β淀粉样蛋白与阿尔茨海默病的研究进展

淀粉样蛋白与阿尔茨海默病的研究进展 摘要 阿尔茨海默病是老年人常见的神经系统变性疾病 是痴呆中最常见的一 种类型 发病机制尚不明确 微管相关蛋白 tau 异常学说认为 tau 蛋白具有合 成和稳定神经元细胞的作用 老年痴呆病人该蛋白总量显著增加 且增以异常 过度磷酸化形式为主 AB 毒性学说认为该病是一种淀粉样变性病 它由膜内淀 粉样前体蛋白的异常水解和错误的折叠所致 基因突变学说认为 21 号染色体上 APP 基因和 14 号染色体上的早老素 1 基因突变导致该病 目前认为 淀粉样 蛋白的异常沉积是阿尔茨海默病主要发病机制之一 这里就目前 淀粉样蛋白 与阿尔茨海默病的研究进展作一综述 关键词 淀粉样蛋白 阿尔茨海默病 tau 蛋白 Progress of amyloid protein way in Alzheimer s disease Gen Yu Zhou Yan Abstract objective Alzheimer s disease which is a neurological degenerative disease is common to the old and the one of the most common types of stupid The pathogenesis of this disease is still not clear the theory of tiny tubes related proteins tau abnormal think that tau protein have the function of synthesis and stable nerve cells Alzheimer s patients this protein is significantly increased And with the abnormal excessive phosphorylation form The theory of AB toxicity think is a kind of amyloidosis disease It caused by precursor protein hydrolysis in the amyloid and abnormal folding The theory of gene mutations think that APP genes on 21 chromosome and early old element 1 on14 chromosome mutations lead to this disease Now amyloid protein is thought one of the main pathogenesis here I summarize the research progress of amyloid protein and Alzheimer s disease in this review Keywords amyloid protein Alzheimer s disease Tau protein 阿尔茨海默病 Alzheimer s disease AD 亦称老年性痴呆症 是一种常见 的中枢神经系统退行性疾病 主要临床表现为进行性记忆力减退 认知功能障 碍以及人格改变等症状 由于老年痴呆与增龄有密切关系 随着人类寿命的普 遍延长 老年痴呆的发病率也大大增加 因此 对于AD发病机理和前景的研究 近些年来已经成为热点 AD的主要病理特征有 在大脑皮层和海马出现 淀粉 样蛋白 amyloid protein A 聚集形成的老年斑 senilep laques SP Tau蛋白异常聚集形成的神经纤维缠结 neurofibrillary tangles NFTs 以及 脑皮层和海马区神经细胞减少 4 随着研究的逐渐深入 越来越多的证据表明 A 在AD的发生 发展中起到主导的作用 A 的神经毒性涉及到复杂的分子机 制主要包括破坏细胞内的Ca2 稳态 促进自由基的形成 降低K 通道的功能 增强致炎细胞因子引起的炎症反应等 因此 把现阶段对A 的研究成果进行综 述 1 淀粉样蛋白的生成和代谢 1 1 A 的产生 A 是由其前体蛋白水解产生的 A 片段即位于其跨膜区域 分泌酶 在 位点将 APP 裂解为 N 端片段 sAPP 和 C 端片段 CTF 然 后 分泌酶在 CTF 的近 N 端跨膜区域水解释放出 A 肽段 此过程被称 为 APP 的淀粉样降解途径 amyloidogenic pathway 而 APP 的非淀粉样降解 途径 non amyloidogenic pathway 是由 和 分泌酶所介导 水解生成 sAPP p3 和 CTF 由于 分泌酶的作用位点在 A 区域 从而阻止 了 A 的产生 1 2 A 的代谢 在正常的生理状态下 A 在血液和脑脊液中都能被检测出 清除 A 的 方式主要是通过运输机制和酶的降解 A 的运输 可溶性的 A 通过脑间质 液 ISF 脑脊液 CSF 血液的循环流通 被缓慢地移除出脑 另一种由受 体介导的 A 跨血脑屏障 BBB 运输来完成 为主要途径 1 3 A 的降解 A 可被多种肽酶降解 