鋅穩(wěn)態(tài)失衡與阿爾茨海默癥

弓 慧，賀仕清，唐小卿，趙劍鋒

(南華大學(xué) 1.衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教研室、2.附屬南華醫(yī)院神經(jīng)外科，湖南 衡陽(yáng) 421001)

阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease，AD)是一種主要累及老年人的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，是癡呆癥最主要的病因，其臨床癥狀主要表現(xiàn)為認(rèn)知功能下降、精神癥狀和日常生活能力的逐漸下降，還伴隨抑郁癥、精神病等多種并發(fā)癥。AD起因難尋，與家族史、甲狀腺疾病和頭部外傷等多種因素相關(guān)，一般根據(jù)認(rèn)知能力和身體機(jī)能的惡化程度分為輕度、中度和重度癡呆3個(gè)時(shí)期。AD發(fā)病機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，目前尚無(wú)完全行之有效的治療手段，因此，繼續(xù)研究其發(fā)病機(jī)制以及尋找合適的治療方法仍十分重要。

AD最主要的2個(gè)病理特征是淀粉樣蛋白沉積和神經(jīng)纖維纏結(jié)。淀粉樣蛋白斑的主要成分是β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)，神經(jīng)纖維纏結(jié)主要成分是過(guò)度磷酸化的Tau蛋白(p-Tau)。目前普遍認(rèn)為，AD的發(fā)生發(fā)展與Aβ及p-Tau的聚集、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、突觸可塑性的損傷以及膽堿能功能缺損等多種因素密切相關(guān)。近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)也表明AD發(fā)生過(guò)程中涉及鋅穩(wěn)態(tài)的失衡，鋅穩(wěn)態(tài)失衡通過(guò)多種途徑參與AD的發(fā)生。

1 鋅穩(wěn)態(tài)及其調(diào)控機(jī)制

鋅是300多種酶或金屬蛋白的輔助因子，廣泛參與到細(xì)胞分裂、免疫系統(tǒng)、蛋白質(zhì)合成、DNA合成等多種生理功能中，是機(jī)體進(jìn)行正常生命活動(dòng)的必需微量元素之一。大腦是人體含鋅量最高的器官，約為血清鋅含量的10倍，神經(jīng)突觸中也含有高濃度的鋅，主要集中在谷氨酸能神經(jīng)突觸中[1]。在中樞系統(tǒng)中，鋅以?xún)煞N方式存在：穩(wěn)定的結(jié)合鋅與不穩(wěn)定的游離鋅[1]。結(jié)合鋅與蛋白質(zhì)和多肽緊密結(jié)合作為蛋白質(zhì)折疊的關(guān)鍵成分，對(duì)各種胞質(zhì)酶和核酶的活性至關(guān)重要；游離鋅則是存在于多種細(xì)胞器腔內(nèi)，如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體等，鋅在這些細(xì)胞器之間進(jìn)行交換，并與許多蛋白質(zhì)結(jié)合，改變它們的生物活性。在正常生理情況下，機(jī)體內(nèi)游離鋅的濃度維持在一定水平，稱(chēng)之為鋅穩(wěn)態(tài)。在腦內(nèi)，鋅濃度的激增會(huì)引起神經(jīng)毒性，而鋅缺乏也會(huì)造成腦部中樞神經(jīng)系統(tǒng)畸形等多種病理變化。因此，鋅濃度維持相對(duì)穩(wěn)定在維持機(jī)體健康起極為重要的作用，機(jī)體必然存在維持鋅穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

