ERK信号通路在阿尔茨海默病中的研究进展

乔廷廷，王禹，崔玉环，颜娟，郭玲

(1.河北北方学院附属第一医院a.药学部，b.老年病科，河北 张家口 075000； 2.安宁市第一人民医院昆明市第四人民医院科研部，昆明 650302； 3.大理大学第七附属医院科研部，昆明 650302)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)作为一种在老年人群中普遍存在的渐进性和致残性的神经变性疾病，严重损害了老年人的身心健康，其以认知功能减退、记忆力下降、语言功能障碍等为主要临床表现，严重者甚至完全丧失生活自理能力[1]。AD病程进展普遍发生在65岁以后，2010年全球AD患者达3 560万，随着人口老龄化的进展，预计2030年全球AD患者将超6 570万，2050年将超1亿，现阶段的AD治疗药物主要以缓解疾病进展为主要手段，尚无有效逆转病情进展和提高治疗效果的特效药[2]。目前，AD的发病机制尚不完全明确，主要病理特征为β淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ) 的过度聚集(老年斑的形成)、Tau蛋白异常磷酸化(神经原纤维缠结)、神经元丢失、胶质细胞激活导致的炎症反应[3-5]。目前关于AD发病机制研究较多的信号通路有Notch、Wnt、单丝氨酸蛋白激酶1/丝切蛋白和促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路等。其中MAPK信号通路在Aβ聚集、Tau蛋白磷酸化及炎症反应中起重要作用。现对MAPK信号通路中胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)在AD中的研究进展予以综述，以期为AD的深入研究提供理论基础。

1 MAPK信号通路

MAPK是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，MAPK信号通路作为细胞中重要的信号传导通路，在细胞内外连接中起重要的桥梁作用[6]。活化的MAPK能够使细胞核、细胞质中的转录因子发生磷酸化而激活，从而调控目标基因的表达，引起细胞生物学反应，参与细胞增殖、分化等一系列生理活动过程[7-8]。现已发现的经典MAPK信号通路包括ERK、p38 MAPK和c-Jun氨基端激酶/应激活化蛋白激酶3条通路[9]。

ERK信号通路主要参与细胞的分化和增殖，与细胞凋亡之间存在重要联系，起到促细胞增殖和抗细胞凋亡的作用[10]。ERK在中枢神经系统中对神经细胞增殖和分化、突触可塑性、学习记忆能力和轴突生长等具有重要意义[11-12]。作为MAPK信号通路的重要成员之一，ERK主要存在于细胞树突、轴突中，被激活后可以将刺激信号传至细胞核内，其激活途径主要有Ca2+途径、N-甲基-D-天门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受体途径、蛋白激酶C对ERK信号通路的活化、腺苷酸环化酶/环腺苷酸/蛋白激酶A途径、G蛋白偶联受体途径，可引起一系列反应，从而参与细胞的生长过程[12-14]，这是目前的研究热点之一。

2 ERK信号通路与AD

ERK信号通路在AD的病程进展中发挥重要作用，广泛参与病程的每个阶段，尤其是在Aβ、Tau蛋白、神经元和胶质细胞激活等方面。

2.1ERK信号通路与Aβ Aβ是由β-分泌酶和γ-分泌酶连续裂解Aβ淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)产生的多肽，过度产生的Aβ不能被及时清除而沉积形成老年斑，Aβ能够调节线粒体功能、介导氧化应激反应、神经细胞凋亡或炎症等过程，参与AD的病理进展过程[4,15-16]。有研究表明，ERK信号通路参与了AD的病理发展过程，并在 APP的加工过程中发挥重要作用[17]。ERK信号通路激活能增加α-分泌酶的活性，进而促进可溶性APPα释放，减少Aβ的产生和沉积[15]。梓醇处理的SweAPP N2a细胞可通过ERK信号通路显著促进 α-分泌酶及其蛋白水解产物sAPPα和C83的表达，提示梓醇可能参与了非淀粉样生成APP通路减少Aβ的产生[18]。Kim等[19]研究发现，γ-分泌酶与ERK水平呈剂量依赖关系，当ERK1/2被干扰小RNA抑制时，γ-分泌酶活性增加，提示Aβ分泌增加。张海波和孙阳[20]的研究显示，前列腺素处理神经母细胞瘤细胞24 h能够通过ERK信号通路提高前咽缺陷蛋白-1的信使RNA和蛋白水平的表达，增加γ-分泌酶的剪切活性，使Aβ分泌增加，导致Aβ分泌与清除失衡，加速AD病理进程。Yamamoto等[21]探索他汀类药物是否通过诱导脑啡肽酶和胰岛素降解酶表达参与Aβ降解的研究发现，他汀类药物处理的大鼠星形胶质细胞通过激活ERK信号通路促进脑啡肽酶分泌表达，且他汀类药物和脑啡肽酶的表达呈剂量和时间依赖性，最终促进Aβ的降解。酸枣仁皂苷A能够以时间依赖或剂量依赖的方式通过ERK信号通路增加热激蛋白90β的表达，增强与过氧化物酶体增殖物激活受体γ的相互作用，有效清除Aβ42，而体内研究也显示，酸枣仁皂苷A能够清除AD小鼠大脑皮质及海马中可溶性和不溶性Aβ和斑块，改善AD小鼠的认知功能[22]。

