林文娟，尹大川

（陜西省西安市西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，陜西 西安 710072）

阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）是一種進(jìn)行性和破壞性的神經(jīng)退行性疾病，患者認(rèn)知能力會(huì)逐漸喪失，在臨床上有較高的發(fā)病率。在過去10 年中，學(xué)者們進(jìn)行大量的研究工作探討其發(fā)病機(jī)制，目前普遍認(rèn)為是由于神經(jīng)原纖維形成的β 淀粉樣斑塊沉積和TAU 蛋白聚集以及其高磷酸化引起的[1]。其中，β淀粉樣斑塊沉積與TAU蛋白的高表達(dá)有顯著相關(guān)性[2]，同時(shí)TAU 蛋白也被認(rèn)為是阿爾茨海默癥發(fā)病的生物標(biāo)志物。本文總結(jié)姜黃素抑制TAU 蛋白聚集的機(jī)制，為治療阿爾茨海默癥提供新的思路。

1 阿爾茲海默癥病理學(xué)研究

1907 年德國人Alois Alzheimer 首次報(bào)道這種神經(jīng)退行性疾病的病因，其神經(jīng)病理學(xué)特征是老年斑、腦血管淀粉樣病變、神經(jīng)原纖維纏結(jié)和選擇性神經(jīng)元丟失[3]。AD患者組織病理學(xué)研究可觀察到額、顳葉皮層細(xì)胞大量死亡脫失，大腦皮層中可見細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)和顆?？张葑冃?，神經(jīng)元纖維纏結(jié)由雙股螺旋絲構(gòu)成，TAU蛋白是其主要成分。AD具體臨床表現(xiàn)不同，病理機(jī)制復(fù)雜，研究者認(rèn)為AD是一種由遺傳因素和環(huán)境因素促進(jìn)的復(fù)雜的多因素疾病[4]，這使得解析其發(fā)病機(jī)制以及疾病治療變得相當(dāng)復(fù)雜。而不論TAU 蛋白的高度磷酸化（p-TAU）還是淀粉樣蛋白的沉積均與TAU蛋白的聚集密切相關(guān)，這使得研究如何干預(yù)TAU蛋白的聚集變得尤為重要。

2 TAU蛋白的理化特征

大腦神經(jīng)元細(xì)胞富含豐富的非結(jié)構(gòu)微管蛋白，TAU蛋白是神經(jīng)元微管細(xì)胞骨架的重要組成部分。在細(xì)胞水平上，可促進(jìn)微管細(xì)胞骨架的重組，并根據(jù)其亞細(xì)胞位置介導(dǎo)不同的功能。人體的TAU蛋白是由17q21.31染色體上的MAPT基因編碼的[5]，在成年人大腦中有6 種TAU 蛋白亞型，分別是0N3R、1N3R、2N3R、0N4R、1N4R、2N4R，其氨基酸含量分別從352～441個(gè)[6]。其中2N4R含有441個(gè)氨基酸，是人腦中氨基酸含量最多的一種亞型，極易在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基位置發(fā)生磷酸化[7]，且2N4R 亞型包含一個(gè)MTB 區(qū)，該區(qū)包含四個(gè)假重復(fù)序列（R1-R4）加上側(cè)翼富含脯氨酸的區(qū)域（P1，P2 和P3），一個(gè)較短（40 aa）的C-末端區(qū)域和長（250 aa）的N-端，從MT結(jié)合狀態(tài)的微管表面伸出，并形成聚合電解質(zhì)的纖維狀聚集[8-9]。TAU 是一種高度可溶的天然未折疊蛋白質(zhì)[10]。在生理濃度下其非結(jié)構(gòu)化N末端的靜電作用與C末端MTB域的疏水作用的相互催化，形成β-折疊結(jié)構(gòu)。TAU蛋白缺乏固定的三級蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在一種無序區(qū)域，像這樣含有內(nèi)在無序區(qū)域的蛋白質(zhì)通常會(huì)更容易發(fā)生聚集[11]。此外，2N4R 亞型蛋白內(nèi)部存在不均勻電荷分布[12]增加發(fā)生聚集的可能性。TAU 蛋白主要在神經(jīng)元中表達(dá)，在膠質(zhì)細(xì)胞[13]和細(xì)胞外基質(zhì)[14]中少量表達(dá)。

3 阿爾茲海默癥發(fā)病機(jī)制

3.1 TAU 蛋白與阿爾茲海默癥 與正常神經(jīng)元細(xì)胞比較，發(fā)生病變的神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)TAU蛋白有許多變化，例如過度磷酸化、從微管中脫離、聚集、蛋白水解、泛素化、糖基化、氧化、硝化反應(yīng)、乙酰化作用、氨基酸的修飾、分布以及基因突變。但是TAU 蛋白的這些改變并非全部均與AD 的發(fā)病具有相關(guān)性。