鋅穩(wěn)態(tài)受到機(jī)體嚴(yán)格調(diào)控，主要通過(guò)三大蛋白家族[1]：1) 金屬硫蛋白(metallothionein，MT)，抑制胞質(zhì)鋅毒性；2) 鋅鐵調(diào)控蛋白(Zrt/Irt-related proteins，ZIP)，介導(dǎo)鋅從胞外入胞或從胞內(nèi)腔室流出至胞質(zhì)；3) 以及鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(zinc transporter，ZnT)，介導(dǎo)鋅從胞內(nèi)腔室和胞質(zhì)出胞。三大家族通過(guò)嚴(yán)格控制機(jī)體鋅穩(wěn)態(tài)對(duì)機(jī)體多種生理功能起調(diào)控作用。在機(jī)體中，ZIPs、ZnTs和MTs都存在多種表型，各表型定位不同，共同維持機(jī)體鋅穩(wěn)態(tài)。

MT在生物應(yīng)激或細(xì)胞損傷情況下具有生存優(yōu)勢(shì)，未結(jié)合金屬的MT與鋅結(jié)合調(diào)節(jié)鋅運(yùn)輸和儲(chǔ)存起到抑制鋅毒性的作用。機(jī)體MT共有4種亞型：MT-Ⅰ、MT-Ⅱ、MT-Ⅲ和MT-Ⅳ。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，MT-Ⅰ、MT-Ⅱ和MT-Ⅲ廣泛表達(dá)。

ZIP的功能主要是在胞質(zhì)鋅濃度較低的情況下將胞外和細(xì)胞器內(nèi)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)至胞質(zhì)起到補(bǔ)充胞質(zhì)鋅濃度的作用。目前已知人類(lèi)ZIP共有14種亞型，具有鋅轉(zhuǎn)運(yùn)功能的是ZIP1-8和ZIP14。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要存在ZIP1和ZIP3，其中ZIP1的表達(dá)遠(yuǎn)高于ZIP3，因此ZIP1被認(rèn)為是神經(jīng)元中攝取鋅的關(guān)鍵因子。

ZnT與ZIP的功能剛好相反，將胞質(zhì)和胞內(nèi)腔室中的鋅排出胞外，此外，通過(guò)ZnT運(yùn)出胞外的鋅一個(gè)很重要的去向是轉(zhuǎn)運(yùn)至突觸囊泡中。迄今為止，已有10種ZnT被報(bào)道具有鋅轉(zhuǎn)運(yùn)功能。除了ZnT-3和ZnT-8分別只在大腦和胰腺中表達(dá)以外，其他ZnT大多在機(jī)體廣泛表達(dá)。在大腦中，ZnT-1、ZnT-3、ZnT-4和ZnT-6高表達(dá)。

2 鋅穩(wěn)態(tài)失衡與AD

鋅穩(wěn)態(tài)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常功能的重要性不言而喻。事實(shí)上，與鋅穩(wěn)態(tài)失衡有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如學(xué)習(xí)、記憶障礙通常與富含這種金屬的大腦結(jié)構(gòu)的功能出現(xiàn)異常有關(guān)，例如海馬，杏仁核和新皮質(zhì)等區(qū)域。目前關(guān)于AD患者體內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)失衡的方向有兩種研究結(jié)果。

大量研究支持鋅濃度過(guò)高導(dǎo)致AD發(fā)生發(fā)展，研究證實(shí)老年斑中含有大量鋅[2]。也有研究支持缺鋅也會(huì)導(dǎo)致AD發(fā)病，研究發(fā)現(xiàn)腦鋅缺乏介導(dǎo)突觸可塑性相關(guān)蛋白表達(dá)水平降低與認(rèn)知功能障礙有關(guān)[3]。除此以外，AD患者腦內(nèi)參與調(diào)節(jié)鋅穩(wěn)態(tài)的蛋白質(zhì)水平發(fā)生了變化。AD患者血清和腦脊液中的鋅水平也與正常個(gè)體存在差異。由此可知，AD患者發(fā)病過(guò)程伴隨鋅穩(wěn)態(tài)的失衡。

