神经型尼古丁乙酰胆碱受体在阿尔茨海默病中的神经保护作用

欧阳凯 齐晓岚 官志忠 (贵阳医学院分子生物学重点实验室，贵州 贵阳 550004)

老年性痴呆主要分为三种:一种叫阿尔茨海默病(AD)，其最为常见，大约占68%;第二种叫血管性痴呆(VD)，是一种由于血供不足引起的不同大脑区域损伤所致的渐进性认知障碍;第三种是以上两种病症并存，叫混合性痴呆。AD是一种主要在老年期发生的以进行性痴呆为主要特征的神经元退行性变疾病，其主要临床特征为进行性认知功能障碍、记忆力进行性衰退、失语〔1〕，甚至表现为行为人格的改变等〔2〕。在发达国家，老年痴呆已成为继心血管疾病、癌症和脑卒中之后人类第4位死因的疾病〔3〕。目前，在美国有540多万人患有AD，而在我国患者数已高达600万人，占全球患者总数的近四分之一〔4〕。一个全球性的AD研究统计指出，在2005年全球约有2400百万人罹患老年痴呆症，并且以每二十年翻一番的速度增加，到2020年人数约为4200百万，而我国就将达到1020万〔5〕。

AD的主要病理特征为细胞外β－淀粉样蛋白(Aβ)沉积形成的老年斑(SPs)及神经细胞内神经元 tau蛋白过度磷酸化导致神经原纤维缠结(NFTs)〔6〕，同时还伴有颗粒空泡变性(granulovacuolar degeneration，GD)，平野小体(hirano body，HB)，神经元减少，星形细胞和小胶质细胞反应以及脑血管改变等。导致AD的原发因素尚不明确，其发病机制十分复杂。目前认为AD是由遗传学、环境和代谢等多种因素共同作用所引起的一种复杂的病理过程，涉及多种病理机制。大量研究发现给予尼古丁和其他烟碱受体激动剂后神经型尼古丁乙酰胆碱受体(nAChR)可发挥一定的神经保护作用。本文就nAChR与AD的关系及其对AD的神经保护作用等研究综述如下。

1 nAChR结构特征

胆碱能神经递质性受体，根据其药理学反应特性不同分为毒蕈碱型乙酰胆碱能受体(mAChR)和烟碱型或尼古丁型nAChR。mAChR属于G蛋白耦联受体，nAChR属于配体门控离子通道耦联受体，可分为神经型和肌肉型，其为五聚体，横截面观呈五角形状，中央形成一个离子通道，主要调控细胞内外Na+、K+和Ca2+等离子流动〔7〕。其本身亦是离子通道，其通道开放不需第二信使的参与。

神经型尼古丁受体含有多种亚单位，目前认为至少含有α2～10和β2～4等12种亚单位，每种亚单位由不同的基因编码〔8〕。这些亚单位的不同组合表现出不同的药理学和生理学特征。因此，当不同的nAChRs亚型与相同配体结合时可表现出不一样的亲和力及对离子的通透性。氨基酸序列分析显示，nAChR亚基由4个跨膜螺旋区域(M1，M2，M3和M4)和1个较大的胞外亲水氨基酸组成。M2跨膜区位于内侧，构成离子通道的内衬面。由于M2螺旋上含有较多的酸性氨基酸残基，使通道形成负性电位吸引阳离子，以此构成nAChR的阳离子通道特性〔9〕。研究发现，nAChR结合部位主要是在胞外亲水氨基酸α亚基第192和193位两个相邻的半胱氨酸〔10〕，能形成双硫键，配体与此结合后，受体通过变构打开内孔，阳离子内流，而β亚基为结构亚基，无此结合部位，维持受体结构稳定性。

nAChR可分为中枢型和外周型。在中枢神经系统中分布最多的是α4β2和α7两种受体亚型，其中α4β2几乎在整个神经系统都有分布而α7亚型只在大脑皮层、下丘脑和海马及一些脑干核团中出现较多。就单个神经元而言，nAChR不仅存在于细胞的胞体，也存在于细胞的树突和轴突。尼古丁与分布于皮层、海马及小脑等区域的神经突触前膜上的nAChR结合即能兴奋nAChR，增加多种神经递质的释放，从而调节各种行为。因而人们认为nAChR在脑内的作用是调节神经元的兴奋性进而调节一系列行为反应，特别是学习、记忆、注意力的保持等认知过程〔9，11〕。当激动剂与 nAChR结合时受体的结构发生改变，其中包括通道打开以及允许更多的Ca2+通过通道等。这种与配体结合后出现的Ca2+通道关闭、开放及脱敏使得nAChR发生构效状态的转换。通常nAChR存在3种构效状态，其相互之间的转换构成了nAChR的复杂性。nAChR与大脑学习记忆、智力发育和识别能力等脑功能有关，还调节多种其他受体的功能，并具有对抗细胞毒素性神经保护作用。

