鋅與阿爾茨海默病

王湛 王振宇

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)，是主要發生在老年人的常見的慢性進行性神經功能衰退性疾病，因1907年由德國神經科醫生Alois Alzheimer發現而得名。在臨床上以進行性記憶喪失、認知能力下降、行為異常以及語言能力障礙等神經精神癥狀為主要特征。AD典型的病理特征包括老年斑的形成、神經元內纖維纏結(Neufibrillary tangles，NFTs)、大腦淀粉樣血管病(cerebral amyloid angiopathy，CAA)以及神經元凋亡等。目前已經明確老年斑的核心成分是β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)，而 Aβ具有的的較強的神經毒性作用也是AD發病的主要原因[1]。由于缺乏有效的治療手段，目前在發達國家AD已成為繼心臟病、癌癥和中風之后第四位危害人類健康的致死性疾病。眾多的在體和離體實驗表明，金屬離子尤其是鋅離子在大腦Aβ沉積過程中起關鍵作用，因此，過量的鋅離子可能參與AD的發病進程[2]。

1 鋅的分布及生物學作用

鋅離子對于人類而言是一種基本的微量元素，在體內的含量僅次于鐵，分布于機體所有組織中，在前列腺、精液、眼睛、腦中的含量最高，其次是肌肉、肝臟、胰腺、骨骼和皮毛。成人體內鋅離子含量約為2.0×2.5 g，是機體多種酶的必需組分或激活因子，與機體發育、骨骼生長、免疫功能、內分泌調節、蛋白質和核酸代謝等一系列生理活動密切相關[3]。鋅缺乏可以造成許多系統的損害，例如學習記憶能力下降、視神經萎縮、免疫功能缺陷等。因此，鋅離子在維持內環境穩態中起著重要的作用。

2 腦內鋅的分布與鋅穩態

鋅與中樞神經系統的關系密切，大腦是含鋅量最高的器官之一。研究表明，中樞神經系統中大約85%的鋅主要與金屬蛋白結合，游離鋅在大腦的平均含量為150 μmol/L，大約是血清鋅水平的10倍[4]。在人腦內，鋅主要存在的形式有:①以膜結合形式存在于金屬蛋白內，與各種新陳代謝反應有關。②以離子形式存在于神經末梢的突觸小泡內。③以游離或疏松結合的離子形式存在于細胞質內[5]。

鋅離子不能自由通過細胞膜，特殊的轉運蛋白和膜通道參與鋅的轉運和代謝，其中鋅轉運體主要包括金屬硫蛋白家族(Metallothioneins，MTs)、ZIP 轉運蛋白家族(Zrt-Irt like proteins，ZIPs)和鋅轉運體家族(Zinc transporter family，ZnTs)，它們在維持體內鋅穩態中起重要的作用。

2.1 金屬硫蛋白家族(Metallothionein，MT)結構與鋅的轉運MT家族是一組大約由60個氨基酸構成的小分子量的多肽鏈，分子量6 7kDa，其中25 30%為半胱氨酸[6]。在腦內，MT家族分為三個亞型，MT-I與MT-Ⅱ主要分布于星形膠質細胞、血管周間隙、軟腦膜、室管膜與脈絡叢上皮中，而MT-Ⅲ則在神經元中大量表達[7]。MT-Ⅲ與鋅離子有很高的親和力，可以迅速的與細胞攝入的鋅離子結合，每個MT-Ⅲ分子可以與7個鋅離子結合，在維持細胞內鋅離子穩態的過程中起著重要的作用，防止因鋅離子濃度過高而產生的細胞毒作用。

2.2 鋅鐵調控蛋白(ZRT、IRT-like protein，ZIP)結構與鋅的轉運 ZIP家族共有14個成員，其功能是促進細胞外的鋅離子轉運到細胞內，這種轉運作用是受HCO3-或H+濃度梯度所驅使或與其偶聯的[8]。大多數ZIP蛋白存在8個跨膜區，其氨基和羧基末端均位于細胞外或囊泡內。第2、3跨膜區位于細胞外，預示著可能對金屬離子有選擇通透性[9]。第3、4跨膜區間存在富含組氨酸的結構域，該區域可能具有結合鋅離子的功能。第4、5跨膜區具有較高的親水性和親脂性，若該區的組氨酸序列突變可能會導致該蛋白功能喪失。

