轴突转运障碍与阿尔茨海默病

戴甲培, 王燕子

(1中南民族大学 武汉神经科学与神经工程研究所，武汉430074, 2中南民族大学 生命科学学院，武汉 430074)

神经元的分支由轴突(axons)和树突(dendrites)组成，神经元的生长发育和功能维持主要依靠胞体与分支之间的相互作用.神经元轴突因其独特的形态学和生理学特征在神经系统中发挥重要的作用，其中轴突转运(axonal transport)是实现神经元功能不可或缺的一部分.轴突转运能够提供和补充轴突和远端末梢必需的蛋白质、脂质和线粒体等物质，并清除轴突内失去功能和错误折叠的蛋白质及老化的线粒体，以保证轴突内免于因毒性物质过度积累而造成的伤害.轴突转运不仅在神经元自身新陈代谢中起重要作用，而且能确保神经元彼此对有利或有害的信号作出正确的和有效的反应.故轴突转运在实现大脑正常功能中起重要作用，其功能异常不仅影响神经元的正常生长、发育、老化和功能稳态，而且与神经系统疾病的发病和病理机制有重要的关系.

阿尔茨海默病(AD)是老年痴呆中最常见的一种类型,传统特征性神经病理学改变是不同脑区(如海马、皮层和皮层下结构等)神经元纤维缠结(NFT)和细胞外老年斑(SPs)的形成，与此伴随的是严重的轴突和树突骨架的改变.这表明在某种程度上，轴突转运的改变和障碍(axonal transport deficits or impaired axonal transport)与AD起病和发展有重要的联系.

1 轴突转运的分子基础

1.1 轴突转运基本概况

神经元轴突和树突内含有大量的微管结构，微管是由在其中心体(centrosome)内部不断聚合和解聚的α和β微管蛋白二聚体组成的管状结构，直径为25nm.树突中的微管有2个方向的排列，无极性，而轴突中的微管是有极性的：缓慢增长的负极端(minus end)指向胞体排列，末端暴露α微管蛋白，而快速增长的正极端(plus end)背离细胞体排列，指向轴突的尖端，末端暴露β微管蛋白.故轴突中的微管能将向正极端转运的线粒体从胞体转运到轴突末梢，但不能转运其他向负极端转运的细胞器.微管在轴突内部组成不同的轨道(tracts),通过不同的动力蛋白(motor proteins)保证轴突内的各种“货物”(cargoes)在轴突内部正常运输.

轴突转运通常分为两大类：快速和慢速转运(fast and slow axonal transport)，前者介导细胞器转运，如囊泡和线粒体；后者负责胞质蛋白的转运，包括各种酶和细胞骨架蛋白如微管和神经微丝.轴突内各种“货物”在沿着微管转运的过程中都需要由分子马达(molecular motors)掌控，并依赖ATP水解供能.不同的“货物”通过微管在轴突内的运输具有不同的特点，具体表现为“货物”运输的阶段性、间歇性和方向性.纤维状物质如神经纤维主要表现为运动的长时间暂停和单向顺行性(anterograde direction)；囊状物质如溶酶体，表现为运动的短时间暂停和双向运动性；自噬体(autophagosomes)则表现为运动的连续性和单向逆行性[1].由此可见，物质在轴突内运输的速度取决于物质在运输过程中暂停时间的长短.

1.2 轴突转运与分子马达

由于轴突“货物”转运需要分子马达操控，故分子马达在轴突转运中至关重要.在轴突转运过程中，承担主要任务的分子马达有驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein)和肌球蛋白(myosin).不同的分子马达参与不同“货物”的转运和调控，且各个马达分子之间相互作用，共同完成“货物”在轴突中的运输.

1.2.1 驱动蛋白

驱动蛋白是分子马达的主要组成部分，它能驱使“货物”沿着微管顺行运输.驱动蛋白-1是驱动蛋白家族重要成员之一，它能通过自身的乙酰化实现对微管的连接，且通过胞体内部受体蛋白实现对“货物”的连接.驱动蛋白在“货物”运输中一端连接在微管上，另一端通过与微管的分离和重新连接的方式使驱动蛋白复合体在微管上进行长距离的运输[2].

