锌与阿尔茨海默病

王湛 王振宇

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease，AD)，是主要发生在老年人的常见的慢性进行性神经功能衰退性疾病，因1907年由德国神经科医生Alois Alzheimer发现而得名。在临床上以进行性记忆丧失、认知能力下降、行为异常以及语言能力障碍等神经精神症状为主要特征。AD典型的病理特征包括老年斑的形成、神经元内纤维缠结(Neufibrillary tangles，NFTs)、大脑淀粉样血管病(cerebral amyloid angiopathy，CAA)以及神经元凋亡等。目前已经明确老年斑的核心成分是β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)，而 Aβ具有的的较强的神经毒性作用也是AD发病的主要原因[1]。由于缺乏有效的治疗手段，目前在发达国家AD已成为继心脏病、癌症和中风之后第四位危害人类健康的致死性疾病。众多的在体和离体实验表明，金属离子尤其是锌离子在大脑Aβ沉积过程中起关键作用，因此，过量的锌离子可能参与AD的发病进程[2]。

1 锌的分布及生物学作用

锌离子对于人类而言是一种基本的微量元素，在体内的含量仅次于铁，分布于机体所有组织中，在前列腺、精液、眼睛、脑中的含量最高，其次是肌肉、肝脏、胰腺、骨骼和皮毛。成人体内锌离子含量约为2.0×2.5 g，是机体多种酶的必需组分或激活因子，与机体发育、骨骼生长、免疫功能、内分泌调节、蛋白质和核酸代谢等一系列生理活动密切相关[3]。锌缺乏可以造成许多系统的损害，例如学习记忆能力下降、视神经萎缩、免疫功能缺陷等。因此，锌离子在维持内环境稳态中起着重要的作用。

2 脑内锌的分布与锌稳态

锌与中枢神经系统的关系密切，大脑是含锌量最高的器官之一。研究表明，中枢神经系统中大约85%的锌主要与金属蛋白结合，游离锌在大脑的平均含量为150 μmol/L，大约是血清锌水平的10倍[4]。在人脑内，锌主要存在的形式有:①以膜结合形式存在于金属蛋白内，与各种新陈代谢反应有关。②以离子形式存在于神经末梢的突触小泡内。③以游离或疏松结合的离子形式存在于细胞质内[5]。

锌离子不能自由通过细胞膜，特殊的转运蛋白和膜通道参与锌的转运和代谢，其中锌转运体主要包括金属硫蛋白家族(Metallothioneins，MTs)、ZIP 转运蛋白家族(Zrt-Irt like proteins，ZIPs)和锌转运体家族(Zinc transporter family，ZnTs)，它们在维持体内锌稳态中起重要的作用。

2.1 金属硫蛋白家族(Metallothionein，MT)结构与锌的转运MT家族是一组大约由60个氨基酸构成的小分子量的多肽链，分子量6 7kDa，其中25 30%为半胱氨酸[6]。在脑内，MT家族分为三个亚型，MT-I与MT-Ⅱ主要分布于星形胶质细胞、血管周间隙、软脑膜、室管膜与脉络丛上皮中，而MT-Ⅲ则在神经元中大量表达[7]。MT-Ⅲ与锌离子有很高的亲和力，可以迅速的与细胞摄入的锌离子结合，每个MT-Ⅲ分子可以与7个锌离子结合，在维持细胞内锌离子稳态的过程中起着重要的作用，防止因锌离子浓度过高而产生的细胞毒作用。

2.2 锌铁调控蛋白(ZRT、IRT-like protein，ZIP)结构与锌的转运 ZIP家族共有14个成员，其功能是促进细胞外的锌离子转运到细胞内，这种转运作用是受HCO3-或H+浓度梯度所驱使或与其偶联的[8]。大多数ZIP蛋白存在8个跨膜区，其氨基和羧基末端均位于细胞外或囊泡内。第2、3跨膜区位于细胞外，预示着可能对金属离子有选择通透性[9]。第3、4跨膜区间存在富含组氨酸的结构域，该区域可能具有结合锌离子的功能。第4、5跨膜区具有较高的亲水性和亲脂性，若该区的组氨酸序列突变可能会导致该蛋白功能丧失。

