鈣信號與阿爾茨海默病研究進展

盧北玲 李聞文 周 軍

(中南大學湘雅醫學院醫學檢驗系臨床免疫與微生物學教研室，湖南 長沙 410000)

鈣信號與阿爾茨海默病研究進展

盧北玲 李聞文 周 軍1

(中南大學湘雅醫學院醫學檢驗系臨床免疫與微生物學教研室，湖南 長沙 410000)

阿爾茨海默病；鈣信號；β-淀粉樣蛋白；鈣超載

阿爾茨海默病(AD)按有無家族史可分為散發型(SAD)和家族遺傳型(FAD)兩種類型，臨床以記憶障礙、語言障礙、失認、失用、淡漠及性格改變等為主要特征，目前越來越多的研究〔1〕發現鈣信號在AD病理進展中發揮重要作用，鈣信號主要表現為鈣平衡失調及鈣超載。已知具有神經毒性的β淀粉樣蛋白(Aβ)導致了神經元內鈣離子(Ca2+)上調，誘發神經元凋亡導致記憶下降。Aβ促進細胞外Ca2+內流或內質網(ES)鈣釋放，使細胞內鈣超載，導致神經元代謝異常。其他因素如早老素蛋白(PS)、蘭尼堿受體(RYRs)、星形膠質細胞(AS)、線粒體、谷氨酸受體(GLUR)等也參與神經元鈣調節，是促進神經元功能喪失的關鍵因素。Aβ級聯假說和鈣假說之間是緊密關聯的，但目前具體機制并不清楚。鈣信號參與細胞的多種生理活動，例如對細胞增殖、凋亡和分化均具有重要調控作用，因此平衡早期鈣信號紊亂延緩AD病情進展值得研究。

1 鈣信號與神經元

鈣信號產生主要有兩個來源：一是細胞外鈣內流增加，二是細胞內鈣庫鈣釋放(CICR)增加。鈣內流通道報道較多是電壓門控鈣通道(VOCS)、受體門控鈣通道(ROCS)、儲存開放性鈣通道(SOCs)。最近發現非選擇性陽離子通道蛋白6(TRPC6)在細胞內鈣升高過程中具有重要作用，TRPC6介導細胞外鈣內流及鈣瞬變過程，也介導突觸的可塑性，其機制可能是TRPC6介導的鈣升高激活另外的細胞內膜受體絡氨酸蛋白激酶信號傳遞途徑(Ras/MAPK)、磷脂酰肌醇肌酶3/蛋白激酶B(PI3/Akt)、Ca2+/CaM依賴的蛋白激酶(CAMK)Ⅳ通路，導致腺苷3′-5′環化磷酸(CAMP)反應元件結合蛋白(CREB)磷酸化引起下游基因轉錄及腦源性的神經營養因子(BDNF)和抗凋亡蛋白Bcl-2生成增多，因而對腦神經元起到了保護的作用〔2〕。細胞內CICR是許多受體起主要作用，如三磷酸肌醇受體(IP3R)、RYRs和煙酸酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAADP)受體，結合IP3、環腺苷二磷酸核糖(cAMPR)和NAADP蛋白的作用，調控細胞內鈣釋放。而二孔通道(TPCs)可能是NAADP受體的家族成員，NAADP可通過TPCs促進溶酶體中鈣釋放〔3〕。

1.1 鈣信號與Aβ Ca2+濃度升高可引發下游信號分子表達異常，比如鈣蛋白酶(calpain)、Akt、大鼠內瘤蛋白(Ras)/Ras相關的C3病毒底物(Rac)等，引發鈣信號紊亂，鈣信號也與STAT3信號通路及Aβ間有密切的關系。 由于神經元內高Ca2+激活了calpain，使相應激酶周期依賴性蛋白激酶(P25/cdk5)的活性增強，信號轉錄與轉錄激活因子(STAT)3磷酸化進入細胞核，核內STAT3上調β-分泌酶的表達，直接或間接使Aβ生成增多，而Aβ升高進一步促進鈣信號紊亂〔4〕。據報道周期依賴性蛋白激酶(P25/cdk5)分子還參與了DNA損傷引起的神經元死亡，在AD的病理形成過程中起關鍵性作用〔5〕。Aβ是一種疏水性多肽，包含39～42個氨基酸，主要以Aβ40和Aβ42兩種形式出現，其中以Aβ42毒性最強〔6〕。在小鼠皮質神經元的原代培養中發現鈉-鈣交換體介導Aβ的神經毒性，Aβ還使細胞膜脂質雙層形成膜孔從而加強了鈣內流〔7〕。Pret等〔8〕證實AD腦內神經元退化分階段，早期Aβ誘導鈣內流引起部分鈣超載，晚期激活了鈣調神經磷酸酶(CaN)，CaN活性升高導致神經突觸降解及嚴重的鈣超載，可引發樹突-棘突信號的紊亂。但也有研究者〔9〕認為遲發型AD患者是Aβ清除障礙，而沒有證據顯示是Aβ產生增加。低密度脂蛋白相關受體(LRP)1參與了Aβ的清除過程，起著抑制Aβ降解的作用，具體機制并不清楚。

