MAPK途徑在阿爾茨海默病發病機制中的作用

陳燕華 嚴麗榮

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是老年癡呆最常見病因。臨床以老年斑(senile plaques，SP)和神經纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFTs)為特征，其病理變化以細胞外β淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)沉積導致SP的形成及細胞內自我聚集的高度磷酸化Tau蛋白，形成NFTs為結構基礎。此外，神經元的缺失、突觸的丟失及炎癥反應也是AD重要的病理改變［1-3］。在此過程中細胞生物信號轉導(signal transduction)起著關鍵作用，其中絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)級聯反應途徑與AD關系密切。綜合國內外文獻，對MAPK信號轉導途徑在AD發生中的作用進行相關探討。

1 MAPK信號轉導途徑及作用

MAPK級聯反應包括3級成員:MAPK、絲裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase，MAPKK)和絲裂原活化蛋白激酶激酶激酶(mitogen activated protein kinase kinase kinase，MAPKKK)，它們都是具有11個保守亞結構區域的蛋白激酶，在信號傳遞的過程中，通過氨基酸殘基的磷酸化作用被逐級激活。MAPK被激活后，可使核轉錄因子(NF-κB)和其他蛋白激酶等多種底物磷酸化，調節相關基因的轉錄，參與細胞生長、發育、分裂及細胞間的功能同步等多種生理過程，并在細胞凋亡、惡性轉化等病理過程中起重要的作用。迄今為止，在真核生物細胞中已明確了5條MAPK信號轉導通路:細胞外信號調節蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase，ERK1/2)、c-Jun N-末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)、p38、ERK3/4和ERK5亞家族，每個亞家族又包含多個亞型。這些亞家族被不同的細胞外刺激所調節，并具有不同的底物作用特性［3］。其中，p38MAPK通路在炎癥、應激反應中具有重要作用，還參與細胞的存活、分化和發育等過程［4］。

2 MAPK信號轉導途徑在AD發生中的作用

2.1 MAPK信號轉導途徑致炎作用與AD發病的關系 p38可被應激刺激(紫外線、H2O2、熱休克和缺氧等)、炎性因子［腫瘤壞死因子(TNF-α)、白介素 1(IL-1)和IL-6等］及LPS和革蘭陽性細菌細胞壁成分激活。p38信號通路主要參與應激條件下細胞炎癥反應和細胞凋亡過程，p38 MAPK至少通過以下途徑調控凋亡:增強原癌基因 c-myc表達;磷酸化p53;參與Fas/FasL介導的凋亡;激活c-Jun和 c-Fos;誘導 Bax轉位等。此外，p38MAPK亦可增強 TNF-α表達，進而TNF-α活化 p38MAPK，誘導凋亡。鄰乙汞硫基苯酸鈉通過磷酸化p38 MAPK介導caspase-3的活化，誘導 SCM1細胞Ca2+非依賴性凋亡［5］，用雙硫氧吡啶誘導細胞凋亡后發現，ERK1/2和p38活性顯著增強，用SB203580抑制p38的活性，能減少HeLa細胞凋亡的程度，阻止p21蛋白的誘導作用，減少細胞色素C的釋放，減少caspase-3和PARP酶的降解［6］。

但也有不少研究結果表明，p38MAPK同時存在著抗凋亡和增強細胞存活概率的功能，尤其在有炎癥反應的情況下，p38MAPK更傾向于抵抗細胞凋亡。這說明p38MAPK通路在轉導信號中可能存在一個動態平衡，有反饋途徑影響其產生不同效應。在TNF誘導U937細胞凋亡的過程中，JNK/p38的活化有助于細胞存活，抑制其活性則促進凋亡和 caspase的激活［7］。

AD的發生發展過程伴隨著炎癥反應，認為與p38MAPK途徑的活化和 Aβ的神經毒性作用相關［8-9］。炎癥反應被認為是AD的重要病理改變，以小膠質細胞和星形膠質細胞的活化為標志［10］。在AD患者的腦中，環氧化酶-2(COX-2)mRNA在皮層和海馬的表達顯著上調，與AD的病理損害相一致。大量實驗表明，炎癥通過活化p38MAPK途徑而誘導誘導型一氧化氮合酶(iNOS)和COX-2的表達［11］。

