鄧青芳，馬風(fēng)偉

(1.貴州師范大學(xué) 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點實驗室，貴州 貴陽 550001；2.貴陽學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

0 引言

阿爾茲海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一種常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，臨床上主要表現(xiàn)為進(jìn)行性的認(rèn)知功能障礙和行為能力損害，病因尚不明確，在老齡人口中的發(fā)病率很高，目前無特效治愈藥物，僅對AD患者進(jìn)行對癥治療和延緩AD進(jìn)程治療。自1906年Alois Alzheimer博士報道該病以來[1]，全世界的科研人員針對AD進(jìn)行了深入研究。關(guān)于AD的發(fā)病機(jī)制，存在多種學(xué)說[2]，如腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞外，β-淀粉樣蛋白(Amyloid β-protein, Aβ)異常沉積；腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，Tau蛋白(Tubulin-associated unit)自聚集成神經(jīng)原纖維纏結(jié)(Neurofibrillary tangles，NFTs)而引起的Tau蛋白病(Tauopathies)；小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥(Microglia-mediated neuroinflammation)和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)異常(Ubiquitin-proteasome system abnormality)等。

近年來，臨床發(fā)現(xiàn)大腦中出現(xiàn)β-淀粉樣蛋白沉積的老年人常常并沒有出現(xiàn)失智癥狀，而且靶向β-淀粉樣蛋白的藥物開發(fā)在臨床上常常療效不佳[3]，于是研究人員越來越重視靶向Tau蛋白藥物開發(fā)來治療AD，并取得了一定的進(jìn)展[4]。同時有研究發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞在AD的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中起著重要作用。本文從AD發(fā)病的可能(Tau蛋白、Aβ、小膠質(zhì)細(xì)胞、泛素-蛋白酶體系統(tǒng))機(jī)制和臨床治療藥物等方面進(jìn)行綜述，為AD的發(fā)病機(jī)制探索及AD的治療藥物開發(fā)提供幫助。

1 AD可能發(fā)病機(jī)制

1.1 Tau蛋白與AD

Tau蛋白是一種微管(Tubulin)相關(guān)蛋白，主要分布在腦部神經(jīng)元的軸突中，微管蛋白為球形分子，分子量約為55 kDa，有兩種亞基(α-微管蛋白和β-微管蛋白)，這兩種亞基有35%～40%的氨基酸序列同源；α-微管蛋白和β-微管蛋白聚合成動態(tài)微管(Microtubule)，是細(xì)胞骨架的主要成分之一，對保持細(xì)胞的形態(tài)、胞內(nèi)物質(zhì)的運輸起著重要作用[5]。Tau蛋白的生物學(xué)功能是誘導(dǎo)微管蛋白聚合成微管，同時防止其解聚，從而維持神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)和功能[6]。此外，Tau蛋白還在神經(jīng)元細(xì)胞可塑性、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期調(diào)控等方面發(fā)揮重要作用[7]。人類的Tau蛋白基因位于17號染色體的長臂(17q21)。Tau基因全長大約133.9 kb，包含16個外顯子(Exons)，其中有3個外顯子(Exon 4A，6和8)未在人類大腦中出現(xiàn)。目前在成年人大腦中發(fā)現(xiàn)至少6種不同亞型(Isoform)的Tau蛋白，這6種亞型為Tau基因中3個外顯子(Exon 2，3和10)選擇性剪接的結(jié)果。其區(qū)別主要有以下兩點：1)Tau蛋白N-端是否存在插入(Inserts)片段；2)Tau蛋白C-端是否存在不完全的重復(fù)序列(R1，R2，R3，R4)。

Tau蛋白主要包括4個功能區(qū)域，分別為：1)C-末端區(qū)域；2)N-末端區(qū)域；3)脯氨酸聚集區(qū)域；4)微管結(jié)合區(qū)域(Microtubule-binding domains，MBDs)。其中MBDs包括了4個不完全的重復(fù)序列-R1、R2、R3、R4，能夠促進(jìn)Tau蛋白與微管的結(jié)合。這種結(jié)合非常重要，可以誘導(dǎo)Tau蛋白發(fā)生構(gòu)象變化。Jeganathan等人[8]通過質(zhì)子光譜法研究Tau蛋白發(fā)現(xiàn)，其在生理狀態(tài)下為自然展開，不具有二級結(jié)構(gòu)，而在病理狀態(tài)下，具有明顯的β-折疊結(jié)構(gòu)。Tau蛋白的α-螺旋或β-折疊結(jié)構(gòu)與其發(fā)生過度磷酸化有關(guān)，已經(jīng)證實，Tau蛋白的翻譯后修飾(Post-translational modifications，PTMs)的異常過度磷酸化使其具有高度的聚集傾向，從而形成成對螺旋纖維細(xì)絲(Paired helical filaments，PHFs)，進(jìn)而使神經(jīng)纖維纏結(jié)(Nerve fiber tangles，NFTs)，構(gòu)成了神經(jīng)元細(xì)胞最早期的細(xì)胞骨架改變[9]。

