姜黃素抑制TAU蛋白聚集治療阿爾茨海默癥的研究進展

林文娟，尹大川

（陜西省西安市西北工業(yè)大學生命學院，陜西 西安 710072）

阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）是一種進行性和破壞性的神經(jīng)退行性疾病，患者認知能力會逐漸喪失，在臨床上有較高的發(fā)病率。在過去10 年中，學者們進行大量的研究工作探討其發(fā)病機制，目前普遍認為是由于神經(jīng)原纖維形成的β 淀粉樣斑塊沉積和TAU 蛋白聚集以及其高磷酸化引起的[1]。其中，β淀粉樣斑塊沉積與TAU蛋白的高表達有顯著相關性[2]，同時TAU 蛋白也被認為是阿爾茨海默癥發(fā)病的生物標志物。本文總結(jié)姜黃素抑制TAU 蛋白聚集的機制，為治療阿爾茨海默癥提供新的思路。

1 阿爾茲海默癥病理學研究

1907 年德國人Alois Alzheimer 首次報道這種神經(jīng)退行性疾病的病因，其神經(jīng)病理學特征是老年斑、腦血管淀粉樣病變、神經(jīng)原纖維纏結(jié)和選擇性神經(jīng)元丟失[3]。AD患者組織病理學研究可觀察到額、顳葉皮層細胞大量死亡脫失，大腦皮層中可見細胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)和顆粒空泡變性，神經(jīng)元纖維纏結(jié)由雙股螺旋絲構(gòu)成，TAU蛋白是其主要成分。AD具體臨床表現(xiàn)不同，病理機制復雜，研究者認為AD是一種由遺傳因素和環(huán)境因素促進的復雜的多因素疾病[4]，這使得解析其發(fā)病機制以及疾病治療變得相當復雜。而不論TAU 蛋白的高度磷酸化（p-TAU）還是淀粉樣蛋白的沉積均與TAU蛋白的聚集密切相關，這使得研究如何干預TAU蛋白的聚集變得尤為重要。

2 TAU蛋白的理化特征

大腦神經(jīng)元細胞富含豐富的非結(jié)構(gòu)微管蛋白，TAU蛋白是神經(jīng)元微管細胞骨架的重要組成部分。在細胞水平上，可促進微管細胞骨架的重組，并根據(jù)其亞細胞位置介導不同的功能。人體的TAU蛋白是由17q21.31染色體上的MAPT基因編碼的[5]，在成年人大腦中有6 種TAU 蛋白亞型，分別是0N3R、1N3R、2N3R、0N4R、1N4R、2N4R，其氨基酸含量分別從352～441個[6]。其中2N4R含有441個氨基酸，是人腦中氨基酸含量最多的一種亞型，極易在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基位置發(fā)生磷酸化[7]，且2N4R 亞型包含一個MTB 區(qū)，該區(qū)包含四個假重復序列（R1-R4）加上側(cè)翼富含脯氨酸的區(qū)域（P1，P2 和P3），一個較短（40 aa）的C-末端區(qū)域和長（250 aa）的N-端，從MT結(jié)合狀態(tài)的微管表面伸出，并形成聚合電解質(zhì)的纖維狀聚集[8-9]。TAU 是一種高度可溶的天然未折疊蛋白質(zhì)[10]。在生理濃度下其非結(jié)構(gòu)化N末端的靜電作用與C末端MTB域的疏水作用的相互催化，形成β-折疊結(jié)構(gòu)。TAU蛋白缺乏固定的三級蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在一種無序區(qū)域，像這樣含有內(nèi)在無序區(qū)域的蛋白質(zhì)通常會更容易發(fā)生聚集[11]。此外，2N4R 亞型蛋白內(nèi)部存在不均勻電荷分布[12]增加發(fā)生聚集的可能性。TAU 蛋白主要在神經(jīng)元中表達，在膠質(zhì)細胞[13]和細胞外基質(zhì)[14]中少量表達。

3 阿爾茲海默癥發(fā)病機制

3.1 TAU 蛋白與阿爾茲海默癥 與正常神經(jīng)元細胞比較，發(fā)生病變的神經(jīng)元細胞內(nèi)TAU蛋白有許多變化，例如過度磷酸化、從微管中脫離、聚集、蛋白水解、泛素化、糖基化、氧化、硝化反應、乙酰化作用、氨基酸的修飾、分布以及基因突變。但是TAU 蛋白的這些改變并非全部均與AD 的發(fā)病具有相關性。