2.3 锌转运体家族(Zinc transporter，ZnTs)结构与锌的转运ZnTs是维持锌稳态蛋白家族中的重要成员，在正常生理条件下，其主要功能是将锌离子转运到细胞外或将锌离子聚集在细胞器内。ZnT家族具有六个跨膜区及相似的膜拓扑形状，氨基和羧基末端均位于细胞质内。在跨膜区IV和V中存在着2个富含组氨酸的环状结构，一般认为该环可能是锌离子的结合位点。迄今为止，在哺乳动物中已发现至少10个ZnT家族成员。其中研究较多的是ZnT1与ZnT3的功能。ZnT1是ZnT家族中最先被发现的锌转运体，主要参与锌离子在小肠的循环和在肾脏的重吸收及分泌，并参与锌在母体与胎儿之间的转运[10]。ZnT3在中枢神经系统中有表达，主要参与锌离子向突触小泡内的转运[11]。

3 锌及其转运体与阿尔茨海默病

3.1 锌离子与阿尔茨海默病 目前的研究表明，Aβ沉积形成老年斑是诱发AD的主要原因之一，是AD形成和发展的重要因素，而Aβ沉积与锌离子有着密切的关系。

近年来的体外实验证明，锌离子与Aβ的第13、14位组氨酸残基结合[12]，能够诱导皮摩尔或更高浓度的Aβ聚集，产生寡聚体中间产物。此外，锌离子能促进Aβ分子α-螺旋形成，维持Aβ的三级结构，并可能参与Aβ在神经元表面附近的凝聚[14]。而锌螯合剂TPEN能使这种聚合体解聚，提示锌离子在脑内Aβ沉积过程中起着重要的作用[13]。老年斑内的锌离子主要来源于脑内含锌能神经元轴突末端的释放，在AD的发生和发展的过程中起重要的作用。

伴随着Aβ老年斑的形成，AD的另一主要病理改变为神经元内纤维缠结。神经元内纤维缠结的形成与一种微管相关蛋白tau的异常磷酸化(形成p-tau)密切相关，在一些神经元细胞系中，锌离子能诱导tau蛋白的过度磷酸化，进而促进大脑神经元凋亡[15]。

已有研究显示，在AD患者大脑内老年斑及其周围组织、淀粉样变血管以及呈现AD特异性的纤维缠结神经元胞体及树突内锌的含量明显升高。与AD发生密切相关的蛋白PS-1、2，γ-分泌酶，APP 等均为锌金属蛋白(zinc metalloprotein)，其分子上均有锌结合位点。

3.2 锌转运体与阿尔茨海默病 运子斑的沉积，粉样变形样变形研究显示，脑内锌离子代谢紊乱可能是Aβ老年斑形成的重要因素之一，而脑内锌代谢、细胞内锌稳态的维持与锌转运体蛋白密切相关。有研究证明，AD患者大脑皮质Aβ老年斑内有大量ZnT蛋白表达，进一步提示ZnT与神经退行性疾病AD的发生有着十分密切的关系。在雌性APP转基因小鼠脑内，淀粉样变增多则可能是由于雌激素依赖性ZnT3的增加[16]。ZnT3作为体内的一种重要的锌转运体，主要定位于海马、大脑皮层和嗅球的含锌神经元突触小泡内。ZnT3通过向突触小泡内转运锌离子，从而使锌离子聚集在突触小泡内，并在神经传导时伴随神经递质一同释放到突触间隙[11]。Friedlich等[17]的研究认为，位于突触小泡膜上的锌转运体ZnT3通过提高突触小泡内游离锌离子的浓度来促进Aβ老年斑的沉积，从而引起大脑淀粉样血管病的发生。Lovell等[18]的研究表明，AD患者海马区、海马旁区的ZnT4和ZnT6水平显著升高，ZnT6水平在AD患者脑内颞前回、颞中回中也升高。在AD患者和转基因鼠脑内，ZnT表达的异常也提示了局部锌离子稳态的紊乱[19]。

锌离子与Aβ的结合还受MT-Ⅲ的调节。细胞外MT-Ⅲ的减少会促进锌离子引起的Aβ过度金属化[20]。有研究证明，在阿尔茨海默病患者脑内MT家族的浓度与正常人相比有所降低。

4 思考与展望

目前的研究已经证明了锌离子与AD的发生发展密切相关，随着对AD研究的不断深入，将进一步明确锌离子参与AD发生的分子生物学机制。因此，对锌离子及其转运体ZIP和ZnT的深入研究以及锌螯合剂类药物如DP-109的研发，对未来AD的防治将具有重要的意义。

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