1.2 鈣信號與PS 研究發現人體大腦中的PS含量隨著年齡的增長而增加，大約75%的家族遺傳性AD(FAD)與突變型PS有密切關系，PS作為γ-分泌酶的催化亞單位參與Aβ肽的生成，決定生成的Aβ肽的長度〔10〕。PS1發生突變使Aβ42生成增多更易于聚集，并作為一種被動型ES Ca2+漏通道發揮作用，這種作用不依賴γ-分泌酶的活性〔11〕。PS可導致Ca2+漏通道的功能缺失及ES鈣超載，但并不是所有的PS突變都會導致鈣超載和ES Ca2+通道功能缺失〔12〕。PS基因突變對鈣穩態的效應在轉基因小鼠和人類細胞研究中已經得到證實〔13〕。因此，PS在鈣信號中發揮的關鍵作用，影響了許多ES Ca2+信號蛋白質的表達和活性〔14〕。

1.3 鈣信號與線粒體 AD腦細胞內Ca2+升高損害了線粒體，促使活性氧(ROS)產生增多，降低了細胞色素C氧化酶的活性，從而減少了三磷酸腺苷(ATP)的產生，導致AD腦細胞能量供應失調。此外線粒體在鈣緩沖和細胞內Ca2+瞬變過程中發揮重要作用〔15〕。在Ca2+升高的早期，線粒體膜通過鈉-鈣交換體加強鈣的釋放〔16〕。高Ca2+誘導線粒體滲透性轉換孔開放，Aβ則抑制了線粒體的呼吸功能，兩者引起線粒體內鈣穩態失調而誘導細胞死亡〔17〕，Aβ如何進入線粒體目前尚不清楚，一種可能是γ-分泌酶定位于ES或線粒體表面〔18〕。PS突變使鈣穩態和線粒體轉運受到影響〔19〕，另外ES Ca2+釋放也升高了線粒體Ca2+濃度，隨后改變了線粒體的功能包括細胞凋亡、酮戊二酸脫氫酶(KGDHC)活性和ROS的產生，而KGDHC的缺乏也導致ES鈣儲存異常。線粒體是一種動態細胞器，鈣信號參與了線粒體分裂與融合，主要影響融合過程中線粒體融合蛋白(Mfn)1和線粒體分裂蛋白(OPA)1的調節及分裂過程中DLP1的作用〔20〕。

2 鈣信號與受體

2.1 鈣信號與蘭尼堿受體 RYRs的表達對維持突觸結構的穩態起重要作用，主要定位于神經元胞體、樹突近端和棘突末梢〔21〕。RYRs表達增加導致ES CICR增加，首先直接通過鈣誘導促進鈣釋放，然后由ES ATP泵再填充枯竭的ES鈣〔22〕。RYRs也可通過CICR促進神經遞質的釋放，產生突觸后電位并引起突觸后膜的暫時性去極化引起細胞內鈣升高，阻斷RYRs即可消除長時程抑制(LTD)和長時程增強(LTP)。此外RYRs激活低電導鉀通道(SK)通道，影響局部電流的產生〔23〕，在3XTg-AD 動物模型中，RYRs介導的鈣釋放促進了突觸傳遞和突觸可塑性形成，效應信號在Aβ形成、Tau沉積或記憶缺失之前就已出現，表明RYRs功能改變在AD早期階段就已出現。異氟烷引起小鼠原代培養神經元ES應激反應，并通過RYRs升高內質網應激誘導的轉錄因子CCAAT/增強子結合蛋白(CHOP)和半胱天冬酶(Caspase)12的水平，促進Caspase3的活化和神經元凋亡〔24〕，神經元鈣信號紊亂對ES也是應激反應。也有觀點表示PS突變通過升高RYRs表達增強了鈣釋放，但相反的觀點認為PS突變改變了IP3R門控特性或ES漏通道功能，對RYRs的效應不是很明顯，并且在不同的神經元內RYRs誘發鈣升高的程度不同〔25〕。RYRs可與存在于細胞質中的S100A1(一種鈣結合蛋白)形成復合物，其形成需要Ca2+參與，RYRs作為S100A1的靶蛋白發揮作用〔26〕。因此對RYRs阻斷劑藥物的開發是治療AD的一個有效選擇。