研究發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦內(nèi)TAU磷酸化水平顯著高于正常人群[15]。考慮到TAU 蛋白的過度磷酸化先于其聚集，因此，磷酸化被認為是TAU蛋白聚集的主要觸發(fā)因素，然而磷酸化本身并不足以驅(qū)動其聚集，但可能有助于增強正在進行的聚集。AD 患者腦細胞中TAU 蛋白N-糖基化會促進其磷酸化程度的增加[16]。TAU蛋白半胱氨酸通過氧化作用形成二聚體，將分子鎖定在折疊狀，加強其聚集[17]。不同位點的乙酰化作用產(chǎn)生相反的效果，Lys259、Lys290、Lys321 或Lys353 位點的乙酰化可以抑制TAU 蛋白的磷酸化和聚集，而Lys280、Lys174 位點的乙酰化可以促進TAU 蛋白的磷酸化和聚集[18-19]。半胱天冬酶等酶可以裂解TAU 蛋白，產(chǎn)生帶有神經(jīng)毒性的短TAU 蛋白片段，更易形成磷酸化和聚集[20]。TAU 基因突變導致額顳葉癡呆的發(fā)現(xiàn)證實TAU 蛋白在神經(jīng)變性中的作用[21]。在健康人群的大腦細胞中TAU 蛋白集中在神經(jīng)元的軸突，而AD患者大腦細胞中TAU蛋白會從微管脫落下來形成纖維纏結(jié)。早期研究發(fā)現(xiàn)，TAU蛋白的細胞內(nèi)分布與AD疾病的臨床分期相關[22]，TAU蛋白異常會以一種特定的方式在大腦中傳播，異常的TAU 蛋白被鄰近的細胞吸收，從而以朊病毒樣的方式傳播[23]。在動物模型中僅增加TAU 蛋白水平即會引起AD，細胞內(nèi)TAU蛋白出現(xiàn)聚集現(xiàn)象[24]，這說明TAU蛋白聚集引起AD 的獨立性和必需性。但是，硝化反應是通過硝化酪氨酸殘基，減少MT 綁定，改變TAU 的構(gòu)象，減少聚集[25]。在上述作用機制中氧化、乙酰化、蛋白裂解、基因突變、蛋白的脫落等最終均導致TAU 蛋白的聚集，從而引起AD發(fā)病。

聚集會減少與微管的結(jié)合量，導致軸突運輸受損；還會引起細胞骨架功能障礙以及過度的氧化應激反應，進而引起DNA 的損傷[26]。聚集會影響線粒體動力學和質(zhì)量控制[27-28]，而線粒體的功能異常與AD 有顯著相關性[29]。TAU 蛋白片段N-末端與線粒體功能改變和質(zhì)量控制缺陷相關，觀察AD 患者的突觸細胞發(fā)生變化，從突觸細胞分離出的線粒體中觀察到TAU蛋白發(fā)生積累，二者具有相關性。在體外培養(yǎng)細胞或動物體內(nèi)過表達TAU 模型中，也觀察到線粒體動力學的異常。

3.2 β 淀粉樣沉淀與阿爾茲海默癥 在AD 患者大腦中首先出現(xiàn)大量β 淀粉樣沉淀，繼而患者認知能力下降。盡管亞線粒體確切的拓撲結(jié)構(gòu)仍不十分清楚，但是線粒體定位已觀察到β淀粉樣沉淀可能在線粒體相關膜處產(chǎn)生。沉淀會誘導線粒體DNA 損傷、電子傳遞鏈活性和氧化還原平衡失調(diào)[30]。另外，在AD 患者的顳葉區(qū)域細胞中觀察到降解β 淀粉樣沉淀的前序列蛋白酶（PreP）活性顯著降低[31]。在AD患者神經(jīng)細胞內(nèi)線粒體功能障礙會產(chǎn)生大量的活性氧，而氧化應激會增加β淀粉樣蛋白的產(chǎn)生和聚集，加速TAU的磷酸化和聚集，β淀粉樣蛋白和TAU蛋白聚集反過來也會促進這種氧化還原失衡，從而加劇疾病的發(fā)展。

3.3 p-TAU 蛋白與阿爾茲海默癥 AD 中的TAU 蛋白過度磷酸化是由于磷酸化的增加和/或去磷酸化的減少引起的。TAU 蛋白過度磷酸化后主要通過以下幾個方面影響AD 的發(fā)生：①影響微管穩(wěn)定性，磷酸化降低TAU 與微管蛋白的親和力，導致其從微管分離[32]。②促進TAU蛋白聚集[33]，改變TAU蛋白構(gòu)象，加劇纏結(jié)形成。③突觸功能障礙：過度磷酸化會影響軸突線粒體轉(zhuǎn)運，最終引起細胞凋亡[34]。④過度磷酸化會影響蛋白酶體降解和自噬：TAU蛋白是蛋白酶體降解的底物，而p-TAU蛋白聚集會減少自噬的發(fā)生。⑤形成神經(jīng)纖維纏結(jié)（NFTs）。⑥p-TAU 蛋白在形成聚集體之前即會對神經(jīng)產(chǎn)生毒性。