基于AD小鼠模型的研究发现，Aβ25～35能够使SD大鼠海马B细胞淋巴瘤/白血病-2、磷酸化ERK(phosphorylated extracelluar signal-regulated kinase,p-ERK)1/2蛋白表达下降，且栀子苷能够上调B细胞淋巴瘤/白血病-2、p-ERK1/2的表达，缓解Aβ25～35对海马神经元的损伤作用，改善其认知和行为[23]。Aβ1～42小鼠脑内RAS明显增加，法尼基硫代水杨酸可抑制Aβ1～42诱导的海马ERK信号通路激活，提示法尼基硫代水杨酸可能保护新生神经元存活和突起生长、改善AD空间认知缺陷[24]。AD转基因小鼠脑内神经生长因子减少、ERK信号通路抑制，给予一定的刺激后，ERK信号通路相关蛋白磷酸化MEK、p-ERK等增加，小鼠学习记忆能力在一定程度上得到改善[25]。以上研究提示，适当的ERK磷酸化对Aβ的降解起积极作用，ERK的异常磷酸化会促进Aβ的过度增加或沉积。研究证明，Aβ可异常活化ERK1/2，活化后的ERK1/2可与胞质和胞核内的底物蛋白作用，引起特定蛋白质的表达异常，进而导致细胞功能紊乱，并诱发神经元凋亡[26-27]。

2.2ERK信号通路与Tau蛋白 Tau蛋白是一种微管相关蛋白，主要在神经细胞和神经元轴突内发挥作用，促进微管形成并保持微管的稳定性。正常老年人脑内存在适量的Tau蛋白，当发生AD时，Tau蛋白过度活化，与微管蛋白结合能力降低，导致微管解聚，Tau蛋白异常聚集形成神经原纤维缠结，最终神经细胞发生退行性改变而损害大脑[28]。Medina等[29]研究显示，组织型纤溶酶原激活物与NMDA受体、百日咳毒素敏感G蛋白和蛋白激酶C相关通路共同诱导ERK1/2过度活化，进而激活糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase，GSK)-3β，使其表达水平升高，引起Tau蛋白异常磷酸化、微管解体，最终导致神经毒性级联反应，引起细胞凋亡和坏死。Kirouac等[14]对AD患者的研究结果与其一致。Xie等[30]的研究认为，硒-甲基硒代半胱氨酸可通过调节氧化应激和金属稳态抑制ERK信号通路的激活，Tau蛋白的过度磷酸化可抑制Aβ的生成，最终保护AD小鼠正常的神经元功能和学习记忆能力。近年研究表明，Aβ1～42能促使C57小鼠大脑海马中Tau、磷酸化Tau和ERK1/2、p-ERK1/2表达增加，诱导Tau蛋白在特异性位点磷酸化水平升高，不同剂量人参皂苷预处理后可有效降低Tau、磷酸化Tau和ERK1/2、p-ERK1/2的蛋白表达水平，稳定神经元的微管系统，减轻神经纤维结节，促进其功能恢复[31]。

