阿尔茨海默病中钙稳态失调与CaMKⅡ表达间的关系

阿尔茨海默病中钙稳态失调与CaMKⅡ表达间的关系

吴子怡王爽1魏敏杰1

(中国医科大学学院，辽宁沈阳110001)

关键词〔〕阿尔茨海默病；钙稳态失调；钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ

中图分类号〔〕R749.1〔

通讯作者：魏敏杰(1963-)，女，教授，博士生导师，主要从事神经药理学研究。

1中国医科大学药理学教研室

第一作者：吴子怡(1991-)，女，在读硕士，主要从事阿尔茨海默病研究。

阿尔茨海默病(AD)又称为老年性痴呆，其主要病理特征包括突触变性、老年斑(SP)及神经纤维缠结(NFT)，最终导致神经元丢失。目前关于AD发病机制的假说有多种，包括β-淀粉样蛋白(Aβ)假说、Tau蛋白过度磷酸化假说、兴奋性氨基酸假说、基因假说、慢性炎症假说、氧自由基导致的神经退行性病变假说、脑神经元凋亡假说等。近年来，越来越多的证据表明，Ca2+失调在AD的发病机制中发挥着重要的作用。

1钙稳态失调学说

神经元通过Ca2+来调节膜的兴奋性，激发神经递质的释放，继而影响基因表达及神经元的生长和分化。一系列钙泵及其相关结合蛋白参与了细胞基础钙水平的调节，保持了局部酶活性及信号传导的正常〔1〕。

钙调素(CaM)是哺乳动物大脑中主要的钙结合蛋白〔2〕。CaM与Ca2+结合后形成Ca2+/ CaM复合物，再启动下游多个信号通路，如钙/钙调素依赖性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ，蛋白激酶(PK)C，丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)1/2，磷酸化酶激酶等。其中CaMKⅡ是Ca2+/ CaM第二信使系统的主要靶向作用分子，并且作为神经元兴奋性传导的调节者在学习和记忆中扮演重要角色〔3〕。

CaMKⅡ是突触后致密物(PSD)的主要成分，占PSD组分蛋白总量的20%～30%。CaMKⅡ家族包含28个异构体，主要来自4个基因(α，β，γ，δ)，在脑内分布主要有CaMKⅡ-α和CaMKⅡ-β异构体。大量数据显示海马CA1 区域的锥体神经元中Ca2+/CaMKⅡ的启动与长时程增强(LTP)现象密切相关〔4〕。LTP作为突出可塑性的研究模型，被认为是与学习和记忆有密切关系的神经突触可塑性的生物学基础。当适当的刺激引起突触前兴奋性递质谷氨酸释放，与突触后膜上的谷氨酸受体N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体结合，使Ca2+通过NMDA受体进入突触后神经元。CaMKⅡ经过钙信号传导发生自身磷酸化作用，形成稳定的开放状态，即使当Ca2+浓度降至原有水平后，CaMKⅡ仍能保持长时间的活性状态直至其去磷酸化〔5〕。CaMKⅡ磷酸化后能引发一系列与钙相关联的细胞内生化反应，诱导出LTP。Moriguchi〔6〕发现，奈非西坦作为AD靶向治疗药物，可以通过刺激激活海马CA1区的CaMKⅡ来增强NMDA受体依赖的LTP。有实验证明，小鼠的CaMKⅡ-α亚基被敲除后，其海马和新皮层的细胞形态和NMDA受体功能都正常，但小鼠存在明显的学习和空间记忆障碍，也无法在海马脑片上诱导出LTP〔7〕。

钙稳态失调学说认为，神经细胞内Ca2+浓度升高会导致细胞损伤，并为AD的最终形成提供共同通路。另外，已有研究表明，在AD的发展过程中，在神经胶质细胞中同样存在钙稳态失调现象，而且伴有CaMKⅡ-α表达下降〔8〕。

