铜代谢及其在神经系统疾病中的作用

韩 宁 赵万红

(湖北医药学院基础医学院，湖北 十堰 442000)



铜代谢及其在神经系统疾病中的作用

韩 宁 赵万红

(湖北医药学院基础医学院，湖北 十堰 442000)

铜代谢；肌萎缩性脊髓侧索硬化症；Menkes病；阿尔茨海默病；Wilson病

铜广泛分布于脑内，主要集中在基底核、海马、小脑、突触细胞膜、皮质神经元的胞体和小脑颗粒神经元。在细胞水平，铜在呼吸、肽酰胺化、神经递质生物合成、色素生成和结缔组织力量维持过程中是必需的。铜也是一些重要酶的必需组成元素，如超氧化物歧化酶、细胞色素C氧化酶、过氧化氢酶、多巴胺羟化酶等。含铜酶在体内参与氧化还原反应、呼吸链和抗氧化作用。铜缺乏可能引起痴呆、骨骼缺陷、神经系统退化、显著的心血管病变、高胆固醇和免疫系统受损等改变。

1 铜代谢

铜主要通过小肠从食物中吸收并储存于肝脏，主要通过胆汁排泄。小肠黏膜细胞吸收铜后主要通过两种途径转运：一是主要转运途径，铜以亚铜离子的形式被细胞吸收；二是铜与铜蓝蛋白结合，提供铜给组织和酶〔1〕。铜的主要代谢途径在肝脏，铜通过浆膜上的人类铜转运体(HCtr1)转运入肝细胞，HCtr1也参与了细胞内铜的分布。

铜可诱导氧化应激，主要有两种机制：一是可直接刺激活性氧的生成〔2〕，二是高浓度的铜可显著降低谷胱甘肽的水平〔3〕。铜离子和亚铜离子均参与氧化还原反应，当有超氧阴离子基团或生物还原剂如抗坏血酸和谷胱甘肽存在时，铜离子可还原为亚铜离子，亚铜离子和过氧化氢反应生成羟自由基〔4〕。细胞内铜浓度的升高会消耗谷胱甘肽促使氧化还原平衡倾向于氧化状态。谷胱甘肽过氧化物酶是机体重要的抗氧化酶之一，其以谷胱甘肽为还原剂分解体内的脂质过氧化物〔5〕。因此，谷胱甘肽的消耗会使体内活性氧增多。

2 铜和神经系统相关疾病

2.1 铜和肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS) ALS是神经退行性疾病中的特殊类型，主要表现为渐进性的初级运动皮质、脑干和脊髓的运动神经元的丢失，进而导致肌无力、瘫痪直至死亡〔6〕。ALS以选择性的上下运动神经元死亡所导致的肌萎缩、无力及痉挛为特点，呼吸肌的去神经化通常会产生严重的后果，在大多数病例中其通常在发病5年内出现。多数病例在发生呼吸肌的去神经化的3～5年内死亡〔7〕。ALS可以是常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传和X染色体连锁遗传。90%的ALS是散发的并无明显的遗传倾向，剩下的10%则表现出家族遗传性〔8〕。大约20%的家族遗传病例是由Cu/Zn超氧化物歧化酶(SOD)1基因突变引起，除了SOD1基因的突变外，焦油DNA结合蛋白(TARDBP)、肉瘤融合(FUS)、泛醌蛋白(UBQLN2、C9ORF72)和其他基因的突变也与ALS的临床表现有关。

SOD1是一种重要的抗氧化蛋白，人类的SOD1是一种32 kD的蛋白，它通过分子间的二硫化物结合以同源二聚体的形式存在。SOD1存在于各种类型细胞中，催化超氧化物生成分子态的氧和过氧化氢。SOD1是一种非常稳定的蛋白质，其稳定性大部分取决于分子内部的二硫键。SOD1在细胞环境中的作用非常重要，SOD1的突变会使细胞产生各种后果，但其突变导致ALS的具体机制尚不清楚，而现在关于其机制也只是猜测可能是SOD1诱导的如氧化应激、线粒体功能障碍、谷氨酸兴奋性中毒以及轴突传导障碍等毒性作用〔9〕。目前，临床上尚无针对ALS的有效治疗药物，现有药物主要为对症治疗。通过对铜代谢的研究可知部分家族遗传性的ALS的机制为SOD1基因突变，因此可以考虑筛选出稳定SOD1的分子，为治疗ALS提供新靶点。