2.3 鋅轉運體家族(Zinc transporter，ZnTs)結構與鋅的轉運ZnTs是維持鋅穩態蛋白家族中的重要成員，在正常生理條件下，其主要功能是將鋅離子轉運到細胞外或將鋅離子聚集在細胞器內。ZnT家族具有六個跨膜區及相似的膜拓撲形狀，氨基和羧基末端均位于細胞質內。在跨膜區IV和V中存在著2個富含組氨酸的環狀結構，一般認為該環可能是鋅離子的結合位點。迄今為止，在哺乳動物中已發現至少10個ZnT家族成員。其中研究較多的是ZnT1與ZnT3的功能。ZnT1是ZnT家族中最先被發現的鋅轉運體，主要參與鋅離子在小腸的循環和在腎臟的重吸收及分泌，并參與鋅在母體與胎兒之間的轉運[10]。ZnT3在中樞神經系統中有表達，主要參與鋅離子向突觸小泡內的轉運[11]。

3 鋅及其轉運體與阿爾茨海默病

3.1 鋅離子與阿爾茨海默病 目前的研究表明，Aβ沉積形成老年斑是誘發AD的主要原因之一，是AD形成和發展的重要因素，而Aβ沉積與鋅離子有著密切的關系。

近年來的體外實驗證明，鋅離子與Aβ的第13、14位組氨酸殘基結合[12]，能夠誘導皮摩爾或更高濃度的Aβ聚集，產生寡聚體中間產物。此外，鋅離子能促進Aβ分子α-螺旋形成，維持Aβ的三級結構，并可能參與Aβ在神經元表面附近的凝聚[14]。而鋅螯合劑TPEN能使這種聚合體解聚，提示鋅離子在腦內Aβ沉積過程中起著重要的作用[13]。老年斑內的鋅離子主要來源于腦內含鋅能神經元軸突末端的釋放，在AD的發生和發展的過程中起重要的作用。

伴隨著Aβ老年斑的形成，AD的另一主要病理改變為神經元內纖維纏結。神經元內纖維纏結的形成與一種微管相關蛋白tau的異常磷酸化(形成p-tau)密切相關，在一些神經元細胞系中，鋅離子能誘導tau蛋白的過度磷酸化，進而促進大腦神經元凋亡[15]。

已有研究顯示，在AD患者大腦內老年斑及其周圍組織、淀粉樣變血管以及呈現AD特異性的纖維纏結神經元胞體及樹突內鋅的含量明顯升高。與AD發生密切相關的蛋白PS-1、2，γ-分泌酶，APP 等均為鋅金屬蛋白(zinc metalloprotein)，其分子上均有鋅結合位點。

3.2 鋅轉運體與阿爾茨海默病 運子斑的沉積，粉樣變形樣變形研究顯示，腦內鋅離子代謝紊亂可能是Aβ老年斑形成的重要因素之一，而腦內鋅代謝、細胞內鋅穩態的維持與鋅轉運體蛋白密切相關。有研究證明，AD患者大腦皮質Aβ老年斑內有大量ZnT蛋白表達，進一步提示ZnT與神經退行性疾病AD的發生有著十分密切的關系。在雌性APP轉基因小鼠腦內，淀粉樣變增多則可能是由于雌激素依賴性ZnT3的增加[16]。ZnT3作為體內的一種重要的鋅轉運體，主要定位于海馬、大腦皮層和嗅球的含鋅神經元突觸小泡內。ZnT3通過向突觸小泡內轉運鋅離子，從而使鋅離子聚集在突觸小泡內，并在神經傳導時伴隨神經遞質一同釋放到突觸間隙[11]。Friedlich等[17]的研究認為，位于突觸小泡膜上的鋅轉運體ZnT3通過提高突觸小泡內游離鋅離子的濃度來促進Aβ老年斑的沉積，從而引起大腦淀粉樣血管病的發生。Lovell等[18]的研究表明，AD患者海馬區、海馬旁區的ZnT4和ZnT6水平顯著升高，ZnT6水平在AD患者腦內顳前回、顳中回中也升高。在AD患者和轉基因鼠腦內，ZnT表達的異常也提示了局部鋅離子穩態的紊亂[19]。

鋅離子與Aβ的結合還受MT-Ⅲ的調節。細胞外MT-Ⅲ的減少會促進鋅離子引起的Aβ過度金屬化[20]。有研究證明，在阿爾茨海默病患者腦內MT家族的濃度與正常人相比有所降低。

