認知功能障礙相關信號通路

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認知功能障礙相關信號通路

曹燕王旭梁楓

(啟東市中醫院，江蘇南通226000)

關鍵詞〔〕認知障礙；信號通路

第一作者：曹燕(1988-)，女，碩士，主要從事內分泌相關病研究。

認知功能障礙主要表現為學習能力下降、憶力減退和理解、語言、判斷受到影響，也可伴有神情淡漠、反應遲鈍、表情呆滯等癥狀。認知功能依賴于足量的神經元及突觸間的復雜聯系。海馬、下托、齒狀、杏仁核、皮質等〔1〕區可以控制相關的認知功能。認知功能可受諸多疾病的影響：糖尿病、阿爾茨海默病(AD)、帕金森病等。此外，也有很多信號通路影響認知功能，包括：環磷腺苷效應元件結合蛋白(CREB)信號通路、PI3K/Akt信號通路、ERK信號通路等。本文將就認知功能障礙的信號通路作一綜述。

1CREB信號通路

CREB作為多種蛋白激酶的磷酸化底物，主要通過自身磷酸化來實現調節轉錄功能。它是長期記憶形成過程所必需的一種關鍵調節分子，能促進果蠅和小鼠等動物長時程記憶(LTP)的形成；另外，其蛋白磷酸化水平的變化可影響神經元突觸可塑性和神經網絡的形成。腦源性神經營養因子(BDNF)是CREB最重要的靶基因之一，具有促進神經生長活性，由德國神經化學家Barde等人從豬腦中首次分離而出。磷酸化(p-)CREB可以促進BDNF的表達〔2〕。目前研究表明，CREB的磷酸化可受PI3K/Akt信號通路、鈣/鈣調節蛋白依賴性蛋白激酶(Ca2+-CAMKⅡ)信號通路、環磷酸腺苷(cAMP)信號通路、Ras/MEK/ERK信號通路及應激狀態誘導的p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路等多種信號轉導通路的調控〔3〕。

1.1P13K/Akt信號通路使用LY294002 P13K/Akt阻滯劑干預仔鼠后，仔鼠的學習記憶能力顯著降低，同時，p-Akt、p-CREB和BDNF的蛋白質表達也顯著減少，說明此信號通路可能是調控神經發生認知功能障礙的重要分子機制〔4〕；提示抑制PI3K/Akt信號通路能造成大鼠認知功能缺陷，阻斷PI3K/Akt信號通路可能會降低CREB磷酸化。

1.2cAMP信號通路cAMP是細胞內重要的第二信使，當細胞內的cAMP濃度增加時，可激活蛋白激酶(PK)A。PKA的C亞基位移到細胞核內，使包括CREB在內的多種蛋白質磷酸化，磷酸化后的CREB可增強多種靶基因表達，形成新的突觸聯系，從而使獲得的信息得以長期儲存，即LTP形成〔5〕。針刺能促進神經細胞再生功能，影響學習與記憶，主要是通過調節cAMP-CREB信號通路，促進BDNF合成及分泌來實現的〔6〕。

1.3Ca2+-CaMKⅡ信號通路CaMKⅡ是一種存在于突觸后膜的鈣調蛋白依賴的蛋白激酶，是LTP產生的關鍵性激酶。短期刺激能提高學習和記憶能力，可能與增加突觸前蛋白如syn即sinl、突觸后蛋白PSD95、PSn93表達水平，從而激活PKA和CaMKⅡ，增加synapsinl和CREB的磷酸化；研究證明，厭惡的氣味可削弱記憶能力，CaMKⅡ失活，促使突觸后蛋白表達量和CREB磷酸化程度減少〔7〕。

1.4Ras/MEK/ERK信號通路MAPK信號分子在海馬區表達豐富，對神經細胞信號轉導起著重要的介導作用。MEK/ERK是最典型的MAPK信號轉導途徑，在LTP形成過程中，海馬中組蛋白修飾的變化受ERK通路的調控，生長因子可通過Ras/ERK通路激活下游靶點CREB。缺鋅能夠導致海馬神經的損傷，與它抑制此信號通路的磷酸化及其下游信號分子CREB和BDNF蛋白的表達相關〔8〕。

