Aβ聚集的影響因素和Aβ寡聚體的生理功能

陳林麗 徐 麗 (大連理工大學生命科學與技術學院，遼寧 大連 116023)

Aβ聚集的影響因素和Aβ寡聚體的生理功能

陳林麗 徐 麗 (大連理工大學生命科學與技術學院，遼寧 大連 116023)

阿爾茨海默病;Aβ;Aβ聚集

阿爾茨海默病(AD)俗稱老年癡呆癥，分為家族型AD和年齡依賴型AD，以后者為主，主要發病年齡在60～65歲以上。我國具有龐大的人口基數，隨著老齡化社會的到來，明確AD的生理病理機制變化越來越重要。多年的研究表明大腦內的淀粉樣β肽(Aβ)在AD的發生發展中起重要作用。

1 Aβ聚集的影響因素

在AD病的發展過程中，Aβ多肽經歷了由單體到寡聚體，然后再形成原纖維和纖維的聚集過程，在這一過程中實現了Aβ由α螺旋向β折疊結構的轉換〔1〕。Aβ的聚集受多種因素的影響，如本身結構、pH、生物膜、金屬離子、其他蛋白等因素的影響。

1.1 自身結構對Aβ聚集的影響 Petkova等〔2〕通過核磁共振波譜分析發現，Aβ40的前10個氨基酸呈無規則卷曲狀態，第12～24與30～40位氨基酸通過分子間的氫鍵作用形成反向平行的兩個β折疊結構，與Aβ的聚集相關，第25～29位氨基酸為兩個β折疊結構的聯結區;Liu等〔3〕的研究進一步明確β折疊中17～20和30～35位氨基酸對Aβ的聚集起主要作用;其中一個氨基酸如第20位絲氨酸的突變就會明顯影響Aβ的聚集，當其變為甘氨酸時，其聚集速度會明顯加快，但當其變為脯氨酸時，Aβ將不會發生聚集〔4〕。另外，比較幾種不同的Aβ發現，雖然Aβ42只在C末端比Aβ40/Aβ38多幾個氨基酸，但是其剛性的C-末端擁有更穩定的β折疊結構，可以作為聚集的核心或者種子，使其更易于聚集〔5〕，這也就進一步證明為什么在家族性AD中僅僅Aβ42/Aβ40的比值增加會加快Aβ的聚集速度，提高AD的發病率。

1.2 pH值對Aβ聚集的影響 當pH＞pI時(pI≈5.3)，Aβ中有7個氨基酸帶負電荷，只有1個氨基酸帶正電荷，Aβ多肽間相互靜電排斥力較大，Aβ主要形成無規則卷曲形式的單體或二聚體。當pH＜pI時，組氨酸的咪唑基和天冬氨酸/谷氨酸的羧基在靜電力的作用下，Aβ易于聚集成寡聚體。當pH=pI時，Aβ易于形成多聚體〔6〕。一般認為pH值不是影響體內Aβ聚集的主要因素，因為體內生理環境是偏堿性的且恒定在某個范圍內，但是體內某些特殊的微環境可能有利于Aβ的聚集，比如最近幾年的研究發現多泡體(MVBs)內是微酸的環境，其通過狹窄的空間及較低的pH給Aβ提供了一個較佳的聚集場所〔7〕。

