微管蛋白及磷酸化tau蛋白在认知功能障碍疾病中的作用

张丽丽 王红阳 韩广超 禹江涛 王 袁

(河北联合大学附属医院呼吸内科 河北唐山 063000)

认知功能障碍是指脑的器质性病变所造成的患者在知觉、注意、言语、记忆以及思维等高级皮层机能方面出现的机能障碍。很多疾病可造成认知功能损害，如缺氧性脑病、阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)、脑血管病等。这些疾病引发认知功能障碍的具体机制尚不明确。研究显示，出现认知功能障碍疾病患者的神经中枢都存在不同程度的细胞凋亡、细胞退变，在这些无功能细胞中可见微管蛋白、磷酸化tau蛋白异常改变。本文主要对认知功能障碍疾病中微管蛋白、磷酸化tau蛋白改变的研究现状作一综述。

1 微管蛋白、tau蛋白与神经元形态变化的关系

微管是细胞骨架的组成部分之一，具有维持细胞形态，参与细胞内运输、鞭毛和纤毛运动、纺锤丝和染色体运动、形成基粒和中心体等重要功能［1］。由微管蛋白(tubulin)和微管结合蛋白(MAPS)两大类蛋白组成。微管蛋白的种类很多，而神经元的微管主要由β-微管蛋白构成。细胞内的微管是由13条微管蛋白组成的长的原纤维按行定向排列组成的中空的管状结构，不同的条件可使微管聚合或解聚［2］。神经细胞在分化或坏死过程中β-微管蛋白的表达将会发生巨大的变化［3］。生长初期主要分布于核周附近，随神经元的成熟散在分布于胞质及突起内，构成细胞骨架，维持细胞形态。微管组装及其动力学对脑的发育及功能发挥具有重要作用。微管组装及其动力学变化是一个非常复杂的过程，它不仅受微管蛋白结构的限制，还要受微管相关蛋白(MAPs)等连接蛋白的调节。tau蛋白属于微管相关蛋白，锚定在微管壁上，稳定微管结构和促进微管组装。启动微管组装的微管蛋白β亚基与GTP结合的反应受tau蛋白的诱导，tau蛋白的异常磷酸化就失去了诱导微管与GTP结合的能力，从而降低微管的组装，微管稳定性受影响，神经细胞轴浆运输功能受损，转运的细胞内物质不能迅速降解，而发生聚集并导致微管破坏和形成双螺旋纤维，最终引起神经元退变和死亡［4］。

2 磷酸化tau蛋白与缺氧性脑病

缺氧性脑病是一种常见的神经系统(NS)受损疾病，认知功能障碍是缺氧脑损伤后的主要表现［5］，且与低氧严重程度相关。缺氧后氧化应激、自由基损伤、炎性介质的释放等，发生了复杂的病理生理变化，激活多条信号转导通路和许多蛋白激酶，从而产生错综复杂的生物学效应。脑组织、脑细胞、神经原的炎性和过氧化性损伤，神经细胞凋亡，造成患者认知功能损伤［6］。

细胞凋亡的发生、发展，与细胞骨架有着极其密切的关系，凋亡过程中细胞形态会发生一系列的改变，其本质是细胞骨架的作用，细胞微管的形态随细胞凋亡的发展发生相应的改变，凋亡早期微管逐渐凝聚成无功能的团块状，细胞骨架的功能改变，细胞逐渐失去其原来的细胞形态，到凋亡晚期，微管结构降解，细胞骨架塌陷［7］。研究显示，凋亡早期发生短暂的tau蛋白高度磷酸化，而凋亡晚期出现tau蛋白去磷酸化和断裂［8］。AD发病与慢性缺氧状态密切相关［9］，最近的研究发现，慢性氧化应激可诱导tau蛋白磷酸化，参与神经元的损伤过程，促进AD发展［10］，缺氧作为一种应激原［11］，能够诱导机体产生广泛的应激反应。这些应激反应包括染色质重塑如组蛋白甲基化、乙酰化，氧化应激，诱导相关基因表达，激活一系列蛋白磷酸激酶和蛋白磷酸酯酶的激活［12～14］，如糖原合酶激酶(GSK3β)的及蛋白磷酸酯酶2A(PP2A)活性的改变，导致tau蛋白磷酸化状态改变。有研究证实，缺氧可引起tau蛋白Thr205、Ser396、Ser404位点的过度磷酸化。酸化后促使tau蛋白从微管上解离出来，引起轴突运输障碍［15］，导致轴突末端营养不良，代谢产物聚积，最终产生轴突退行性病变，影响突触传递效率及可塑性而损害学习记忆行为，缺氧性脑病患者脑损伤与微管蛋白、磷酸化tau蛋白密切相关。此过程中异常高度磷酸化的tau蛋白可能与神经元凋亡是相互联系的，尚不能肯定他们之间的因果关系，需要对它们之间的信号转导机制进一步研究。

