突觸核蛋白聚集與散發(fā)型帕金森病發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

摘 要：帕金森病是常見(jiàn)于中老年人群的第二大神經(jīng)變性疾病，90%的帕金森病患者為散發(fā)型，約有10%的患者系家族遺傳所致，如α-synuclein、parkin和UCH-L1基因異常或異常表達(dá)。最近的研究結(jié)果顯示，突觸核蛋白寡聚體可能是神經(jīng)元死亡的執(zhí)行者。突觸核蛋白聚集過(guò)程中形成的寡聚體中間構(gòu)象具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性，對(duì)帕金森病的發(fā)病過(guò)程有著重要作用。綜述了近年的相關(guān)研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：帕金森病；氧化應(yīng)激；突觸核蛋白；泛素-蛋白酶體系統(tǒng)；泛素羧基端水解酶

中圖分類(lèi)號(hào)：R745.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-2197(2007)10-026-03

PD的神經(jīng)病理變化表現(xiàn)為殘存神經(jīng)元胞漿內(nèi)路易小體(Lewy body ，LB) 的形成、黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失和膠質(zhì)增生。帕金森病患者的大腦黑質(zhì)致密部(substantia nigra pars compacta ，SNC)中多巴胺神經(jīng)元的喪失是導(dǎo)致臨床癥狀的主要原因。在癥狀出現(xiàn)前，其黑質(zhì)中神經(jīng)元損失已超過(guò)60%，帕金森病人的尸檢發(fā)現(xiàn)，其腦部的LB的數(shù)量要高于正常人近10倍。但也有研究發(fā)現(xiàn)，20%～30%的帕金森病患者并不含有LB。α-synuclein是LB的主要成分，主要以纖維形式存在。在α-synuclein纖維化的過(guò)程中，會(huì)形成一類(lèi)被稱(chēng)為初原纖維(protofibrils)的α-synuclein寡聚體中間構(gòu)象。在原子力顯微鏡及電鏡下，可以觀察到這類(lèi)寡聚體形成過(guò)程中，一般先呈包含20～30個(gè)α-synuclein分子的圓狀結(jié)構(gòu)，隨后因彼此聚合形成鏈狀結(jié)構(gòu)，最終轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的纖維狀結(jié)構(gòu)(fibrilous structure)。多種機(jī)制參與α-synuclein初原纖維的聚集，并引起多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失和α-synuclein纖維狀聚集。

1 α- synuclein 與突觸囊泡

α-synuclein幫助突觸蛋白SNAREs(soluble NSF attachment protein receptor)的折疊和重折疊，而SNAREs對(duì)于神經(jīng)突觸的神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、囊泡循環(huán)以及突觸的完整性有重要的意義。突觸囊泡中另一種含量豐富且具有分子伴侶活性的半胱氨酸鏈蛋白α(cysteine-string-protein-α，CSP-α)，可以與α-synuclein協(xié)同作用，通過(guò)調(diào)節(jié)SNAREs復(fù)合物的形成來(lái)保護(hù)神經(jīng)突觸末端免受損傷，其中，α-synuclein的作用依賴(lài)于其對(duì)磷脂結(jié)構(gòu)的結(jié)合。α-synuclein與膜結(jié)合后形成兩種結(jié)構(gòu)形式：一種富含α螺旋結(jié)構(gòu)，可抑制自身向纖維形式轉(zhuǎn)化；另一種傾向形成中間構(gòu)象并易于聚集形成纖維形式。當(dāng)寡聚體濃度超過(guò)一定閾值范圍，將迅速形成纖維結(jié)構(gòu)并與中間體達(dá)到平衡狀態(tài)。體外實(shí)驗(yàn)表明，α-synuclein初原纖維結(jié)構(gòu)與許多能形成膜孔狀結(jié)構(gòu)的蛋白毒素類(lèi)似，可以引起泡膜的瞬時(shí)透性及膜內(nèi)包含物的外滲；胞內(nèi)實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步顯示，因α-synuclein過(guò)量表達(dá)而在胞內(nèi)形成的聚積體會(huì)引起高爾基體結(jié)構(gòu)的破壞。因此，α-synuclein寡聚體的聚集可影響突觸小泡的循環(huán)和小泡膜的通透性，從而導(dǎo)致胞漿內(nèi)游離的多巴胺增多。

2 氧化應(yīng)激損傷與α-synuclein錯(cuò)誤折疊聚集

腦內(nèi)多巴胺在合成后立即被轉(zhuǎn)運(yùn)至單胺能囊泡內(nèi)儲(chǔ)存，未能儲(chǔ)存的多巴胺在單胺氧化酶作用下氧化脫胺或自氧化形成毒性半醌，反應(yīng)過(guò)程中伴隨超氧化基和過(guò)氧化氫生成。過(guò)氧化氫在二價(jià)鐵離子催化下生成毒性最強(qiáng)的羥自由基(OH-.)。由于黑質(zhì)區(qū)抗氧化防御系統(tǒng)的功能較弱，黑質(zhì)致密部還原型谷胱甘肽(reduced glutathione，GSH)低于其他腦組織，在PD 患者體內(nèi)進(jìn)一步下降。研究發(fā)現(xiàn)，PD患者黑質(zhì)區(qū)脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物——丙二醛和過(guò)氧化氫脂質(zhì)的濃度高于正常10倍之多，同時(shí)胞質(zhì)內(nèi)DNA氧化損傷的標(biāo)記物8-羥基鳥(niǎo)嘌呤和蛋白質(zhì)羰基水平也明顯增強(qiáng)。

