姜黄素抑制TAU蛋白聚集治疗阿尔茨海默症的研究进展

林文娟，尹大川

（陕西省西安市西北工业大学生命学院，陕西 西安 710072）

阿尔茨海默症（Alzheimer's disease，AD）是一种进行性和破坏性的神经退行性疾病，患者认知能力会逐渐丧失，在临床上有较高的发病率。在过去10 年中，学者们进行大量的研究工作探讨其发病机制，目前普遍认为是由于神经原纤维形成的β 淀粉样斑块沉积和TAU 蛋白聚集以及其高磷酸化引起的[1]。其中，β淀粉样斑块沉积与TAU蛋白的高表达有显著相关性[2]，同时TAU 蛋白也被认为是阿尔茨海默症发病的生物标志物。本文总结姜黄素抑制TAU 蛋白聚集的机制，为治疗阿尔茨海默症提供新的思路。

1 阿尔兹海默症病理学研究

1907 年德国人Alois Alzheimer 首次报道这种神经退行性疾病的病因，其神经病理学特征是老年斑、脑血管淀粉样病变、神经原纤维缠结和选择性神经元丢失[3]。AD患者组织病理学研究可观察到额、颞叶皮层细胞大量死亡脱失，大脑皮层中可见细胞内神经元纤维缠结和颗粒空泡变性，神经元纤维缠结由双股螺旋丝构成，TAU蛋白是其主要成分。AD具体临床表现不同，病理机制复杂，研究者认为AD是一种由遗传因素和环境因素促进的复杂的多因素疾病[4]，这使得解析其发病机制以及疾病治疗变得相当复杂。而不论TAU 蛋白的高度磷酸化（p-TAU）还是淀粉样蛋白的沉积均与TAU蛋白的聚集密切相关，这使得研究如何干预TAU蛋白的聚集变得尤为重要。

2 TAU蛋白的理化特征

大脑神经元细胞富含丰富的非结构微管蛋白，TAU蛋白是神经元微管细胞骨架的重要组成部分。在细胞水平上，可促进微管细胞骨架的重组，并根据其亚细胞位置介导不同的功能。人体的TAU蛋白是由17q21.31染色体上的MAPT基因编码的[5]，在成年人大脑中有6 种TAU 蛋白亚型，分别是0N3R、1N3R、2N3R、0N4R、1N4R、2N4R，其氨基酸含量分别从352～441个[6]。其中2N4R含有441个氨基酸，是人脑中氨基酸含量最多的一种亚型，极易在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基位置发生磷酸化[7]，且2N4R 亚型包含一个MTB 区，该区包含四个假重复序列（R1-R4）加上侧翼富含脯氨酸的区域（P1，P2 和P3），一个较短（40 aa）的C-末端区域和长（250 aa）的N-端，从MT结合状态的微管表面伸出，并形成聚合电解质的纤维状聚集[8-9]。TAU 是一种高度可溶的天然未折叠蛋白质[10]。在生理浓度下其非结构化N末端的静电作用与C末端MTB域的疏水作用的相互催化，形成β-折叠结构。TAU蛋白缺乏固定的三级蛋白质结构，内部存在一种无序区域，像这样含有内在无序区域的蛋白质通常会更容易发生聚集[11]。此外，2N4R 亚型蛋白内部存在不均匀电荷分布[12]增加发生聚集的可能性。TAU 蛋白主要在神经元中表达，在胶质细胞[13]和细胞外基质[14]中少量表达。

3 阿尔兹海默症发病机制

3.1 TAU 蛋白与阿尔兹海默症 与正常神经元细胞比较，发生病变的神经元细胞内TAU蛋白有许多变化，例如过度磷酸化、从微管中脱离、聚集、蛋白水解、泛素化、糖基化、氧化、硝化反应、乙酰化作用、氨基酸的修饰、分布以及基因突变。但是TAU 蛋白的这些改变并非全部均与AD 的发病具有相关性。