2 nAChR对AD的神经保护作用

大量研究发现给予尼古丁和其他尼古丁受体激动剂后nAChR可发挥一定的神经保护作用，其中利用特异性尼古丁受体亚型激动剂证明α7和α4β2 nAChRs亚型激动也都分别可起到神经保护作用〔12〕。说明nAChR在神经保护和控制中枢神经系统的功能具有十分重要作用。在培养的海马和皮层神经元，nAChR对谷氨酸和N－甲基－D－天门冬氨酸(NMDA)诱导的神经元死亡具有保护作用〔13〕。

1986年Nordberg等就已分别报道AD患者脑中高亲和力的尼古丁受体数目明显降低，在以后的尸检和活检中也发现了尼古丁受体的明显降低，但其降低的原因还未完全阐明。研究发现，AD患者大脑尼古丁受体密度降低，尼古丁受体亚单位在蛋白水平含量减少，但mRNA表达水平未见明显降低〔14〕。受体结合实验也发现AD患者大脑尼古丁受体密度降低，与大脑颞叶皮质SP的增多程度呈负相关，尼古丁受体亚型在蛋白水平含量减少，但mRNA表达水平未见明显降低。在体试验证明烟碱对兴奋性毒性作用或缺血缺氧导致的神经元损伤具有保护作用，而烟碱的这一保护作用是通过对nAChR激活实现的〔15〕。在体外培养的神经细胞株中加入不同肽段的Aβ后发现神经细胞发生神经毒性反应，nAChR功能结合状况、蛋白和mRNA表达水平等均降低，生物膜性脂质结构发生改变等。同时发现Aβ可引起生物膜性脂质过氧化和自由基水平升高，用抗氧化物质(如维生素E)处理细胞后可减弱Aβ毒性作用所造成的尼古丁受体结合率降低及受体蛋白表达减少。官志忠等〔16〕发现，AD病人尸解后脑组织中海马和大脑皮层区域nAChR α4亚单位蛋白质水平分别较同龄对照组降低了35%和47%;α3亚单位分别降低29%和35%;α7亚单位亦有明显降低;但β2亚单位与对照组相比无明显的差异。我们既往的研究〔17〕显示，经脑室注射 Aβ42 的大鼠脑组织中，nAChR α7 亚单位较对照组明显降低，说明Aβ42能够引起α7亚单位蛋白水平表达降低。

在携带瑞典家族性遗传性APP突变基因(APPSWE)转基因大鼠脑标本中可见α7n AChR的选择性升高，提示α7nAChR的升高是对Aβ毒性作用的一种保护机制。通过RNA干扰沉默SH－SY5Y细胞α7nAChR及 α3nAChR可发现 Aβ毒性作用明显增强〔18，19〕，α7nAChR 及 α3nAChR 可能通过增强 α－分泌酶对APP的切割来发挥神经保护作用，其表达减少与AD的发病机制有密切关系。在β2 nAChR缺失的小鼠，其大脑学习记忆能力明显降低〔20〕。Femandes等〔21〕利用缺乏 α7 nAChR 的小鼠与对照组比较发现，前者在水迷宫实验中存在学习、记忆等认知能力的低下。在AD患者中观察到的胆碱能损害与α7nAChR水平下降和突触连接损伤有关〔22〕，很明显 α7 nAChR在神经保护中起了重要作用，特别是已经发现这种神经保护作用可能是通过 α7 nAChR 激活 JAK2－NF－κB/STAT3－Bcl－2 的生存途径〔23〕。此外，这条途径还直接涉及Aβ诱导的神经毒性，α7 nAChR激活促使 Bcl－2产生似乎完全抵消了Aβ42诱导的细胞凋亡，因为它阻断Aβ42诱导的细胞内线粒体释放细胞色素C〔24〕。已证明一种 α7nAChR 激动剂 gx－50 能减弱 Aβ42诱导的神经细胞凋亡，进一步说明α7 nAChR在AD中的神经保护作用〔25〕。