Aβ介導炎癥細胞的凋亡［12］。漢城大學研究室的人員發現［12］:Aβ 通過ERK及p38MAPK途徑活化NF-κB，導致COX-2的上調，從而誘導PC12細胞的凋亡。NF-κB的抑制劑能減少Aβ誘導的COX-2的表達。p38MAPK途徑在數個細胞系中，由不同的觸發物刺激參與凋亡［13］，以多種途徑和方式參與介導 AD中神經元的凋亡。p38MAPK參與撤除神經生長因子誘導的PC12細胞凋亡，也參與撤除血清誘導的神經元凋亡，還可介導PS2對分化的PC12細胞的凋亡致敏作用［13］。Jeohn 等［14］在培養大鼠中腦神經元膠質中觀察到，p38MAPK參與脂多糖誘發的多巴胺能神經元細胞死亡。但有關p38MAPK信號通路在神經細胞凋亡中的作用機制尚不完全清楚，對神經細胞和非神經細胞研究發現p38MAPK可能通過以下途徑調控細胞凋亡:(1)激活c-Jun和c-fos;(2)誘導bax轉位;(3)介導caspases的活化;(4)上調TNF-α的表達;(5)增強 c-myc表達;(6)磷酸化p53;(7)參與Fas-FasL介導的凋亡。

根據以上的研究我們推測:p38 MAPK信號轉導途徑參與了AD發病過程中早期SP的形成。而當Aβ在腦內大量沉積后，這一信號途徑又介導炎癥反應，促成神經元的變性死亡。

2.2 p38MAPK促tau蛋白異常磷酸化與AD關系 神經元細胞骨架蛋白的異常磷酸化是AD的早期事件，但機制不清。AD患者尸檢發現腦內 ERK1/2、SAPK和p38的活性均升高，提示MAPK活化可能調整神經元存活以及異常tau蛋白的磷酸化［15］。而且在不同分期的AD患者中表達也不同，Braak分期為Ⅳ～Ⅴ期的患者表達高水平的p38，尤以CA2、下托和CA1區最多，而皮質較少。0～Ⅱ期患者腦內的p38含量很少［16］。在過度表達淀粉樣蛋白前體的小鼠中，神經炎性斑周圍磷酸化的JNK、p38的免疫組化反應陽性率明顯增高［17］。在這過程中，p38MAPK信號轉導途徑與Aβ的沉積及其毒性作用密切相關。1997年，Mc-Donald等首次在原代大鼠膠質細胞中發現Aβ能活化 p38MAPK途徑。此后，Hensley等［18］發現在 AD患者 尸檢腦組織中，活化的p38存在于神經元細胞及膠質細胞中。與年齡匹配的正常腦相比，AD病人腦內斑塊和纏結附近的神經元和膠質內p38MAPK活化增強，與其病理損傷一致。

眾多實驗證實，p38MAPK能在體外使tau蛋白磷酸化［19-20］。采用免疫組化法對神經退行性病變研究后發現，p38MAPK與細胞內過磷酸化的tau蛋白沉積部位一致。但對與凋亡相關的一些指標DNA片段及活化caspase3進行檢測后卻發現，p38MAPK的表達與細胞凋亡級聯的激活并無相關性，從而認為這些蛋白激酶的表達僅與退行性疾病tau的病理學有關［20］。異常過磷酸化的tau蛋白是AD中雙股螺旋纖絲的主要蛋白成分，而p38MAPK可以使tau蛋白磷酸化。在AD尸檢腦組織中，Zhu等［21］發現:活化p38的免疫反應性與磷酸化的tau蛋白幾乎完全重合;在體內，p38MAPK出現于那些含磷酸化的tau蛋白的神經元之中。又由于p38MAPK在體外可磷酸化tau蛋白，提示AD中p38MAPK也可在體內磷酸化［22］。Pei等［23］的研究發現，在神經纖維退變過程中，p38MAPK在內嗅區、海馬和顳葉皮質的神經元細胞內被激活。在內嗅區前α層纏結樣神經元中最早出現p38MAPK活性形式的陽性表現，然后這些反應在腦的其他區域依次被激活，導致這些部位的 p38MAPK活化，這些部位與進行性神經纖維改變的部位一致。而神經細胞內p38MAPK的激活和聚積往往先于神經細胞外的Aβ沉積。此外，神經元p38MAPK還可間接參與tau磷酸化。這些實驗結果都表明，p38MAPK激活和增加在AD的發生、發展中起了重要的作用，其可能與神經細胞間蛋白的磷酸化和去磷酸化平衡有關，結果是導致神經纖維退變。