Tau蛋白的翻譯后修飾有多種類型[10]，包括磷酸化、糖基化、甲基化、乙酰化、糖醛酸化、硫酸化、泛素化、硝酸化、截斷修飾等(圖1)。在正常人的腦細(xì)胞內(nèi)，一般1分子的Tau蛋白有2～3分子的磷酸基團(tuán)修飾，同時磷酸化修飾的Tau蛋白在不停的去磷酸化，Tau蛋白的磷酸化和去磷酸化作用動態(tài)平衡調(diào)節(jié)著細(xì)胞骨架的穩(wěn)定性，影響著神經(jīng)元軸突的形態(tài)和腦部的功能。但在AD狀態(tài)下，Tau蛋白發(fā)生異常的磷酸化，每個Tau蛋白分子可發(fā)生9～10個磷酸基團(tuán)連接，過度磷酸化的Tau蛋白不僅影響其與微管的結(jié)合能力，也影響其它微管集合蛋白與微管的結(jié)合[11]。

注：A：磷酸化；B：糖基化；C：甲基化；D：乙?；?；E：糖醛酸化；F：泛素化；G：硝酸化；H：硫酸化；I：截斷化。圖1 Tau蛋白的翻譯后修飾類型Fig.1 Common types of post-translational modifications of Tau

目前，在Tau蛋白上發(fā)現(xiàn)的磷酸化位點至少有45個，其中大部分是發(fā)生在絲氨酸殘基(Ser)和蘇氨酸殘基(Thr)(圖2)的羥基上，并且約一半的磷酸化位點中有脯氨酸(Pro)存在[11]。Tau蛋白的磷酸化修飾受一系列激酶的調(diào)節(jié)，其中很多是Pro依賴的蛋白激酶，如蛋白激酶A、糖原合成酶激酶3β(GSK3β)、酪氨酸激酶和細(xì)胞周期蛋白依賴激酶5等。在AD患者腦中，Tau蛋白的磷酸化修飾現(xiàn)象異常增多，異常磷酸化的Tau蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，容易從微觀蛋白上解離[12]。

圖2 絲氨酸殘基、蘇氨酸殘基和脯氨酸殘基結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of Serine, Threonine and Proline

1.2 Aβ蛋白與AD

Aβ是由淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein，APP)分解產(chǎn)生的[13]。APP是一種跨膜蛋白，有不同的水解途徑(圖3)，其中經(jīng)β-分泌酶和γ-分泌酶水解產(chǎn)生含有40或42個氨基酸的Aβ40和Aβ42蛋白[14](圖4)。Aβ42蛋白更易于形成致密纖維狀斑塊，沉積在大腦皮層和海馬區(qū)域，引起神經(jīng)元的過氧化損傷，突觸功能障礙，誘發(fā)神經(jīng)炎癥及神經(jīng)細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致AD的發(fā)生[15]。

圖3 APP在β-分泌酶和γ-分泌酶作用下生成Aβ蛋白Fig.3 Generation of Aβ from APP of β-secretase and γ-secretase

圖4 Aβ42蛋白的氨基酸序列Fig.4 The amino acid sequence of amyloid β-protein 1-42

在AD患者的腦中，Aβ蛋白的C端羧基首先自聚合形成核因子核心，然后以此核心形成透明狀的原纖維，之后再經(jīng)過多次β-折疊形成Aβ纖維絲[16]。Aβ可分為三種聚合形式：單體、寡聚體和纖維，其中Aβ單體并不影響神經(jīng)元的功能，Aβ纖維絲有神經(jīng)毒性，研究表明，Aβ寡聚體毒性更大，其可以快速引發(fā)神經(jīng)元大量死亡[17]。

有實驗研究表明，Aβ寡聚體可與N-甲基-D-天冬氨酸受體結(jié)合，可使神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高[18]；同時發(fā)現(xiàn)Ca2+依賴性蛋白激酶活性在AD患者的海馬區(qū)較非AD患者有明顯加強，表明Aβ蛋白可能通過鈣超載，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激增加，樹突棘缺失來體現(xiàn)Aβ蛋白的毒性作用[19]。

Aβ蛋白在腦中生成后，其清除途徑有很多，但最主要的是通過膠質(zhì)細(xì)胞的膠質(zhì)蛋白清除，過程包括星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生低密度脂蛋白受體，該受體可與Aβ結(jié)合，使其降解[20]；其次小膠質(zhì)細(xì)胞被激活，小膠質(zhì)細(xì)胞能夠吞噬Aβ蛋白，保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞。但小膠質(zhì)細(xì)胞的激活以及炎癥反應(yīng)對神經(jīng)元細(xì)胞以及AD的發(fā)生是雙向[21]。