体外实验研究表明在海马神经元和大脑皮层神经元尼古丁可以降低Aβ的聚集和Aβ的毒性〔26〕。同时也发现尼古丁降低Aβ的毒性可能与磷脂酰肌醇－3激酶(PI3K)级联反应有关〔27〕。目前认为这一作用可能源自于Ca2+的内流。神经元nAChR的激动在一定程度上调节Ca2+信号，这不仅是因为通过不同的nAChRs亚型进行Ca2+内流，同样也因为突触前膜的去极化激活电压门控离子通道，使细胞内 Ca2+水平升高。nAChR激动剂增加了nAChR离子通道对Ca2+的通透性从而激活蛋白激酶C(PKC)通路、Ca2+依赖的蛋白激酶Ⅱ而发挥作用。在Ca2+水平升高的情况下丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路同样也被激活并发挥作用，其核心分子ERK与其上游激活分子和下游效应分子组成一个准确高效的信号转导体系。在接受细胞外的多种刺激因子如生长因子、神经营养因子、神经递质等刺激后，通过Raf/MEK/ERK级联通路，ERK1/2被磷酸化形成p－ERK1/2，并向细胞核内转移，具有调控转录活性的能力，调节损伤后相关基因的表达〔28〕。

尼古丁受体的激动也可增加神经营养因子的表达，研究发现突触可塑性的长期改变可能与神经营养因子有关〔29〕，抑制神经营养因子的表达可能导致神经元萎缩。因此通过nAChR信号来调节神经营养因子，这已被认为是尼古丁受体激动产生神经保护作用的可能机制。研究发现在大剂量间断给予尼古丁和其他尼古丁受体激动剂如地棘蛙素，ABT－594后纤维原细胞生长因子2(FGF－2)的mRNA和蛋白水平都上调。在成熟大鼠实验研究中发现，大剂量间断给予尼古丁后nAChR激活，上调FGF－2水平从而促进神经元前体细胞增殖〔30〕进而起到神经保护的作用。

3 结论

nAChR属于包括尼古丁、γ－氨基丁酸、氨基乙酸及谷氨酸等递质性受体超基因家族的一员，不同的和亚单位在不同脑区的组合表达而产生具有特殊功能的神经型尼古丁受体亚型。尼古丁受体与很多大脑功能有关，如认知功能、记忆功能、对其他神经递质释放的调节及神经保护功能，而AD发生时有上述功能的损害并有nAChR数量的减少和表达的低下，因此可以说在AD的发生和发展中nAChR起着重要作用。但是到目前为止是AD导致了nAChR的降低还是减少引起AD的发生仍未清楚阐明。尽管对烟碱受体激动与神经保护作用已有大量的数据，但从认识nAChR激动后所发挥的作用到作用机制的探讨以及最终确定精确的治疗神经退行性疾病的靶位并开发新的烟碱类化合物还有大量的工作要完成。此外，还必须了解不同亚型的nAChRs在神经保护中所扮演的角色。这些对于寻找作用于nAChR并能延缓神经退行性疾病病程及改善认知功能的化合物是极其重要的。

1 Pham E ，Crews L，Ubhi K，et al.Progressive accumulation of amyloid－beta oligomers in Alzheimer′s disease and in amyloid precursor protein transgenic mice is accompanied by selective alterations in synaptic scaffold proteins〔J〕.Feder Eur Biochem Soc，2010;277(14):3051－67.

2 Puglielli L，Tanzi RE，Kovacs DM.Alzheimer′s disease:the cholesterol connection〔J〕.Nature Neurosci，2003;6(4):345－51.

3 Toiber D，Soreq H.Cellular stress reactions as putative cholinergic links in Alzheimer′s disease〔J〕.Neurochem Res，2005;30(6－7):909－19.

4 易 璇，齐朝晖.预防保健对老年痴呆的重要性〔J〕.中国民康医学，2008;20(10):1080－96.

5 Ferri CP，Prince M，Brayne C，et al.Global prevalence of dementia:a Delphi consensus study〔J〕.Lancet，2005;366(9503):2112－7.

6 Ballard C，Gauthier S，Corbett A，et al.Alzheimer′s disease〔J〕.Lancet，2011;377(9770):1019－31.

7 Taly A，Omorringer PJ，Uedin D，et al.Icotinic receptors:llosteric transitions and therapeutic targets in the Ilervous system〔J〕.Nat Rev Drug Discov，2009;8(9):733－50.

8 Dani JA，Bertrand D.Nicotinic acetylcholine receptors and nicotinic cholinergic mechanisms of the central nervous system〔J〕.Annu Rev Pharmacol Toxicol，2007;47:699－729.

9 Zouridakis M，Zisimopoulou P，Poulas K，et al.Recent advances in understanding the structure of nicotinic acetylcholine receptors〔J〕.Int Union Biochem Molecul Biol Life，2009;61(4):407－23.

10 Chen L.In pursuit of the high－resolution structure of nicotinic acetylcholine receptors〔J〕.Physiology，2010;588(Pt 4):557－64.

11 Dani JA，Bertrand D.Nicotinic acetylcholine receptors and nicotinic cholinergic mechanisms of the central nervous system〔J〕.Annu Rev Pharmacol Toxicol，2007;47:699－729.