2p(Thr286) CaMKⅡ的重新分布

CaMKⅡ分子结构中存在催化区、自抑制区、可变区和自联合区。在自抑制区中存在有类似蛋白酶作用区域，它能和催化区的底物结合位点相结合并激活酶的活性。CaMKⅡ的启动是在细胞内钙离子浓度升高幅度较大、持续时间较长的基础上发生的。整个过程中，两个CaM同时与CaMKⅡ的两个亚基结合，一个与特定亚基结合使其启动，另一个与相邻亚基结合，使CaMKⅡ构象改变，使邻近亚基将Thr286磷酸化。CaMKⅡThr286自身磷酸化后使得CaMKⅡ从CaM依赖状态转变为非CaM依赖状态，这种非CaM依赖状态是LTP所必需的〔9〕。

据Reese等〔10〕研究，CaMKⅡ的磷酸化启动形式，即p(Thr286) CaMKⅡ，在AD海马神经元树突中降低，但是在神经元胞体中升高。这是因为在PSD中，蛋白磷酸酶(PP)1是p(Thr286) CaMKⅡ主要的去磷酸化剂，在PSD外，PP2A占p(Thr286) CaMKⅡ主要的去磷酸化剂的70%。在AD患者海马中，PP2A mRNA的水平显著下降，PP2A抑制剂1和2的水平显著上升，使得神经元胞体中p(Thr286) CaMKⅡ去磷酸化作用减弱。p(Thr286) CaMKⅡ这种重新分布在海马CA3区体现得更有意义。因为AD 患者中海马CA1区几乎一半的神经元丢失，很难排除由神经元丢失引起的p(Thr286) CaMKⅡ减少。相反，CA3区的神经元保存的相对完好。由于突触CaMKⅡ的变化形式参与调解突触传递，这种重新分布可能表明突触CaMKⅡ的丧失是AD的一个病理性事件〔11〕。

3CaMKⅡ与Aβ寡聚体

SP是AD的主要病理改变之一，主要由胞外的Aβ聚集而成。与非转基因鼠相比，脑内有Aβ形成的淀粉样前体蛋白(APP)转基因鼠的神经元轴突内钙严重超载〔12〕。Aβ引起钙超载的可能机制有多种：①Aβ与NMDA受体相结合引起钙内流〔13〕。②Aβ与细胞膜相互作用形成离子孔，引起钙内流〔14〕。③老龄化相关的钙结合蛋白calbindin的减少〔15〕。④Aβ与亚铁和亚铜离子作用引起的膜脂过氧化〔16〕。

Min等〔17〕在实验中用APP/早老素(PS)1转基因鼠和Aβ1～42处理过神经元分别代表体内和体外AD模型，结果测得CaM的表达增加，相反，p(Thr286) CaMKⅡ的表达下降。Gu等〔18〕在研究中发现，胞外Aβ处理神经元可以使CaMKⅡ在突触的表达下降，Aβ可能通过未知的机制进入胞内或与细胞膜上的受体结合引发胞内系列信号传导。并且推测Aβ通过两条途径影响CaMKⅡ的表达：①Ca2+/CaM途径；②通过F-肌动蛋白影响细胞骨架途径。新近的研究报道〔19〕，从柚皮中提取的Naringin可以通过增强CaMKⅡ的活性提高AD小鼠模型中的长时程记忆能力。与之前报道的Naringin可以降低Aβ介导的体内神经毒性相吻合〔20〕。

另有实验证明〔21〕，Aβ干扰NMDA受体依赖的LTP诱导首先通过Aβ与NMDA受体相互作用，NMDA受体启动后引起钙内流增加，并通过下游一系列信号通路启动钙调神经磷酸酶(CaN)和依赖于环磷酸腺苷(cAMP)的蛋白激酶(PK)A等蛋白激酶。PP1分别受CaN和PKA的正调节和负调节，PP1被过度启动后，使得p(Thr286) CaMKⅡ发生去磷酸化失活，从而引起LTP障碍。因此，在Aβ对LTP的抑制中，CaMKⅡ磷酸化下调起到了重要作用。CaMKⅡ虽然不参与LTP的形成，但对LTP的诱导起重要作用。有实验表明，加入CaN抑制剂后，小鼠认知下降的现象得到缓解。同样支持了Aβ寡聚体介导的p(Thr286) CaMKⅡ通路障碍至少和CaN有关〔10〕。另有证据表明，Aβ也可以直接增强PP1的活性〔22〕。在Grant等〔23〕研究中，在CaM和ATP存在的条件下，给予Ca2+刺激后，CaMKⅡ-α迅速发生自身磷酸化。给予持续的Ca2+刺激后，结合Ca2+/ CaM的p(Thr286) CaMKⅡ-α去磷酸化失活，并且构象发生改变，继而聚集，以Ca2+/ CaM/ p(Thr286) CaMKⅡ-αc的形式存在。这种构象改变起初可以通过Ca2+/ CaM的移除发生可逆变化，但是随着钙超载引起的Ca2+/ CaM持续存在使其不可逆。