蛋白磷酸酯酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)作为参与调节Tau蛋白磷酸化的磷酸酯酶之一，其不同亚基与Tau蛋白结合能使Tau蛋白去磷酸化，对减缓AD进展有积极作用[32]。体外研究发现，L199P转基因小鼠中PP2A活性的长期抑制会导致ERK和c-Jun氨基端激酶的激活，该激活过程可通过ERK和c-Jun氨基端激酶底物Elk-1和c-Jun的磷酸化及其在细胞核内的聚集来完成[33]。ERK1/2的活性在缺氧条件下降低，PP2A抑制剂冈田酸完全阻止了Tau蛋白在急性缺氧诱导下的去磷酸化，并可将ERK1/2和c-Jun氨基端激酶1/2的活性形式恢复到对照水平[34]。Tau蛋白通过募集PP2A加速ERK1/2的去磷酸化，PP2A的下调使ERK磷酸化水平上升，进而降低GSK-3β的功能，促使神经元应答功能改善[35-36]。

GSK-3β活性增加导致Tau蛋白过度磷酸化和Aβ产生，引起神经元凋亡和学习记忆障碍[37]。ERK和GSK-3β均能诱导Tau蛋白和APP在Thr668位点的过度磷酸化，而ERK异常磷酸化能够调节GSK-3β通路，降低Tau蛋白的磷酸化水平，闫恩志等[38]研究发现，阿魏酸钠通过激活ERK信号通路增加GSK-3β磷酸化蛋白的表达，拮抗Aβ1～42导致的海马神经元凋亡。Kirouac等[14]对AD患者大脑样本的研究显示，Aβ可能通过调节Ras-MAPK信号通路和激活GSK-3引起毒性作用，进而促进APP和Tau蛋白的磷酸化，促进AD中神经炎性斑块和神经原纤维缠结的病理发展。

2.3ERK信号通路与神经元 ERK信号转导通路与神经元存活及突触可塑性密切相关，ERK1/2蛋白的激活是记忆学习能力的基本条件，ERK1/2的过度激活则会导致多种信号[活性氧类(reactive oxygen species，ROS)/一氧化氮(nitric monoxide，NO)、B细胞淋巴瘤家族等]转导机制的异常激活，产生氧化应激反应并引发NMDA介导的神经元兴奋性毒性，最终导致细胞死亡[39-40]。体外研究显示，人参皂苷可抑制Aβ诱导的单核细胞THP-1激活，并释放过度的ERK，剂量依赖性地降低白细胞介素(interleukin，IL)-1β、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)-β等炎症因子的水平，缓解THP-1细胞的神经损害[41]。Kirouac等[14]研究显示，寡聚体Aβ42处理神经元的Ras细胞水平增加，神经元细胞质和细胞核中p-ERK染色增加，细胞周期蛋白D1水平升高，这可能是增强细胞周期失调的机制之一，也是导致AD神经元丢失的原因之一。佟雷等[42]研究显示，ERK抑制剂U0126干预新生Wistar大鼠海马神经干细胞后，神经干细胞增殖速度和ERK磷酸化水平降低，表明新生Wistar大鼠海马神经干细胞的生长可能与ERK有关。ERK存在于中枢神经系统，脑缺血、癫痫、脑创伤时神经元损伤，ERK1/2信号通路被激活，神经元凋亡减少，从而减轻对机体的影响[43]。Su等[44]研究发现，乙醇胺缩醛磷脂通过激活G蛋白偶联受体蛋白增加蛋白激酶B和ERK的磷酸化，并可通过抑制胱天蛋白酶9和胱天蛋白酶3的裂解抑制原代小鼠海马神经元细胞的凋亡。

体内研究表明，ERK信号通路的激活可能是影响机体认知功能的重要机制之一，间歇低氧可使大鼠海马区ERK蛋白、c-Fos蛋白增加，导致海马区神经元凋亡指数增加，且c-Fos蛋白的表达与神经元凋亡指数呈正相关，接受间歇低氧8周以上大鼠的上述指标逐渐下降，但学习记忆功能仍继续下降[45]。β片层阻断肽H102经鼻入脑，通过激活PAP转基因小鼠海马和皮质相关区域ERK信号通路相关蛋白Ras和p-ERK的表达抑制Aβ聚集和老年斑形成，减少神经细胞凋亡，改善PAP转基因小鼠的学习记忆能力[46]。李智勇等[47]的研究发现，Aβ1～42可导致胎鼠海马神经元活力降低、凋亡率增加，ERK蛋白表达水平下降，原儿茶酸预处理的海马神经元凋亡率明显下降，ERK蛋白表达水平上调，提示胎鼠海马神经元的凋亡可能与ERK信号通路有关。有学者采用水迷宫、免疫组织化学等方法对海马双侧注射Aβ42且随后脑室内注射MaR1小鼠进行分析发现，MaR1可通过上调ERK信号通路相关蛋白表达水平减少Aβ42诱导的促炎因子TNF-α、IL-6的产生，增加抗炎因子IL-2、IL-10的分泌，最终导致炎症和凋亡的发生，改善认知功能[48]。在高果糖饮食诱导的小鼠神经元丧失和记忆损伤研究中，沙棘类黄酮通过增加PSD-95蛋白的表达激活ERK、蛋白激酶B等通路，并通过灭活凋亡相关核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信号通路及其下游炎症的表达，改善小鼠的神经元损伤和认知功能[49]。