研究发现，AD患者大脑内TAU磷酸化水平显著高于正常人群[15]。考虑到TAU 蛋白的过度磷酸化先于其聚集，因此，磷酸化被认为是TAU蛋白聚集的主要触发因素，然而磷酸化本身并不足以驱动其聚集，但可能有助于增强正在进行的聚集。AD 患者脑细胞中TAU 蛋白N-糖基化会促进其磷酸化程度的增加[16]。TAU蛋白半胱氨酸通过氧化作用形成二聚体，将分子锁定在折叠状，加强其聚集[17]。不同位点的乙酰化作用产生相反的效果，Lys259、Lys290、Lys321 或Lys353 位点的乙酰化可以抑制TAU 蛋白的磷酸化和聚集，而Lys280、Lys174 位点的乙酰化可以促进TAU 蛋白的磷酸化和聚集[18-19]。半胱天冬酶等酶可以裂解TAU 蛋白，产生带有神经毒性的短TAU 蛋白片段，更易形成磷酸化和聚集[20]。TAU 基因突变导致额颞叶痴呆的发现证实TAU 蛋白在神经变性中的作用[21]。在健康人群的大脑细胞中TAU 蛋白集中在神经元的轴突，而AD患者大脑细胞中TAU蛋白会从微管脱落下来形成纤维缠结。早期研究发现，TAU蛋白的细胞内分布与AD疾病的临床分期相关[22]，TAU蛋白异常会以一种特定的方式在大脑中传播，异常的TAU 蛋白被邻近的细胞吸收，从而以朊病毒样的方式传播[23]。在动物模型中仅增加TAU 蛋白水平即会引起AD，细胞内TAU蛋白出现聚集现象[24]，这说明TAU蛋白聚集引起AD 的独立性和必需性。但是，硝化反应是通过硝化酪氨酸残基，减少MT 绑定，改变TAU 的构象，减少聚集[25]。在上述作用机制中氧化、乙酰化、蛋白裂解、基因突变、蛋白的脱落等最终均导致TAU 蛋白的聚集，从而引起AD发病。

聚集会减少与微管的结合量，导致轴突运输受损；还会引起细胞骨架功能障碍以及过度的氧化应激反应，进而引起DNA 的损伤[26]。聚集会影响线粒体动力学和质量控制[27-28]，而线粒体的功能异常与AD 有显著相关性[29]。TAU 蛋白片段N-末端与线粒体功能改变和质量控制缺陷相关，观察AD 患者的突触细胞发生变化，从突触细胞分离出的线粒体中观察到TAU蛋白发生积累，二者具有相关性。在体外培养细胞或动物体内过表达TAU 模型中，也观察到线粒体动力学的异常。

3.2 β 淀粉样沉淀与阿尔兹海默症 在AD 患者大脑中首先出现大量β 淀粉样沉淀，继而患者认知能力下降。尽管亚线粒体确切的拓扑结构仍不十分清楚，但是线粒体定位已观察到β淀粉样沉淀可能在线粒体相关膜处产生。沉淀会诱导线粒体DNA 损伤、电子传递链活性和氧化还原平衡失调[30]。另外，在AD 患者的颞叶区域细胞中观察到降解β 淀粉样沉淀的前序列蛋白酶（PreP）活性显著降低[31]。在AD患者神经细胞内线粒体功能障碍会产生大量的活性氧，而氧化应激会增加β淀粉样蛋白的产生和聚集，加速TAU的磷酸化和聚集，β淀粉样蛋白和TAU蛋白聚集反过来也会促进这种氧化还原失衡，从而加剧疾病的发展。

3.3 p-TAU 蛋白与阿尔兹海默症 AD 中的TAU 蛋白过度磷酸化是由于磷酸化的增加和/或去磷酸化的减少引起的。TAU 蛋白过度磷酸化后主要通过以下几个方面影响AD 的发生：①影响微管稳定性，磷酸化降低TAU 与微管蛋白的亲和力，导致其从微管分离[32]。②促进TAU蛋白聚集[33]，改变TAU蛋白构象，加剧缠结形成。③突触功能障碍：过度磷酸化会影响轴突线粒体转运，最终引起细胞凋亡[34]。④过度磷酸化会影响蛋白酶体降解和自噬：TAU蛋白是蛋白酶体降解的底物，而p-TAU蛋白聚集会减少自噬的发生。⑤形成神经纤维缠结（NFTs）。⑥p-TAU 蛋白在形成聚集体之前即会对神经产生毒性。