4 姜黃素抑制TAU蛋白聚集的機制

許多學者發(fā)現(xiàn)中藥可以用于AD的治療[35-36]，在數(shù)千年的實踐中，中醫(yī)藥在癡呆癥治療方面積累了許多經(jīng)驗。目前批準用于臨床治療AD 的藥物主要是膽堿酯酶抑制劑類藥物，但只能暫時改善癥狀，不能抑制或逆轉(zhuǎn)AD的進展，且這些藥物存在各種不良反應。因此，尋找一種不良反應小、治療效果好的治療方案尤為重要。中藥單體姜黃素是由姜黃中提取的（見圖1），作為藥物和食材在印度已經(jīng)有數(shù)百年的歷史，此外，姜黃素可以通過血腦屏障，這均是將姜黃素作為治療AD 可能藥物的重要原因。下面對姜黃素作用機制進行闡述。

圖1 姜黃素結(jié)構(gòu)式

姜黃素可以有效抑制β淀粉樣斑塊沉淀的產(chǎn)生[37]和聚集并促進其分解[38]，其作用機制可能是由于姜黃素的疏水性或姜黃素的酮基或烯醇環(huán)與Aβ 二聚體的芳環(huán)之間的相互作用破壞了形成β-折疊所需的作用力，使β-折疊層不穩(wěn)定[39]。姜黃素還可以通過抑制糖原合成酶激酶（GSK-3）活性，降低淀粉樣沉淀含量[40]。此外，GSK-3 可以在絲氨酸和蘇氨酸殘基上添加磷酸基團并調(diào)節(jié)TAU磷酸化[41]，姜黃素抑制GSK-3 活性可以預防細胞的高磷酸化和保護細胞免受神經(jīng)毒性的影響。

研究表明，姜黃素能增加溶液中TAU 蛋白的溶解度，抑制溶液中TAU 蛋白聚集[42]，且可以抑制細胞和小鼠大腦中TAU 蛋白的纖維化[43-44]。其不僅可以抑制TAU 蛋白的形成，還可以分解已經(jīng)形成的低聚物，作用機制可能是由于姜黃素通過調(diào)節(jié)Nrf2-ARE 通路減弱細胞的氧化應激損傷[45]；其還是組蛋白乙酰化酶（p300）的特異性抑制劑[46]，通過抑制p300活性減少TAU蛋白乙酰化之后引起的聚集；半胱天冬酶可以使TAU 蛋白裂解成帶有神經(jīng)毒性的短TAU 蛋白片段，而姜黃素可以顯著抑制半胱天冬酶活性[47]。除上述間接作用機制，姜黃素還可以直接與TAU 的微管結(jié)合區(qū)的MTBR 域的R2位點結(jié)合[42]，改變TAU蛋白構(gòu)象，阻止其聚集。并且，姜黃素與MTBR 區(qū)之間的靜電相互作用可能會阻礙TAU 蛋白之間的相互作用，這是TAU 蛋白聚集過程中最重要的步驟。此外，姜黃素和不同亞型的TAU 蛋白親和能力不同，例如與3R型TAU蛋白結(jié)合的親和力比4R型弱；與TAU蛋白的D225殘基有強烈的親水相互作用。

5 小結(jié)

阿爾茨海默癥在臨床上有很高的發(fā)病率，截止到2019年，我國約有1 000萬患者，其發(fā)病率在老年人中逐年升高，造成巨大的社會醫(yī)療消耗及家庭壓力。目前常規(guī)的阿爾茨海默癥治療方法仍是以其可能的發(fā)病機制和病理變化為根本，旨在改善患者癥狀、延緩病情進展。因此，了解并針對其發(fā)病機理進行治療尤為重要。AD 發(fā)病的三種主要表征中，p-TAU 和β 淀粉樣沉淀均與TAU 蛋白有顯著相關性，因此抑制TAU 蛋白聚集在治療阿爾茲海默癥中起重要作用。而姜黃素不僅具有抗TAU 蛋白高度磷酸化，抗β 淀粉樣蛋白生成和保護神經(jīng)的作用，更重要的是可以通過抗氧化、抗乙酰化、抗蛋白降解以及改變TAU 蛋白構(gòu)象等方式抑制其聚集，又因為其無毒性且價格經(jīng)濟，為治療AD 提供一種新的思路。