MAPK途径在阿尔茨海默病发病机制中的作用

陈燕华 严丽荣

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是老年痴呆最常见病因。临床以老年斑(senile plaques，SP)和神经纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)为特征，其病理变化以细胞外β淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)沉积导致SP的形成及细胞内自我聚集的高度磷酸化Tau蛋白，形成NFTs为结构基础。此外，神经元的缺失、突触的丢失及炎症反应也是AD重要的病理改变［1-3］。在此过程中细胞生物信号转导(signal transduction)起着关键作用，其中丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)级联反应途径与AD关系密切。综合国内外文献，对MAPK信号转导途径在AD发生中的作用进行相关探讨。

1 MAPK信号转导途径及作用

MAPK级联反应包括3级成员:MAPK、丝裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase，MAPKK)和丝裂原活化蛋白激酶激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK)，它们都是具有11个保守亚结构区域的蛋白激酶，在信号传递的过程中，通过氨基酸残基的磷酸化作用被逐级激活。MAPK被激活后，可使核转录因子(NF-κB)和其他蛋白激酶等多种底物磷酸化，调节相关基因的转录，参与细胞生长、发育、分裂及细胞间的功能同步等多种生理过程，并在细胞凋亡、恶性转化等病理过程中起重要的作用。迄今为止，在真核生物细胞中已明确了5条MAPK信号转导通路:细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase，ERK1/2)、c-Jun N-末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)、p38、ERK3/4和ERK5亚家族，每个亚家族又包含多个亚型。这些亚家族被不同的细胞外刺激所调节，并具有不同的底物作用特性［3］。其中，p38MAPK通路在炎症、应激反应中具有重要作用，还参与细胞的存活、分化和发育等过程［4］。

2 MAPK信号转导途径在AD发生中的作用

2.1 MAPK信号转导途径致炎作用与AD发病的关系 p38可被应激刺激(紫外线、H2O2、热休克和缺氧等)、炎性因子［肿瘤坏死因子(TNF-α)、白介素 1(IL-1)和IL-6等］及LPS和革兰阳性细菌细胞壁成分激活。p38信号通路主要参与应激条件下细胞炎症反应和细胞凋亡过程，p38 MAPK至少通过以下途径调控凋亡:增强原癌基因 c-myc表达;磷酸化p53;参与Fas/FasL介导的凋亡;激活c-Jun和 c-Fos;诱导 Bax转位等。此外，p38MAPK亦可增强 TNF-α表达，进而TNF-α活化 p38MAPK，诱导凋亡。邻乙汞硫基苯酸钠通过磷酸化p38 MAPK介导caspase-3的活化，诱导 SCM1细胞Ca2+非依赖性凋亡［5］，用双硫氧吡啶诱导细胞凋亡后发现，ERK1/2和p38活性显著增强，用SB203580抑制p38的活性，能减少HeLa细胞凋亡的程度，阻止p21蛋白的诱导作用，减少细胞色素C的释放，减少caspase-3和PARP酶的降解［6］。

但也有不少研究结果表明，p38MAPK同时存在着抗凋亡和增强细胞存活概率的功能，尤其在有炎症反应的情况下，p38MAPK更倾向于抵抗细胞凋亡。这说明p38MAPK通路在转导信号中可能存在一个动态平衡，有反馈途径影响其产生不同效应。在TNF诱导U937细胞凋亡的过程中，JNK/p38的活化有助于细胞存活，抑制其活性则促进凋亡和 caspase的激活［7］。

AD的发生发展过程伴随着炎症反应，认为与p38MAPK途径的活化和 Aβ的神经毒性作用相关［8-9］。炎症反应被认为是AD的重要病理改变，以小胶质细胞和星形胶质细胞的活化为标志［10］。在AD患者的脑中，环氧化酶-2(COX-2)mRNA在皮层和海马的表达显著上调，与AD的病理损害相一致。大量实验表明，炎症通过活化p38MAPK途径而诱导诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和COX-2的表达［11］。