1.3 金屬離子對Aβ聚集的影響 金屬離子導致AD的假說認為，在正常情況下，存在于細胞膜上的Aβ與金屬離子結合，然后將多余的金屬離子轉運至細胞間質，同時Aβ也從細胞膜上脫落至細胞間質;在正常人體內細胞間質的Aβ可以轉運至血管內代謝;但在細胞內金屬離子水平異常增高時，產生的前體APP增多，Aβ的數量增加，導致細胞間質內的Aβ增多，多余的Aβ聚集成寡聚體，在Zn2+的作用下加速聚集形成Aβ纖維〔8〕。這個假說不僅支持Aβ異常導致AD的理論，也肯定了金屬離子在Aβ的聚集中的直接作用。諸多實驗也證明金屬離子在Aβ的聚集中起重要作用〔8，9〕。另外，不同的金屬離子在Aβ聚集的不同階段通過不同的機制促進Aβ的聚集，Cu2+和Fe3+在偏酸性的條件下使Aβ聚集，而Zn2+是唯一在生理條件下(pH=7.4)使Aβ聚集的離子，Zn2+能與Aβ中的His形成His(Nτ)-Zn2+-His(Nτ)，迅速使Aβ單體聚集成多聚體，但其在Aβ原纖維聚集成纖維的過程中不起作用;而Ca2+在原纖維聚集成纖維的過程中起作用〔10〕。另外，不同種類的Aβ對Zn2+的結合能力類似，而對 Cu2+和Fe3+的結合能力卻不同，Aβ42(人) ＞Aβ40(人) ＞ Aβ42(小鼠) ＞Aβ40(小鼠)。對于 Al3+與AD的關系目前仍存在一定的爭議，有人通過X射線對AD病人的大腦進行分析得出，老年斑內沒有Al3+的沉積，但體外研究發現Al3+對Aβ聚集的促進能力比Cu2+、Fe3+、Zn2+強，所以Al3+與AD的關系有待進一步的研究。

1.4 生物膜在Aβ聚集中存在的作用 研究表明細胞質膜的脂筏可以調節蛋白折疊的動力學和蛋白聚集速率，細胞膜外的Aβ單體可以與質膜上的單唾液酸神經節苷脂GM1相互作用，使Aβ被錨定在GM1上，被錨定的Aβ可以作為Aβ聚集的“種子”，促進Aβ寡聚體(oAβ)的形成，由此人們推測Aβ聚集體隨著年齡的增加而增多可能與突觸脂質體層中GM1增多有關〔11，12〕;而插入質膜的 Aβ，由于不同 Aβ 之間的距離由三維變為二維，相當于縮短了Aβ分子間的距離，從而加快了Aβ的聚集;但從另一個方面講，被錨定在GM1上或質膜上的Aβ由于不能自由移動，在一定程度上抑制了Aβ的聚集。因此，生物膜在Aβ聚集中存在促進和抑制兩種截然不同的作用，當不利的影響因素存在時，結合在膜上的Aβ會加速聚集，從而引起神經細胞的凋亡，導致AD的發生〔13〕。

除了細胞質膜，其他亞細胞膜如線粒體膜、內質網膜、高爾基體膜，特別是多泡體和溶酶體的膜通過將Aβ限定在狹小的空間內，提高Aβ濃度，促進Aβ的聚集，或通過形成某種特殊的微環境如低pH或抑制蛋白酶活性等影響Aβ的聚集。

1.5 分子伴侶對Aβ聚集的影響 分子伴侶能催化介導蛋白質特定構象的形成，體內oAβ的形成受多種分子伴侶的調節，Aβ與分子伴侶結合后，能抑制 Aβ的聚集和纖維化，使Aβ保持在寡聚體狀態。在血漿高密度脂蛋白中，Aβ單體可以與載脂蛋白J(apoJ)和ApoE等比例絡合;人腦脊液中也分離出Aβ與apoJ的絡合物，大量的Aβ聚集體與ApoJ/E結合后使Aβ保持在寡聚體狀態〔14，15〕;前折疊素D(PFD)通過與Aβ 結合，使之形成相對高分子量的Aβ聚集體〔16〕，并抑制其進一步聚集;而熱休克蛋白(Hsp)Hsp20、Hsp70、Hsp90等與相對低分子量的oAβ的形成有關。另外，不同分子伴侶與Aβ結合后，Aβ表現出不同的生理功能，一方面分子伴侶與Aβ結合后引起細胞氧化損傷和神經細胞凋亡，如MTT檢測發現，apoJ和PFD的加入加強了Aβ的細胞毒性〔17〕;另一方面分子伴侶如熱休克蛋白Hsp20、Hsp70、Hsp90在抗氧化應激、阻斷細胞凋亡、抑制Aβ的毒性等方面發揮重要功能，對神經細胞起保護作用〔18，19〕。