1.2.2 动力蛋白

胞质动力蛋白-1(cytoplasm dynein 1)是分子马达的另一个重要组成成分，其马达蛋白区域分别通过尾部和双链间的连接环实现与微管和动力蛋白轻链之间的相互作用[3].胞质动力蛋白复合体能驱使以微管蛋白为基础的逆向运输.胞质动力蛋白-1在“货物”运输的过程中一端连接在微管上，另一端通过与微管的分离和重新连接使动力蛋白复合体能够像驱动蛋白一样在微管上进行长距离的运输.

1.2.3 肌球蛋白

肌球蛋白也是分子马达的一种，它主要介导在神经元末梢分布密集的肌动蛋白神经纤维丝上“货物”的运输.众多报道提出肌球蛋白还参与微管介导的轴突运输.肌浆球蛋白Va敲除的小鼠神经元表现出轴突转运逆行方向的速度减慢，证明肌球蛋白Va在轴突转运过程中的重要作用.

1.3 轴突转运与微管相关蛋白

在神经元内微管的聚合、重排和稳定需要与一系列蛋白相互作用，这类蛋白被称为微管相关蛋白(microtubule-associated protein, MAP)，神经元特异性微管相关蛋白分别是MAP2、MAP1和Tau蛋白[4].Tau蛋白主要分布在轴突，MAP2主要分布在树突.Tau蛋白和MAP2能够维持微管的稳定性，并与AD的发病过程密切相关.

1.3.1 Tau蛋白

Tau蛋白结合在微管的表面和内部，调节微管蛋白的聚合和微管的稳定性.动力蛋白和驱动蛋白调节的轴突转运由轴突内部的Tau蛋白控制.Tau 蛋白过度磷酸化，积累聚合后形成神经原纤维缠结，影响轴突转运的正常进行.

1.3.2 MAP2

不同哺乳动物神经元树突中含有大量MAP2，能诱导微管的组装以确保神经元再生，且在神经元发育中对树突的形态维持起重要作用.在转基因小鼠Tg2576神经元内部Aβ42 的累积会诱发树突和突触前膜MAP2的减少.编码MAP2基因突变或蛋白生成受阻也会造成微管稳定性降低，引发轴突转运障碍，诱发AD的产生[5].

1.4 轴突转运与其他相关蛋白

载脂蛋白E4 (ApoE4)转基因小鼠神经元内出现轴突的肿胀和转运功能障碍，提示ApoE4在轴突转运中的重要作用.轴突转运障碍与轴突内部物质的过度积累与错误折叠有关，而与消化有关的蛋白酶能特异性的消化轴突内部的累积物和毒性蛋白质，蛋白酶抑制剂MG-115作用于神经元会造成Tau蛋白过度磷酸化和微管稳定性降低.说明蛋白酶活性的维持与轴突转运的正常进行密切相关[6].β分泌酶(β-secretase, BACE)是轴突内部双向运输的剪切酶，BACE在营养不良神经突起的非正常积累会诱发突出前膜Aβ过度分泌，产生淀粉样斑块，阻碍轴突转运的正常进行[7].

2 轴突转运障碍与阿尔茨海默病

2.1 轴突转运障碍与阿尔茨海默病的关系

AD两大典型的病理学特征即神经原纤维缠结和组织内部淀粉样斑块.神经原纤维缠结由Tau蛋白的聚合和过度磷酸化形成，而淀粉样斑块主要由Aβ蛋白过度累积形成.早期的研究中，在过量表达4个人类Tau蛋白的转基因小鼠在脑和脊髓中发现伴随神经丝蛋白、线粒体和囊泡积累而形成的轴突扩张(axonal dilations)，这些研究还提示AD病人脑内可能存在轴突转运障碍，并使用了“轴突病变”(axonopathy)这一概念作为对这些神经病理改变的总体描述.不久，通过使用尸检的AD脑组织结合死亡后神经示失踪技术证明了AD脑内存在轴突转运障碍的猜测，发现AD脑内存在的轴突转运障碍与传统的AD特征性神经病理改变如SPs和NFTs有一定的关联性[8]， 并可能与AD脑内神经细胞糖皮质激素抵抗(glucocorticoid resistance)有关.美国 Goldstein 研究组使用AD脑组织、淀粉样蛋白前体APP转基因小鼠(TG-swAPPprp)和驱动蛋白-1(kinesin-1)基因敲除的小鼠(KLC1wt/KLC1wt)进行观察[9]，结果发现轴突和膨体的肿胀(swelling of axon and varicosity)可能是AD早期重要的神经病理改变，至少在这种动物模型上的研究结果表明，轴突和膨体的肿胀明显早于Aβ淀粉样蛋白斑块的形成，而且，轴突转运功能的下降与轴突和膨体的肿胀有重要的关系.后来，在其它AD动物模型和人脑的研究也证实了轴突转运障碍及轴突和膨体肿胀的存在[10,11].

