1. 引言
阿尔茨海默病(Alzheimer’s Disease, AD)是一种中枢神经系统退行性疾病,临床症状主要有进行性记忆力减退和认知功能障碍 [1] 。一项世界卫生组织的报告显示,在年过60的老年病人中,AD患者占11.2%,超过心血管疾病、中风和癌症,成为老年人疾病四大杀手之一 [2] 。Ferri和Prince等通过典型流行病学的调查估计,2001年全世界大约有2400万人患有痴呆症,假设今后痴呆病的死亡率保持不变,且始终缺乏有效的预防手段和治疗药物,那么患病人数将会每二十年翻一番,预计至2020年患病人数将达4200万,2040年则达到8100万 [3] 。而这些患者中绝大部分都是AD患者,因此,AD成为一个世界性的公共健康问题,并逐渐成为人们研究的重点。
2. β-淀粉样蛋白假说
AD的病理特征主要为β淀粉样蛋白(Amyloid β peptide, Aβ)在细胞外沉积形成的老年斑(senile plaque, SP),细胞内由高度磷酸化Tau蛋白形成的神经纤维缠结(Neurofibrillary Tangle, NTF),以及大量神经元的丢失 [4] 。AD的病因及发病机制十分复杂,是年龄、环境和遗传等多种因素共同作用的结果,现阶段AD的发病机制学说主要有胆碱能学说 [5] 、β-淀粉样蛋白假说 [6] 、自由基损伤学说 [7] 、炎症机制学说 [8] 、Tau蛋白假说 [9] [10] 、神经血管学说 [11] 等,其中支持β-淀粉样蛋白假说的证据最多。
β-淀粉样蛋白假说认为Aβ是引发AD的主要因素,Aβ在体内沉积后引起一系列事件,比如小胶质细胞和星形胶质细胞被激活形成炎症反应,突触和神经元损伤,参与Tau蛋白高度磷酸化过程的磷酸酶和激酶的活性改变并诱导Tau蛋白聚集,神经元离子平衡改变,以及细胞凋亡等 [12] 。其中Aβ引发细胞凋亡是目前研究AD发病机制的热点,有研究表明细胞的过度凋亡可能是导致AD患者发生神经退行性病变的原因。
3. Aβ引发神经元凋亡的作用机制
目前Aβ诱导神经元凋亡的细胞学和分子学机制尚未完全清楚,根据其启动的凋亡传导通路可将细胞凋亡的途径大致分为线粒体介导的细胞凋亡途径、死亡受体细胞凋亡途径以及内质网介导的细胞凋亡途径,其中以线粒体介导的细胞凋亡途径最为经典 [13] 。
3.1. 线粒体介导的细胞凋亡途径
线粒体作为真核生物能量代谢的中心,也是调控细胞凋亡最重要的结构之一。线粒体介导的凋亡途径是指线粒体应激释放细胞色素C (Cytochrome C, Cyt C),在ATP/dATP存在条件下与凋亡蛋白酶活化因子(Apoptotic protease-activating factor, Apaf-1)结合,诱导Apaf-1自身多聚化,形成8个亚单位的Apaf-1多聚物,然后通过Apaf-1氨基端募集胞质中的Caspase-9前体,从而改变其构象,使其自我剪切而活化并启动Caspase级联反应,经多步骤水解反应后激活下游的Caspase-3和Caspase-7,通过蛋白水解作用诱导细胞凋亡。其中,活性Caspase-3是级联反应中关键蛋白酶,是多种凋亡途径的共同下游效应部分 [14] 。
鲍娟、杨期东 [15] 等研究发现,双侧海马注射Aβ1-42建立AD大鼠模型后,大鼠海马组织中细胞色素C、Caspase-9的表达均增加,其中Cyt C的释放是线粒体凋亡路径的主要步骤,这些结果提示Aβ1-42的毒性作用可以激活线粒体凋亡途径,促使神经元凋亡,从而导致海马神经元的大量丢失。线粒体膜电位的变化可以反应其功能是否正常 [16] ,几乎所有的细胞凋亡都出现线粒体膜电位下降的现象。有研究显示Aβ处理后的大鼠皮层神经元线粒体膜电位是正常细胞的(65.9 ± 4.5)%,神经元明显损伤,细胞存活率下降 [17] 。
3.2. 死亡受体细胞凋亡途径