12 Picciotto MR，Zoli M.Neuroprotection via nAChRs:the role of nAChRs in neurodegenerative disorders such as Alzheimer′s and Parkinson′s disease〔J〕.Frontier in Biosci，2008;13(2):492－504.

13 O′Neill AB，Morgan SJ，Brioni JD.Histological and behavioral protection by(－)－nicotine against quinolinic acid－induced neurodegeneration in the hippocampus〔J〕.Neurobiol Learn Mem，1998;69:46－64.

14 Ji D，Lape R，Dani JA.Timing and location of nicotinic activity enhances or depresses hippocampal synaptic plasticity〔J〕.Neuron，2001;31:131－41.

15 Zanardi A，Ferrari R，Leo G，et al.Loss of high－affinity nicotinic receptors increases the vulnerability to excitotoxic lesion and decreases the positive effects of an enriched environment〔J〕.Feder Am Soc Exper Biol，2007;21(14):4028－37.

16 Guan ZZ，Zhang X，Ravid R，et al.Decreased protein levels of nicotinic receptor subunits in the hippocampus and temporal cortex of patients with Alzheimer′s disease〔J〕.Neurochemistry，2000;74(1):237－43.

17 Liu RY，Gu R，Qi XL，et al.Decreased nicotinic receptors and cognitive deficit in rats intracerebroventricularly injected with beta－amyloid peptide〔J〕.J Neurosci Res，2008;86(1):183－93.

18 Qi XL，Agneta N，Guan ZZ.The consequences of reducing expression of the α7 nicotinic receptor by RNA interference and of stimulating its activity with an α7 agonist in SH－SY5Y cells indicate that this receptor plays a neuroprotective role in connection with the pathogenesis of Alzheimei′s disease〔J〕.Neurochem Int，2007;51(6－7):377－83.

19 Tang Z，Qi XL，Guan ZZ，et al.Inhibiting gene expression of α3 nicotinic acetylcholine receptor induced by RNA interference on SH－SY5Y cells:the function of the receptor connected to APP metabolism and antioxidation in Alzheimer′s disease〔J〕.Neurochem Int，2008;53(5):112－7.

20 Zoli M，Picciotto MR，Ferrari R，et al.Increased neurodegeneration during aging in mice lacking high－affinity nicotine receptors〔J〕.EMBO J，1999;18:1235－44.

21 Femandes C，Hoyle E，Dempster E，et al.Performance deficit of alpha7 nicotinic receptor knockout mice in a delayed matching－to－place task suggests a mild impairmem of working/episodic－like memory 〔J〕.Genes Brain Behav，2006;5(6):433－40.

22 Lacor PN，Buniel MC，Chang L，et al.Synaptic targeting by Alzheimer′srelated amyloid beta oligomers〔J〕.Neuroscience，2004;24(45):10191－200.

23 Marrero MB，Bencherif M.Convergence of alpha 7 nicotinic acetylcholine receptor－activated pathways for anti－apoptosis and anti－inflammation:central role for JAK2 activation of STAT3 and NF－kappaB〔J〕.Brain Res，2009;1256:1－7.

24 Bencherif M.Neuronal nicotinic receptors as novel targets for inflammation and neuroprotection:mechanistic considerations and clinical relevance〔J〕.Acta Pharmacol Sin，2009;30(6):702－14.

25 Gu RX，Gu H，Xie ZY，et al.Possible drug candidates for Alzheimer′s disease deduced from studying their binding interactions with alpha7 nicotinic acetylcholine receptor〔J〕.Med Chem，2009;5(3):250－62.

26 Zhang J，Liu Q，Chen Q，et al.Nicotine attenuates beta－amyloid－induced neurotoxicity by regulating metal homeostasis〔J〕.FASEB J，2006;20(8):1212－4.

27 Kihara T，Shimohama S，Sawada H，et al.Alpha7 nicotinic receptor transduces signals to phosphatidylinositol 3－kinase to block a beta－amyloid－induced neurotoxicity〔J〕.Biol Chem，2001;276(17):13541－6.

28 Kyriakis JM，Avruch J.Mammalian mitogen－activated protein kinase signal transduction pathway activated by stress and inflammation〔J〕.Physiol Rev，2001;81:807－69.

29 Pang PT，Teng HK，Zaitsev E，et al.Cleavage of proBDNF by tPA/plasmin is essential for long－term hippocampal plasticity〔J〕.Science，2004;306(5695):487－91.

30 Mudo G，Belluardo N，Mauro A，et al.Acute intermittent nicotine treatment induces fibroblast growth factor－2 in the subventricular zone of the adult rat brain and enhances neuronal precursor cell proliferation〔J〕.Neuroscience，2007;145(6):470－83.