2.2 铜和阿尔茨海默病(AD) AD是神经系统退行性疾病中最常见的一种，AD的主要病理特征为老年斑、神经原纤维缠结和选择性的神经细胞死亡。神经原纤维缠结主要分布在内嗅皮层、海马和杏仁核。神经炎性斑块由细胞外沉积的β淀粉样蛋白(Aβ)、退化的轴突和树突以及周围的淀粉样沉积物形成，Aβ主要为Aβ1～40和Aβ1～42，其中Aβ1～40是可溶性的，Aβ1～42主要形成斑块沉积〔10〕。Aβ可以与铜结合，使铜离子还原为亚铜离子并产生过氧化氢，同时使Aβ聚集。淀粉样前体蛋白(APP)的产生在神经系统铜代谢平衡调节中也有重要意义，曾有文献报道APP基因敲除小鼠脑内铜离子水平有所提高〔11〕。在AD患者脑脊液和脑内老年斑中铜离子浓度明显增高〔12〕；同时通过血浆铜蓝蛋白转运的铜明显增多〔13〕。当体内铜代谢失衡，细胞外铜离子沉积，细胞内铜离子贮备减少〔14〕；释放到突触间隙的铜离子减少导致对N-甲基-D-天门冬氨酸受体(NMDAR)的抑制作用减弱〔15〕；进而导致Aβ生成增多以避免兴奋性中毒〔16〕；同时，细胞内铜离子的减少使Aβ1～42：Aβ1～40的比例增加。铜离子通过蛋白酶体途径加速脑啡肽酶的降解，脑啡肽酶减少使Aβ的清除受损，导致突触间隙Aβ浓度增高〔17〕。当细胞外铜浓度增加时，多余的铜与肌肽结合形成复合物使肌肽水平降低〔18〕；进而使相关蛋白增多，该蛋白可促使Aβ和铜离子络合物形成。此外，也有可能增加突触的氧化应激〔18〕。当突触内的Aβ浓度达到临界值时，其会与肌肽配体竞争性结合铜离子〔19〕，铜离子与Aβ的结合所导致的结果就是Aβ纤维缠结快速形成，因为与铜离子结合的Aβ形成纤维缠结的速度是单纯Aβ的2倍，这些纤维缠结一旦形成又会促使单体Aβ形成纤维缠结，此外这些纤维缠结还会继续结合铜离子，直到两者比例为1∶1，更重要的是，一旦铜离子和Aβ结合，金属硫蛋白就无法将铜从聚合物中解聚出来〔20〕。之后，铜离子与Aβ聚合物的氧化应激作用及低水平肌肽导致突触的氧化应激〔21〕；同时铜离子和Aβ对NMDAR的抑制无效，最终的结果是兴奋性神经毒性〔22〕；逐渐的神经细胞开始死亡、突触丢失、嗅神经功能丧失，淀粉样蛋白斑从嗅球逐渐向全脑扩散，最终导致广泛的记忆缺失、脑功能丧失和严重的AD病变〔23〕。

目前美国食品药品管理局(FDA)批准的AD治疗药物均属于对症治疗药物，影响疾病进程的药物仍处于初步研究阶段〔24〕。FDA批准用于治疗晚期重症AD的药物美金刚，为非竞争性的NMDA受体阻断剂，而NMDA受体活性的增强主要是由于突触内铜离子减少而对其抑制作用减弱，可从平衡体内铜离子分布及浓度方面为治疗AD提供新思路。