3 鋅穩(wěn)態(tài)失衡促進(jìn)AD發(fā)生發(fā)展的機(jī)制

3.1 影響Aβ生成Aβ沉積形成的淀粉樣蛋白斑是AD患者最典型的病理特征之一。Aβ由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)經(jīng)淀粉樣蛋白依賴(lài)途徑水解而來(lái)。APP由粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)生成，經(jīng)高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(trans Golgi network，TGN)，運(yùn)輸至細(xì)胞膜表面，依次由α-分泌酶—γ-分泌酶水解或由β-分泌酶—γ-分泌酶水解。α-分泌酶—γ-分泌酶介導(dǎo)淀粉樣蛋白非依賴(lài)途徑生成N端胞外域sAPPα和p3肽(正常神經(jīng)元)，β-分泌酶—γ-分泌酶介導(dǎo)淀粉樣蛋白依賴(lài)途徑生成N端胞外域sAPPβ和Aβ(AD神經(jīng)元)。鋅穩(wěn)態(tài)失衡通過(guò)誘導(dǎo)APP以淀粉樣蛋白依賴(lài)途徑水解參與Aβ介導(dǎo)的AD發(fā)病。

3.1.1鋅對(duì)Aβ生成的調(diào)控作用 Aβ生成主要由β-分泌酶介導(dǎo)。β-分泌酶與APP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、TGN和質(zhì)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)很大程度上影響了Aβ的生成。因此，TGN作為其中重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)，TGN及TGN所在的高爾基體的結(jié)構(gòu)和功能的正常對(duì)于APP的運(yùn)輸至關(guān)重要。特別的是，早期AD患者的高爾基體就已經(jīng)呈破碎形態(tài)。因此，關(guān)于鋅對(duì)Aβ生成的調(diào)控作用，以下將分別從鋅對(duì)Aβ生成酶的調(diào)控作用和鋅對(duì)高爾基體結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)控作用進(jìn)行闡述。

鋅對(duì)Aβ生成酶存在調(diào)控作用。β-分泌酶介導(dǎo)的Aβ生成的整個(gè)過(guò)程涉及3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：APP、β-分泌酶和γ-分泌酶。首先，鋅與APP高親和力結(jié)合，Bush等[4]發(fā)現(xiàn)在APP上存在高度保守的鋅結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)鋅與APP高親和力結(jié)合。其次，β-分泌酶—γ-分泌酶切割A(yù)PP途徑中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中間物質(zhì)APP-C99，鋅可與APP-C99的組氨酸殘基(His-6,His-13和His-14)結(jié)合而增強(qiáng)APP-C99二聚化，抑制γ-分泌酶對(duì)其的水解[5]。

鋅對(duì)高爾基體結(jié)構(gòu)和功能的完整性存在調(diào)控作用[6]。首先，Aβ可以通過(guò)破壞GRASP65-GM130復(fù)合體(高爾基體堆疊結(jié)構(gòu))導(dǎo)致高爾基體破碎；其次，高爾基體破碎可強(qiáng)烈減緩APP的運(yùn)輸，APP運(yùn)輸受阻導(dǎo)致淀粉樣蛋白依賴(lài)機(jī)制的進(jìn)行，最后產(chǎn)生Aβ。由此可知，高爾基體結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的功能受損與Aβ的生成密切相關(guān)。而鋅大量存在于高爾基體內(nèi)，參與維持高爾基體的結(jié)構(gòu)和功能的完整性。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)[7]，鋅分別與GRASP55 的His18 和Cys103 以及Golgin45 的Cys393 和Cys396 形成配位鍵，直接參與了GRASP55-Golgin45復(fù)合體(高爾基體堆疊結(jié)構(gòu))的形成；另一方面，高爾基體上存在多種鋅穩(wěn)態(tài)調(diào)控蛋白，主要包括ZnT-5，ZnT-6和ZnT-7以及ZIP-9和ZIP-13[8]。特別的是，ZnT6特異性位于TGN上，參與TGN結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[9]。以上發(fā)現(xiàn)表明鋅對(duì)高爾基體結(jié)構(gòu)的必要性。另外，高爾基體正常功能的執(zhí)行也需要鋅。高爾基體介導(dǎo)多種早期分泌途徑，鋅在早期分泌途徑中起關(guān)鍵作用，多種ZnT和ZIP參與調(diào)節(jié)此途徑[8]。