活性氧除自身可以引起多巴胺神經(jīng)元的死亡外，還可以對(duì)α-synuclein進(jìn)行硝化修飾。在PD患者腦組織中就發(fā)現(xiàn)許多細(xì)胞的包涵體呈現(xiàn)硝化的α-synuclein免疫組織反應(yīng)陽(yáng)性。并且體外實(shí)驗(yàn)表明，亞硝酸化的α-synuclein不僅可以促進(jìn)寡聚體的形成，而且對(duì)形成的多聚體具有穩(wěn)定作用。在離體實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素C與過(guò)氧化氫共同孵育細(xì)胞或?qū)⒓?xì)胞暴露于一氧化氮和過(guò)氧化物的應(yīng)激環(huán)境中可促使胞漿內(nèi)α-synuclein的聚集。Sherer等學(xué)者證實(shí)在多巴胺神經(jīng)元內(nèi)，多巴胺可自氧化形成多巴胺-苯醌分子，后者與α-synuclein形成共價(jià)絡(luò)合物，使其初原纖維更加穩(wěn)定，神經(jīng)毒性更為持久。同時(shí)，氧化應(yīng)激使α-synuclein的兩個(gè)酪氨酸交聯(lián)形成二聚體，此二聚體作為核心可加速α-synuclein纖維的形成 。由此可見(jiàn)，氧化修飾是啟動(dòng)或促進(jìn)α-synuclein錯(cuò)誤折疊、聚集的重要因素。

3 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)( ubiquitin-proteasome sys-tem，UPS)與α-synuclein

UPS是真核細(xì)胞內(nèi)重要的非溶酶體降解途徑。它可降解細(xì)胞內(nèi)突變的、氧化損傷的、錯(cuò)位的、錯(cuò)誤折疊的、有害的蛋白質(zhì)。UPS主要包含泛素(ubiquitin，Ub)、E3泛素連接酶(parkin)、和蛋白酶體、泛素羧基端水解酶(ubiquitin carboxy-terminalhydrolase-L1，UCH-L1)等。parkinC 端的指環(huán)樣結(jié)構(gòu)及20S蛋白酶體C端亞基對(duì)于parkin與泛素蛋白酶體的相互作用是必需的。Ub經(jīng)過(guò)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)形成多聚泛素鏈，parkin在細(xì)胞內(nèi)的作用是使多聚泛素鏈在靶蛋白上能夠被蛋白酶體識(shí)別并降解。此外，parkin能顯著地減弱原癌基因c-Jun氨基端激酶及蛋白羰基化作用，有抵抗氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡的作用。蛋白酶體是一種具有多種蛋白水解酶活性的復(fù)合體，由三磷酸腺苷(ATP)提供能量，降解底物蛋白質(zhì)，然后多聚泛素鏈被釋放出來(lái)并由UCH-L1水解為泛素單體，重新進(jìn)入U(xiǎn)PS降解系統(tǒng)中，循環(huán)利用。同時(shí)，UCH-L1具有二聚化依賴(lài)的泛素連接酶活性，不同于與蛋白酶體的E2/E3連接酶，UCH-L1泛素化的部位位于泛素63位賴(lài)氨酸。UCH-L1泛素連接酶具有重要的致病作用，一方面形成游離多泛素鏈，另一方面形成與α-synuclein結(jié)合的多泛素鏈，兩者共同抑制UPS的功能，另外與α-synuclein結(jié)合的多泛素鏈可抑制α-synuclein由原纖維狀態(tài)向纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，保持α-synuclein毒性狀態(tài)。一旦減少UCH-L1的表達(dá)，其泛素連接酶活性降低比水解酶活性降低更快，可見(jiàn)減少UCH-L1的表達(dá)或抑制其二聚體結(jié)構(gòu)的形成是抑制α-synuclein毒性的有效方法。

過(guò)度表達(dá)的parkin可能通過(guò)增強(qiáng)對(duì)底物蛋白的泛素化而加強(qiáng)其降解，減少由α-synuclein過(guò)度表達(dá)產(chǎn)生的細(xì)胞毒性。parkin是散發(fā)性PD患者腦中選擇性S-硝基化的蛋白。氧化和硝基化應(yīng)激促進(jìn)parkin蛋白的S-硝基化，從而破壞了parkin的E3泛素連接酶功能和神經(jīng)保護(hù)作用。而UPS功能缺陷會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊的α-synuclein單體及寡聚體降解受阻、胞漿內(nèi)LB的形成及多巴胺神經(jīng)元變性死亡。α-synuclein聚集后可損害蛋白酶體系統(tǒng)。α-synuclein低聚體結(jié)合位于蛋白酶體外圍的帽狀結(jié)構(gòu)19S亞單位S6，由于聚集狀態(tài)的α-synuclein體積大且以共價(jià)鍵交聯(lián)結(jié)合，會(huì)抑制其它蛋白結(jié)合并影響20S的功能，導(dǎo)致異常蛋白聚集。可見(jiàn)，α-synuclein 聚集與UPS 功能缺陷互為因果，加速了胞漿內(nèi)LB的形成及多巴胺神經(jīng)元變性死亡。

