金属离子在阿尔茨海默病中的作用

王灵芝综述 呼日勒特木尔审校



金属离子在阿尔茨海默病中的作用

王灵芝综述 呼日勒特木尔审校

阿尔茨海默病；金属离子；淀粉样蛋白；Tau蛋白

【DOI】 10.3969 /j.issn.1671-6450.2015.03.033

阿尔茨海默病(Alzheimer'sdisease，AD)是一种由遗传及环境因素相互影响而发生的神经系统退行性变性病,是老年性痴呆最常见的类型。据2010 年世界阿尔茨海默病学会 (ADI)报告统计，全世界约有3 560万人患AD，预计2050 年全球AD患者将达到 1.154 亿[1]。AD主要表现为记忆下降、认知功能障碍以及进行性能逻辑、推理、语言、计划和概念性功能障碍，严重者丧失生活自理能力。AD的病理改变主要是脑内神经细胞外β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)沉积，胞内过度磷酸化Tau蛋白形成神经元纤维缠结(NFTs)及胆碱能神经元丢失。淀粉样前体蛋白(amyloidprecursorprotein，APP)经β、γ-分泌酶剪切形成Aβ，之后Aβ聚集形成淀粉样斑块。Tau蛋白具有调节微管聚合和空间结构的作用，轴突生长和运输调节均需Tau蛋白磷酸化，而过度磷酸化将影响微管聚集和稳定，成为AD及其他Tau蛋白病变的病理过程。在Aβ、Tau蛋白聚集区发现有高浓度的金属离子,包括钙、铜、铁、锌、铝等[2],推测这些离子与AD的发生和病理改变有关。本文对上述金属离子参与阿尔茨海默病Aβ沉积及Tau蛋白形成的研究现状及与AD发病的关系作进一步综述。

1 钙与AD发病的关系

神经细胞通过钙通路来调节膜的兴奋性，激发神经递质释放，影响神经元的生长和分化。胞浆内Ca2+过多可通过电压门控钙通道，配体门控通道或瞬时受体电位通道使钙内流增加，线粒体钙摄取障碍, 1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)介导的钙池钙调节异常等[3],使胞质内Ca2+浓度增加，触发Ca2+依赖细胞信号级联反应，导致Ca2+依赖蛋白酶类活化，活性氮/氧自由基(RNS/ROS)形成等，引起神经细胞凋亡。此外，早老素(PS)以及家族性痴呆(FAD)相关的基因变异可导致钙紊乱，FAD相关的PS突变引起内质网过度释放Ca2+[4],导致Ca2+平衡失调，激活Ca2+依赖钙调磷酸酶，损害突触可塑性、引起神经元凋亡、促进神经炎性萎缩。

1.1 钙与Aβ有些学者认为钙是Aβ级联假说的始发因素。高钙参与Aβ导致的突触功能障碍，在淀粉样斑块附近，树突棘静息钙水平升高,影响轴突, 使之形成非正常的串珠样结构[5]。在AD早期，脑内特定区域的钙蛋白酶活性明显增高，其作用于钙调磷酸酶依赖性蛋白激酶II和蛋白激酶C，调节APP磷酸化，影响Aβ的产生。Aβ能触发谷氨酸受体(NMDA)开放，使Ca2+通过内源性膜离子通道内流，可促进树突棘内的钙释放到胞浆。在神经元和星型胶质细胞中观察到有Ca2+紊乱，认为Aβ寡聚体直接影响Ca2+离子信号系统。研究发现Aβ能增加胞质内Ca2+水平，目前机制仍不明确，但有几种假设：(1)Aβ损害了膜ATP酶活性；(2)脂类过氧化可能协同参予；(3)Aβ在质膜上形成Ca2+渗透孔。此外，Aβ低聚物可抑制电压门控Ca2+通道(VGCC)的活性，使Ca2+内流增加。而流入的Ca2+和胞质内Ca2+均会增加Aβ的产生[3]。有研究[6]发现钙稳态调节因子(calciumhomeostasismodulator1,CALHM1)，其基因多态性与SAD发病密切相关。通过正常CALHM1内流的钙可以减少Aβ的生成, 增加不具毒性的sAPPa的产生,如将CALHM1基因敲除,可使Aβ生成增多[5]，其突变体CALHMl-P86L会引起质膜对钙离子的通透性改变，导致Aβ生成增加。