3.1.2高鋅對(duì)Aβ生成的促進(jìn)作用 關(guān)于鋅穩(wěn)態(tài)失衡對(duì)Aβ生成的影響，大多數(shù)研究支持高鋅對(duì)Aβ生成具有促進(jìn)作用。一方面，高鋅可加速β-分泌酶介導(dǎo)的淀粉樣蛋白依賴(lài)途徑的進(jìn)行。研究表明高鋅可促進(jìn)APP和β-分泌酶增多，進(jìn)而促進(jìn)Aβ生成[10]。而使用鋅螯合劑處理APP轉(zhuǎn)基因小鼠，發(fā)現(xiàn)β-分泌酶的表達(dá)和Aβ的生成均呈降低趨勢(shì)[10]。因此，針對(duì)高鋅對(duì)Aβ生成酶的促進(jìn)作用，靶向降低鋅濃度抑制β-分泌酶表達(dá)減少Aβ生成有望作為一種治療思路。

另一方面，位于高爾基體上的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)失調(diào)也會(huì)引起鋅的增加，并可能參與Aβ的生成。Lovell等[9]在AD患者的神經(jīng)元中觀察到了ZnT-6的增加，ZnT-6增加引起細(xì)胞內(nèi)的鋅在TGN中積累，使TGN破碎，并改變正常的蛋白質(zhì)和脂類(lèi)的分揀和轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致神經(jīng)元退化。雖沒(méi)有直接證據(jù)證明ZnT-6的增加與Aβ生成有直接關(guān)系，但鑒于TGN在APP運(yùn)輸中起到的重要作用，以及高爾基體破碎對(duì)β-分泌酶介導(dǎo)的APP水解的促進(jìn)作用，推測(cè)AD患者Aβ的產(chǎn)生與高鋅介導(dǎo)的TGN的破碎以及APP水解途徑的改變有關(guān)。

3.1.3低鋅對(duì)Aβ生成的促進(jìn)作用 鋅濃度過(guò)高使高爾基體破碎，鋅濃度過(guò)低也可使高爾基體破碎。我們最近的研究發(fā)現(xiàn)低鋅對(duì)Aβ生成也具有促進(jìn)作用。上文提到，鋅參與了GRASP55-Golgin45復(fù)合體的形成，由此參與高爾基體的正常堆疊。本課題組研究發(fā)現(xiàn)螯合鋅可破壞GRASP55-Golgin45復(fù)合體結(jié)構(gòu)，并誘導(dǎo)Aβ產(chǎn)生[11]。同樣，高爾基體破碎與APP運(yùn)輸密切相關(guān)，那是否也可以從高爾基體破碎導(dǎo)致APP水解由β分泌酶介導(dǎo)這一角度來(lái)解釋缺鋅誘導(dǎo)的Aβ生成，也有待進(jìn)一步挖掘。

綜上所述，Aβ生成與鋅穩(wěn)態(tài)失衡密切相關(guān)，高鋅或低鋅都可促進(jìn)Aβ生成，從而加重AD的病理癥狀，而恢復(fù)鋅穩(wěn)態(tài)可起到改善作用。

3.2 影響Aβ聚集

3.2.1鋅與Aβ存在相互作用位點(diǎn) 鋅穩(wěn)態(tài)失衡除可促進(jìn)Aβ生成外，也可與Aβ直接作用。Alies等[12]發(fā)現(xiàn)鋅與Aβ 的His13、Glu11、His6 形成配位鍵，參與了Aβ的聚集。Khatua等[13]發(fā)現(xiàn)鋅通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵疏水鏈段hp1和hp2之間的遠(yuǎn)距離接觸穩(wěn)定Aβ肽N-末端螺旋結(jié)構(gòu)，從而與Aβ高度特異性結(jié)合。鋅與Aβ的大量結(jié)合，形成溶解性極低的淀粉樣蛋白斑，并阻止Aβ降解[2]。