但到目前为止，轴突转运障碍在AD和其他痴呆型疾病中的具体作用机制尚不甚明了.许多AD模型中表现出轴突转运障碍，但始终无法辨别这种障碍是引发阿尔茨海默症的首要因素，还是因为其他细胞学水平的改变引发转运障碍而间接导致AD发病.参与轴突转运基础组成物质的缺少或损伤也会产生这种病理学现象，如抑制供能细胞器线粒体向突触方向的转运，会造成轴突转运因能量供应不足而发生障碍[12].部分研究提出，通过多种作用途径可揭示Tau、APP、PS1及Aβ在AD影响轴突快速转运方面所起的作用.实际上，在PS1基因或Tau蛋白基因突变的小鼠中和在野生型基因过度表APP转基因小鼠中，神经元会表现出轴突转运障碍和轴突的肿胀，这些病变早于Aβ的聚集和Tau蛋白纤维缠结的发生，提示轴突转运障碍可能发生在AD的早期.

2.2 轴突转运障碍导致阿尔茨海默病的分子机制

2.2.1 Tau蛋白与轴突转运障碍

Tau蛋白与AD发病之间的关系一直都是讨论的热点.目前研究证实部分单体Tau蛋白能阻止驱动蛋白的马达结构域对微管的连接，抑制驱动蛋白在微管上的能动性[13]，进而阻止不同物质包括APP的顺行运输.而其他研究指出Tau蛋白对微管的连接不会直接影响到驱动蛋白或以动力蛋白为基础的胞质运输的能动性[14].野生型的纤维状Tau蛋白抑制转运的进行并不是在微管表面起作用，而是通过脱磷酸化作用激活PP1蛋白进而活化谷氨酸合成酶(GSK3β)，导致驱动蛋白轻链(KLCs)的磷酸化，使驱动蛋白从“货物”上解离下来.在AD患者脑内，神经元内神经纤维缠结能大幅度降低微管的稳定性和乙酰化水平.故在这种患者体内，Tau蛋白的高度磷酸化可能会使轴突微管的稳定性降低反过来引起细胞骨架不可逆损伤，最终导致神经元的退行性改变.

研究发现，在过度表达野生型Tau蛋白基因的小鼠体内未表现出神经元病变和轴突转运障碍，指出Tau蛋白可能只在其表达水平过高或Tau蛋白的单体聚合和磷酸化水平急剧增加的情况下才会干扰轴突的转运[15].但相反研究认为， Tau蛋白毒性作用由可溶性的单体Tau蛋白高度磷酸化引起，而不是Tau蛋白的聚合，这表明Tau蛋白的聚合尤其是低聚态Tau蛋白对神经细胞没有毒性，并在一定程度上会抵抗Tau蛋白引发的毒性作用[16].提示Tau蛋白的集聚不是引发轴突转运障碍的直接原因.然而，由于不同类型神经元的物质转运对微管的高度依赖性，到目前为止这种机制还不能确切揭示AD在不同细胞内的病理学现象和年龄依赖性的特征.

2.2.2 APP与轴突转运障碍

APP也能影响轴突转运并主要作用于顺行运输过程中，它可能通过早老素1(PS1)和β剪切酶1(BACE1)作用区与驱动蛋白轻链(KLCs)直接相连，但这种分子机制目前还存在争议.小鼠海马神经生长因子(nerve growth factor, NGF)的放射素标记实验表明，在过度表达APP或者是swAPP(瑞典阿尔茨海默病基因家族)的转基因小鼠体内，神经生长因子的逆向转运被中断，这种中断效应并不因神经生长因子的聚集沉淀或内化作用(internalization)后的丢失，而是因为早期核内体(endosome)的增大导致轴突转运功能的丧失[17].