2 Aβ的生理作用

Aβ纖維是老年斑的主要成分，因此早期的研究認為Aβ纖維是AD的主要致病因子，但對老人大腦皮層的病理和模型動物的研究發現老年斑的量與AD不直接相關;甚至有觀點認為致病蛋白Aβ聚集成纖維對神經細胞有保護作用〔20〕。越來越多的證據也表明可溶性的oAβ在AD的發生發展中起主要作用〔1〕。oAβ的生理作用主要體現在神經毒性和神經保護兩個方面，以下逐一論述。

2.1 oAβ的神經毒性作用

2.1.1 對細胞膜的影響 oAβ通過在細胞膜錨定、插入和形成離子通道等多種方式影響細胞膜的結構和功能，導致AD的發生〔1〕。如oAβ通過細胞膜上GM1的錨定作用，增加膽固醇、磷脂和GM1的釋放，從而導致神經元細胞膜的脂類平衡紊亂，降低脂質雙分子層的流動性，影響神經細胞的功能〔21〕;而插入細胞膜的oAβ，一方面可能由于不同細胞間的oAβ的進一步聚集，引起細胞的融合，另一方面可能在細胞膜上形成形狀大小不規則的離子通道，使許多離子如Na+、K+、Cl-，尤其是大量Ca2+通過oAβ通道流入細胞，破壞細胞內的離子平衡，導致神經沖動的產生、傳導和細胞信號通路的傳遞發生紊亂，突觸可塑性降低，細胞發生凋亡甚至死亡〔22〕。

2.1.2 對信號通路的影響 錨定在細胞質膜上的oAβ在質膜上脫落后，部分oAβ被細胞吞噬，或者被溶酶體降解，或者進一步聚集形成纖維;但仍有部分oAβ停留在細胞外，并與膜上的NMDA、AMPA、NGF等多種受體結合，通過不同信號途徑影響神經細胞的功能。oAβ與NMDA受體結合引起神經細胞內Ca2+水平異常增高，導致細胞氧化壓力增大、樹突棘密度減少，甚至引起神經細胞死亡〔16，23〕;oAβ 與AMPAR結合后，使 AMPAR活性降低，促進AMPAR的胞吞和酶解，從而干擾長時程增強效應(LTP)的誘發和維持，導致認知功能障礙;oAβ還可以與神經元細胞表面的胰島素受體結合，起到類似于胰島素抑制劑的作用，影響與LTP相關的激酶及 PI3激酶的活性〔16，24〕，損害PI3K-Akt(磷脂酰基肌醇-3-蛋白激酶B)通路，導致細胞死亡;Aβ與Frizzled受體結合抑制Wnt信號通路，引起Tau蛋白磷酸化，導致神經纖維纏結和細胞機能障礙〔16〕;而不同濃度的oAβ與NGF受體結合會出現兩種完全不同的結果，當oAβ濃度為20 nmol/L時，oAβ的作用與NGF類似，能增強轉錄因子NF-κB的活性、提高樹突的生長和GABA神經元的輸入，起到神經營養因子的作用;但當oAβ濃度為800 nmol/L時，oAβ起到NGF受體拮抗劑的作用，抑制神經細胞的生長。

2.1.3 引起神經細胞凋亡 當神經細胞的細胞膜和細胞調節蛋白特別是信號通路蛋白的損傷達到一定程度，細胞功能蛋白的表達和活性就會受到抑制，凋亡相關的分子的表達和活性會被提高。已有證據表明oAβ能通過提高細胞內Ca2+，提高鈣依賴性ATP酶活性和過氧化物的產生，使細胞出現能量不足甚至耗竭和氧化損傷，以及線粒體細胞色素C的釋放，核DNA的斷裂;促進Bax、P53、Casapse等凋亡相關蛋白的表達，下調抗凋亡因子Bcl-2的表達。神經細胞的上述變化反過來進一步使細胞膜的功能、信號調節蛋白的活性等受到抑制，兩者互為因果，最終導致神經細胞的凋亡，AD的出現。

