阿爾茨海默病與內質網Ca2+紊亂的研究進展

鄭鵬豆,王昭君(山西醫科大學細胞生理學教育部重點實驗室,太原 03000;山西醫科大學生理學系,細胞生理學教育部重點實驗室;通訊作者,E-mail:wzhaojun05@6.com)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種以學習記憶能力障礙為主要表現的漸進性神經系統退行性疾病,主要累及患者的海馬體和大腦皮質區。AD的主要病理特點是該病患者腦內普遍的神經元凋亡、大腦皮質內出現神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles,NFTs)和老年斑(senile plaque,SP)。據報道,世界上每3 s就會出現一個該病患者[1],然而令人惋惜的是至今尚無有效緩解和完全治愈的藥物問世。其發病機制復雜,目前為大多數學者所認可的假說主要有:遺傳學因素、Aβ學說、興奮性氨基酸毒性作用、鈣離子(Ca2+)穩態失調、胰島素相關代謝異常、中樞膽堿能系統受損、微管相關蛋白異常學說、自由基與氧化應激、炎癥與免疫機制等,其中Ca2+失調假說受到廣泛關注,該假說提出在AD發病早期Ca2+失調使得細胞信號通道異常進而造成細胞功能癱瘓,導致突觸傳遞功能障礙和神經元受損。本文將對這一假說延伸的新型預防或治療性藥物的機制及其臨床指導價值做一綜述。

1 Ca2+與AD的相關性

AD的鈣失調假說于1987年由生理學家Khachaturian[2]教授首次提出,但起初并未獲得關注。然而近幾年的科學研究提供了更加充分的證據證明神經細胞內Ca2+紊亂出現在AD病程進展中甚至是AD病理改變早期,在2017年該假說才被正式提出并簡單概述了現階段需要解釋清楚的諸多疑問[3]。AD的Ca2+假說并不獨立存在,與其他假說關系密切,鈣信號傳導通路的異常改變可能繼發于β-淀粉樣蛋白(Aβ)的毒性破壞、早老素(presenilin,PS)神經毒性作用和細胞器功能紊亂等。Ca2+是神經細胞內許多信號傳遞通路的媒介,這些離子通路包括了鈣庫操控的Ca2+通道(store-operated calcium entry,SOCE)、電壓門控Ca2+通道(voltage-gated Ca2+channel,VGCC)和非特異性離子型谷氨酸受體(non-specific ionotropic glutamate receptor,iGluR)。神經細胞內也存在含大量Ca2+的鈣儲池:內質網(endoplasmic reticulum,ER)和線粒體。因此,Ca2+也能夠通過ER膜上的IP3受體和Ryanodine受體釋放到胞質內[4,5]。而線粒體則通過單向轉運體對Ca2+進行攝取[6]。過量的Ca2+進入線粒體內造成鈣超載可導致線粒體通透性轉換孔(permeability transition pore,PTP)的開放,誘導細胞程序性死亡從而影響線粒體功能,繼發神經功能癱瘓[7]。

散發型AD(sporadic AD,SAD)患者一般在70-80歲階段出現首發癥狀,而家族型AD(familial AD,FAD)則較早出現。此時人類大腦的保護機制發揮重要的修復作用來對抗疾病的發生。當神經損傷超過修復閾值,病理改變開始出現,Ca2+失調便是其中之一。在AD的實驗模型研究中發現隨著疾病發展細胞外Ca2+水平不斷上升,胞內Ca2+濃度也隨之持續增加[2,8]。那么為什么AD發展中Ca2+濃度會進行性升高?是否存在某些信號通道異常調控?我們是否可以從其中得到預防治療AD的新策略?此外,APP(amyloid precursor protein)、PS1(presenilin 1)、PS2(presenilin 2)這些FAD主要的潛在危險基因突變和Ca2+水平的變化最為密切。自Aβ學說創立以來,APP蛋白水解后產生的Aβ一直被認為是AD病理改變的始發因素。現在大量的研究使得其核心地位受到質疑[9,10],并提出胞內Ca2+的紊亂似乎在AD的早期病理過程中起到了至關重要的作用。PS是γ分泌酶的催化亞基,在γ分泌酶的催化下,APP水解產生有毒性的β淀粉酶。另外PS1可以作為被動Ca2+漏通道[11,12]。