3.2.2高鋅對(duì)Aβ聚集的促進(jìn)作用 鑒于AD中Aβ表達(dá)呈增加趨勢(shì)，而淀粉樣蛋白斑的主要成分除了Aβ外，還含有大量的鋅。研究多集中在探討高鋅是否可以促進(jìn)Aβ聚集。研究發(fā)現(xiàn)高鋅可使Aβ單體不穩(wěn)定，并加快其聚合速度(約40倍)[14]。利用鋅螯合劑[15]可釋放與胞外Aβ結(jié)合的鋅，恢復(fù)AD小鼠鋅濃度至正常水平，并改善AD小鼠認(rèn)知能力。

綜上所述，對(duì)于Aβ聚集來(lái)說(shuō)，高鋅是一個(gè)不利因素，高鋅促進(jìn)Aβ聚集，導(dǎo)致Aβ降解困難，低鋅使得鋅從Aβ中釋放出來(lái)，有利于AD中Aβ病理的改善。

3.3 影響Tau蛋白的聚集和磷酸化除Aβ外，AD患者最典型的病理特征即為p-Tau聚集形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)。正常情況下，Tau蛋白作為軸突蛋白，其作用在于與微管蛋白結(jié)合促進(jìn)微管形成并維持微管穩(wěn)定。但在AD患者的神經(jīng)元內(nèi)，Tau蛋白過(guò)度磷酸化并聚集在胞質(zhì)，與微管蛋白的結(jié)合能力減弱，使神經(jīng)元微管結(jié)構(gòu)廣泛破壞，最終導(dǎo)致正常的軸突轉(zhuǎn)運(yùn)受損，引起突觸丟失和神經(jīng)元功能損傷。與Aβ類(lèi)似，鋅也與Tau蛋白存在相互作用位點(diǎn)并參與調(diào)節(jié)Tau蛋白的聚集和磷酸化過(guò)程。

3.3.1鋅與Tau蛋白存在相互作用位點(diǎn) 鋅與Tau蛋白存在相互作用位點(diǎn)。Roman等[16]發(fā)現(xiàn)鋅與Tau蛋白存在1個(gè)高親和力結(jié)合位點(diǎn)和3個(gè)低親和力結(jié)合位點(diǎn)。Li等[17]發(fā)現(xiàn)Tau蛋白的半胱氨酸殘基與鋅存在結(jié)合位點(diǎn)。

3.3.2高鋅對(duì)Tau蛋白聚集和磷酸化的促進(jìn)作用 鑒于AD患者p-Tau的病理表現(xiàn)，目前的研究多集中在研究高鋅對(duì)于Tau蛋白聚集或磷酸化的影響。Roman等[16]發(fā)現(xiàn)高鋅可誘導(dǎo)Tau蛋白低聚化，但得到的低聚物是非淀粉樣的，在鋅螯合劑下可迅速解離。Li等[17]發(fā)現(xiàn)高鋅可誘導(dǎo)Tau蛋白聚集并產(chǎn)生神經(jīng)毒性。

還有研究表明高鋅可誘導(dǎo)Tau蛋白磷酸化。高鋅通過(guò)激活Tau蛋白磷酸化激酶促進(jìn)Tau蛋白過(guò)度磷酸化，利用鋅螯合劑可逆轉(zhuǎn)此過(guò)程[18]。Craven等[19]發(fā)現(xiàn)在Tau蛋白過(guò)表達(dá)的小鼠上，補(bǔ)充鋅增加了Tau蛋白的磷酸化水平，并進(jìn)一步惡化小鼠的認(rèn)知能力。

