5 在多个位点磷酸化。Cdk5 对 Wave1 的磷酸化抑制了其调节 Arp2/3 复合物（ 604221 ）依赖性肌节蛋白聚合的能力。体内或培养的神经元中 Wave1 功能的丧失导致成熟树突棘的减少。Wave1 的去磷酸化模拟突变体的表达逆转了脊柱形态中 Wave1 功能的这种丧失，但磷酸化模拟突变体的表达却没有。循环 AMP 信号降低了 Wave1 中 Cdk5 位点的磷酸化，并以依赖于 Wave1 的方式增加了脊柱密度。金等人（2006）得出结论，神经元中 WAVE1 的磷酸化/去磷酸化在丝状肌节蛋白细胞骨架的形成中具有重要作用，因此在树突棘形态的调节中具有重要作用。

Lalioti 等人使用小鼠 3T3-L1 脂肪细胞（2009）发现胰岛素激活的 Cdk5 磷酸化 Esyt1（ 616670 ），这在脂肪细胞分化过程中被诱导。与 Glut4 相关的磷酸化 Esyt1（SLC2A4；138190），这是一种被 CDK 抑制剂抑制的事件。Cdk5 的沉默抑制了 3T3-L1 脂肪细胞的葡萄糖摄取。拉里奥蒂等人（2009）得出结论，CDK5 参与调节脂肪细胞中胰岛素依赖的葡萄糖摄取。

崔等人（2010）表明，高脂肪喂养诱导的小鼠肥胖会激活脂肪组织中的蛋白激酶 CDK5。这导致ser273 位点的核受体 PPARG（ 601487 ）磷酸化，PPARG是脂肪生成和脂肪细胞基因表达的主要调节因子。PPARG 的这种修饰不会改变其脂肪生成能力，但会导致大量基因的失调，这些基因的表达在肥胖症中发生改变，包括胰岛素致敏脂肪因子脂联素的表达降低（ 605441））。CDK5 对 PPARG 的磷酸化被抗糖尿病 PPARG 配体如罗格列酮和 MRL24 阻断。这种抑制作用在体外和体内都起作用，并且完全孤立于经典的受体转录激动作用。同样，罗格列酮对肥胖患者 PPARG 磷酸化的抑制与该药物的抗糖尿病作用密切相关。崔等人（2010）得出的结论是，所有这些发现强烈表明 Cdk5 介导的 PPARG 磷酸化可能参与胰岛素抵抗的发病机制，并为通过 PPARG 开发新一代抗糖尿病药物提供了机会。

崔等人（2011）描述了新的合成化合物，它们具有独特的 PPARG 结合模式，完全缺乏经典的转录激动作用，并在培养的脂肪细胞和胰岛素抵抗小鼠中阻断 CDK5 介导的磷酸化。此外，一种这样的化合物 SR1664 具有有效的抗糖尿病活性，而不会导致液体潴留和体重增加，这是许多 PPARG 药物的严重副作用。此外，与噻唑烷二酮不同，SR1664 不会干扰培养中的骨形成。崔等人（2011）得出的结论是，可以通过专门针对 CDK5 介导的 PPARG 磷酸化来开发新类别的抗糖尿病药物。

在小鼠中，Dorand 等人（2016）证明 Cdk5 允许成神经管细胞瘤逃避免疫消除。干扰素-γ（IFNG；147570 ）诱导的 Pdl1（ 605402 ）对髓母细胞瘤的上调需要 Cdk5，并且在髓母细胞瘤的小鼠模型中 Cdk5 表达的破坏导致有效的 CD4+ T 细胞介导的肿瘤排斥。Cdk5 的缺失导致 Pdl1 转录抑制因子、干扰素调节因子 Irf2（ 147576 ）和 Irf2bp2（ 615332 ）的持续表达，这可能导致 Pdl1 在肿瘤上的表达降低。

▼ 基因结构
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大岛等人（1995）克隆了小鼠 cdk5 基因并确定它在大约 5 kb 的区域中包含 12 个外显子。

▼ 测绘
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通过荧光原位杂交，Demetrick 等人（1994）将 CDK5 基因定位到染色体 7q36。大岛等人（1995）通过种间回交作图将小鼠 cdk5 分配到小鼠 5 号染色体的着丝粒区域。

▼ 分子遗传学
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在一个高度血缘的以色列穆斯林家庭的 4 名受影响的成员中，该家庭患有致命的常染色体隐性无脑回-7 并伴有小脑发育不全（LIS7; 606342 ），Magen 等人（2015）在 CDK5 基因（ 123831.0001 ）中发现了纯合剪接位点突变，导致过早终止和功能完全丧失。

▼ 动物模型
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大岛等人（1996）产生了 Cdk5-null 小鼠并发现它们在中枢神经系统中表现出与围产期死亡率相关的独特病变。Cdk5-null 小鼠的大脑缺乏皮质层状结构和小脑叶理。此外，脑干和脊髓中的大神经元显示出随着神经丝免疫反应性积累而发生的染色质变化。作者得出结论，Cdk5 是大脑发育和神经元分化的重要分子，并表明 Cdk5 可能在神经元细胞骨架结构和组织中发挥关键作用。