2 AD中神經組織Ca2+信號變化

2.1 細胞外Ca2+信號

Aβ學說自問世以來一直被認為是導致AD的關鍵因素,其神經毒性作用備受學者們關注[13],但隨著科學研究的發展,該學說的地位受到動搖[9,10]。現有諸多研究表明Aβ的濃集會導致細胞內Ca2+水平增加[14-21]。Lopez等[22]也發現在AD動物模型以及AD患者腦細胞內Ca2+水平均較正常參數高,并且可能是導致AD疾病進展的主要原因。有證據顯示,Aβ能夠促使胞內形成Ca2+通道[23],尤其是NMDAR(N-methyl-D-aspartate receptors)[24-26]。LTP(long-term potentiation)的形成需要激活的NMDAR,而LTP又是腦內形成記憶的分子基礎。Aβ使NMDAR過度興奮繼發胞內鈣超載,增加了神經組織的興奮性毒素易感性[27,28]。也有研究證明Aβ寡聚體能直接結合NMDAR并對其活性進行調控[29-31]。許多研究也證明在AD早期階段Aβ可通過激活NMDAR導致神經細胞內Ca2+水平逐步升高[26,32,33]。在神經膠質細胞特別是星形膠質細胞中也可觀察到Aβ寡聚體損傷RyR介導的Ca2+信號[35]。此外亞致死濃度的Aβ寡聚體可通過影響NMDAR使Ca2+持續內流,使線粒體裂解并且抑制RyR介導的樹突棘的重塑[34]。Aβ42寡聚體能夠通過促使RyR介導的Ca2+釋放和抑制Ca2+經NMDAR以及VGCC的內流使胞外Ca2+濃度升高,而胞內大量的Ca2+是由BK(big conductance Ca2+-activated potassium)通道激活所觸發的鉀離子電流造成的,同時海馬的功能活動也會被抑制[36]。在體動物實驗中也發現Aβ寡聚體能夠激活NMDAR從而致使動物腦內基礎Ca2+水平升高,致使突觸棘受損[37]。相反,應用Aducanumab(抗Aβ抗體)能夠通過保護NMDAR的功能有效減輕Tg2576小鼠中出現的Ca2+穩態破壞[38]。另外還有研究表明Aβ能夠減少細胞膜上NMDAR的表達并增強其內吞作用[39],通過損傷NMDAR依賴的LTP[40]和減少樹突棘中NMDAR抑制Ca2+內流[40,41]。

VGCC是胞膜上的另外一個鈣通道。有研究指出Aβ寡聚體能破壞海馬神經元的突觸傳遞功能,而這可能是因為Ca2+通過P/Q型電壓門控鈣通道減少[42]。然而,也有學者表示在HEK293細胞中發現Aβ寡聚體可以增加P/Q型VGCC引發的電流[43]。這種差異的表現可能是由于同一分子在不同環境下對相同的離子通道調節作用不同所致。例如,鉀通道阻斷劑K-conotoxin PVIIA能通過激活鉀離子通道使鉀電流增強或減少[44]。還有研究表明在3xTg-AD小鼠CA1腦區中的年齡依賴的L型電壓門控鈣通道(L-VGCC)電流增加[45]。此外還有其他許多應用患者或者AD動物模型的研究也證實通過抑制L-VGCC的功能能有效保護神經元以及突觸[45-49]。

2.2 內質網Ca2+信號

不僅神經元膜上的Ca2+通道可受到影響,ER膜上鑲嵌的兩個介導Ca2+釋放的Ca2+通道,IP3R和RyR,也可受到Aβ的影響[50,51]。內質網不僅是蛋白質合成和空間結構形成的重要場所,同時也能夠通過整合細胞內外的各種有關信號影響應激細胞的轉歸。另外,內質網內的Ca2+濃度可調節范圍大,可通過釋放、內流和重吸收等共同作用調控人體組織內各種細胞信號,使其發生一系列功能變化例如內分泌調節、肌肉收縮、細胞死亡以及學習和記憶等。有研究發現,皮層神經元內的Aβ40和Aβ25-35均能引起IP3R和RyR介導的Ca2+釋放增加;此外,在成神經細胞瘤細胞中也發現Aβ42能通過IP3R介導的信號傳導通路引起Ca2+釋放[51]。相反,在Tg2576小鼠中可發現如果減少RyR介導的Ca2+釋放會使胞內外的Aβ沉積減少[52]。Briggs等[53]學者證明胞內的Aβ和Ca2+水平的變化是相互影響的,而胞外Aβ水平和胞內Ca2+的關系仍需進一步探究。Aβ水平的增高可導致IP3通道增加可能是由于過度激活了突觸mGluR5受體[54],NMDAR功能改變可能是使RyR介導的鈣釋放增加的原因[34,55,56]。

