神經型尼古丁乙酰膽堿受體在阿爾茨海默病中的神經保護作用

歐陽凱 齊曉嵐 官志忠 (貴陽醫學院分子生物學重點實驗室，貴州 貴陽 550004)

老年性癡呆主要分為三種:一種叫阿爾茨海默病(AD)，其最為常見，大約占68%;第二種叫血管性癡呆(VD)，是一種由于血供不足引起的不同大腦區域損傷所致的漸進性認知障礙;第三種是以上兩種病癥并存，叫混合性癡呆。AD是一種主要在老年期發生的以進行性癡呆為主要特征的神經元退行性變疾病，其主要臨床特征為進行性認知功能障礙、記憶力進行性衰退、失語〔1〕，甚至表現為行為人格的改變等〔2〕。在發達國家，老年癡呆已成為繼心血管疾病、癌癥和腦卒中之后人類第4位死因的疾病〔3〕。目前，在美國有540多萬人患有AD，而在我國患者數已高達600萬人，占全球患者總數的近四分之一〔4〕。一個全球性的AD研究統計指出，在2005年全球約有2400百萬人罹患老年癡呆癥，并且以每二十年翻一番的速度增加，到2020年人數約為4200百萬，而我國就將達到1020萬〔5〕。

AD的主要病理特征為細胞外β－淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成的老年斑(SPs)及神經細胞內神經元 tau蛋白過度磷酸化導致神經原纖維纏結(NFTs)〔6〕，同時還伴有顆粒空泡變性(granulovacuolar degeneration，GD)，平野小體(hirano body，HB)，神經元減少，星形細胞和小膠質細胞反應以及腦血管改變等。導致AD的原發因素尚不明確，其發病機制十分復雜。目前認為AD是由遺傳學、環境和代謝等多種因素共同作用所引起的一種復雜的病理過程，涉及多種病理機制。大量研究發現給予尼古丁和其他煙堿受體激動劑后神經型尼古丁乙酰膽堿受體(nAChR)可發揮一定的神經保護作用。本文就nAChR與AD的關系及其對AD的神經保護作用等研究綜述如下。

1 nAChR結構特征

膽堿能神經遞質性受體，根據其藥理學反應特性不同分為毒蕈堿型乙酰膽堿能受體(mAChR)和煙堿型或尼古丁型nAChR。mAChR屬于G蛋白耦聯受體，nAChR屬于配體門控離子通道耦聯受體，可分為神經型和肌肉型，其為五聚體，橫截面觀呈五角形狀，中央形成一個離子通道，主要調控細胞內外Na+、K+和Ca2+等離子流動〔7〕。其本身亦是離子通道，其通道開放不需第二信使的參與。

神經型尼古丁受體含有多種亞單位，目前認為至少含有α2～10和β2～4等12種亞單位，每種亞單位由不同的基因編碼〔8〕。這些亞單位的不同組合表現出不同的藥理學和生理學特征。因此，當不同的nAChRs亞型與相同配體結合時可表現出不一樣的親和力及對離子的通透性。氨基酸序列分析顯示，nAChR亞基由4個跨膜螺旋區域(M1，M2，M3和M4)和1個較大的胞外親水氨基酸組成。M2跨膜區位于內側，構成離子通道的內襯面。由于M2螺旋上含有較多的酸性氨基酸殘基，使通道形成負性電位吸引陽離子，以此構成nAChR的陽離子通道特性〔9〕。研究發現，nAChR結合部位主要是在胞外親水氨基酸α亞基第192和193位兩個相鄰的半胱氨酸〔10〕，能形成雙硫鍵，配體與此結合后，受體通過變構打開內孔，陽離子內流，而β亞基為結構亞基，無此結合部位，維持受體結構穩定性。