綜上可知，高鋅可促進(jìn)Tau蛋白的聚集及磷酸化，低鋅有助于改善p-Tau的病理表現(xiàn)。

3.4 影響突觸可塑性突觸可塑性指突觸的形態(tài)和功能在神經(jīng)元持續(xù)活動(dòng)下發(fā)生較為持久的變化現(xiàn)象，主要作用在于維持神經(jīng)元和神經(jīng)環(huán)路穩(wěn)定，與學(xué)習(xí)記憶形成密切相關(guān)。突觸可塑性損傷可導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙，在AD發(fā)病中起重要作用。突觸可塑性主要體現(xiàn)在突觸結(jié)構(gòu)和傳遞效能的變化，而這兩者的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)大多涉及突觸或神經(jīng)元部位的蛋白質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)和離子的生物學(xué)變化。突觸鋅主要位于谷氨酸能突觸中，并以此與神經(jīng)傳遞動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，并參與調(diào)節(jié)突觸可塑性。

3.4.1鋅對(duì)突觸可塑性的調(diào)控作用 首先，突觸結(jié)構(gòu)和功能的完整性都需要鋅的參與[3]。對(duì)突觸結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，突觸鋅濃度維持相對(duì)穩(wěn)定在突觸后致密物形成中發(fā)揮重要作用，并因此參與樹(shù)突棘的形成。對(duì)突觸功能來(lái)說(shuō)，突觸鋅大量存儲(chǔ)于谷氨酸能突觸末端的囊泡中，在神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)與谷氨酸協(xié)同釋放，是谷氨酸能神經(jīng)傳遞的關(guān)鍵因子。

其次，神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子發(fā)揮作用也需要鋅的參與[20]。神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子是一類(lèi)神經(jīng)元生長(zhǎng)、存活和可塑性所必需的蛋白質(zhì)分子，與突觸可塑性密切相關(guān)。鋅的存在對(duì)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)信號(hào)產(chǎn)生積極影響，特別是對(duì)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)-TrkB軸的激活[3,21]。成熟的BDNF由其前體pro-BDNF在基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)等胞內(nèi)外蛋白酶的催化下裂解形成。MMP是細(xì)胞外基質(zhì)代謝的重要酶類(lèi)，通過(guò)對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的降解影響樹(shù)突棘和突觸的重塑。鋅作為MMP的輔助因子參與BDNF成熟[21]。這些研究表明鋅的存在對(duì)突觸可塑性有重要調(diào)控作用。

3.4.2低鋅對(duì)突觸可塑性的損傷作用 由于鋅直接參與BDNF的成熟，鋅依賴(lài)的BDNF成熟受損對(duì)突觸結(jié)構(gòu)及功能有顯著影響，Zn-MMP-BDNF軸異常可損傷突觸可塑性[21]。目前的研究多集中在探討低鋅對(duì)突觸可塑性是否有損傷作用。Frazzini等[3]發(fā)現(xiàn)缺鋅會(huì)抑制BDNF成熟，并且損傷年輕小鼠的認(rèn)知功能。而補(bǔ)充鋅對(duì)BDNF-TrkB軸有激活作用并可改善年輕小鼠的認(rèn)知功能[3]，也可恢復(fù)AD小鼠BDNF表達(dá)并改善小鼠認(rèn)知損傷[22]。

3.4.3高鋅對(duì)突觸可塑性的損傷作用 雖然突觸可塑性的形成需要一定濃度的鋅，但鋅濃度過(guò)高也會(huì)帶來(lái)副作用。Shetty等[23]發(fā)現(xiàn)老年大鼠海馬區(qū)鋅濃度增加，導(dǎo)致遲發(fā)性長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)介導(dǎo)突觸可塑性損傷，利用鋅螯合劑可恢復(fù)受損的突觸可塑性。

綜上所述，高鋅或低鋅均可誘導(dǎo)突觸可塑性損傷，靶向恢復(fù)鋅穩(wěn)態(tài)可改善AD的突觸可塑性損傷。

3.5 影響氧化應(yīng)激氧化應(yīng)激指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡，產(chǎn)生大量自由基，主要包括氧自由基(reactive oxygen species，ROS)與氮自由基(reactive nitrogen species，NOS)。目前普遍認(rèn)為氧化應(yīng)激是AD疾病進(jìn)程的早期和持續(xù)事件。AD患者腦內(nèi)顯示出明顯的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸的氧化損傷，在淀粉樣蛋白斑塊周?chē)趸瘬p傷也高度集中甚至蔓延至無(wú)Aβ沉積的神經(jīng)纖維中。鋅穩(wěn)態(tài)失衡通過(guò)促進(jìn)氧化應(yīng)激參與到加速Aβ的沉積并加速AD的進(jìn)程。