San Martin等[57,58]學者的研究也顯示Aβ寡聚體能通過促進RyR2介導的鈣釋放使線粒體內Ca2+和ROS的增加甚至導致線粒體破碎。而敲除細胞膜上的RyR2能有效削弱Aβ的毒性作用同時也可保護線粒體的功能。胞內ER鈣信號改變和Aβ聚集之間的關聯在AD動物模型中也得到了證實[59]。給予爪蟾卵母細胞Aβ寡聚體能激活G蛋白形成IP3,繼而增加Ca2+從ER釋放。相反,有研究發現DT40雞B淋巴細胞系細胞膜上的IP3R并不參與Aβ42造成的ER Ca2+釋放,這或許說明Aβ42作用于ER的路徑并不單一[51]。此外,ER中SERCA泵可使Ca2+內流濃聚來影響胞內Ca2+濃度[60],同時,它還是影響SOCE的主要因素之一[61]。

ER不僅可以直接調控胞內Ca2+含量,還能影響細胞膜上的鈣通道和細胞器如線粒體內Ca2+的濃度[62]。ER中的Ca2+虧空可導致STIM蛋白激活,使激活的STIM蛋白從ER內轉移到細胞膜上并結合細胞膜上的SOCs(store-operated Ca2+channels),例如ORAI蛋白,從而導致Ca2+重吸收的增加[63,64]。線粒體與ER之間存在具有脂質結構的單向轉運體:MAM(mitochondria-associated ER membrane)[65],它通過維持ER中Ca2+向線粒體單向轉運的功能,調節細胞的應激能力和線粒體的功能,可在維持胞內鈣穩態的過程中起到決定性作用[66]。

3 內質網內Ca2+紊亂與AD

Aβ是AD神經組織中淀粉樣斑塊的主要組分,其經γ分泌酶剪切而成。γ分泌酶的催化中心是PS,因此FAD相關的變異會影響γ分泌酶的功能[67]。但是FAD突變對于γ分泌酶的功能影響的具體機制是什么還存在爭議[68-70]。但調節γ分泌酶的活性能夠影響Notch的產生,或許可以為治療AD提供新的思路[71]。APP的胞內結構域也可通過調節胞內基因表達從而影響ER內Ca2+釋放[72]。

諸多研究均表明AD中PS突變可導致Ca2+調節功能的紊亂,但是這種改變與Aβ的聚集和γ分泌酶功能的改變之間的關系并不密切,而是由IP3R以及RyR活性的變化導致的[53,73-75]。許多AD模型的研究都發現各種不同PS突變可使RyR表達升高從而使其介導的Ca2+釋放增加[55,76-80]。PS的胞內N端區域能夠與RyR相互作用從而調控Ca2+釋放通道的功能[81,82]。有研究顯示,正常老年鼠的前額皮層及小腦中PS2、PS1的比例顯著增加,并且此類鼠有嚴重的空間學習記憶能力障礙和自主運動功能損傷[83],這些功能的改變都與胞內Ca2+水平的增加有關,且有年齡依賴的特點[53]。綜上所述這些研究都證明了AD中胞內Ca2+濃度的過度增加以及ER過度釋放Ca2+都是由PS與RyR相互作用所導致的[82]。

另外,大量的研究指出PS突變同樣會使IP3R介導的Ca2+釋放增加,這個現象在許多AD動物模型和細胞系中都得到了證實[78,84-86]。在PS1敲除的小鼠中也可發現IP3R介導的Ca2+信號的改變[87]。我們也發現FAD突變、PS1和PS2增強IP3R通道釋放Ca2+的能力比單純改變IP3R水平引起的改變更強,而這可能是PS影響ER Ca2+信號的間接機制。除此之外,PS也能與IP3R發生相互作用而促使其開放[86]。最近應用大數據計算模型的一項研究表明在PS突變的FAD中,只需要少量的IP3和Ca2+就能明顯增強IP3R的功能活動[88]。之后,該研究小組通過計算機模擬AD模型發現PS突變會使更多的Ca2+通過IP3R釋放進入胞內,同時ER通過MCU進入線粒體中的Ca2+也會更多,使得細胞內的Ca2+水平超過毒性閾值,最終誘導細胞死亡[89],這些研究成果揭示了AD細胞內線粒體功能障礙與Ca2+紊亂具有直接關系。