由于PSD中CaMKⅡ的分区对于突触底物如α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑-丙酸(AMPA)受体的调解很关键，Aβ介导的突触CaMKⅡ丢失可能对突触功能有很大影响。AMPA受体是谷氨酸受体的另一亚型，一些蛋白激酶如CaMKⅡ可以磷酸化AMPA受体，在突出可塑性中起到调节作用。研究〔18〕发现，Aβ能使AMPA受体的谷氨酸受体(GluR)1亚基显著丧失。通过控制CaMKⅡ的表达能够进一步证实AMPA受体的丧失首先通过CaMKⅡ表达的变化。敲除CaMKⅡ基因能显著降低AMPA受体电流密度。若降低Aβ效应，CaMKⅡ过度表达能阻止AMPA受体电流密度的下降。因此，Aβ可以通过降低突触CaMKⅡ表达造成AMPA功能障碍。

4CaMKⅡ-α与Tau蛋白过度磷酸化

NFT是AD的另一重要病理特征。高度异常磷酸化Tau蛋白的成对螺旋丝组成(PHF-tau)，并且以NFT的形式聚集在神经元胞体。Tau 蛋白是微管相关蛋白质，具有稳定微管结构的功能。在激酶/磷酸酯酶作用下，Tau 蛋白会发生可逆性磷酸化/去磷酸化作用。Tau 蛋白的高度磷酸化，特别是位于其微管结合区域的Ser-262和Ser-356的磷酸化，降低了Tau 蛋白与微管的结合性能。CaMKⅡ正是Ser-262和Ser-356位点磷酸化的主要蛋白激酶。

高度磷酸化的Tau 蛋白自聚合形成成对螺旋纤维(PHF)，沉积于NF7中，妨碍微管蛋白装配和影响微管的稳定性，破坏了正常的细胞骨架结构和功能。Wang等〔24〕研究证实，AD患者海马CA1区CaMKⅡ-α阳性神经元数目显著减少，一方面可能本身由海马神经元大量丢失导致，另一方面，CaMKⅡ-α和Tau蛋白磷酸化共存比例低，仅32%过度磷酸化Tau蛋白神经元同时表达CaMKⅡ-α，这提示CaMKⅡ-α可能部分参与Tau蛋白的过度磷酸化或是含过度磷酸化Tau蛋白的神经元功能损伤可能导致了CaMKⅡ-α表达缺失。虽然AD海马CA1亚区CaMKⅡ-α神经元数目显著减少，但是CaMKⅡ-α免疫反应性却显著增强。一方面可能是由于CA1区神经元数目减少，机体为了维持正常的功能，剩余神经元产生代偿反应；另一方面，AD患者脑内自由基产生增加、局部释放过氧化氢(H2O2)增加也能诱导CaMKⅡ-α的表达增加。

Tau蛋白高度磷酸化的机制目前还不十分清楚，但近几年的研究表明，Ca2+失调参与了NFTs 的形成〔25〕。Tau 蛋白磷酸化程度是体内多种特异蛋白激酶的磷酸化和蛋白磷酸酯酶脱磷酸两种作用间相互平衡的结果。当病理条件下CaMKⅡ在胞体被异常激活时，该平衡被打破，Tau蛋白被高度磷酸化，失去结合微管的能力，积聚并形成PHFs。

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〔2013-12-23修回〕

(编辑安冉冉/杜娟)