3.5.1鋅對(duì)氧化還原代謝的調(diào)控作用 鋅在生物體內(nèi)具有氧化還原惰性，但對(duì)氧化還原代謝有重要影響。首先，鋅具有良好的細(xì)胞保護(hù)作用，主要體現(xiàn)在兩方面：1) 保護(hù)細(xì)胞不受氧化損傷，特別是保護(hù)細(xì)胞巰基不受氧化和抑制過(guò)渡金屬產(chǎn)生活性氧；2) 保護(hù)蛋白質(zhì)和核酸不被氧化和降解，同時(shí)穩(wěn)定微管細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜[24]。其次，鋅雖然本身對(duì)氧化還原不敏感，但由于MT具有很高的金屬結(jié)合能力，又具有很強(qiáng)的氧化還原能力(MT含巰基側(cè)鏈，MT-Ⅲ的巰基側(cè)鏈氧化還原電位很低(-366 mV)，極易被氧化[25])，這使得與MT結(jié)合的鋅對(duì)氧化還原變得敏感，也使得這種狀態(tài)下的鋅對(duì)氧化應(yīng)激十分敏感。

因此，胞質(zhì)鋅濃度升高可通過(guò)多種渠道引起氧化應(yīng)激增強(qiáng)，并導(dǎo)致細(xì)胞毒性。

3.6 高鋅對(duì)膽堿能功能缺損以及炎癥反應(yīng)的促進(jìn)作用除上述所述機(jī)制以外，還有多種機(jī)制也參與了AD的發(fā)生，而這些或多或少都與鋅穩(wěn)態(tài)失衡有關(guān)。例如膽堿能功能缺損、炎癥反應(yīng)等。

膽堿能功能缺損主要體現(xiàn)在乙酰膽堿能代謝活動(dòng)下降，例如膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶(choline acetyltransferase，ChAT)活性降低[26]。Tabrizia等[26]發(fā)現(xiàn)口服氯化鋅可降低小鼠ChAT蛋白表達(dá)，并引起認(rèn)知功能損傷。另外，谷氨酸能突觸中過(guò)量的鋅具有神經(jīng)毒性，會(huì)導(dǎo)致能量平衡的崩潰和膽堿能神經(jīng)元功能和結(jié)構(gòu)的損傷[27]。

AD患者也存在炎癥反應(yīng)。Aβ作為一種炎癥刺激因子，可以激活小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放具有強(qiáng)烈毒性的炎癥因子[28]。Higashi等[29]發(fā)現(xiàn)當(dāng)胞外鋅大量增加時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞被激活，產(chǎn)生大量促炎性細(xì)胞因子。

以上兩點(diǎn)均說(shuō)明，對(duì)于膽堿能功能和炎癥來(lái)說(shuō)，高鋅是一個(gè)危險(xiǎn)因素。但鋅本身在其中起到什么作用，還有待進(jìn)一步研究。

4 鋅穩(wěn)態(tài)調(diào)控蛋白表達(dá)失調(diào)與AD發(fā)生相關(guān)

上文表明鋅穩(wěn)態(tài)失衡與AD發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，作為起主要調(diào)控作用的MT、ZIP和ZnT，它們的表達(dá)失調(diào)也同樣與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，Tab 1展示了研究較多的與AD相關(guān)三大蛋白家族在大腦中的定位、主要作用以及在AD中的變化趨勢(shì)。