3 铜和Menkes病、Wilson病

3.1 三磷酸腺苷(ATP)7A和ATP7B ATP7A和ATP7B基因编码的蛋白与机体铜代谢相关。ATP7A编码的蛋白称为有丝分裂原激活蛋白激酶作用激酶(MNK)蛋白，具有P型ATP酶的所有特点。P型ATP酶是一个蛋白家族，其利用ATP水解释放的能量转运阳离子通过磷脂双分子层〔25〕。之所以称为“P型”ATP酶是因其在阳离子跨膜过程中形成磷酸化的媒介，P型ATP酶的庞大家族还包括Na+/K+泵、H+/K+泵以及细胞膜和肌浆网上的 Ca2+泵〔9〕。ATP7B编码铜转运跨膜蛋白，主要在肝中表达，参与铜在肝细胞高尔基体反面网状结构中的转运。一般情况下，ATP7A和ATP7B位于高尔基体反面网状结构，这也与它参与铜依赖酶生物合成的作用有关〔26〕。然而，对于ATP7B的位置存在争议，有人认为其存在于内涵体，除此之外，有一种更小的ATP7B同种体存在于线粒体〔27〕。目前得到公认的是ATP7B存在于高尔基体反面网状结构，其已被验证存在于包括人类肝脏超微结构的独立系统中。研究表明ATP7A和ATP7B调节铜转运的关键机制是这两种蛋白对细胞周围的铜浓度都很敏感〔28〕。当铜浓度增高时，ATP7A转移到外围囊泡腔和细胞膜，但极化细胞和肠组织切片中的ATP7A转移至基底膜，与它转移铜通过肠屏障的作用一致。同样的，当铜浓度增高时ATP7B也会再分布于外围囊泡腔〔28〕。

3.2 Menkes病 Menkes病是与X基因连锁的体内铜代谢失衡的多系统疾病，主要表现为神经系统退行性变和结缔组织病变，其主要致病机制为ATP7A基因突变〔29〕。Menkes病中涉及铜代谢最初是由Danks发现的〔30〕，Menkes病病人大脑、肝脏和血清中铜离子浓度降低而其肾脏和小肠中铜浓度增高。最初，人们认为铜吸收障碍是主要病因，当ATP7A基因突变时，MNK蛋白结构和功能改变，患者肠黏膜对食物中铜的吸收减少，同时使细胞中铜不能转运至细胞间和血液，导致各种铜依赖酶功能障碍而出现临床症状〔31〕。其后，研究表明其是铜在肝组织和脑内的沉积导致的多系统病变，铜通过血脑屏障后，被转运到胶质细胞或神经细胞主要由MNK蛋白控制，此后铜可参与神经传导物质生成中的各种酶的形成，如多巴胺、去甲肾上腺素、细胞色素C氧化酶、多巴胺β羟化酶、氧化酶和酪氨酸酶〔9〕。基因突变后，铜聚集于血脑屏障的内皮细胞中而导致大脑内铜缺乏，进而出现致命性的神经系统退行性病变，主要表现为脑萎缩、癫痫发作、肌张力减退、毛发增粗和结缔组织异常。在儿童表现为Menkes病，患儿通常在幼儿期发病死亡。研究表明：早期予以肠外铜-组氨酸治疗可能阻止神经变性的进展〔32〕。

3.3 Wilson病(WD) 1912年，Kinnear Wilson发现了一种家族性“进展性豆状核变性性疾病”，其病变包括中枢神经系统病变和肝硬化，这种疾病随后被命名为WD〔33〕。WD是一种铜代谢异常的常染色体隐性疾病，由位于13号染色体的ATP7B基因突变引起。ATP7B基因参与铜和铜蓝蛋白结合以及铜转运入胆汁〔34〕，其突变使人体内游离的铜增多，铜和组织内蛋白结合导致铜在体内异常聚积。在WD中铜沉积于多个器官并对组织造成损伤，受损器官主要为脑和肝脏，表现为肝疾病和广泛的神经精神症状，其中，肝内铜含量是诊断WD的金标准。

目前，WD的治疗包括饮食控制和药物治疗等，前者目的是控制食物中铜的摄取，后者则为促进铜的排泄和减少铜的吸收。实验数据显示：长期正规的综合驱铜治疗能使WD患者的脑代谢得到明显改善〔35〕。

4 结 语

铜作为机体必需的金属元素，在维持机体稳态尤其是神经系统生理功能中发挥着重要作用。铜参与机体多种酶的合成，当铜代谢及分布异常时可导致酶合成异常进而影响神经系统的正常生理功能，同时，铜在体内的代谢平衡受相关基因调控，当产生基因突变时，可引起体内铜代谢失衡及分布异常，导致神经系统出现病理变化。铜代谢与机体多种神经系统疾病的发生发展有关，但两者之间的关系尚未引起足够重视。目前，大部分神经系统疾病的治疗仍处于对症治疗阶段，尚无有效药物能够缓解疾病进程甚至逆转各种病理改变。通过对铜代谢和神经系统疾病关系的研究，可能研发出调节体内铜代谢的药物，为与其有关的神经系统疾病的治疗提供新靶点。

1 张晓青.铜代谢与相关疾病的研究进展(综述)〔J〕.临床儿科杂志，1999；17(2)：119-21.