1.2 钙与Tau蛋白 胞质内Ca2+升高可干扰Tau蛋白磷酸化，Ca2+稳态失衡与NFTs形成有关[7]。5’-AMP-活化蛋白激酶(AMPK)是一类钙调蛋白依赖蛋白激酶，在Tau蛋白磷酸化过程中起重要作用，有助于Tau蛋白S262/S356磷酸化。研究证明，细胞内Ca2+浓度升高可间接活化AMPK[8]。Zempel等[9]用钙离子指示剂Rhod2AM/F127检查发现在Tau蛋白错误分布区的微管蛋白分解与Ca2+水平增高有关。Garg等[10]证实谷氨酸或类胡萝卜素引起的胞内Ca2+增高可促进与神经毒性明显相关的Tau蛋白片段分子量为1.7×104的切割。说明Tau蛋白磷酸化具有Ca2+依赖性。

2 铜、铁与AD发病的关系

铜和铁对脑的发育和维持神经系统的正常生理功能极为重要，在轻型认知障碍(MCI)大脑皮质及小脑中发现铜、铁含量增加。铜铁通过Fenton反应诱发氧化应激，产生活性氧簇(ROS)，造成DNA、线粒体和细胞膜的氧化损伤，促进AD进展。铜是多种酶的辅助因子，参与金属蛋白酶复合物的形成、参与电子转运和多巴胺神经介质传递、介导细胞内信号通路。Singh等[11]用小鼠和人脑细胞实验证实了铜参予且加速了AD的发病及进展。正常机体Fe2+向Fe3+转化在铜蓝蛋白帮助下进行，不产生ROS，而AD患者金属硫蛋白(MT)功能失常，导致Fe2+蓄积[12]，Fe2+及Cu2+与APP或Aβ相互作用及发生Fenton反应均导致ROS产生。铁通过催化自由基的产生促进氧化应激反应,加剧Aβ的毒性作用。铁还可触发凋亡前信号，诱导神经细胞的凋亡。Suttkus等[13]证实神经元外周细胞丛 (perineuronalnets,PNs) 可以通过拮抗铁的作用而保护神经细胞，进一步证实了铁过多损害神经系统。

2.1 铜、铁与Aβ及氧化应激损伤Cu2+可进入血脑屏障，对Aβ的聚集表现出双向调制作用：微酸性pH下，诱导不溶性Aβ化合物的聚集；中性及碱性pH下，抑制Aβ聚集，在生理pH(7．4)和适当的浓度比[Cu2+]/[Aβ]=4左右条件下，Cu2+对Aβ聚集表现出强烈的抑制效应。Aβ上有Cu2+结合位点,Aβ与Cu2+结合后，可以将Cu2+还原为Cu+，同时产生过氧化氢，促进Fenton反应的发生，使脑组织产生氧化损伤。赵保路等[14]将Aβ线虫经高铜处理后，明显瘫痪加重，过量铜引起氧化应激和Aβ协同发挥毒性，引起神经细胞损伤，表明铜可增强Aβ的神经毒性。同时产生的ROS可激活细胞内多条氧化还原通路，损伤细胞内线粒体，使其释放凋亡因子细胞色素C，激活Caspases蛋白家族，导致细胞凋亡，进一步引起脑内大量铁释放，更多的活性氧物质生成。Eury等[15]研究，发现人Cu2+与Aβ蛋白结合速度要比与小鼠Aβ蛋白的结合速度快2～3倍。Leskovjan等[16]对PS/APP小鼠脑部铁离子定量检测发现，早期铁的增加与Aβ无关，在Fe2+与Fe3+转化中多种蛋白质调控表达可造成铁离子代谢失衡，进一步导致Aβ异常沉积。铁可以延缓Aβ从非结构化构象转变为Aβ特征性的、有序的β交联纤维, 阻碍Aβ正常的聚集, 进而增加其毒性[17]。Fe3+可以引起Aβ蛋白聚集，同时Aβ能够将Fe3+还原为Fe2+，同时生成H2O2。Uranga等[18]研究了Fe3+存在下Aβ蛋白的聚合状态及它们对突触的生存能力及信号传导的影响，发现Aβ-金属离子络合物破坏细胞膜完整性的程度远远大于Fe3+或Aβ蛋白单独造成的破坏。此外，Aβ还与亚铁和亚铜离子发生反应，产生过氧化氢和氢氧根离子，使细胞膜脂质过氧化，膜去极化，并且诱发电压门控性钙通道打开，钙大量内流，造成细胞死亡。