Tab 1表明，AD的發(fā)生伴隨著鋅穩(wěn)態(tài)相關(guān)調(diào)控蛋白的失調(diào)。研究人員也針對(duì)它們做了一系列與AD發(fā)病相關(guān)的研究。針對(duì)MT，目前普遍認(rèn)為MT-Ⅲ是治療AD的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。持續(xù)性注入Zn7MT-Ⅲ至中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，Aβ斑塊面積減少，ROS產(chǎn)生減少，AD小鼠認(rèn)知能力明顯改善[30]。通過(guò)藥物增加MT-Ⅲ水平有望是治療AD的一個(gè)重要方向。針對(duì)ZnT，目前研究最多的是ZnT-3。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)敲除ZnT-3可降低突觸中的鋅濃度，進(jìn)一步使BDNF，pro-BDNF等與突觸相關(guān)蛋白減少，并導(dǎo)致老年小鼠的認(rèn)知功能出現(xiàn)損傷，但靶向ZnT-3表達(dá)下降進(jìn)行治療的方案有待進(jìn)一步研究[21]。針對(duì)ZIP，研究發(fā)現(xiàn)在AD果蠅模型中，敲除ZIP1可增強(qiáng)果蠅的攀爬能力，也可延長(zhǎng)果蠅的壽命[20]。由此可見(jiàn)，鋅穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)異常與AD發(fā)展相關(guān)，靶向恢復(fù)特定鋅穩(wěn)態(tài)調(diào)控蛋白的表達(dá)可改善AD病理及認(rèn)知損傷。

Tab 1 Location and role of brain zinc homeostasis regulatory protein and their alterations in Alzheimer’s disease

5 結(jié)語(yǔ)

目前研究發(fā)現(xiàn)鋅與AD密切相關(guān)的Aβ，p-Tau以及神經(jīng)突觸的功能及作用存在調(diào)控作用，鋅穩(wěn)態(tài)失衡通過(guò)加速Aβ的生成和聚集、加速Tau蛋白的聚集和磷酸化，以及損傷突觸可塑性參與AD的發(fā)生和發(fā)展，而針對(duì)各自不同機(jī)制進(jìn)行靶向恢復(fù)鋅穩(wěn)態(tài)可有效改善AD病理及認(rèn)知損傷。其具體調(diào)節(jié)鋅穩(wěn)態(tài)作用的MT、ZIP和ZnT蛋白也被發(fā)現(xiàn)在AD中發(fā)生了變化，靶向特定蛋白進(jìn)行恢復(fù)也可以起到改善AD病理及認(rèn)知損傷的作用。因此，鋅穩(wěn)態(tài)失衡與AD發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，是AD的關(guān)鍵機(jī)制，而靶向恢復(fù)鋅穩(wěn)態(tài)，無(wú)疑給AD患者的治療帶來(lái)無(wú)限曙光。

目前有一些針對(duì)恢復(fù)鋅穩(wěn)態(tài)的藥物正在研究中，比如氯碘羥喹(clioquinol，CQ)(鋅螯合劑)。研究表明，CQ可透過(guò)血腦屏障，并抑制Aβ沉積和ROS產(chǎn)生；二期臨床試驗(yàn)中，中重度AD患者口服CQ后，記憶衰退的速度變慢，血漿Aβ42水平下降[24]。另外，CQ的衍生物PBT-2也又類(lèi)似的作用，且比CQ擁有更加廣闊的研究前景[20-21]。

然而，迄今為止，鋅穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致AD發(fā)生發(fā)展的一些問(wèn)題尚待回答，例如鋅穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致Aβ沉積等AD相關(guān)病理改變是否存在關(guān)鍵中間因子？此外，鋅穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)異常與AD發(fā)生發(fā)展還存在很多未解之謎。總之，鋅穩(wěn)態(tài)失衡在AD等神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的作用已引起廣泛關(guān)注，越來(lái)越多的研究也在嘗試深入探討其分子機(jī)制，從而為靶向鋅穩(wěn)態(tài)失衡防治AD提供更多更加充分的科學(xué)依據(jù)。