2.1.4 對學習和記憶的損害 AD患者的一個很重要的表現是學習和記憶能力減退，目前大家的共識是oAβ而不是Aβ單體能干擾學習與記憶，但對于具體是哪個或者是哪幾個聚集度的oAβ起主要作用還沒有統一的結論。例如，Selkoe等研究發現Aβ的2、3聚體能干擾大鼠海馬趾的LTP，這種干擾快速并且強烈，但作用短暫，沒有導致永久性的神經功能缺損〔25〕;而Lesné等對5～8個月轉APP基因小鼠Tg2576的研究發現，Aβ的2聚體和6聚體與記憶無關，9聚體和12聚體能引起長期的記憶衰退〔26〕;但也有其他完全相反的研究報道，認為Aβ的9聚體和12聚體與記憶損害無關，而是Aβ的2～6聚集體使小鼠出現認知障礙〔27〕。因此對于不同oAβ對學習和記憶的影響還需要更進一步的研究。

2.1.5 與其他神經性疾病的關系 帕金森病(PD)和AD是兩種常見的神經退行性疾病，由于腦組織受損傷的部位不同，表現出不同的癥狀，但在疾病發生的分子機理上，他們皆受oAβ毒性的影響，如oAβ能提高突觸核蛋白的聚集和毒性，而突觸核蛋白是有聚集傾向并能引起帕金森的蛋白;另外，在肌萎縮性側索硬化、亨廷頓病、精神分裂癥等大腦疾病中都發現有Akt的異常，而oAβ能同樣損害PI3K-Akt信號通路。目前關于oAβ對上述疾病影響的報道較少，因此要明確oAβ的詳細作用還需要更為深入的研究。

2.2 Aβ的保護作用 Aβ的持續產生和正常存在說明Aβ除了毒性以外可能存在正常的生理作用，并得到了許多實驗的證實。在人體的生長發育過程中，Aβ40單體對成熟的神經細胞有保護作用，Aβ42寡聚體和單體能調節神經細胞的可塑性和記憶能力、促進多種細胞的發育、增值、分化與遷移〔28〕;Aβ40和Aβ42寡聚體和單體還能與體內過多的鋁、鐵、銅、鋅等金屬離子結合，降低金屬離子誘導的氧化損傷〔29〕;能夠抗凝血、保持血管完整性，腦損傷時能加速血管與神經組織的重塑〔30〕，甚至有研究發現Aβ寡聚體可以誘使AD動物的神經細胞重新開始DNA的合成等〔31〕，對大腦起保護作用，并且盲目去除AD患者體內的Aβ容易引起腦出血等副作用〔32〕。

3 展望

擁有龐大數量的老年人，給社會和家庭的正常生活帶來很大影響，因此對AD的有效預防和治療越來越受到重視。Aβ是引起AD的重要影響因素，并且已經證明抑制Aβ的聚集可以明顯減輕AD的癥狀，但在治療的同時，也不能忽視Aβ在神經細胞的分化、生長、增殖等方面的積極作用，因此為了減少相關藥物的副作用，必須對Aβ的作用進行更為深入的研究，明確在不同的生理階段不同oAβ的作用機制，為對AD的早期發現及干預，后期的治療提出理論指導。

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〔2011-04-12收稿 2011-07-20修回〕

(編輯 曹夢園)

R741-02

A

1005-9202(2012)17-3848-03;

10.3969/j.issn.1005-9202.2012.17.129

高等學校博士學科點專項科研基金(200801411128);中央高校基本科研業務費專項基金(DUT10LK32);青年科學基金項目(31100612)

徐 麗(1974-)，女，副教授，主要從事神經退行性疾病研究。

陳林麗(1986-)，女，碩士，主要從事Aβ相互作用蛋白方面的研究。