2 Fuska J，Prousek J，Rosazza J，etal.Microbial transformations of natural antitumor agents.23.Conversion of withaferin-A to 12 beta-and 15 beta-hydroxy derivatives of withaferin-A〔J〕.Steroids，1982；40(2)：157-69.

3 Speisky H，Gomez M，Burgos-Bravo F，etal.Generation of superoxide radicals by copper-glutathione complexes：redox-consequences associated with their interaction with reduced glutathione〔J〕.Bioorg Med Chem，2009；17(5)：1803-10.

4 Sharma S，Das M，Kumar A，etal.Purine biosynthetic pathway genes and methotrexate response in rheumatoid arthritis patients among north Indians〔J〕.Pharmacogenet Genomics，2009；19(10)：823-8.

5 王咏梅.自由基与谷胱甘肽过氧化物酶〔J〕.解放军药学学报，2005；21(5)：369-71.

6 Appel SH，Zhao W，Beers DR，etal.The microglial-motoneuron dialogue in ALS〔J〕.Acta Myol，2011；30(1)：4-8.

7 Pasinelli P，Brown RH.Molecular biology of amyotrophic lateral sclerosis：insights from genetics〔J〕.Nat Rev Neurosci，2006；7(9)：710-23.

8 Turner MR，Hardiman O，Benatar M，etal.Controversies and priorities in amyotrophic lateral sclerosis〔J〕.Lancet Neurol，2013；12(3)：310-22.

9 Ahuja A，Dev K，Tanwar RS，etal.Copper mediated neurological disorder：visions into amyotrophic lateral sclerosis，Alzheimer and Menkes disease〔J〕.J Trace Elem Med Biol，2015；29：11-23.

10 Roher AE，Chaney MO，Kuo YM，etal.Morphology and toxicity of Abeta-(1-42) dimer derived from neuritic and vascular amyloid deposits of Alzheimer′s disease〔J〕.J Biol Chem，1996；271(34)：20631-5.

11 White AR，Reyes R，Mercer JF，etal.Copper levels are increased in the cerebral cortex and liver of APP and APLP2 knockout mice〔J〕.Brain Res，1999；842(2)：439-44.

12 Mercadante CJ，Herrera C，Pettiglio MA，etal.The effect of high dose oral manganese exposure on copper，iron and zinc levels in rats〔J〕.Biometals，2016；29(3)：417-22.

13 Vassiliev V，Harris ZL，Zatta P.Ceruloplasmin in neurodegenerative diseases〔J〕.Brain Res Brain Res Rev，2005；49(3)：633-40.

14 Deibel MA，Ehmann WD，Markesbery WR.Copper，iron，and zinc imbalances in severely degenerated brain regions in Alzheimer′s disease：possible relation to oxidative stress〔J〕.J Neurol Sci，1996；143(1-2)：137-42.

15 Schlief ML，Gitlin JD.Copper homeostasis in the CNS：a novel link between the NMDA receptor and copper homeostasis in the hippocampus〔J〕.Mol Neurobiol，2006；33(2)：81-90.

16 Opazo C，Huang X，Cherny RA，etal.Metalloenzyme-like activity of Alzheimer′s disease beta-amyloid.Cu-dependent catalytic conversion of dopamine，cholesterol，and biological reducing agents to neurotoxic H(2)O(2)〔J〕.J Biol Chem，2002；277(43)：40302-8.

17 Mawuenyega KG，Sigurdson W，Ovod V，etal.Decreased clearance of CNS beta-amyloid in Alzheimer′s disease〔J〕.Science，2010；330(6012)：1774.