2.2 铜、铁与Tau蛋白Cu2+在特定pH值和剂量下,可与水溶性Tau蛋白微小管结合区内的R3和R2肽结合,诱导其形成NFTs，还可使正常Tau蛋白发生二聚化形成NFTs。核磁共振光谱分析证明，Cu2+与R2肽结合时，产生·OH，造成Tau蛋白的氧化损伤。Cu2+过氧化产生的ROS间接影响Tau蛋白形成，使微管发生解体，神经元的养分运输系统崩溃，最终引起细胞凋亡。但比较有意思的是，Crouch等[19]发现增加胞内Cu2+可抑制调节Tau蛋白磷酸化的GSK-3β的活性，使Tau蛋白的磷酸化水平降低，可以帮助缓解AD症状。Fe3+可以和过度磷酸化的Tau蛋白结合，促进双螺旋Tau蛋白聚集，形成NFTs，在APP转基因鼠和AD患者脑组织标本NFTs富集区发现铁沉积，推测铁参与NFTs的形成，但具体原因仍需进一步探明[20]。

3 锌与AD发病的关系

锌是机体多种酶的激活因子和必需组分，脑中游离锌的含量约为血清锌的10倍。Loef等[21]Meta分析发现膳食中Zn与AD相关联，但不能提供结论性证据。适当浓度的Zn具有保护作用，低浓度的锌能防御Aβ的毒性，而在低pH值时锌会诱导神经元死亡。近年来一些研究金属离子与AD关系的实验，进一步推论AD患者存在机体缺锌[22]。Zn具有抗氧化特性，补锌对防御Aβ毒性有积极作用。

3.1 锌与Aβ脑内锌离子大量聚集是晚期AD的一个显著特征，是痴呆严重程度的重要标志之一。AD患者脑内锌离子的作用具有两面性。Zn2+通过与Aβ蛋白中3个组氨酸配体结合诱导Aβ蛋白低聚体形成[23]。应用金属自显影技术发现锌离子大量聚集在Aβ老年斑内[24，25]，尤其是在神经炎性斑块的Aβ核心和失营养状态的神经元突起中富集。锌离子不能自由通过细胞膜，需要特殊的转运蛋白和膜通道来参与细胞代谢，SLC30A家族、SLC39A家族和金属硫蛋白家族 (MT)等参与脑内锌稳态的调节。近年来，SLC30A基因家族编码表达的锌转运蛋白 (zinctransporter,ZnT)研究较多，其可降低细胞质内的锌离子浓度[26]。ZnT3以一种尚未明了的机制将约占大脑总锌量30%的Zn2+转运进囊泡，细胞间隙内Zn2+仅维持约<500nmol/L的基础水平，如突触小泡内游离锌浓度提高，将促进Aβ的沉积，在淀粉样血管病变部位见到大量锌离子沉积[27]。锌具有神经保护作用，研究表明，MT3作为一种能够抑制神经元生长的因子，主要表达在含锌的神经元内，可以减少APP的表达，增加可溶性的Aβ1～40和Aβ1～42的含量[28]。锌还与铜或者铁竞争性结合Aβ，从而阻止铜或铁与Aβ的结合，减少过氧化氢和自由基的产生,经研究发现，AD脑内结合了铜离子的Aβ寡聚体产生的氧化应激可促进锌离子释放，诱导Aβ的进一步聚集、沉积，形成成熟的毒性相对较小的Aβ高聚物，从而对神经元具有一定的保护作用。而Aβ进一步沉积可能削弱Aβ寡聚体与铜离子和亚铁离子结合后参与自由基损害引起神经变性的过程，所以锌离子可能在AD发病过程中具有一定的积极作用[29]。