最主要的是两种锌依赖性金属内切蛋白酶 NEP 和 IDE NEP neutral endopeptidase NEP 中性肽链内切酶 是 A 降解的限速 酶 1 转染 NEP 基因能显著减少 AD 小鼠脑内淀粉样斑块的沉积 4 而 NEP 基 因缺失或是活性受到抑制时会导致 A 沉积增多 在 AD 脑内 其分布范围与 A 沉积区域呈反向关系 在海马和大脑皮质区分布最少 IDE insulin degrading enzyme 胰岛素降解酶 3 胰岛素为 IDE 降解 A 的一种有效抑制 剂 使高胰岛素血症和 型糖尿病患者可能会成为 AD 的易感人群 在 AD 脑内 NEP 和 IDE 的表达水平和反应活性都会受到抑制 使得 A 降解减少 2 A 致 AD 的作用机制 阿尔茨海默病的发病机制目前主要有 3 种假说 淀粉样蛋白级联假说 Tau 蛋白假说和血管源性假说 其中 淀粉样蛋白级联假说占主导地位 在 AD 患者的脑内有老年斑沉积 而 A 是构成老年斑的主要成分 A 沉积可导 致 AD 的发病 降低 A 在大脑内的蓄积量可延缓或者减轻 AD 的症状 A 是 各种原因诱发 AD 的共同通路 是 AD 形成和发展的关键因素 2 1 A 与细胞凋亡 细胞凋亡是能量依赖的细胞内死亡程序活化而致的细胞自杀 是由基因控 制的细胞自主有序的主动死亡过程 正常情况下 细胞凋亡是一种生理性调节 机制 参与调节机体的胚胎发育 细胞分化及体内正常细胞更新 但在病理因 素干扰下细胞凋亡则会异常 而导致多种疾病发生 皮质和海马区的神经元减 少是 AD 的主要病理特征 而经研究发现神经细胞凋亡是 AD 神经元丢失的主要 原因 2 1 1 A 引起线粒体损伤 AD 的发病与脑能量代谢障碍有着密切的关系 作为能量代谢的主要场所 线粒体对神经元的功能有着重要的意义 线粒体是具有核外遗传物质的细胞器 线粒体 DNA mt DNA 编码着细胞色素氧化酶 COX 的 3 个最大的亚基 COX I COX II COX III 由于 mt DNA 缺乏组蛋白的保护 且位置靠近易产生自 由基的线粒体内膜附近 所以极易受到自由基的攻击发生突变 进而影响 COX 的活性 作为电子传递链复合体 I V 的 COX 的主要作用是将电子转移给氧分子 形成水并产生 ATP 其活性被认为是同神经元的功能活动呈正相关的 AD 患者 的血小板和脑中 COX 发生了特异性的下降 A 本身可以产生活性氧 reactive oxygen species ROS 也可以通过多种途径诱导 ROS 的产生 使 神经细胞胞浆中自由基浓度升高 从而使脂质过氧化 形成脂质过氧化物 如 醛基 酮基等 APP 和 A 氧化胆固醇可以产生 7 羟基胆甾醇 7 羟 基胆甾醇可以在 nmol 浓度即产生神经毒性 并且进一步产生氧化应激 当线粒 体和内质网的膜结构氧化损伤后 将使大量 Ca2 进入胞质 同时 A 还可以 刺激神经细胞使大量 Ca2 内流 细胞将发生 Ca2 超载 使线粒体发生肿胀 这样 由 A 产生的 ROS 和 Ca2 超载对线粒体所产生的损伤可以导致线粒体 的功能障碍 造成 mt DNA 的缺失或突变 进而影响 COX 的活性 18 由于 COX 是电子传递链的关键酶 其活性的下降会直接导致电子渗漏的大量增加以及 ATP 水平的下降 从而进一步使一氧化氮 NO 产生增多和 Ca2 内流增加 损 伤线粒体 线粒体的功能下降还会使更多的 APP 被加工为有毒性的 A 进一 步的对线粒体产生损伤 线粒体受损 COX 的表达和活性下降可以导致细胞色 素 C 的释放和半胱胺酸天冬氨酸蛋白酶 caspase 的活化 11 而此过程只有 在有功能的呼吸链存在时才会产生 所以线粒体不仅是 A 损伤的目标 而且 介导了 A 对神经元的毒性 启动了神经元的凋亡过程 2 1 2 A 引起神经元凋亡 A 对神经元的毒性作用主要表现在破坏细胞膜的完整性 扰乱细胞内环 境的稳定 诱发中枢免疫炎性反应等方面 A 沉积可能是导致神经元变性和 突触丢失的重要原因 A 沉积 神经元死亡 胶质细胞浸润 背侧细胞带受 损长度增加 4 5 倍 A 是通过线粒体引起神经元的凋亡 P53 与 AD 患者的脑 内细胞凋亡活动密切相关 在转基因表达 A 的 AD 模型脑内发现有 A 的沉积 同时伴有 P53 蛋白的广泛表达 p53 基因诱导细胞凋亡的机制可能是 1 降低 细胞内源性 Bcl2 2 蛋白表达并抑制其功能 恶性肿瘤中 p53 基因与 Bcl2 2 蛋 白表达呈明显的负相关 2 提高细胞内 Bax 蛋白的表达 使 Bcl2 2 Bax 蛋白 比例失调而促进细胞凋亡 目前的资料显示 P53 蛋白可能是程序化细胞死亡 的强诱导剂 12 p53 基因在抑制细胞转化和调控细胞周期中起着关键性的作用 通过使 DNA 受损 细胞停滞于 G0 期或诱发细胞凋亡 A 沉积对神经元的毒性 8 在 AD 发病中发挥着重要作用 它除了参与神经退化过程 还损害神经递质的 信号通路 抑制乙酰胆碱的产生 损害脑血管并造成脑实质营养运输不足 也 能影响内皮细胞的葡萄糖运输 并使这些细胞的屏蔽作用下降 AD 脑神经元的 凋亡率比正常人高出 30 50 倍 新皮层 额 颞 顶叶 海马 内嗅区和杏仁 核等处出现神经元数量减少 胶质细胞增生及皮层下继发性脱髓鞘改变 