有假说指出Aβ本身可以引发轴突快速转运障碍：在培养的海马神经元内，Aβ通过提高肌动蛋白的聚合和集聚干扰轴突囊泡的转运，这个过程是程序性不可逆的.在相同的细胞模型中，Aβ通过激活NMDA型的谷氨酸受体和GSK3β抑制线粒体的转运，这个效应能够通过激活蛋白激酶A-环腺苷AMP信号通路或NMDA受体拮抗剂缓解[18].

APP的非正常加工和Aβ42的产生能够通过损害线粒体的功能和抑制脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)酪氨酸受体激酶-2信号通路，引发一系列效应：抑制BDNF的逆向转运[19]、神经元供能不足和轴突转运障碍等，进而导致AD的发生[20].

2.2.3 “轴突漏”与轴突转运障碍

一个新的神经病理改变，称之为“轴突漏”(axonal leakage)在AD病人脑组织中发现，且“轴突漏”常伴随轴突和膨体肿胀，进一步分析表明：“轴突漏”与SPs和NFTs的起源、形成和发展可能有重要的关系[21,22].据此，轴突病变已体现在功能和形态改变两个层面上，表现为轴突转运障碍、轴突和膨体肿胀和“轴突漏”，这不但丰富了轴突病变概念的内涵，且这一病理生理改变机制对于解释轴突转运障碍的发生、淀粉样斑块和神经原纤维缠结形成的起源提供了新颖的理论框架[21,22].

2.2.4 其他AD相关因素与轴突转运障碍

与AD有关的主要危险因子如脑缺血、脑中风、脑损伤和代谢改变等也可能影响轴突转运功能.在成年Wistar大鼠脑缺血/再灌注动物模型上发现短暂(30min)大脑中动脉缺血/再灌注导致了明显的早期(6h)出现和长期(4周)存在的轴突病变(明显的轴突和膨体肿胀).外伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)会增加AD的发病几率，造成轴突转运功能障碍，并且会出现AD典型的病理学改变如神经原纤维缠结和淀粉样斑块等[23]，在成年SD大鼠加速打击导致的外伤性脑损伤动物模型中发现，脑损伤3h后胼胝体和锥体束出现轴突病变，呈现轴突肿胀，24h后轴突病变加重且轴突内APP明显高水平表达[24].最近研究报道指出，链脲佐菌素(streptozotocin, STZ)导致的大鼠(3～4月龄)I型糖尿病模型在约2个月的病程后脑皮质、内嗅皮质和海马区出现了明显的轴突病变和树突病变(dendropathy)[25].研究证明，在AD脑内，损伤的神经元表现出逆死性模式(dying-back pattern)，即神经元突触和轴突转运功能的病变远远早于神经元胞体本身的病变，这种病理现象在很多AD模型中表现最为明显[26].也有研究指出α-微管蛋白乙酰化酶MEC-17的丢失会造成自发的、渐进性的轴突损伤，并通过调节线粒体和突触组分的分布，引起微管稳定性降低、线粒体数量减少和轴突转运中断[27].

3 结语

神经元有效的轴突转运对维持其正常的生理功能至关重要，分子马达驱动的运输能够为树突、轴突和轴突末梢提供和更新神经元的功能组分，并及时清理代谢产生的废物和有害物质.微管相关蛋白可维持微管的稳定性，确保“货物”的正常运输.APP和Tau蛋白通过多种作用机制影响轴突转运，与AD的发病密切相关.目前关于AD方面的研究还存在三个方面的问题：一是淀粉样斑块和神经原纤维缠结产生的机制，二是轴突转运障碍发生的分子学机制，三是基于现有研究水平，未能发现有效针对AD的方法和药物.尽管已有大量研究试图解释AD发病机制并提出部分可暂时缓解AD病症的方法，但对这些研究的有效性和临床的适用性还有待于进一步探讨.

参 考 文 献

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