研究發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦內(nèi)TAU磷酸化水平顯著高于正常人群[15]。考慮到TAU 蛋白的過度磷酸化先于其聚集，因此，磷酸化被認(rèn)為是TAU蛋白聚集的主要觸發(fā)因素，然而磷酸化本身并不足以驅(qū)動(dòng)其聚集，但可能有助于增強(qiáng)正在進(jìn)行的聚集。AD 患者腦細(xì)胞中TAU 蛋白N-糖基化會(huì)促進(jìn)其磷酸化程度的增加[16]。TAU蛋白半胱氨酸通過氧化作用形成二聚體，將分子鎖定在折疊狀，加強(qiáng)其聚集[17]。不同位點(diǎn)的乙酰化作用產(chǎn)生相反的效果，Lys259、Lys290、Lys321 或Lys353 位點(diǎn)的乙?；梢砸种芓AU 蛋白的磷酸化和聚集，而Lys280、Lys174 位點(diǎn)的乙?；梢源龠M(jìn)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，產(chǎn)生帶有神經(jīng)毒性的短TAU 蛋白片段，更易形成磷酸化和聚集[20]。TAU 基因突變導(dǎo)致額顳葉癡呆的發(fā)現(xiàn)證實(shí)TAU 蛋白在神經(jīng)變性中的作用[21]。在健康人群的大腦細(xì)胞中TAU 蛋白集中在神經(jīng)元的軸突，而AD患者大腦細(xì)胞中TAU蛋白會(huì)從微管脫落下來形成纖維纏結(jié)。早期研究發(fā)現(xiàn)，TAU蛋白的細(xì)胞內(nèi)分布與AD疾病的臨床分期相關(guān)[22]，TAU蛋白異常會(huì)以一種特定的方式在大腦中傳播，異常的TAU 蛋白被鄰近的細(xì)胞吸收，從而以朊病毒樣的方式傳播[23]。在動(dòng)物模型中僅增加TAU 蛋白水平即會(huì)引起AD，細(xì)胞內(nèi)TAU蛋白出現(xiàn)聚集現(xiàn)象[24]，這說明TAU蛋白聚集引起AD 的獨(dú)立性和必需性。但是，硝化反應(yīng)是通過硝化酪氨酸殘基，減少M(fèi)T 綁定，改變TAU 的構(gòu)象，減少聚集[25]。在上述作用機(jī)制中氧化、乙?；?、蛋白裂解、基因突變、蛋白的脫落等最終均導(dǎo)致TAU 蛋白的聚集，從而引起AD發(fā)病。

聚集會(huì)減少與微管的結(jié)合量，導(dǎo)致軸突運(yùn)輸受損；還會(huì)引起細(xì)胞骨架功能障礙以及過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而引起DNA 的損傷[26]。聚集會(huì)影響線粒體動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量控制[27-28]，而線粒體的功能異常與AD 有顯著相關(guān)性[29]。TAU 蛋白片段N-末端與線粒體功能改變和質(zhì)量控制缺陷相關(guān)，觀察AD 患者的突觸細(xì)胞發(fā)生變化，從突觸細(xì)胞分離出的線粒體中觀察到TAU蛋白發(fā)生積累，二者具有相關(guān)性。在體外培養(yǎng)細(xì)胞或動(dòng)物體內(nèi)過表達(dá)TAU 模型中，也觀察到線粒體動(dòng)力學(xué)的異常。

3.2 β 淀粉樣沉淀與阿爾茲海默癥 在AD 患者大腦中首先出現(xiàn)大量β 淀粉樣沉淀，繼而患者認(rèn)知能力下降。盡管亞線粒體確切的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍不十分清楚，但是線粒體定位已觀察到β淀粉樣沉淀可能在線粒體相關(guān)膜處產(chǎn)生。沉淀會(huì)誘導(dǎo)線粒體DNA 損傷、電子傳遞鏈活性和氧化還原平衡失調(diào)[30]。另外，在AD 患者的顳葉區(qū)域細(xì)胞中觀察到降解β 淀粉樣沉淀的前序列蛋白酶（PreP）活性顯著降低[31]。在AD患者神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)線粒體功能障礙會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，而氧化應(yīng)激會(huì)增加β淀粉樣蛋白的產(chǎn)生和聚集，加速TAU的磷酸化和聚集，β淀粉樣蛋白和TAU蛋白聚集反過來也會(huì)促進(jìn)這種氧化還原失衡，從而加劇疾病的發(fā)展。

3.3 p-TAU 蛋白與阿爾茲海默癥 AD 中的TAU 蛋白過度磷酸化是由于磷酸化的增加和/或去磷酸化的減少引起的。TAU 蛋白過度磷酸化后主要通過以下幾個(gè)方面影響AD 的發(fā)生：①影響微管穩(wěn)定性，磷酸化降低TAU 與微管蛋白的親和力，導(dǎo)致其從微管分離[32]。②促進(jìn)TAU蛋白聚集[33]，改變TAU蛋白構(gòu)象，加劇纏結(jié)形成。③突觸功能障礙：過度磷酸化會(huì)影響軸突線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)，最終引起細(xì)胞凋亡[34]。④過度磷酸化會(huì)影響蛋白酶體降解和自噬：TAU蛋白是蛋白酶體降解的底物，而p-TAU蛋白聚集會(huì)減少自噬的發(fā)生。⑤形成神經(jīng)纖維纏結(jié)（NFTs）。⑥p-TAU 蛋白在形成聚集體之前即會(huì)對神經(jīng)產(chǎn)生毒性。