且存 活能力明显降低 AD 脑组织中 Bcl 2 蛋白未表达 而 Bax 及 Bcl xS 蛋白则广 泛表达 A 沉积明显的脑区神经元凋亡现象也越明显 A 氧化应激可以激活一氧化氮合酶 NOS 15 产生 NO 促进细胞凋亡 NO 对神经细胞的毒性作用的中心环节是损伤 DNA NO 导致的 DNA 损伤可激活核酶 PARS 通过 ADP2 核糖途径使神经细胞能量枯竭而死亡 还可通过介导谷氨酸的 毒性作用和氧化自由基作用促进神经细胞凋亡 NO 和细胞因子协同作用也可加 速神经组织损伤 2 2 A 与炎症反应 A 可以激活神经胶质细胞 释放细胞因子和炎症介质 产生炎症反应 从而间接损伤神经细胞 AD 患者脑内有强烈的局灶性炎症反应 神经胶质细胞 可产生许多炎性细胞因子 如 I L2 1 I L2 6 I NF2 TGF2 等 补体蛋白及其他免疫分子 19 Meynert 核 海马区 9 和皮层区均可见神经胶质 细胞增生 其中以小胶质细胞为主 星形胶质细胞次之 血管周围可见增生活 跃的小胶质细胞聚集并吞噬变性神经细胞 神经元胞体皱缩 胞浆浓缩 核染 色质固缩成团块状并见边聚现象 核膜尚完整 有发生凋亡的趋势 突触结构 数量减少 前 后膜不清晰 突触间隙消失 突触小泡数量减少且不显著 炎 性蛋白质的增多和小胶质细胞活化同 AD 病变间有密切关系 因此免疫炎症可 能是 A 诱发 AD 的重要因素之一 A 作为刺激物质通过激活周围小胶质细胞 产生细胞因子和神经系统免疫炎症应答 加速神经细胞死亡 而致记忆减退和 认知障碍 也可以增强 Toll 样受体 2 和 4 T LR2 2 T LR2 4 激动剂的活性 从而增强免疫反应 但是同时 A 12 40 可以拮抗 T LR2 9 介导的免疫反应 另 一项新的研究表明 APP 也可以通过酪氨酸激酶通路激活单核细胞和小胶质细 胞 导致炎症因子的大量释放 同时引起 A 的产生和沉积 3 淀粉样蛋白假说的最新进展 3 1 APP PS 1 和 PS 2 基因都是和 淀粉样蛋白的产生相关的基因 20 这 些基因的很多突变都能够增加淀粉样蛋白的产生 从而导致家族型阿尔茨海默 症的发生 3 2 编码 tau 蛋白基因的突变引起帕金森综合征 2 其病理表现为脑组织中出 现大量的神经原纤维缠结 但脑组织中无 淀粉样蛋白沉积形成的老年斑 这 提示 tau 蛋白改变的结果不足以诱导 AD 病体的特征性的淀粉样斑块的形成 tau 蛋白改变的最严重的结果是神经原纤维缠结导致严重的神经病变 因而 在 AD 病的脑中看到的神经原纤维缠结可能发生在 A 蛋白新陈代谢改变和初 始的斑块形成之后 而不是之前 3 3 和 tau 单转基因的小鼠比较 APP 及 tau 双转基因的小鼠大脑皮层中的神 经纤维缠结增加 但 淀粉样蛋白积累不变 提示 淀粉样蛋白积累发生 先于 Tau 改变 3 4 通过杂交 APP 转基因老鼠和 APOE 基因敲除老鼠产生的后代 在它们的大 脑中 A 蛋白的沉积减少 26 这也提供了有力的证据 证明在人的 APOE 位点 的遗传变异可能通过影响 A 蛋白的代谢而引起阿尔茨海默症 3 5 A 蛋白的可溶性低聚物与 AD 病患者和 AD 病动物模型大脑中的突触功能 的异常和神经元丢失有关 而不是 A 单体或不溶性的淀粉纤维 4 结语 综上所述 淀粉样蛋白的异常沉积与阿尔茨海默病发病有很大关联 能够 作用于线粒体 破坏细胞膜完整性导致细胞凋亡 引发脑区 A 沉积明显 也 能致机体炎性反应 从而引发 A 的产生和沉积 5 参考文献 1 Canton DA Litehfield DW 11Ie shape ofthings to come an emerging role for protein kinase CK2 in the regulation 0f cell morphology and the cytoskdeton J Cell Signal 2006 2 Poorkaj P Bird TD Wijsman E et al Tau is a candidate gene for chromosome 17 frontotemproal dementia Ann Neurl 1998 43 815 825 3 Varela I Cedinanos J Pendas AM et a Accelerated aging in mice deftcientin Zmpste24 protease is linked to p53 signalling activation J Nature 2005 4 Jarrett JT Berger EP Lansbury PT The carboxy term inus of the beta amy loid protein critical for the seeding of amyloid forma tion imp lications for th e pathogenesis ofA lzh eimercs d isease J B ioch emistry 1993 32 18 469324697 5 Ohten ME Litehfield DW Order Or chaos An evaluation