18 Fonteh AN，Harrington RJ，Harrington MG.Quantification of free amino acids and dipeptides using isotope dilution liquid chromatography and electrospray ionization tandem mass spectrometry〔J〕.Amino Acids，2007；32(2)：203-12.

19 Kohen R，Yamamoto Y，Cundy KC，etal.Antioxidant activity of carnosine，homocarnosine，and anserine present in muscle and brain〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，1988；85(9)：3175-9.

20 Chung RS，Howells C，Eaton ED，etal.The native copper-and zinc-binding protein metallothionein blocks copper-mediated Abeta aggregation and toxicity in rat cortical neurons〔J〕.PLoS One，2010；5(8)：e12030.

21 Lanza V，Bellia F，D′Agata R，etal.New glycoside derivatives of carnosine and analogs resistant to carnosinase hydrolysis：synthesis and characterization of their copper(Ⅱ) complexes〔J〕.J Inorg Biochem，2011；105(2)：181-8.

22 Lesne S，Ali C，Gabriel C，etal.NMDA receptor activation inhibits alpha-secretase and promotes neuronal amyloid-beta production〔J〕.J Neurosci，2005；25(41)：9367-77.

23 Meyer-Luehmann M，Spires-Jones TL，Prada C，etal.Rapid appearance and local toxicity of amyloid-beta plaques in a mouse model of Alzheimer′s disease〔J〕.Nature，2008；451(7179)：720-4.

24 应 侠，吴 振，雷 严，等.阿尔茨海默病的发病机制及治疗药物研究进展〔J〕.中国药房，2014；25(33)：3152-5.

25 Lutsenko S，Leshane ES，Shinde U.Biochemical basis of regulation of human copper-transporting ATPases〔J〕.Arch Biochem Biophys，2007；463(2)：134-48.

26 Cater MA，La Fontaine S，Shield K，etal.ATP7B mediates vesicular sequestration of copper：insight into biliary copper excretion〔J〕.Gastroenterology，2006；130(2)：493-506.

27 Harada M，Kawaguchi T，Kumemura H，etal.The Wilson disease protein ATP7B resides in the late endosomes with Rab7 and the Niemann-Pick C1 protein〔J〕.Am J Pathol，2005；166(2)：499-510.

28 Nyasae L，Bustos R，Braiterman L，etal.Dynamics of endogenous ATP7A (Menkes protein) in intestinal epithelial cells：copper-dependent redistribution between two intracellular sites〔J〕.Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2007；292(4)：G1181-94.

29 Menkes JH，Alter M，Steigleder GK，etal.A sex-linked recessive disorder with retardation of growth，peculiar hair，and focal cerebral and cerebellar degeneration〔J〕.Pediatrics，1962；29(8)：764-79.

30 Danks DM，Campbell PE，Stevens BJ，etal.Menkes′s kinky hair syndrome.An inherited defect in copper absorption with widespread effects〔J〕.Pediatrics，1972；50(2)：188-201.

31 叶 盛，杨美芳.铜转运疾病的分子基础〔J〕.国外医学(医学地理分册)，2002；23(2)：54-6.

32 Seshadri R，Bindu PS，Gupta AK.Teaching NeuroImages：menkes kinky hair syndrome〔J〕.Neurology，2013；81(2)：e12-3.

33 陈宇宁，王锦辉，薛立峰，等.不同临床分型的Wilson′s病临床特点分析〔J〕.实用肝脏病杂志，2014；17(4)：392-5.

34 李 琦，张 源，易美芝，等.铜代谢紊乱对脑神经系统疾病的影响〔J〕.汕头大学学报(自然科学版)，2012；27(3)：54-60.

35 吴舒梅，胡文彬，韩咏竹，等.驱铜治疗对肝豆状核变性患者脑组织磁共振波谱的影响〔J〕.中国神经精神疾病杂志，2015；41(10)：601-6.

〔2016-05-12修回〕

(编辑 袁左鸣)

国家自然科学基金(No.81341138)

赵万红(1970-)，男，硕士生导师，教授，主要从事神经精神疾病研究。

韩 宁(1993-)，女，在读硕士，主要从事阿尔茨海默病相关研究。

R363

A

1005-9202(2016)21-5456-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.110