2.2 鈣信號與GLUR GLUR可分為兩類：谷氨酸離子型受體(iGLUR)，包括N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異噁唑丙酸受體(AMPAR)、紅藻氨酸鹽受體(KAR)三種亞型，均屬于配體門控離子通道受體，其中NMDAR與興奮性神經毒性、突觸可塑性、學習記憶密切相關。谷氨酸是中樞神經系統(CNS)最為豐富的神經遞質，首先激活離子通道型受體NMDAR、AMPAR、KARs引起突觸興奮，允許離子快速進入突觸后終端使其引起了一系列膜的改變，Na+流入引起突觸后極化，Ca2+流入引起鈣瞬變，NMDAR過表達引起Ca2+內流增加導致細胞內鈣超載〔27〕。在年幼小鼠的神經元內，NMDAR持續激活或去極化在一定程度上減少了L-型Ca2+內流，保護神經元免受興奮性細胞死亡。NMDAR介導鈣離子的內流加強了年幼小鼠樹突中異常RYRs受體的活性，故阻斷AD神經元內RYRs，將阻止NMDAR依賴性鈣反應，并且能使Ca2+恢復到正常水平，表明細胞內鈣升高一部分來自NMDAR介導的CICR，而這種由NMDAR介導的CICR在 NonTg小鼠中并沒有發現，說明RYRs升高的CICR并不是直接通過NMDA加強鈣內流的，這與AD后期認知能力損害有一定的關系〔28〕。在AD患者內嗅皮層神經元脂質雙層AMPARGLUR2亞型表達減少，而GLUR亞型的激活增強了細胞內Ca2+濃度〔29〕。第二類為谷氨酸代謝型受體(mGLURs)，GLU能激活磷脂酶C(PLC)及腦內第二信使甘油二酯(DG)和IP3的生成，后者與內質網上IP3R結合來釋放Ca2+使其進入細胞質，打破細胞內鈣信號。

3 鈣信號與AS

AS是CNS內神經支持、營養和保護作用的重要細胞，并參與突觸的形成、消除Aβ 、炎癥反應、分泌神經營養因子等作用。近年來發現AD發病早期活化AS的出現促進疾病的病理進程，并與鈣穩態失調密切相關〔30〕。AD腦內異常的Ca2+信號加劇了AS增殖與炎癥反應，引起神經元Ca2+穩態失調及大腦功能異常〔31〕。在AS純化培養中，較低濃度Aβ能直接誘導細胞內鈣瞬變及瞬時性鈣波，其主要機制是通過升高細胞內鈣瞬變的頻率和增加AS活化數量來實現，并且Aβ誘導的AS鈣瞬變具有時間延遲性，這可能是大腦存在一種對Aβ破壞的補償機制，這一機制也使得一些腦部出現Aβ的患者出現AD癥狀的時間推遲，并且AS源性蛋白如GFAP和 S100β表達上升，加強了腦Aβ沉積和神經損傷，其升高水平與細胞內Ca2+水平有一定相關性〔32〕。AS細胞內鈣瞬變導致神經元中鈣依賴性谷胱甘肽消耗和反應性氧簇形成，直接誘導神經元死亡〔33〕。

綜上，鈣信號紊亂通過各種機制參與早期AD病理形成過程，是引起神經元死亡的關鍵因素〔34〕，目前美金剛已被批準是治療中度到重度AD的唯一藥物，它是一種非競爭型的NMDA受體拮抗劑，阻止過多鈣流入和細胞死亡〔35〕。由于各種原因導致細胞內鈣超載，進而引起鈣信號的紊亂，使得相關蛋白質表達異常，產生毒性效應使神經元受損，即將死亡的神經元會引發神經變性障礙和病人認知能力損傷及記憶喪失，為了更好地診斷和治療這些神經變性疾病，需要更好地理解鈣信號失調引發神經元死亡的原因和機制以控制AD病情的發展。

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〔2015-12-17修回〕

(編輯 苑云杰/杜 娟)

國家自然科學基金(81571382)；湖南省科技廳項目(2015WK3010)

李聞文(1956-)，男，教授，碩士生導師，主要從事臨床免疫及微生物教學研究。

盧北玲(1989-)，女，在讀碩士，主要從事神經系統疾病研究。

R741.02

A

1005-9202(2017)10-2567-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.10.098

1 中南大學湘雅醫院醫學科學研究中心