2.3 MAPK信號轉導途徑致AD發病的其他途徑 除了p38途經外，JNK與AD中骨架蛋白tau的病理性高磷酸化有關［23-24］，JNK 在編碼早老蛋白(PS1)相關的病人腦神經元中激活。同時，還檢測到Aβ可誘導 JNK的激活和細胞死亡［25-26］。最近，Avramovich 等［27］觀察到ASK1基因缺陷的小鼠MEFs細胞能拮抗內質網應激引起的凋亡，同時伴有JNK活性的明顯降低。而內質網信號因其與細胞內的病理性應激刺激密切相關正受到科研人員的異常重視。比如，缺失突變與AD密切相關的早老因子21(presenilin21)，就會影響它下游的一種內質網跨膜蛋白IRE1的活性，而IRE1又和JNK信號通路相連，從而加速病人神經細胞的凋亡［26］。研究人員在轉基因AD動物模型腦內和AD患者大腦內均發現JNK信號轉導途徑被激活，并認為這一途徑與Aβ的沉積相關。

p38和JNK通路主要促進細胞凋亡，ERK通路主要促細胞存活。研究表明少量Aβ與小膠質細胞和單核細胞反應，首先激活酪氨酸蛋白激酶Lyn、Syk以及局部粘連激酶FAK，產生超氧化產物，通過Ras依賴的信號轉導通路激活MEK以及下游的ERKs，ERKs能磷酸化其下游的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶 RsK1、RsK2、RsK2，RsK1、RsK2、RsK2 使轉錄 因子CREB133位絲氨酸磷酸化而激活，進而磷酸化轉錄因子 Fos、c-Myc、Jun、Elk1 等產物，這些轉錄因子能調節轉錄，表達一些促進神經細胞生存或產生抗神經細胞凋亡的蛋白［28-29］。ERK在體內參與細胞活化，遷移，在突觸可塑性及記憶中起重要作用。ERK對神經細胞的保護作用可能是其減少了一些炎癥因子的產生，在老年大鼠腦內，ERK下降伴隨著IL-1β表達的相應增加。ERK表達減少同時也使一些神經營養因子的表達下降，如BDNG、NGF等。ERK可引起tau蛋白磷酸化，主要與Aβ、氧化應激、炎癥因子等有關。tau蛋白的表達受到包括ERK在內的信號級聯的調控［30］。趨化因子受體CXCR2及其配體GRO-α/KC同樣也可有效激活ERK途經使小鼠皮層神經元tau蛋白出現過磷酸化［31］。在 AD中 ERK參與的tau蛋白磷酸化還與鈣蛋白酶及蛋白磷酸酯酶2A等有密切關系，鈣蛋白酶是ERK1/2活化的上游激酶，在鈣離子損傷神經元的情況下，間接參與AD早期神經纖維絲和tau蛋白的磷酸化［31］。

3 展望

從以上綜述可以看出，在AD的特征性病理改變形成過程中MAPK信號轉導起了很重要的作用，但是，目前的研究還僅停留在對不同信號轉導分子進行檢測的水平上，尚無同時檢測幾種不同的信號轉導分子，然后對它們之間的關系做一個系統的分析，從而得出關于AD的信號機制的大致面貌的研究。尚有以下幾方面問題需進一步闡明:(1)ERK、JNK與p38激酶的不同亞型是否具有特異的生物學功能細胞;(2)不同的MAPK通路執行不同的生理功能，其作用機制何在?(3)尚需進一步尋找新的 MAPKKK、MAPKK、MAPK及其底物。MAPK信號轉導通路的深入研究無疑會有助于細胞凋亡機制的進一步闡明。因此，有必要進行這方面的研究，并希望以此能為 AD治療開辟一條新的途徑。

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