2.4ERK信号通路与小胶质细胞 小胶质细胞是中枢神经系统参与免疫和炎症反应的细胞之一，结构与功能相当于脑和脊髓中的巨噬细胞，小胶质细胞被Aβ激活后，可合成或释放大量的IL-1β、ROS、NO等促炎因子以及IL-4、IL-10、胰岛素样生长因子-1等抗炎因子和其他物质，引起慢性炎症或神经元损伤[50-52]。

NF-κB是调节促炎因子的一种转录因子，被过度激活的ERK信号通路通过介导NF-κB转录因子的活化上调诱导型一氧化氮合酶的表达，刺激NO的合成和释放，从而加重AD进展[53]。Lee等[54]研究显示，NfESP诱导BV-2细胞的IL-1α和TNF-α表达受MAPK的调控，抑制NF-κB和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)可有效减少BV-2细胞中NfESP诱导的IL-1α和TNF-α产生，提示NfESP通过NF-κB和AP-1依赖的MAPK信号通路刺激BV-2细胞释放IL-1α和TNF-α，缓解小胶质细胞的炎症反应。付媛等[51]研究发现，脂多糖活化的小胶质细胞能够激活NF-κB p65，并促进其转移至细胞核内，使ERK信号通路相关蛋白磷酸化MEK、p-ERK表达增加。血清淀粉样蛋白能够通过作用于小胶质细胞表面的甲酰肽受体2和Toll样受体2，增加其转录水平和受体的表达，以剂量依赖方式激活ERK、NF-κB信号通路，促进小鼠原代小胶质细胞的迁移[55]。研究显示，经脂多糖诱导BV-2细胞培养基培养的SH-SY5Y细胞产生的NF-κB活性增加，经butein预处理后，NF-κB活性显著降低，可有效阻断小胶质细胞激活的负性后果，这可能与ERK信号通路的异常活化有关[56]。

AP-1是由蛋白质Jun、Fos组成的转录因子，能够被生长因子、激素、细胞环境改变等激活，参与细胞增殖、分化、凋亡和炎症等过程以及多种疾病的病程进展[57]。在放射诱导的小鼠BV-2细胞正常脑损伤中，N端c-Jun和ERK1/2快速磷酸化并相互作用，辐射刺激c-Jun转录活性并上调c-Jun调控的促炎基因，ERK信号通路的药理阻滞干扰c-Jun活性，抑制辐射刺激的c-Jun靶基因的表达，该过程中ROS可能通过激活ERK信号通路促进c-Jun磷酸化[58]。黄精多糖通过诱导RAW264.7细胞与Toll样受体4结合，促进ERK激活、NO和细胞因子产生以及NF-κB和AP-1表达[59]。Gu等[60]的研究发现，壬基酚处理BV-2细胞的ERK磷酸化水平降低，且AP-1被激活，IL-6和IL-1β分泌增加，促进了炎症反应的发生。

3 小 结

ERK信号通路作为MAPK家族的组成部分，参与AD进展，在细胞增殖、分化和凋亡中起重要作用。ERK信号通路与Aβ的生成和降解、Tau蛋白磷酸化、神经元存活和小胶质细胞激活的发生发展均有密切关系，广泛参与了AD的病理生理过程。ERK信号通路参与AD的机制复杂，既有积极的调节又有消极的参与。因此，进一步研究ERK参与AD的“正负性”作用机制非常必要，可为AD预防、新药研发、精准医疗提供坚实的理论或实践依据，且相关研究结果的转化应用对临床具有重要意义。