4 熱休克蛋白(hot shock protein，Hsp)與α-synuclein

Hsp在許多的帕金森病模型中都能夠被檢測(cè)到，某些選擇性的過(guò)表達(dá)Hsp對(duì)許多神經(jīng)系統(tǒng)損傷模型都具有保護(hù)作用。Hsp本身并不會(huì)降低α-synuclein的表達(dá)水平，但可以減少α-synuclein的聚集和毒性以及細(xì)胞的凋亡。Jochen等將轉(zhuǎn)α-synuclein基因的大鼠和過(guò)表達(dá)Hsp70的大鼠共飼養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在體內(nèi)還是體外，Hsp70都能夠減少α-synuclein的錯(cuò)誤折疊和聚集。Hsp還可以與α-synuclein相結(jié)合并將其隱藏，抑制α-synuclein的毒性作用。并且，上調(diào)Hsp70可以降低α-synuclein對(duì)蛋白酶體的抑制作用，從而減弱由α-synuclein聚集所引起的毒性。

5 α-synuclein與細(xì)胞凋亡

α-synuclein初原纖維結(jié)構(gòu)可引起泡膜的瞬時(shí)透性及膜內(nèi)包含物的外滲。除了突觸囊泡多巴胺釋放增強(qiáng)引起氧化應(yīng)激外，細(xì)胞色素C(Cytochrome C，Cyt C)和凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor，AIF)釋放出線粒體也可加速細(xì)胞凋亡。另外，氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)前凋亡蛋白Bax的表達(dá)并轉(zhuǎn)位至線粒體外膜，加速細(xì)胞凋亡。同時(shí)Goers等發(fā)現(xiàn)，α-synclein在除草劑的作用下會(huì)出現(xiàn)核轉(zhuǎn)位并與組蛋白結(jié)合，雖然其病理意義尚不明了，但可能參與了基因調(diào)控。

6 其它

小膠質(zhì)細(xì)胞的增生和激活可促進(jìn)毒性細(xì)胞因子TNF2α和一氧化氮、O-2 、ONOO- 的產(chǎn)生，進(jìn)一步加重多巴胺神經(jīng)元內(nèi)的氧化應(yīng)激。許多環(huán)境因素可使線粒體受損，電子傳遞鏈中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性下降，還原當(dāng)量聚積，使更多電子生成超氧陰離子，進(jìn)一步加重多巴胺神經(jīng)元內(nèi)氧化應(yīng)激。以上兩者均通過(guò)氧化應(yīng)激引起α-synuclein的硝化修飾和聚集。谷氨酸酰胺轉(zhuǎn)移酶(tTG)可誘導(dǎo)α-synuclein交聯(lián)聚集。研究者認(rèn)為，異常蛋白單體形成初原纖維發(fā)生于胞漿，而初原纖維向纖維轉(zhuǎn)變需由微管蛋白介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)至核周才有可能進(jìn)一步形成纖維狀包涵體。也有研究認(rèn)為，微管蛋白在纖維狀包涵體形成中可能起核心作用，引發(fā)并促進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)的形成，環(huán)境毒素、藥物等也可能通過(guò)此環(huán)節(jié)影響α-synuclein聚集。

7 結(jié)語(yǔ)

在帕金森病的發(fā)生形成過(guò)程中，α-synuclein聚集狀態(tài)的變化可能是一個(gè)關(guān)鍵因素。可以肯定的是，寡聚中間體初原纖維具有毒性作用，而淀粉樣纖維狀多聚集體可能是一種為保護(hù)細(xì)胞功能而形成的一種非活性結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步確定α-synuclein蛋白聚集的影響因素，深入明確上述各過(guò)程在促進(jìn)α-synuclein蛋白聚集過(guò)程中的相互關(guān)系，不但有助于人們最終從分子細(xì)胞水平揭示帕金森病及其它神經(jīng)退行性疾病(如Alzhimers disease 、Huntingtons disease 等)的發(fā)生機(jī)制，還有助于尋找更為有效的治療、預(yù)防途徑。尤為值得注意的是，如果研究進(jìn)一步確定α-synuclein中間寡聚體狀態(tài)在體內(nèi)的存在與帕金森病有相關(guān)性，那么，采取能阻止α-synuclein蛋白從單體向寡聚體轉(zhuǎn)化、而非針對(duì)不溶性纖維狀多聚體形成的預(yù)防治療策略可能更為有效。

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