Nguyen 等人使用免疫组织化学和免疫印迹实验（2001）发现SOD1（G37R）转基因小鼠的脊髓中 Cdk5 活性和 p25/p35（参见603460）比率异常升高（参见147450.0001），肌萎缩侧索硬化症的小鼠模型（ALS；105400）。Nguyen 等人使用具有不同 SOD1（G37R）表达水平的不同转基因小鼠品系（2001）观察到 Cdk5 活性与转基因小鼠寿命之间的相关性。双免疫荧光显微镜证实 Cdk5 和 p25 与 SOD1（G37R）突变小鼠中的核周神经丝积累共定位在神经丝突变背景上。阮等人（2001）假设运动神经元中神经丝蛋白的核周积累可以通过充当 Cdk5 活性的磷酸化槽来减轻 SOD1（G37R）小鼠的 ALS 发病机制，从而减少 tau 和其他神经元底物的有害过度磷酸化。

Cdk5 对中枢神经系统的正常发育至关重要，它也与成人中枢神经系统的许多复杂功能有关，例如突触传递、突触可塑性和神经元信号传导。为了阐明 Cdk5 在成人中枢神经系统中的分子作用，Hirasawa 等人（2004）使用 Cre-loxP 系统消除围产期小鼠中 Cdk5 的神经元表达。将 Cdk5-loxP 侧翼小鼠与 Cre 转基因小鼠杂交，其中 Cre 表达由 Nefh 启动子驱动，从而产生存活的 Cdk5 条件性敲除小鼠，并在胚胎第 16.5 天左右开始在特定神经元中限制性删除 Cdk5 基因. 携带杂合 Cre 等位基因的 Cdk5 条件敲除小鼠中有 25% 的神经元迁移缺陷仅限于大脑区域，在这些区域，神经元迁移持续到围产期。结果表明，成熟神经元中 Cdk5 表达的废除产生了一个可行的小鼠模型，该模型能够研究 Cdk5 在成人中枢神经系统中的分子作用。

傅等人（2005）发现在 Cdk5 缺陷小鼠骨骼肌中Erbb2（ 164870 ）和 Erbb3（ 190151 ）磷酸化和 Erbb2 激酶活性降低。此外，Cdk5-null 小鼠在突触前和突触后神经肌肉接头处表现出形态异常，肌内神经投射表现出大量和异常的分支模式。乙酰胆碱受体聚集也异常。这些异常伴随着 Cdk5-null 隔膜中微型终板电位的频率升高。傅等人（2005）得出结论，CDK5 调节运动轴突和神经肌肉突触的发育。

帕里克等人（2006）发现 Cdk5 和 p35 在小鼠背根神经节的初级传入痛觉 C 纤维中高表达。周围神经炎症的诱导导致 Cdk5、p35 和 p25 的水平增加。P35-null 小鼠对疼痛的热刺激表现出延迟反应，而与对照相比，过表达 p35 的转基因小鼠对疼痛刺激过敏。帕里克等人（2006）得出结论，Cdk/p35 在初级传入痛觉信号中起作用。

班克斯等人（2015）创造了在脂肪组织中特异性消融 Cdk5 的小鼠。这些小鼠在丝氨酸 273 处的PPAR-γ（PPARG; 601487 ）磷酸化异常增加，胰岛素抵抗恶化。无偏见的蛋白质组学研究表明，ERK 激酶在这些基因敲除动物中被激活。班克斯等人（2015）证明 ERK（参见601795）以稳健的方式直接磷酸化 PPARG 的丝氨酸 273，并且 Cdk5 通过直接作用于 MAP 激酶/ERK 激酶（MEK；参见176872）中的新位点来抑制 ERK 。MEK 和 ERK 的药理学抑制显着改善了肥胖野生型小鼠和 ob/ob 小鼠的胰岛素抵抗（见164160），并且还完全逆转了 Cdk5 消融的有害影响。班克斯等人（2015）得出的结论是，这些数据表明 ERK/CDK5 轴控制 PPARG 功能，并表明 MEK/ERK 抑制剂可能有望治疗 2 型糖尿病。

▼ 等位基因变体（ 1 选定示例）：
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.0001 无脑回 7 伴小脑发育不全（1 个家族）
CDK5、IVS8DS、GA、+1
在 4 名患有致命常染色体隐性无脑回-7 并伴有小脑发育不全（LIS7; 616342 ）的高度血缘以色列穆斯林家庭的受影响成员中，Magen 等人（2015）在 CDK5 基因（IVS8+1G-A）的内含子 8 中发现了纯合 G-to-A 转换（g.2634G-A，GRCh37），导致外显子 8 跳过和过早终止（Val162SerfsTer19）。该突变是通过纯合子映射和全外显子组测序的组合发现的，与家族中的疾病分离，并且在 200 名种族匹配的对照中未发现。患者细胞的突变 mRNA 数量减少，这与无义介导的 mRNA 衰变一致，以及检测不到 CDK5 蛋白水平，表明功能完全丧失。酵母中的互补研究表明，突变蛋白无法挽救没有同源 Pho85 基因的酵母的生长缺陷。