3 磷酸化tau蛋白与AD

AD是一种病因不明的神经退行性疾病，主要临床症状表现为进行性认知功能障碍，主要病理特征是皮质神经元数量减少，老年斑(senile plaque SP)、脑血管淀粉样蛋白沉积及Tau蛋白异常磷酸化聚集成神经原纤维缠结(neurofibrillary tangle NFT)［16］。临床病理研究发现AD患者严重程度与脑组织中神经元纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFT)数量呈正相关，而NFT的主要成分是过度磷酸化tau蛋白［17］。蛋白激酶和磷酸酶活性失去平衡是tau蛋白异常磷酸化的主要原因。tau蛋白过度磷酸化后丧失了促进微管组装的活性，使微管组装降低，一些在胞体与神经末梢之间正常运输而又不被迅速降解的细胞成分聚集在神经元内，最终导致神经元退行性变。

tau蛋白过度磷酸化的直接原因是由于蛋白激酶活性增高和/或磷酸酯酶活性降低造成。在AD患者脑中有检测发现存在3种磷酸化的tau蛋白:易溶型非异常磷酸化的tau(C-tau)、易溶型异常磷酸化的tau(AD p-tau)、不溶性以双螺旋丝聚集的tau(PHF-tau)。C-tau生物学活性方面与正常tau蛋白相似，AD p-tau是没有生物学活性的，但也未聚合成双螺旋纤维细丝，PHF-tau是从神经元纤维缠结中提取的异常过度磷酸化的tau蛋白［18］。目前发现tau蛋白的磷酸化位点多达21个，主要的磷酸化位点是 Thr231、Ser396、Ser404、Ser199、Ser202、Thr205、Ser262等。已知脯氨酸指导的蛋白激酶(PDPK)有3大类［19］:①有丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)及其3种主要亚型:细胞外信号调节激酶(Extracelluar signal-regulated kinase，ERK);c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-teminal kinaes，JNKs);P38。②糖原合成激酶Ⅲ(Glycogen Synthesis KinaseⅢ，GSK)。③周围蛋白依赖性激酶(Gyclin Dependence Kinase，CDK)已经体外实验证明，他们都能将正常状态下的tau蛋白激活成异常的老年痴呆状态下的tau蛋白。在众多的蛋白激酶和磷酸酯酶中，糖原合酶激酶3β(GSK-3β)和蛋白磷酸酯酶2A(PP2A)分别在tau蛋白过度磷酸化中发挥重要作用［20］，GSK-3有两个亚型，分别是 GSK-3α 和 GSK-3β，其中GSK-3β是引起AD样tau蛋白异常过度磷酸化的重要的蛋白激酶［21］，GSK-3β通过磷酸化tau蛋白的 Ser396和Ser404位点发挥作用，PP2A是一种重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酯酶，能通过去磷酸化作用下调PKB，MEK1/2，ERK1/2和JNK的活性，使得tau蛋白的磷酸化水平下降。在AD患者脑中，PP2A的活性下降，而GSK-3β处于激活状态，此外GSK-3β激活可上调PP2A抑制因子的水平并抑制PP2A活性。因此磷酸化tau蛋白与AD发生存在密切关系，但AD的发病因素和机制复杂，仍需进一步研究。

4 微管蛋白、磷酸化tau蛋白与脑血管病

随着人口老龄化和生活水平的提高，我国脑血管发病率正逐年提高且发病已有年轻化趋势。世界范围内脑卒中的发病率为150～200/10万人，其中缺血性脑卒中高达85%［22］。流行病学研究资料显示，大多数脑卒中患者伴随认知功能障碍。50%～75%的脑卒中患者可发生认知障碍。卒中患者发生认知障碍的风险至少是未患卒中患者的6～9倍，尤以卒中后12个月内发生认知障碍的风险更高，而且可能持续数年之久［23］。脑缺血再灌注损伤主要通过钙调节蛋白依赖性激酶(CaMKs)和有丝分裂原激活蛋白 (MAPKs)信号转导通路:细胞外信号调节激酶(ERK)，p38和c-Jun氨基末端激酶(JNK)的激活介导神经细胞能量耗竭、兴奋性谷氨酸神经递质毒性、钙离子超载、迟发性细胞死亡、自由基损伤、各种细胞因子的释放、半暗带区的去极化以及炎症反应等复杂的病理变化，导致神经细胞凋亡，功能丧失。

脑梗死急性期患者血液中β-微管蛋白的呈现高表达状态，β-微管蛋白的表达与患者脑梗死的范围及预后密切相关，β-微管蛋白表达随梗死面积增大表达越显著，患者预后越差，β-微管蛋白表达升高的机制可能由神经细胞坏死后释放到血液中引起，检测β-微管蛋白对判断病情预后及指导治疗具有一定临床价值［24］。JNK在脑缺血再灌注后活性增加并参与调节细胞凋亡［25］，tau蛋白的磷酸化是由许多蛋白激酶调节，如:CaMKⅡ、cdcZ、cdk5、GSK-3β、PKA、PKC 等，其中 MAPK、GSK-3β、edk5等是tau蛋白磷酸化的主要激酶。因此脑缺血再灌注后的tau蛋白磷酸化与Gsk-3β、cdk-5和MAPK活性增加有关，随缺血再灌注时间延长磷酸化tau蛋白会有所下降，可能与长时间缺血再灌注后过度的损伤导致蛋白激酶水解或活性下降甚至失活有关。tau蛋白的高度异常磷酸化在脑缺血再灌注后病理生理变化中起着重要的作用。

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