Aβ介导炎症细胞的凋亡［12］。汉城大学研究室的人员发现［12］:Aβ 通过ERK及p38MAPK途径活化NF-κB，导致COX-2的上调，从而诱导PC12细胞的凋亡。NF-κB的抑制剂能减少Aβ诱导的COX-2的表达。p38MAPK途径在数个细胞系中，由不同的触发物刺激参与凋亡［13］，以多种途径和方式参与介导 AD中神经元的凋亡。p38MAPK参与撤除神经生长因子诱导的PC12细胞凋亡，也参与撤除血清诱导的神经元凋亡，还可介导PS2对分化的PC12细胞的凋亡致敏作用［13］。Jeohn 等［14］在培养大鼠中脑神经元胶质中观察到，p38MAPK参与脂多糖诱发的多巴胺能神经元细胞死亡。但有关p38MAPK信号通路在神经细胞凋亡中的作用机制尚不完全清楚，对神经细胞和非神经细胞研究发现p38MAPK可能通过以下途径调控细胞凋亡:(1)激活c-Jun和c-fos;(2)诱导bax转位;(3)介导caspases的活化;(4)上调TNF-α的表达;(5)增强 c-myc表达;(6)磷酸化p53;(7)参与Fas-FasL介导的凋亡。

根据以上的研究我们推测:p38 MAPK信号转导途径参与了AD发病过程中早期SP的形成。而当Aβ在脑内大量沉积后，这一信号途径又介导炎症反应，促成神经元的变性死亡。

2.2 p38MAPK促tau蛋白异常磷酸化与AD关系 神经元细胞骨架蛋白的异常磷酸化是AD的早期事件，但机制不清。AD患者尸检发现脑内 ERK1/2、SAPK和p38的活性均升高，提示MAPK活化可能调整神经元存活以及异常tau蛋白的磷酸化［15］。而且在不同分期的AD患者中表达也不同，Braak分期为Ⅳ～Ⅴ期的患者表达高水平的p38，尤以CA2、下托和CA1区最多，而皮质较少。0～Ⅱ期患者脑内的p38含量很少［16］。在过度表达淀粉样蛋白前体的小鼠中，神经炎性斑周围磷酸化的JNK、p38的免疫组化反应阳性率明显增高［17］。在这过程中，p38MAPK信号转导途径与Aβ的沉积及其毒性作用密切相关。1997年，Mc-Donald等首次在原代大鼠胶质细胞中发现Aβ能活化 p38MAPK途径。此后，Hensley等［18］发现在 AD患者 尸检脑组织中，活化的p38存在于神经元细胞及胶质细胞中。与年龄匹配的正常脑相比，AD病人脑内斑块和缠结附近的神经元和胶质内p38MAPK活化增强，与其病理损伤一致。

众多实验证实，p38MAPK能在体外使tau蛋白磷酸化［19-20］。采用免疫组化法对神经退行性病变研究后发现，p38MAPK与细胞内过磷酸化的tau蛋白沉积部位一致。但对与凋亡相关的一些指标DNA片段及活化caspase3进行检测后却发现，p38MAPK的表达与细胞凋亡级联的激活并无相关性，从而认为这些蛋白激酶的表达仅与退行性疾病tau的病理学有关［20］。异常过磷酸化的tau蛋白是AD中双股螺旋纤丝的主要蛋白成分，而p38MAPK可以使tau蛋白磷酸化。在AD尸检脑组织中，Zhu等［21］发现:活化p38的免疫反应性与磷酸化的tau蛋白几乎完全重合;在体内，p38MAPK出现于那些含磷酸化的tau蛋白的神经元之中。又由于p38MAPK在体外可磷酸化tau蛋白，提示AD中p38MAPK也可在体内磷酸化［22］。Pei等［23］的研究发现，在神经纤维退变过程中，p38MAPK在内嗅区、海马和颞叶皮质的神经元细胞内被激活。在内嗅区前α层缠结样神经元中最早出现p38MAPK活性形式的阳性表现，然后这些反应在脑的其他区域依次被激活，导致这些部位的 p38MAPK活化，这些部位与进行性神经纤维改变的部位一致。而神经细胞内p38MAPK的激活和聚积往往先于神经细胞外的Aβ沉积。此外，神经元p38MAPK还可间接参与tau磷酸化。这些实验结果都表明，p38MAPK激活和增加在AD的发生、发展中起了重要的作用，其可能与神经细胞间蛋白的磷酸化和去磷酸化平衡有关，结果是导致神经纤维退变。