该途径是指细胞受到胞外信号诱导所形成的细胞凋亡途径,因而也称外源性凋亡途径。哺乳动物的细胞表面至少有八种死亡受体:TNFR1、TNFR2、FAS、DR3、DR4、DR5、DcR1和DcR2。它们都属于肿瘤坏死因子受体(TNF Receptor, TNFR)超家族,在胞外有一个富含半胱氨酸的结构域,而在胞浆区有一个由同源氨基酸残基构成的结构,这一结构有蛋白水解功能,称为“死亡区域”(Death Domain, DD) [18] 。
Fas凋亡途径是凋亡机制的重要通路,Fas又称为CD95分子,属于I型膜蛋白,在细胞凋亡中承担信号转导的作用,Fas配体(FasL)属于Ⅱ型膜蛋白,是一个同源三聚体,可以与Fas分子胞浆内的死亡区域结合,有研究显示,PC12细胞经Aβ诱导后,Fas的mRNA和蛋白表达温和上调,FasL的mRNA和蛋白表达显著增加 [19] ,这与Morishima Y,Gotoh Y [20] 等的研究相吻合。每个FasL分子结合三个Fas分子,使得在Fas的死亡区域形成三聚体的活化形式,随后募集胞质中Fas的相关死亡结构域(Fas-Associated Death Domain, FADD),FADD和Fas、Caspase-8形成死亡诱导信号复合物(Death-Including Signaling Complex, DISC),从而引起Caspase-8酶原自我剪切活化成为活性的Caspase-8,活化的Caspase-8进一步激活启动下游的Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7等相关蛋白酶级联反应 [21] ,因此继Fas和FasL表达增加后,Caspase-3和Caspase-8的mRNA表达也同时增加 [19] ,最终导致细胞凋亡。
3.3. 内质网介导的细胞凋亡途径
细胞凋亡除上述两种经典途径外,还存在内质网介导的细胞凋亡通路。内质网广泛存在于真核细胞中,在参与膜蛋白的合成、修饰和折叠,脂类代谢,类固醇代谢并维持细胞内钙离子内环境稳定等方面发挥关键性作用 [22] ,是细胞内重要的细胞器。JNK信号通路作为内质网通路之一,被认为是一条导致细胞凋亡的重要通路,研究显示,Aβ诱导大鼠皮层神经元后,皮层神经元中c-Jun的磷酸化水平升高 [23] ,c-Jun的磷酸化和持续性表达是神经元凋亡的必经之路,JNK作为c-Jun磷酸化调节的关键因素,是Aβ诱导神经元凋亡的重要途径。
除JNK信号通路外,Caspase-12激活通路也是内质网通路之一,并且是内质网特有的细胞凋亡通路。Caspase-12位于内质网膜,以无活性的procaspase-12形式存在,在内质网应激时被活化,是内质网介导细胞凋亡的关键因子。程青格,徐平 [24] 等通过检测Aβ25-35致痴呆大鼠海马组织中的蛋白表达发现,Aβ25-35对大鼠海马区内的注射增加了Caspase-12蛋白及其mRNA的表达。而激活的Caspase-12可进一步剪切Caspase-3从而引发细胞凋亡。
4. 展望
AD是目前公认的世界性医学难题,现今已有少数药物获得批准用于治疗AD,但这些药物只能延缓这种疾病的进程,而不能达到治愈的效果。目前关于Aβ作用机制的研究主要针对其炎症机制和自由基氧化作用机制等方面,在这些领域Aβ作用机制的研究已较为成熟,与此同时,一些研究虽然阐述了Aβ在AD中的促神经元凋亡机制,但仍不够全面,本综述较为系统地总结了Aβ促进神经元凋亡的作用机制,并从三个方面详细地介绍其研究进展。细胞凋亡是机体的正常生理现象,贯穿整个生命活动。我们可以通过研究Aβ诱导细胞凋亡的各条通路,探索如何对AD患者神经元丢失等症状进行干预,寻找治疗疾病的突破点,因此研究Aβ诱导细胞凋亡的通路、调控及其相互关系对进一步认知、预防和诊治AD具有重要意义。
基金项目
广东省重大科技专项(2012A080201005)。