但是,還有其他研究表明了PS有一些功能的發揮不依賴于γ分泌酶,而是通過轉化為內質網上的Ca2+被動泄露通道來發揮作用[89-91]。雖然這一假說在起初提出時就備受質疑[92],但是卻在后來的動力學模型中得到了再次驗證[93]。PS可以轉化為Ca2+通道的這一功能并不絕對,它僅部分體現在了FAD相關的基因突變模型中。比如說,PS1突變的經典模型——M146V位點突變,該位點突變可以削弱Ca2+漏通道的功能;而當另一種PS突變類型——外顯子9被刪除時,反而可以增強ER的Ca2+漏通道功能[94]。Nelson等[91]還發現AD患者的臨床表現與FAD基因突變中內質網Ca2+漏功能的變化之間關系密切。另有證據顯示D385位點的突變比D257位點的突變調節Ca2+通道功能更明顯[12,95]。

4 內質網與淀粉樣β蛋白(Aβ)

雖然Aβ對胞內Ca2+平衡狀態的影響已經獲得了確認,但是胞內Ca2+穩態是否對Aβ產生影響現在還存在較大爭議。一些學者們認為胞內Ca2+的持續升高可以加快Aβ的形成,如果這一學說成立,那么減少ER內Ca2+的釋放就能夠對抗Aβ神經毒性,成為一種新的神經保護策略[96-98]。在AD患者早期階段的腦中以及AD轉基因鼠模型中都發現RyR表達活躍和活性增加,這種改變會加快AD的進展[77,99,100]。Querfurth等[101]學者利用HEK293細胞證實應用咖啡因激活RyR后可升高胞內Ca2+水平進而促進APP分解出有神經毒性的Aβ片段。有學者利用AD患者腦組織進行研究證實RyR的減少與Aβ的沉積關系密切[100]。在Tg2576小鼠腦中應用丹曲洛林——RyR的抑制劑,能夠減少胞內外的Aβ累積從而減輕小鼠的神經功能障礙。這一保護功能是通過降低胞內Ca2+濃度從而抑制β、γ分泌酶的活性以及APP的磷酸化實現的[102]。然而,仍然有證據質疑這一結論。如果敲除神經元的RyR3,Aβ反而會增加,且研究者們發現在丹曲洛林長期治療的轉基因AD小鼠腦中的Aβ水平較用藥前高[103,104]。

同樣,IP3R的變化也會對Aβ產生影響。Cheung等[105]學者發現當敲除細胞的IP3R時,Aβ的產生也會相應減少;Pierrot等[106]學者則證實單獨增加ER釋放Ca2+還不足以使胞內Aβ的產生增加,還需要協同胞外鈣內流;Koran等[107]學者的研究表明CACNA1C與RyR3有密切聯系,而這種相互作用會最終導致Ca2+紊亂以致Aβ的產生和沉積增加。

有研究發現胞內Ca2+水平的增加可以減少Aβ的產生。IP3R在Aβ產生過程中發揮的作用存在爭議。有實驗發現AD患者腦中的IP3以及IP3R的含量反而較正常水平下降[108];胞內Ca2+水平升高反而可以減少Aβ的產生,抑制APP的淀粉樣水解[109]。最近的一項研究還證實了STIM1過度表達可使SOCE介導的Ca2+向胞內內流增加,但卻會抑制Aβ的產生[110]。同時,有大量研究均表示在AD動物模型的海馬以及AD患者腦內均發現了STIM2含量下降的表現[111-113],而突變的PS可能具有清除STIM的功能[114]。因此,此機制尚需進一步研究和討論。

另外,ER作為蛋白質形成和折疊的重要場所,對Aβ的產生和聚集也起著重要作用。如ERAD(endoplasmic-reticulum-associated degradation)是識別和轉運錯誤折疊蛋白的一個多級過程,它既保證了細胞內mRNA正確翻譯,又可識別并降解錯誤折疊蛋白,是細胞的“蛋白質質量監控中心”[115]。最近的一項利用基因組學的研究發現,ERAD的一個關鍵組成membralin的減少會促進Aβ的沉積、樹突棘的喪失以及神經元死亡進而導致患者記憶功能的逐漸喪失[116]。

5 結論

由于神經系統本身具有的復雜性,Ca2+信號是否是AD的始動環節尚存在較大的爭議,該機制與其他經典機制之間的關聯也需要進一步解開。關于內質網中Ca2+紊亂與阿爾茨海默病之間的明確關系也尚未具體系統地闡述,但在AD患者腦中新的位于細胞和細胞器中Ca2+信號通路的不斷發現,均表明ER上的Ca2+信號通路在AD病理進程中起到了重要作用。同時,以上關于AD患者神經細胞內內質網膜上IP3R和RyR、神經細胞膜上NMDAR和VGCC、鈣離子漏通道等通路的異常調控導致的Ca2+超載與AD的結構和功能損傷密切相關的研究,都將為Ca2+紊亂學說提供進一步的證據。這或許會為未來攻克AD提供新的指導理論。