1.5p38MAPK通路p38MAPK參與細胞增殖、凋亡和分化，在神經細胞凋亡過程中起重要作用。腹腔注射p38通路特異性抑制劑SBZO3580后，可有效抑制異氟烷大鼠p38通路表達，降低 CREB磷酸化，減輕認知功能損傷，說明p38MAPK也是與認知功能障礙相關的信號通路〔9〕。

2Akt信號通路

PI3K/Akt能促進細胞生存。應用PI3K/Akt特異性抑制劑wortmannin腦室預注射后發現凋亡細胞比對照組明顯增加〔10〕。Akt是信號通路的主要效應分子，受體酪氨酸激酶受到生長因子或胰島素刺激后，可以激活PI3K，磷酸化后的PI3K轉化PIP2為PIP3，從而磷酸化兩個Akt的激酶，激活Akt，被激活的Akt從細胞膜轉移到細胞核，影響許多轉錄子調節器和因子，包括CREB、核因子(NF)-κB、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、糖原合成激酶(GSK)-3β、半胱氨酸天冬氨酸蛋白(Caspase)-9〔11～15〕等。同時，很多因子可以影響到Akt信號通路的傳導，包括腫瘤抑制因子磷酸化酶(PTEN)、胰島素生長因子(IGF)-1等。

2.1PI3K/Akt/mTORmTOR是S/T的蛋白激酶，也是Akt下游的靶點之一。用PI3K和mTOR抑制劑處理處于衰老的細胞，能夠阻止細胞老化的進程〔12〕。研究發現，Akt通過激活血管生成和蛋白合成過程中的調節器mTOR復合物，從而促進細胞增殖和存活〔14〕。

2.2PI3K/Akt/GSK-3β在癡呆的發生中，tau蛋白磷酸化和β-淀粉樣蛋白(Aβ)神經毒性是2個重要的病理變化。

GSK在PI3K/Akt許多下游事件中發揮重要作用，包括細胞生長分化、凋亡。其中，GSK-3β是Akt的重要底物，廣泛參與多種細胞功能，對于認知功能主要起著負性調節作用。嗎啡通過阿片受體途徑使phosphor-Akt和PhosPho-GSK-3β水平降低，呈時間和劑量依賴性。用GSK-3β的特異抑制劑SB216763預處理小膠質細胞，它能顯著增強嗎啡誘導的小膠質細胞凋亡〔13〕。 被激活后的GSK-3β促進tau蛋白磷酸化、使GSK失活，進而影響能量代謝及乙酰膽堿的合成。這些改變均都可促進tau蛋白堆積等病理改變和神經凋亡，導致認知功能障礙〔14〕。

2.3PI3K/AKT/Caspase-9Caspase-9和Caspase-3都是Caspase家族成員，在細胞凋亡過程中發揮了重要作用。此途徑控制細胞的凋亡級聯反應，當此途徑中的信號轉導蛋白發生異常時可導致神經細胞凋亡，進而影響大鼠認知功能。王暖等〔15〕研究銀杏葉提取物對AD大鼠認知功能的影響及機制，發現與假手術組相比，對照組大鼠海馬中，p-PI3K及p-Akt的活性明顯降低，Caspase-9 p35的表達明顯增加，說明此信號通路也是導致認知功能障礙相關通路之一。

2.4PTEN/PI3K/Akt通過海馬局部注射siPTEN腺病毒后PTEN表達下降，而Akt、CREB水平明顯升高，表明PTEN的下調可能增加了PI3K/Akt通路相關因子的表達，增加對神經元缺血性損傷的保護作用〔16〕。反之，可以推測，PTEN上調可阻斷PI3K/Akt信號通路，抑制細胞生長。

2.5IGF-1/PI3K/AktIGF-1是一種在結構和功能上都與胰島素同源的多肽類神經營養因子。血清中IGF-1水平與腦內Aβ水平有著密切的聯系〔17〕。IGF-1與其受體結合后可具有抗細胞凋亡的作用，可能與激活Akt信號通路，從而調節糖代謝、抵抗細胞凋亡密切相關〔18〕。