of the regnlation of protein kinase cm J Biochem Cell Biol 2006 6 Lewczuk P Esselmann H Bibl M et a Tan protein phosphorylated atthreonine 18l in CSF a neurochemical biomarker in Alzheimer s dis ease original data and l view of the literature J Mol Neuresci 2006 7 Roger N Bosenberg MD 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cat i ons for A l zhei mer d i sease2re 2lat ed pathol ogy J B MC N eurosc i 2007 8 73 19 GaoX TangXC H uperzi ne A attenuatesm it ochondrial dysfuncti oni n b eta2amyloi d2treated PC12 cells by reduci ng oxygen free rad i calsaccu mu l at i on and i mprov i ngmitoc h ondri a l energymetabolis m J JN eurosciRes 2006 83 6 104821057 20 E s positoG De F ili pp i s D Mai uriMC et al Cannab i d iol i nh i b itsi ndu ci b l e n itri c ox i de s ynthase protei n exp ress i on and n itri c oxi d eproduct i on i n b eta2amyloi d sti mu l ated PC12 neurons t h rough p38MAP k i nase and NF2kappa B involvemen t J N eurosci Lett 2006 399 1 2 91295 21 Cas p ersen C Wang N Y ao J et al Mitoc h ondri a lA bet a a poten2t i al focal po i nt for neuronalmetabolic dysfuncti on i n A lz h ei mercsdiseas e J FAS EB J 2005 19 14 204022041 22 Canton DA Litehfield DW 11Ie shape ofthings to come an emerging role for protein kinase CK2 in the regulation 0f cell morphology and the cy toskdeton J Cell Signal 2006 18 3 267 75 23 Wil k i nson B Koenigskn echt 2Tal boo J Gro mmes C et al F i bril l arb eta 2amyl oi d2st i mu lated i ntracell u lar si gnal i ng cascades requ ire Vavfor i nducti on of res p irat ory burst and phagocytos i s i nmonoc ytes andm i crogl i a J J Bi olChem 2006 281 30 20842220850 24 Ji n S M ChoH J J ungES et a l DNA damage 2 i nduci ng agents eli citgamma 2secretase act i vat i on mediat ed by ox i dative stress J CellDeath Differ 2008 15 9 137521384 25 Ryu SW W JH Kim YH 甜 a Downregulation of protein kinase CKII is associated with cellular senescence J FEBS Lett 2006 580 3 988 94 26 Varela I Cedinanos J Pendas AM et a Accelerated aging in mice deft cient in Zmpste24 protease is linked to p53 signalling activation J Nature 2005 437 7059 564 七 27 Seaglioni PP Yung TM C8i LF et 以 A CK2 dependent mechanism fordegradation of the PML tumor suppresser J ceu 2006 126 2 269 83