3.2 锌与Tau蛋白Mo等[30]研究了不同浓度锌离子对体外重组的人Tau蛋白微管结合核心区片段Tau蛋白244-372 纤维化程度的影响，发现低浓度(5～10μmol/L) 锌离子能够促进Tau蛋白244-372 的纤维化程度，且形成的纤维化Tau蛋白具有明显的细胞毒性。而高浓度(50～100μmol/L) 锌离子反而降低了Tau蛋白244-372 纤维化程度，诱导其形成无显著细胞毒性的颗粒状聚集物。此外，尚有研究表明，锌离子通过激活核糖体S6蛋白激酶 (p70S6)，调控Tau蛋白蛋白翻译，或激活Src途径下调蛋白磷酸酯酶2A(PP2A) 活性，导致Tau蛋白过度磷酸化[31，32]。由于体外研究的局限，相关结果还需在体内研究进一步证实，也可能在AD脑内高锌环境下，Tau蛋白会以一种更紧密的方式聚集起来，具有更强的神经细胞毒性。

4 铝与AD发病的关系

流行病学和动物实验表明，铝对学习、记忆具有明确的损伤作用，过量接触铝及其在体内蓄积可能是AD的病因之一。世界范围内进行的AD和饮用水铝浓度增加相互关系的流行病学调查中,有9项显示AD患病率与铝浓度增加呈正相关。

4.1 铝与AβGonzalez-Domínguez等[33]发现铝介导的神经毒性主要作用于小分子物质,铝还干扰血清中其他金属的动态平衡。实验证实铝在基因水平调控β-APP、PS1和BACE基因,使它们的表达量增加,其中PS1和BACE的增加将直接或间接导致β和γ分泌酶的增加,从而形成大量Aβ[34]。铝可引起Aβ蛋白构象发生改变，使其异常聚积，铝诱导的Aβ沉积物对细胞膜表面具有强亲和力，很难被蛋白激酶分解。此外，铝还抑制水解酶如组织蛋白酶D等对Aβ的降解，破坏脑组织Aβ产生与清除之间的平衡，诱导其异常沉积[35]。

4.2 铝与Tau蛋白PP2A是一种存在于哺乳动物脑组织中的丝/苏氨酸磷酸酶，其作用主要是使Tau蛋白去磷酸化，维持Tau蛋白正常功能。而铝可以抑制PP2A活性，干扰Tau蛋白磷酸化和去磷酸化的平衡，使过度磷酸化的Tau蛋白增加。铝与超磷酸化Tau蛋白的磷酸基结合后会改变其正常构象，形成稳定交联，进一步促进Tau蛋白异常沉积。Walton[36]将铝和过度磷酸化的Tau蛋白联合注入鼠脑发现，铝和Tau蛋白的复合物可以提高Tau蛋白对蛋白水解酶的抵抗力，有利于NFT的形成。

其他研究还证实，铝可能导致AD发病。乙酰胆碱(Ach)是促进学习和记忆的重要神经递质，胆碱乙酰转移酶(ChAT)促进合成Ach，Ach又被乙酰胆碱酯酶(AchE)分解。程书珍等[37]对铝诱导阿尔茨海默病模型大鼠进行研究，发现中、高剂量铝饲料组大鼠海马中AchE的活性明显增高，ChAT活性明显降低，Ach含量显著减少。证实铝的过多摄入使大鼠胆碱能系统失衡而导致AD发病。目前已证实，减少铝的摄入是预防AD的有效措施[38]。

5 小结

近年来，金属离子对AD的影响机制不断被研究证实，针对调节离子稳态的治疗也备受关注。有关金属离子是否还通过其他途径参予到AD发病仍需进一步探索。测定体内金属离子的含量可能作为无创性预测AD患病风险的重要评估指标。调节金属代谢平衡对阐明AD的发病机制和寻找AD防治策略都具有重要意义。

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内蒙古自治区自然科学基金(No.2014MS0848)

010050 呼和浩特，内蒙古医科大学在读研究生(王灵芝，现在巴彦淖尔市医院神经内科工作)；内蒙古医科大学 第一附属医院神经内科(呼日勒特木尔)

呼日勒特木尔，E-mail:hurile1992@163.com

2014-11-08)