銅代謝及其在神經系統疾病中的作用

韓 寧 趙萬紅

(湖北醫藥學院基礎醫學院，湖北 十堰 442000)

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銅代謝及其在神經系統疾病中的作用

韓 寧 趙萬紅

(湖北醫藥學院基礎醫學院，湖北 十堰 442000)

銅代謝；肌萎縮性脊髓側索硬化癥；Menkes病；阿爾茨海默病；Wilson病

銅廣泛分布于腦內，主要集中在基底核、海馬、小腦、突觸細胞膜、皮質神經元的胞體和小腦顆粒神經元。在細胞水平，銅在呼吸、肽酰胺化、神經遞質生物合成、色素生成和結締組織力量維持過程中是必需的。銅也是一些重要酶的必需組成元素，如超氧化物歧化酶、細胞色素C氧化酶、過氧化氫酶、多巴胺羥化酶等。含銅酶在體內參與氧化還原反應、呼吸鏈和抗氧化作用。銅缺乏可能引起癡呆、骨骼缺陷、神經系統退化、顯著的心血管病變、高膽固醇和免疫系統受損等改變。

1 銅代謝

銅主要通過小腸從食物中吸收并儲存于肝臟，主要通過膽汁排泄。小腸黏膜細胞吸收銅后主要通過兩種途徑轉運：一是主要轉運途徑，銅以亞銅離子的形式被細胞吸收；二是銅與銅藍蛋白結合，提供銅給組織和酶〔1〕。銅的主要代謝途徑在肝臟，銅通過漿膜上的人類銅轉運體(HCtr1)轉運入肝細胞，HCtr1也參與了細胞內銅的分布。

銅可誘導氧化應激，主要有兩種機制：一是可直接刺激活性氧的生成〔2〕，二是高濃度的銅可顯著降低谷胱甘肽的水平〔3〕。銅離子和亞銅離子均參與氧化還原反應，當有超氧陰離子基團或生物還原劑如抗壞血酸和谷胱甘肽存在時，銅離子可還原為亞銅離子，亞銅離子和過氧化氫反應生成羥自由基〔4〕。細胞內銅濃度的升高會消耗谷胱甘肽促使氧化還原平衡傾向于氧化狀態。谷胱甘肽過氧化物酶是機體重要的抗氧化酶之一，其以谷胱甘肽為還原劑分解體內的脂質過氧化物〔5〕。因此，谷胱甘肽的消耗會使體內活性氧增多。

2 銅和神經系統相關疾病

2.1 銅和肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS) ALS是神經退行性疾病中的特殊類型，主要表現為漸進性的初級運動皮質、腦干和脊髓的運動神經元的丟失，進而導致肌無力、癱瘓直至死亡〔6〕。ALS以選擇性的上下運動神經元死亡所導致的肌萎縮、無力及痙攣為特點，呼吸肌的去神經化通常會產生嚴重的后果，在大多數病例中其通常在發病5年內出現。多數病例在發生呼吸肌的去神經化的3～5年內死亡〔7〕。ALS可以是常染色體顯性遺傳、常染色體隱性遺傳和X染色體連鎖遺傳。90%的ALS是散發的并無明顯的遺傳傾向，剩下的10%則表現出家族遺傳性〔8〕。大約20%的家族遺傳病例是由Cu/Zn超氧化物歧化酶(SOD)1基因突變引起，除了SOD1基因的突變外，焦油DNA結合蛋白(TARDBP)、肉瘤融合(FUS)、泛醌蛋白(UBQLN2、C9ORF72)和其他基因的突變也與ALS的臨床表現有關。

SOD1是一種重要的抗氧化蛋白，人類的SOD1是一種32 kD的蛋白，它通過分子間的二硫化物結合以同源二聚體的形式存在。SOD1存在于各種類型細胞中，催化超氧化物生成分子態的氧和過氧化氫。SOD1是一種非常穩定的蛋白質，其穩定性大部分取決于分子內部的二硫鍵。SOD1在細胞環境中的作用非常重要，SOD1的突變會使細胞產生各種后果，但其突變導致ALS的具體機制尚不清楚，而現在關于其機制也只是猜測可能是SOD1誘導的如氧化應激、線粒體功能障礙、谷氨酸興奮性中毒以及軸突傳導障礙等毒性作用〔9〕。目前，臨床上尚無針對ALS的有效治療藥物，現有藥物主要為對癥治療。通過對銅代謝的研究可知部分家族遺傳性的ALS的機制為SOD1基因突變，因此可以考慮篩選出穩定SOD1的分子，為治療ALS提供新靶點。