1.3 小膠質(zhì)細(xì)胞與AD

小膠質(zhì)細(xì)胞(Microglial cell)是神經(jīng)組織中體積最小的一種膠質(zhì)細(xì)胞，也是唯一一種來源于中胚層的細(xì)胞[22]。小膠質(zhì)細(xì)胞是固有的免疫效應(yīng)細(xì)胞，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理過程及AD發(fā)病過程中發(fā)揮著重要作用[23]。

生理狀態(tài)下，小膠質(zhì)細(xì)胞具有高度專業(yè)化形態(tài)，細(xì)胞體呈細(xì)長或橢圓形，胞體內(nèi)有少量細(xì)胞器，并且從胞體發(fā)出細(xì)長且分支的突起。小膠質(zhì)細(xì)胞通過不同方向的突起延伸來探測腦內(nèi)環(huán)境，以約1次/時的頻率與神經(jīng)元細(xì)胞接觸，大量的小膠質(zhì)細(xì)胞大約每4～5 h即可將大腦檢查一遍[23]。當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)生理穩(wěn)態(tài)失衡時，小膠質(zhì)細(xì)胞會及時作出反應(yīng)，主要有以下變化：1)小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)改變，如胞體增大，突起收縮；2)小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)一步活化，突起消失，形態(tài)進(jìn)行“阿米巴”樣改變，具有吞噬能力；3)小膠質(zhì)細(xì)胞增殖，數(shù)量增加，并遷移至損傷部位；4)小膠質(zhì)細(xì)胞極化分化，細(xì)胞因子的釋放。

小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)與AD有密切關(guān)系，研究表明，AD患者及實驗大鼠腦內(nèi)的海馬區(qū)附近的小膠質(zhì)細(xì)胞聚集，進(jìn)而引發(fā)炎癥因子的分泌聚集，出現(xiàn)嚴(yán)重的中樞神經(jīng)損傷[24-25]。根據(jù)小膠質(zhì)細(xì)胞分泌細(xì)胞因子的不同，可以把小膠質(zhì)細(xì)胞分為兩種極化表型，即M1型(經(jīng)典激活性小膠質(zhì)細(xì)胞)和M2型(選擇性激活性小膠質(zhì)細(xì)胞)(圖5)。其中M1型主要分泌IL-1β(白介素-1β)、IL-6(白介素-6)、TNF-α(腫瘤壞死因子-α)、iNOS(誘導(dǎo)型一氧化氮合酶)等促炎因子，M2型分泌IL-4(白介素-4)、IL-10(白介素-10)、TGF-β(轉(zhuǎn)化生長因子-β)、PDGF(血小板源生長因子)、VEGF(血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子)等抗炎因子及神經(jīng)營養(yǎng)因子[24]。過度激活的小膠質(zhì)細(xì)胞釋放大量的炎癥因子及神經(jīng)毒性物質(zhì)，炎癥反應(yīng)增加增強，Aβ蛋白沉積，神經(jīng)元損傷，加劇AD的病情。

圖5 小膠質(zhì)細(xì)胞的分化極化及細(xì)胞因子Fig.5 M1 and M2 microglia and the factors they induced

IL-1β廣泛分布于大腦中，其中在海馬區(qū)域中濃度最高，而且IL-1β在AD患者和大鼠模型海馬中的表達(dá)水平很高，提示M1型小膠質(zhì)細(xì)胞在AD過程中起著重要作用[26]。IL-6是由小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，通過IL-6受體介導(dǎo)炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，AD患者的老年斑(Senile plaque，SP)中IL-6水平高表達(dá)[27]。

1.4 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)與AD

泛素-蛋白酶體途徑(Ubiquitin-proteasome system，UPS)是真核生物細(xì)胞內(nèi)一種高效的非溶酶體蛋白降解途徑[28]。UPS也是防止神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)異常蛋白聚集的關(guān)鍵途徑之一。泛素化蛋白的堆積和聚集是許多神經(jīng)退行性疾病的標(biāo)志，AD患者腦中UPS功能障礙與Aβ沉積、Tau蛋白磷酸化等均有密切關(guān)系[29]。因此，調(diào)控UPS的功能對AD的改善及治療的影響，已成為當(dāng)下研究的熱點。