nAChR可分為中樞型和外周型。在中樞神經系統中分布最多的是α4β2和α7兩種受體亞型，其中α4β2幾乎在整個神經系統都有分布而α7亞型只在大腦皮層、下丘腦和海馬及一些腦干核團中出現較多。就單個神經元而言，nAChR不僅存在于細胞的胞體，也存在于細胞的樹突和軸突。尼古丁與分布于皮層、海馬及小腦等區域的神經突觸前膜上的nAChR結合即能興奮nAChR，增加多種神經遞質的釋放，從而調節各種行為。因而人們認為nAChR在腦內的作用是調節神經元的興奮性進而調節一系列行為反應，特別是學習、記憶、注意力的保持等認知過程〔9，11〕。當激動劑與 nAChR結合時受體的結構發生改變，其中包括通道打開以及允許更多的Ca2+通過通道等。這種與配體結合后出現的Ca2+通道關閉、開放及脫敏使得nAChR發生構效狀態的轉換。通常nAChR存在3種構效狀態，其相互之間的轉換構成了nAChR的復雜性。nAChR與大腦學習記憶、智力發育和識別能力等腦功能有關，還調節多種其他受體的功能，并具有對抗細胞毒素性神經保護作用。

2 nAChR對AD的神經保護作用

大量研究發現給予尼古丁和其他尼古丁受體激動劑后nAChR可發揮一定的神經保護作用，其中利用特異性尼古丁受體亞型激動劑證明α7和α4β2 nAChRs亞型激動也都分別可起到神經保護作用〔12〕。說明nAChR在神經保護和控制中樞神經系統的功能具有十分重要作用。在培養的海馬和皮層神經元，nAChR對谷氨酸和N－甲基－D－天門冬氨酸(NMDA)誘導的神經元死亡具有保護作用〔13〕。

1986年Nordberg等就已分別報道AD患者腦中高親和力的尼古丁受體數目明顯降低，在以后的尸檢和活檢中也發現了尼古丁受體的明顯降低，但其降低的原因還未完全闡明。研究發現，AD患者大腦尼古丁受體密度降低，尼古丁受體亞單位在蛋白水平含量減少，但mRNA表達水平未見明顯降低〔14〕。受體結合實驗也發現AD患者大腦尼古丁受體密度降低，與大腦顳葉皮質SP的增多程度呈負相關，尼古丁受體亞型在蛋白水平含量減少，但mRNA表達水平未見明顯降低。在體試驗證明煙堿對興奮性毒性作用或缺血缺氧導致的神經元損傷具有保護作用，而煙堿的這一保護作用是通過對nAChR激活實現的〔15〕。在體外培養的神經細胞株中加入不同肽段的Aβ后發現神經細胞發生神經毒性反應，nAChR功能結合狀況、蛋白和mRNA表達水平等均降低，生物膜性脂質結構發生改變等。同時發現Aβ可引起生物膜性脂質過氧化和自由基水平升高，用抗氧化物質(如維生素E)處理細胞后可減弱Aβ毒性作用所造成的尼古丁受體結合率降低及受體蛋白表達減少。官志忠等〔16〕發現，AD病人尸解后腦組織中海馬和大腦皮層區域nAChR α4亞單位蛋白質水平分別較同齡對照組降低了35%和47%;α3亞單位分別降低29%和35%;α7亞單位亦有明顯降低;但β2亞單位與對照組相比無明顯的差異。我們既往的研究〔17〕顯示，經腦室注射 Aβ42 的大鼠腦組織中，nAChR α7 亞單位較對照組明顯降低，說明Aβ42能夠引起α7亞單位蛋白水平表達降低。