2.2 銅和阿爾茨海默病(AD) AD是神經系統退行性疾病中最常見的一種，AD的主要病理特征為老年斑、神經原纖維纏結和選擇性的神經細胞死亡。神經原纖維纏結主要分布在內嗅皮層、海馬和杏仁核。神經炎性斑塊由細胞外沉積的β淀粉樣蛋白(Aβ)、退化的軸突和樹突以及周圍的淀粉樣沉積物形成，Aβ主要為Aβ1～40和Aβ1～42，其中Aβ1～40是可溶性的，Aβ1～42主要形成斑塊沉積〔10〕。Aβ可以與銅結合，使銅離子還原為亞銅離子并產生過氧化氫，同時使Aβ聚集。淀粉樣前體蛋白(APP)的產生在神經系統銅代謝平衡調節中也有重要意義，曾有文獻報道APP基因敲除小鼠腦內銅離子水平有所提高〔11〕。在AD患者腦脊液和腦內老年斑中銅離子濃度明顯增高〔12〕；同時通過血漿銅藍蛋白轉運的銅明顯增多〔13〕。當體內銅代謝失衡，細胞外銅離子沉積，細胞內銅離子貯備減少〔14〕；釋放到突觸間隙的銅離子減少導致對N-甲基-D-天門冬氨酸受體(NMDAR)的抑制作用減弱〔15〕；進而導致Aβ生成增多以避免興奮性中毒〔16〕；同時，細胞內銅離子的減少使Aβ1～42：Aβ1～40的比例增加。銅離子通過蛋白酶體途徑加速腦啡肽酶的降解，腦啡肽酶減少使Aβ的清除受損，導致突觸間隙Aβ濃度增高〔17〕。當細胞外銅濃度增加時，多余的銅與肌肽結合形成復合物使肌肽水平降低〔18〕；進而使相關蛋白增多，該蛋白可促使Aβ和銅離子絡合物形成。此外，也有可能增加突觸的氧化應激〔18〕。當突觸內的Aβ濃度達到臨界值時，其會與肌肽配體競爭性結合銅離子〔19〕，銅離子與Aβ的結合所導致的結果就是Aβ纖維纏結快速形成，因為與銅離子結合的Aβ形成纖維纏結的速度是單純Aβ的2倍，這些纖維纏結一旦形成又會促使單體Aβ形成纖維纏結，此外這些纖維纏結還會繼續結合銅離子，直到兩者比例為1∶1，更重要的是，一旦銅離子和Aβ結合，金屬硫蛋白就無法將銅從聚合物中解聚出來〔20〕。之后，銅離子與Aβ聚合物的氧化應激作用及低水平肌肽導致突觸的氧化應激〔21〕；同時銅離子和Aβ對NMDAR的抑制無效，最終的結果是興奮性神經毒性〔22〕；逐漸的神經細胞開始死亡、突觸丟失、嗅神經功能喪失，淀粉樣蛋白斑從嗅球逐漸向全腦擴散，最終導致廣泛的記憶缺失、腦功能喪失和嚴重的AD病變〔23〕。

目前美國食品藥品管理局(FDA)批準的AD治療藥物均屬于對癥治療藥物，影響疾病進程的藥物仍處于初步研究階段〔24〕。FDA批準用于治療晚期重癥AD的藥物美金剛，為非競爭性的NMDA受體阻斷劑，而NMDA受體活性的增強主要是由于突觸內銅離子減少而對其抑制作用減弱，可從平衡體內銅離子分布及濃度方面為治療AD提供新思路。

3 銅和Menkes病、Wilson病

3.1 三磷酸腺苷(ATP)7A和ATP7B ATP7A和ATP7B基因編碼的蛋白與機體銅代謝相關。ATP7A編碼的蛋白稱為有絲分裂原激活蛋白激酶作用激酶(MNK)蛋白，具有P型ATP酶的所有特點。P型ATP酶是一個蛋白家族，其利用ATP水解釋放的能量轉運陽離子通過磷脂雙分子層〔25〕。之所以稱為“P型”ATP酶是因其在陽離子跨膜過程中形成磷酸化的媒介，P型ATP酶的龐大家族還包括Na+/K+泵、H+/K+泵以及細胞膜和肌漿網上的 Ca2+泵〔9〕。ATP7B編碼銅轉運跨膜蛋白，主要在肝中表達，參與銅在肝細胞高爾基體反面網狀結構中的轉運。一般情況下，ATP7A和ATP7B位于高爾基體反面網狀結構，這也與它參與銅依賴酶生物合成的作用有關〔26〕。然而，對于ATP7B的位置存在爭議，有人認為其存在于內涵體，除此之外，有一種更小的ATP7B同種體存在于線粒體〔27〕。目前得到公認的是ATP7B存在于高爾基體反面網狀結構，其已被驗證存在于包括人類肝臟超微結構的獨立系統中。研究表明ATP7A和ATP7B調節銅轉運的關鍵機制是這兩種蛋白對細胞周圍的銅濃度都很敏感〔28〕。當銅濃度增高時，ATP7A轉移到外圍囊泡腔和細胞膜，但極化細胞和腸組織切片中的ATP7A轉移至基底膜，與它轉移銅通過腸屏障的作用一致。同樣的，當銅濃度增高時ATP7B也會再分布于外圍囊泡腔〔28〕。