UPS對特定的蛋白質(zhì)底物進(jìn)行降解的過程可分為兩步：1)泛素與蛋白質(zhì)底物進(jìn)行共價結(jié)合，形成泛素化標(biāo)記的蛋白質(zhì)底物，此過程稱為泛素化；2)26S蛋白酶體對泛素化標(biāo)記的蛋白底物進(jìn)行降解，以及解離泛素鏈。泛素是一種廣泛存在于真核細(xì)胞中的多肽，其單個分子由76個氨基酸組成，分子量約為8.5 kDa(圖6)[30]。泛素多肽利用其末端76位甘氨酸的羧基與蛋白質(zhì)底物中賴氨酸的氨基共價結(jié)合，使目標(biāo)蛋白泛素化標(biāo)記，以便進(jìn)一步降解[31]。26S蛋白酶體是一個巨大的復(fù)合物體，分子量約為2 000 kDa，其由20S和19S兩種結(jié)構(gòu)組裝而成，20S呈桶狀，19S呈帽狀。

圖6 泛素蛋白的氨基酸序列Fig.6 The amino acid sequence of ubiquitin

蛋白的泛素化作用是可逆的，機(jī)體存在著去泛素化酶(Deubiquitinating enzymes，DUB)能使泛素從蛋白上切掉，從而避免蛋白被降解的命運[32]。人體的DUBs可分為5個亞家族，分別為：JAB1/MPN/Mov34蛋白酶亞家族(JAMM)、Josephin結(jié)構(gòu)域蛋白酶亞家族(MJD)、卵巢腫瘤相關(guān)蛋白酶亞家族(Ovarian tumor domain，OTU)、泛素C末端水解酶亞家族(Ubiquitin C-terminal hydrolase，UCH)和泛素特異性蛋白酶亞家族(Ubiquitin specific proteases，USPs)，其中USPs亞家族是DUB家族中成員最多的亞家族[32]。

2 藥物治療

2.1 針對AD的化學(xué)藥物治療

雖然關(guān)于AD的治療藥物研究進(jìn)行了很多年，但是目前尚未有根治AD的藥物，多數(shù)藥物針對臨床癥狀開展針對性治療，如膽堿能神經(jīng)元在大腦皮層的發(fā)育、認(rèn)知功能、學(xué)習(xí)記憶等方面起著重要的調(diào)節(jié)作用，乙酰膽堿作為重要的神經(jīng)遞質(zhì)在AD患者中出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為乙酰膽堿合成減少，攝取不足等。故臨床上常用膽堿酯酶抑制劑來降低乙酰膽堿的水解，維持大腦內(nèi)乙酰膽堿水平，進(jìn)而增強膽堿能神經(jīng)元的突觸傳遞效能，改善AD患者的認(rèn)知功能[33]。表1列舉了臨床上常用的治療AD的化學(xué)藥物以及一些新型的治療藥物(免疫治療)。

表1 治療AD的常用化學(xué)藥物Tab.1 Commonly used clinical drugs for AD cure

2.2 針對AD的植物提取物及中藥復(fù)方治療

中草藥治療AD已有千年的悠久歷史[41,42]，但其治療機(jī)制尚不明確，植物次生代謝產(chǎn)物是其生長過程中產(chǎn)生的非必需的小分子類化合物，種類多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有些對AD有明顯的治療效果[43](表2)。中醫(yī)認(rèn)為，AD屬于“呆病”，是元氣的崩潰以及經(jīng)絡(luò)、喉嚨阻塞引起的，中藥復(fù)方如天麻鉤藤飲、六味地黃丸等常用于臨床上AD的治療。也有醫(yī)家提倡“治痰即治呆”，通過治療脾胃，減痰化痰來治療AD，并取得了一定療效[44]。

表2 治療AD的植物提取物及中藥復(fù)方Tab.2 Natural products source and Chinese herbal compound formula for AD treatment

3 展望

隨著人口老齡化的時代到來，AD患者的發(fā)病率將逐年增加，如果將AD發(fā)病時間延遲5～10年，則大大減輕中國乃至世界的經(jīng)濟(jì)社會負(fù)擔(dān)。近年來，雖然基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、分子生物學(xué)的不斷發(fā)展對AD發(fā)病機(jī)制有了更深入的了解，但是AD作為CNS退行性疾病，具有長期性和漸進(jìn)性的特點，其具體的發(fā)病機(jī)制仍未完全清晰，特異性的預(yù)防及治療AD的藥物也仍未上市。但另一方面，隨著研究的深入，AD的早期發(fā)病的分子生物學(xué)改變與神經(jīng)炎癥有密切關(guān)系，因此，今后可從以下3方面開展AD更深入的工作：1)小膠質(zhì)細(xì)胞的生物信息學(xué)分析，以及小膠質(zhì)細(xì)胞激活、增殖、分泌炎癥因子的誘因研究；2)神經(jīng)炎癥與APP水解位點的關(guān)系及控制因素的研究；3)UPS功能障礙的誘因及誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的關(guān)聯(lián)研究。相信隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對AD的研究將更深入，也將篩選出更加高效的特異性強的化學(xué)藥物或中藥，為AD的預(yù)防和治療提供更精準(zhǔn)的治療藥物和治療方案。