4 姜黃素抑制TAU蛋白聚集的機(jī)制

許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)中藥可以用于AD的治療[35-36]，在數(shù)千年的實(shí)踐中，中醫(yī)藥在癡呆癥治療方面積累了許多經(jīng)驗(yàn)。目前批準(zhǔn)用于臨床治療AD 的藥物主要是膽堿酯酶抑制劑類藥物，但只能暫時(shí)改善癥狀，不能抑制或逆轉(zhuǎn)AD的進(jìn)展，且這些藥物存在各種不良反應(yīng)。因此，尋找一種不良反應(yīng)小、治療效果好的治療方案尤為重要。中藥單體姜黃素是由姜黃中提取的（見圖1），作為藥物和食材在印度已經(jīng)有數(shù)百年的歷史，此外，姜黃素可以通過血腦屏障，這均是將姜黃素作為治療AD 可能藥物的重要原因。下面對姜黃素作用機(jī)制進(jìn)行闡述。

圖1 姜黃素結(jié)構(gòu)式

姜黃素可以有效抑制β淀粉樣斑塊沉淀的產(chǎn)生[37]和聚集并促進(jìn)其分解[38]，其作用機(jī)制可能是由于姜黃素的疏水性或姜黃素的酮基或烯醇環(huán)與Aβ 二聚體的芳環(huán)之間的相互作用破壞了形成β-折疊所需的作用力，使β-折疊層不穩(wěn)定[39]。姜黃素還可以通過抑制糖原合成酶激酶（GSK-3）活性，降低淀粉樣沉淀含量[40]。此外，GSK-3 可以在絲氨酸和蘇氨酸殘基上添加磷酸基團(tuán)并調(diào)節(jié)TAU磷酸化[41]，姜黃素抑制GSK-3 活性可以預(yù)防細(xì)胞的高磷酸化和保護(hù)細(xì)胞免受神經(jīng)毒性的影響。

研究表明，姜黃素能增加溶液中TAU 蛋白的溶解度，抑制溶液中TAU 蛋白聚集[42]，且可以抑制細(xì)胞和小鼠大腦中TAU 蛋白的纖維化[43-44]。其不僅可以抑制TAU 蛋白的形成，還可以分解已經(jīng)形成的低聚物，作用機(jī)制可能是由于姜黃素通過調(diào)節(jié)Nrf2-ARE 通路減弱細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷[45]；其還是組蛋白乙?；福╬300）的特異性抑制劑[46]，通過抑制p300活性減少TAU蛋白乙?；笠鸬木奂话腚滋於缚梢允筎AU 蛋白裂解成帶有神經(jīng)毒性的短TAU 蛋白片段，而姜黃素可以顯著抑制半胱天冬酶活性[47]。除上述間接作用機(jī)制，姜黃素還可以直接與TAU 的微管結(jié)合區(qū)的MTBR 域的R2位點(diǎn)結(jié)合[42]，改變TAU蛋白構(gòu)象，阻止其聚集。并且，姜黃素與MTBR 區(qū)之間的靜電相互作用可能會(huì)阻礙TAU 蛋白之間的相互作用，這是TAU 蛋白聚集過程中最重要的步驟。此外，姜黃素和不同亞型的TAU 蛋白親和能力不同，例如與3R型TAU蛋白結(jié)合的親和力比4R型弱；與TAU蛋白的D225殘基有強(qiáng)烈的親水相互作用。

5 小結(jié)

阿爾茨海默癥在臨床上有很高的發(fā)病率，截止到2019年，我國約有1 000萬患者，其發(fā)病率在老年人中逐年升高，造成巨大的社會(huì)醫(yī)療消耗及家庭壓力。目前常規(guī)的阿爾茨海默癥治療方法仍是以其可能的發(fā)病機(jī)制和病理變化為根本，旨在改善患者癥狀、延緩病情進(jìn)展。因此，了解并針對其發(fā)病機(jī)理進(jìn)行治療尤為重要。AD 發(fā)病的三種主要表征中，p-TAU 和β 淀粉樣沉淀均與TAU 蛋白有顯著相關(guān)性，因此抑制TAU 蛋白聚集在治療阿爾茲海默癥中起重要作用。而姜黃素不僅具有抗TAU 蛋白高度磷酸化，抗β 淀粉樣蛋白生成和保護(hù)神經(jīng)的作用，更重要的是可以通過抗氧化、抗乙?；?、抗蛋白降解以及改變TAU 蛋白構(gòu)象等方式抑制其聚集，又因?yàn)槠錈o毒性且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，為治療AD 提供一種新的思路。