4 思考與展望

目前的研究已經證明了鋅離子與AD的發生發展密切相關，隨著對AD研究的不斷深入，將進一步明確鋅離子參與AD發生的分子生物學機制。因此，對鋅離子及其轉運體ZIP和ZnT的深入研究以及鋅螯合劑類藥物如DP-109的研發，對未來AD的防治將具有重要的意義。

[1]Pei JJ，Gong CX，An WL，et al.Okadaic acid induced inhibition of protein phosphatase 2A produces activation of mitogen-activated protein kinases ERK1/2，MEK1/2 and p70 s6，similar to that in Alzheimer's disease.Am J Pathol，2003，163(3):845-858．

[2]Zirah S，Stefanescu R，Manea M，et al.Zinc binding agonist effect on the beta-amyloid(4-10)epitope by anti-beta-amyloid antibodies.Biochem Biophys Res Commun，2004，321(2):324-328．

[3]Sensi SL，Paoletti P，Bush AI，et al.Zinc in the physiology and pathology in the CNS.Nat Rev Neurosci，2009，10(11):780-791．

[4]Takeda A.Movement of zinc and its functional significance in the brain.Brain Res Brain Res Rev，2000，34(3):137-148．

[5]Frederickson，CJ.Neurobiology of zinc and zinc-containing neurons.Int Rev Neurobiol，1989，31:145-238．

[6]Lovell MA.A potential role for alternation of zinc and zinc transport proteins in the progression of Alzheimer's disease.J Alzheimer Dis，2009，16(3):471-483．

[7]Palmiter RD，Huang L.Efflux and compartmentalization of zinc by members of the SLC30 family of solute carrier.Pfluger Arch，2004，447(5):744-751．

[8]Iguchi K，Usui S，Inoue T，et al.High-level expression of zinc transport-2 in the rat lateral and dorsal prostate.J Androl，2002，23(6):819-824．

[9]Gaither LA.，Eide DJ.Functional expression of the human hZIP2 zinc transporter.J Biol Chem，2000，275(8):5560-5564．

[10]Langmade SJ，Ravindra R，Daniels PJ，et al.The transcription factor MTF-1 mediates metal regulation of the mouse ZnT1 gene.J Biol Chem，2000，275(44):34803-34809．

[11]Li Y，Houqh CJ，Frederickson CJ，et al.Induction of mossy fiber long-term potentiation requires translocation of synaptically released Zn2+.J Neurosci，2001，21(20):8015-8025．

[12]Dong J，Atwood CS，Anderson VE，et al.Metal binding and oxi-dation of amyloid-beta within isolated senile plaque cores:Raman microscopic evidence.Biochemistry，2003，42(10):2768-2773．

[13]Cherny RA，Legg JT，McLean CA，et al.Aqueous dissolution of Alzheimer's disease A beta amyloid deposits by biometal depletion.J Biol Chem，1999，274(33):23223-23228．

[14]Lesnes S，Koh MT，Kotilinek L，et al.A specific amyloid-beta protein assembly in the brain impairs memory.Nature，2006，440(7082):352-357．

[15]Bjorkdahl C，Sjoqren MJ，Winblad B，et al.Zinc induces neurofilament phosphorylation independent of p70 s6 kinase in N2a cells.Neuroreport，2005，16(6):591-595．

[16]Lee JY，Kim JH，Honq SH，et al.Estrogen decreases zinc transporter 3 expression and synaptic vesicle zinc levels in mouse brain.J Biol Chem，2004，279(10):8602-8607．

[17]Friendlich AL，Lee JY，van Groen T，et al.Neuronal zinc exchange with the blood vessel wall promotes cerebral amyloid angiopathy in an animal model of Alzheimer's disease.Neurosci，2004，24(13):3453-3459．

[18]Smith JL，Xiong S，Markesbery WR，et al.Altered expression of zinc transporters-4 and-6 in mild cognitive impairment，early and late Alzheimer's disease brain.Neuroscience，2006，140(3):879-888．

[19]Zhang LH，Wang X，Zheng ZH，et al.Altered expression and distribution of zinc in APP/PS1 transgenic mous brain.Neurobiol Aging，2008，31(1):74-87．

[20]Meloni G，Sonois V，Delaine T，et al.Metal swap between Zn7-metallothionein-3 and amyloid-beta-Cu protects against amyloidbeat toxicity.Nat Chem Biol，2008，4(6):366-372．