在攜帶瑞典家族性遺傳性APP突變基因(APPSWE)轉基因大鼠腦標本中可見α7n AChR的選擇性升高，提示α7nAChR的升高是對Aβ毒性作用的一種保護機制。通過RNA干擾沉默SH－SY5Y細胞α7nAChR及 α3nAChR可發現 Aβ毒性作用明顯增強〔18，19〕，α7nAChR 及 α3nAChR 可能通過增強 α－分泌酶對APP的切割來發揮神經保護作用，其表達減少與AD的發病機制有密切關系。在β2 nAChR缺失的小鼠，其大腦學習記憶能力明顯降低〔20〕。Femandes等〔21〕利用缺乏 α7 nAChR 的小鼠與對照組比較發現，前者在水迷宮實驗中存在學習、記憶等認知能力的低下。在AD患者中觀察到的膽堿能損害與α7nAChR水平下降和突觸連接損傷有關〔22〕，很明顯 α7 nAChR在神經保護中起了重要作用，特別是已經發現這種神經保護作用可能是通過 α7 nAChR 激活 JAK2－NF－κB/STAT3－Bcl－2 的生存途徑〔23〕。此外，這條途徑還直接涉及Aβ誘導的神經毒性，α7 nAChR激活促使 Bcl－2產生似乎完全抵消了Aβ42誘導的細胞凋亡，因為它阻斷Aβ42誘導的細胞內線粒體釋放細胞色素C〔24〕。已證明一種 α7nAChR 激動劑 gx－50 能減弱 Aβ42誘導的神經細胞凋亡，進一步說明α7 nAChR在AD中的神經保護作用〔25〕。

體外實驗研究表明在海馬神經元和大腦皮層神經元尼古丁可以降低Aβ的聚集和Aβ的毒性〔26〕。同時也發現尼古丁降低Aβ的毒性可能與磷脂酰肌醇－3激酶(PI3K)級聯反應有關〔27〕。目前認為這一作用可能源自于Ca2+的內流。神經元nAChR的激動在一定程度上調節Ca2+信號，這不僅是因為通過不同的nAChRs亞型進行Ca2+內流，同樣也因為突觸前膜的去極化激活電壓門控離子通道，使細胞內 Ca2+水平升高。nAChR激動劑增加了nAChR離子通道對Ca2+的通透性從而激活蛋白激酶C(PKC)通路、Ca2+依賴的蛋白激酶Ⅱ而發揮作用。在Ca2+水平升高的情況下絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路同樣也被激活并發揮作用，其核心分子ERK與其上游激活分子和下游效應分子組成一個準確高效的信號轉導體系。在接受細胞外的多種刺激因子如生長因子、神經營養因子、神經遞質等刺激后，通過Raf/MEK/ERK級聯通路，ERK1/2被磷酸化形成p－ERK1/2，并向細胞核內轉移，具有調控轉錄活性的能力，調節損傷后相關基因的表達〔28〕。

尼古丁受體的激動也可增加神經營養因子的表達，研究發現突觸可塑性的長期改變可能與神經營養因子有關〔29〕，抑制神經營養因子的表達可能導致神經元萎縮。因此通過nAChR信號來調節神經營養因子，這已被認為是尼古丁受體激動產生神經保護作用的可能機制。研究發現在大劑量間斷給予尼古丁和其他尼古丁受體激動劑如地棘蛙素，ABT－594后纖維原細胞生長因子2(FGF－2)的mRNA和蛋白水平都上調。在成熟大鼠實驗研究中發現，大劑量間斷給予尼古丁后nAChR激活，上調FGF－2水平從而促進神經元前體細胞增殖〔30〕進而起到神經保護的作用。

3 結論

nAChR屬于包括尼古丁、γ－氨基丁酸、氨基乙酸及谷氨酸等遞質性受體超基因家族的一員，不同的和亞單位在不同腦區的組合表達而產生具有特殊功能的神經型尼古丁受體亞型。尼古丁受體與很多大腦功能有關，如認知功能、記憶功能、對其他神經遞質釋放的調節及神經保護功能，而AD發生時有上述功能的損害并有nAChR數量的減少和表達的低下，因此可以說在AD的發生和發展中nAChR起著重要作用。但是到目前為止是AD導致了nAChR的降低還是減少引起AD的發生仍未清楚闡明。盡管對煙堿受體激動與神經保護作用已有大量的數據，但從認識nAChR激動后所發揮的作用到作用機制的探討以及最終確定精確的治療神經退行性疾病的靶位并開發新的煙堿類化合物還有大量的工作要完成。此外，還必須了解不同亞型的nAChRs在神經保護中所扮演的角色。這些對于尋找作用于nAChR并能延緩神經退行性疾病病程及改善認知功能的化合物是極其重要的。

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