3ERK信號通路

在中樞系統中作為記憶形成的相關分子，海馬ERK的磷酸化為學習記憶過程所必需〔19〕。龐偉〔8〕使用特異性抑制劑UO126處理后海馬神經細胞后，發現海馬細胞凋亡率開高了1.8倍。Raf/MEK/ERK級聯通路被認為是經典的MAPKS信號轉導通路之一。研究表明，Raf/MEK/ERK信號通路活化增強可能是微波輻射致神經細胞損傷的重要機制。通過特定絲/蘇氨酸殘基的磷酸化后，Raf/MEK/ERK1/2蛋白依次被活化，活化的ERK可磷酸化下游蛋白，如CREB，從而促進LTP，改善動物的學習記憶功能。此外，活性氧(ROS)、Ca2+、一氧化氮(NO)〔19～22〕等因子均可致Raf/MEK/ERK通路磷酸化水平降低，介導CREB磷酸化水平下調，影響認知功能。而葡萄糖調節蛋白(GRP)75等因子可以通過此通路抑制缺糖誘導的線粒體凋亡途徑的進程〔23〕。

4Smad的信號通路

寶秩〔24〕研究發現在鏈脲佐菌素(STZ)誘導的糖尿病認知功能障礙大鼠海馬組織星形膠質細胞中psmadZ和psmad3蛋白的生物活性顯著性增高，這提示在糖尿病海馬組織中Smad信號通路可能是導致糖尿病認知障礙的病理機制之一。

5Wnt信號通路

此通路在中樞神經系統的神經環路中具有調節突觸能效的作用，能促進生存。β-catenin胞內聚集是經典Wnt信號通路激活的標志。AD患者的β-catenin水平可見明顯減低。促進β-catenin合成能增強Wnt靶基因表達，拮抗Aβ25～35誘導的LTP抑制，從而抑制神經元凋亡〔25〕。

6NO-胞質可溶性鳥苷酸環化酶(sGC)-cGMP信號傳導通路

許多蛋白激酶如PKC、肌鈣蛋白I、鈣調蛋白激酶Ⅱ都可磷酸化神經元型一氧化氮合酶(nNOS)，從而誘導突觸后神經元釋放NO。NO立即擴散并與最突出的靶分子sGC結合。活化后的sGC產生cGMP，釋放大量的葡萄糖，從而活化NO等其他第二信使系統，形成LTP，建立長期記憶。過量的NO可通過促進活性氮(RNS)和ROS的產生，引起明顯的氧化應激導致神經毒性。研究發現，蓮房原花青素可改善認知功能，與抑制年齡相關的NO過度表達，增強NO-sGC-cGMP信號傳導相關。說明此信號通路也可能為介導認知功能障礙的重要通路〔26〕。

CREB作為一個核心信號分子，也受到多種上游信號分子的調控。ERK可以直接磷酸化轉錄因子CREB，影響LTP〔27，28〕；閆長會〔29〕推測ERK-CREB信號途徑的抑制可能是毒死蜱(CPF)重復染毒致長時程空間記憶障礙的重要原因。同時，PI3k/Akt也可以直接磷酸化轉錄因子CREB，影響LTP。AKT信號通路對ERK信號通路具有雙向調節作用。在抗腫瘤藥物誘導的細胞凋亡中，Akt信號通路對ERK信號通路的激活有一定的抑制作用〔30〕，同時，Akt信號通路也參與了ERK信號通路的活化〔31〕。

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〔2014-05-17修回〕

(編輯杜娟)

通訊作者：王旭(1960-)，女，博士，主任醫師，教授，碩士生導師，主要從事內分泌代謝性疾病的研究。

基金項目：江蘇省 “六大人才高峰”項目資助(2010-WSN-206-195)；江蘇省科技廳自然科學基金項目(BK2011817)；江蘇高校優勢學科建設工程(中西醫結合)資助項目(2011-6-25)

中圖分類號〔〕R749.1〔

文獻標識碼〕A〔

文章編號〕1005-9202(2015)21-6295-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.21.138