4 姜黄素抑制TAU蛋白聚集的机制

许多学者发现中药可以用于AD的治疗[35-36]，在数千年的实践中，中医药在痴呆症治疗方面积累了许多经验。目前批准用于临床治疗AD 的药物主要是胆碱酯酶抑制剂类药物，但只能暂时改善症状，不能抑制或逆转AD的进展，且这些药物存在各种不良反应。因此，寻找一种不良反应小、治疗效果好的治疗方案尤为重要。中药单体姜黄素是由姜黄中提取的（见图1），作为药物和食材在印度已经有数百年的历史，此外，姜黄素可以通过血脑屏障，这均是将姜黄素作为治疗AD 可能药物的重要原因。下面对姜黄素作用机制进行阐述。

图1 姜黄素结构式

姜黄素可以有效抑制β淀粉样斑块沉淀的产生[37]和聚集并促进其分解[38]，其作用机制可能是由于姜黄素的疏水性或姜黄素的酮基或烯醇环与Aβ 二聚体的芳环之间的相互作用破坏了形成β-折叠所需的作用力，使β-折叠层不稳定[39]。姜黄素还可以通过抑制糖原合成酶激酶（GSK-3）活性，降低淀粉样沉淀含量[40]。此外，GSK-3 可以在丝氨酸和苏氨酸残基上添加磷酸基团并调节TAU磷酸化[41]，姜黄素抑制GSK-3 活性可以预防细胞的高磷酸化和保护细胞免受神经毒性的影响。

研究表明，姜黄素能增加溶液中TAU 蛋白的溶解度，抑制溶液中TAU 蛋白聚集[42]，且可以抑制细胞和小鼠大脑中TAU 蛋白的纤维化[43-44]。其不仅可以抑制TAU 蛋白的形成，还可以分解已经形成的低聚物，作用机制可能是由于姜黄素通过调节Nrf2-ARE 通路减弱细胞的氧化应激损伤[45]；其还是组蛋白乙酰化酶（p300）的特异性抑制剂[46]，通过抑制p300活性减少TAU蛋白乙酰化之后引起的聚集；半胱天冬酶可以使TAU 蛋白裂解成带有神经毒性的短TAU 蛋白片段，而姜黄素可以显著抑制半胱天冬酶活性[47]。除上述间接作用机制，姜黄素还可以直接与TAU 的微管结合区的MTBR 域的R2位点结合[42]，改变TAU蛋白构象，阻止其聚集。并且，姜黄素与MTBR 区之间的静电相互作用可能会阻碍TAU 蛋白之间的相互作用，这是TAU 蛋白聚集过程中最重要的步骤。此外，姜黄素和不同亚型的TAU 蛋白亲和能力不同，例如与3R型TAU蛋白结合的亲和力比4R型弱；与TAU蛋白的D225残基有强烈的亲水相互作用。

5 小结

阿尔茨海默症在临床上有很高的发病率，截止到2019年，我国约有1 000万患者，其发病率在老年人中逐年升高，造成巨大的社会医疗消耗及家庭压力。目前常规的阿尔茨海默症治疗方法仍是以其可能的发病机制和病理变化为根本，旨在改善患者症状、延缓病情进展。因此，了解并针对其发病机理进行治疗尤为重要。AD 发病的三种主要表征中，p-TAU 和β 淀粉样沉淀均与TAU 蛋白有显著相关性，因此抑制TAU 蛋白聚集在治疗阿尔兹海默症中起重要作用。而姜黄素不仅具有抗TAU 蛋白高度磷酸化，抗β 淀粉样蛋白生成和保护神经的作用，更重要的是可以通过抗氧化、抗乙酰化、抗蛋白降解以及改变TAU 蛋白构象等方式抑制其聚集，又因为其无毒性且价格经济，为治疗AD 提供一种新的思路。