2.3 MAPK信号转导途径致AD发病的其他途径 除了p38途经外，JNK与AD中骨架蛋白tau的病理性高磷酸化有关［23-24］，JNK 在编码早老蛋白(PS1)相关的病人脑神经元中激活。同时，还检测到Aβ可诱导 JNK的激活和细胞死亡［25-26］。最近，Avramovich 等［27］观察到ASK1基因缺陷的小鼠MEFs细胞能拮抗内质网应激引起的凋亡，同时伴有JNK活性的明显降低。而内质网信号因其与细胞内的病理性应激刺激密切相关正受到科研人员的异常重视。比如，缺失突变与AD密切相关的早老因子21(presenilin21)，就会影响它下游的一种内质网跨膜蛋白IRE1的活性，而IRE1又和JNK信号通路相连，从而加速病人神经细胞的凋亡［26］。研究人员在转基因AD动物模型脑内和AD患者大脑内均发现JNK信号转导途径被激活，并认为这一途径与Aβ的沉积相关。

p38和JNK通路主要促进细胞凋亡，ERK通路主要促细胞存活。研究表明少量Aβ与小胶质细胞和单核细胞反应，首先激活酪氨酸蛋白激酶Lyn、Syk以及局部粘连激酶FAK，产生超氧化产物，通过Ras依赖的信号转导通路激活MEK以及下游的ERKs，ERKs能磷酸化其下游的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 RsK1、RsK2、RsK2，RsK1、RsK2、RsK2 使转录 因子CREB133位丝氨酸磷酸化而激活，进而磷酸化转录因子 Fos、c-Myc、Jun、Elk1 等产物，这些转录因子能调节转录，表达一些促进神经细胞生存或产生抗神经细胞凋亡的蛋白［28-29］。ERK在体内参与细胞活化，迁移，在突触可塑性及记忆中起重要作用。ERK对神经细胞的保护作用可能是其减少了一些炎症因子的产生，在老年大鼠脑内，ERK下降伴随着IL-1β表达的相应增加。ERK表达减少同时也使一些神经营养因子的表达下降，如BDNG、NGF等。ERK可引起tau蛋白磷酸化，主要与Aβ、氧化应激、炎症因子等有关。tau蛋白的表达受到包括ERK在内的信号级联的调控［30］。趋化因子受体CXCR2及其配体GRO-α/KC同样也可有效激活ERK途经使小鼠皮层神经元tau蛋白出现过磷酸化［31］。在 AD中 ERK参与的tau蛋白磷酸化还与钙蛋白酶及蛋白磷酸酯酶2A等有密切关系，钙蛋白酶是ERK1/2活化的上游激酶，在钙离子损伤神经元的情况下，间接参与AD早期神经纤维丝和tau蛋白的磷酸化［31］。

3 展望

从以上综述可以看出，在AD的特征性病理改变形成过程中MAPK信号转导起了很重要的作用，但是，目前的研究还仅停留在对不同信号转导分子进行检测的水平上，尚无同时检测几种不同的信号转导分子，然后对它们之间的关系做一个系统的分析，从而得出关于AD的信号机制的大致面貌的研究。尚有以下几方面问题需进一步阐明:(1)ERK、JNK与p38激酶的不同亚型是否具有特异的生物学功能细胞;(2)不同的MAPK通路执行不同的生理功能，其作用机制何在?(3)尚需进一步寻找新的 MAPKKK、MAPKK、MAPK及其底物。MAPK信号转导通路的深入研究无疑会有助于细胞凋亡机制的进一步阐明。因此，有必要进行这方面的研究，并希望以此能为 AD治疗开辟一条新的途径。

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