3.2 Menkes病 Menkes病是與X基因連鎖的體內銅代謝失衡的多系統疾病，主要表現為神經系統退行性變和結締組織病變，其主要致病機制為ATP7A基因突變〔29〕。Menkes病中涉及銅代謝最初是由Danks發現的〔30〕，Menkes病病人大腦、肝臟和血清中銅離子濃度降低而其腎臟和小腸中銅濃度增高。最初，人們認為銅吸收障礙是主要病因，當ATP7A基因突變時，MNK蛋白結構和功能改變，患者腸黏膜對食物中銅的吸收減少，同時使細胞中銅不能轉運至細胞間和血液，導致各種銅依賴酶功能障礙而出現臨床癥狀〔31〕。其后，研究表明其是銅在肝組織和腦內的沉積導致的多系統病變，銅通過血腦屏障后，被轉運到膠質細胞或神經細胞主要由MNK蛋白控制，此后銅可參與神經傳導物質生成中的各種酶的形成，如多巴胺、去甲腎上腺素、細胞色素C氧化酶、多巴胺β羥化酶、氧化酶和酪氨酸酶〔9〕。基因突變后，銅聚集于血腦屏障的內皮細胞中而導致大腦內銅缺乏，進而出現致命性的神經系統退行性病變，主要表現為腦萎縮、癲癇發作、肌張力減退、毛發增粗和結締組織異常。在兒童表現為Menkes病，患兒通常在幼兒期發病死亡。研究表明：早期予以腸外銅-組氨酸治療可能阻止神經變性的進展〔32〕。

3.3 Wilson病(WD) 1912年，Kinnear Wilson發現了一種家族性“進展性豆狀核變性性疾病”，其病變包括中樞神經系統病變和肝硬化，這種疾病隨后被命名為WD〔33〕。WD是一種銅代謝異常的常染色體隱性疾病，由位于13號染色體的ATP7B基因突變引起。ATP7B基因參與銅和銅藍蛋白結合以及銅轉運入膽汁〔34〕，其突變使人體內游離的銅增多，銅和組織內蛋白結合導致銅在體內異常聚積。在WD中銅沉積于多個器官并對組織造成損傷，受損器官主要為腦和肝臟，表現為肝疾病和廣泛的神經精神癥狀，其中，肝內銅含量是診斷WD的金標準。

目前，WD的治療包括飲食控制和藥物治療等，前者目的是控制食物中銅的攝取，后者則為促進銅的排泄和減少銅的吸收。實驗數據顯示：長期正規的綜合驅銅治療能使WD患者的腦代謝得到明顯改善〔35〕。

4 結 語

銅作為機體必需的金屬元素，在維持機體穩態尤其是神經系統生理功能中發揮著重要作用。銅參與機體多種酶的合成，當銅代謝及分布異常時可導致酶合成異常進而影響神經系統的正常生理功能，同時，銅在體內的代謝平衡受相關基因調控，當產生基因突變時，可引起體內銅代謝失衡及分布異常，導致神經系統出現病理變化。銅代謝與機體多種神經系統疾病的發生發展有關，但兩者之間的關系尚未引起足夠重視。目前，大部分神經系統疾病的治療仍處于對癥治療階段，尚無有效藥物能夠緩解疾病進程甚至逆轉各種病理改變。通過對銅代謝和神經系統疾病關系的研究，可能研發出調節體內銅代謝的藥物，為與其有關的神經系統疾病的治療提供新靶點。

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〔2016-05-12修回〕

(編輯 袁左鳴)

國家自然科學基金(No.81341138)

趙萬紅(1970-)，男，碩士生導師，教授，主要從事神經精神疾病研究。

韓 寧(1993-)，女，在讀碩士，主要從事阿爾茨海默病相關研究。

R363

A

1005-9202(2016)21-5456-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.110