阿尔茨海默病中Tau蛋白与胆碱能受体的关系

　　　　　　 作者：王晓亮 单可人 官志忠

【关键词】 阿尔茨海默病;Tau蛋白;胆碱能受体

阿尔茨海默病(AD)是一种主要在老年期发生的以进行性痴呆为主要特征的神经元退行性变性疾病，其主要临床表现为进行性认知功能障碍、记忆力衰退、失语、性格和行为改变等。AD患者给家庭和社会带来沉重的负担，因此AD发病机制的研究和防治手段的探索已经成为亟待解决的医学课题和社会问题。导致AD的原发因素尚不明确，其发病机制十分复杂。病理学上以神经细胞内神经原纤维缠结(Neurofibrillary tangles，NFTs)和细胞外老年斑(Senile plaques，SPs)形成为主要特征。NFTs由许多互相缠绕细丝形成的成对螺旋状结构(Paired helical filament，PHF)组成，其主要成分是过度磷酸化的微管相连Tau蛋白。SPs主要由β 淀粉样蛋白(βamyloid peptide，Aβ)的过度沉积而形成，Aβ是一种由39～43个氨基酸组成的多肽，由β淀粉样蛋白前体蛋白(βamyloid precursor protein，APP)经β分泌酶及γ分泌酶水解生成。Tau蛋白异常过度磷酸化在聚集成NFT的过程中和AD神经细胞退行性变性中起着非常重要的作用。AD病人脑内存在多方面的胆碱能系统功能障碍，主要表现为脑内乙酰胆碱减少、胆碱合成酶活性低下、胆碱能受体数目减少。胆碱能受体与认知功能密切联系，其功能受损在AD的发病中也具有非常重要的意义〔1〕。本文将简要综述AD中Tau蛋白磷酸化和胆碱能受体的相互作用关系。

　　1 Tau蛋白磷酸化与AD

　　Tau蛋白是一种神经元微管相关细胞骨架蛋白，正常情况下广泛存在于神经元内，轴突含量很高。Tau蛋白基因位于17号染色体长臂(17q21)，全长约为100 kb，共包含16个外显子。由Tau蛋白基因编码，通过对外显子2、3、10选择性剪切而产生6种不同的mRNA，最后翻译成6种不同的Tau蛋白异构体。成年人脑组织中同时表达6种Tau蛋白异构体，而在胎儿脑中仅存在最短的Tau蛋白异构体。这些异构体分子量在50～64 kD之间，分别由352、381、383、410、412和441个氨基酸残基组成。它们的区别在于C末端是否含3或4个由31～32个氨基酸残基组成的微管结合区以及N末端存在或缺失29～58 个氨基酸残基构成的插入序列。Tau蛋白通过C末端的微管结合区与微管结合，促进微管的组装，并参与轴突运输。N末端称为外伸结构域，它从微管表面外伸出来，与其他细胞骨架成分和细胞膜接触，在维持轴突的稳定中发挥重要的作用〔2〕。

　　Tau蛋白的生物学功能是催化微管装配和稳定微管结构。在正常状态时，磷酸化强度是由蛋白激酶(催化磷酸化反应)和蛋白磷酯酶(催化去磷酸化反应)的相对活性来调节的。AD病人脑中Tau蛋白可以分成三种形式：①胞浆非异常磷酸化Tau蛋白(CTau);②可溶性的异常磷酸化tau蛋白(AD pTau);③不可溶的异常磷酸化tau蛋白(PHFTau)。正常的Tau蛋白是一种含磷蛋白质，其磷酸化程度为每摩尔蛋白2 mol磷，而PHFTau的磷酸化程度达到每摩尔蛋白8 mol磷。到目前为止在PHFTau中已发现37个丝氨酸(Ser)和苏氨酸(Thr)残基磷酸化位点〔3〕。Tau蛋白的过度磷酸化促使Tau蛋白聚集形成成对的螺旋状纤维丝结构，并使Tau蛋白及其他微管相关蛋白从微管释放，从而导致细胞骨架异常，轴浆运输障碍。因此，PHFTau在AD及其他Tau相关性神经退行性疾病的病理机制中起重要作用〔4〕。临床病理学研究发现AD患者的痴呆症状严重程度与脑组织中的NFT数量呈正相关。蛋白磷酸酯酶介导的Tau蛋白去磷酸化是维持细胞内磷酸化和去磷酸化平衡的关键因素，因此蛋白磷酸酯酶的活性降低或功能障碍是神经退行性疾病细胞内出现Tau聚集的原因之一〔5〕。

　　2 AD发病机制中胆碱能受体的改变

　　2.1 神经型尼古丁乙酰胆碱受体(neuronal nicotinic acetylcholine receptors，nAChRs)与AD 尼古丁乙酰胆碱能受体(简称尼古丁受体)为递质乙酰胆碱门控的离子通道型受体，分为外周型(肌肉型)和中枢型(神经型)两类。在乙酰胆碱递质系统中，尼古丁受体含有多种亚单位，最早从肌肉和Torpedo鱼的电器官中提纯出来，按顺序命名为α、β、γ、δ(成人型)、ε( 胎儿型)等，分子量为40～60 kD。肌肉型尼古丁受体有α1，β1，γ，δ，ε 等5 种亚单位，nAChRs有α2～α10和β2～β4 等12种亚单位。α亚单位的特征是其近N末端处有一对半胱氨酸残基存在，这是与乙酰胆碱及其他激动剂的结合位点。β亚单位被认为是nAChRs中的结构亚单位，在维持尼古丁受体结构稳定性中起重要作用。与肌肉型尼古丁受体一样，nAChRs激动剂识别位点位于α 及β亚单位的交界面。不同的α和β亚单位在不同脑区的组合表达而产生具有特殊功能的nAChRs亚型。大脑中最常见的尼古丁受体亚型为α4β2(异源性五环结构)及α7( 同源性五环结构)。

　　nAChRs与认知功能呈显著的正相关。通过对死后的AD病人的标本进行研究，与同年龄正常对照组相比，α4亚单位在海马和大脑皮层中分别降低了35%和47%;而α3亚单位在海马和大脑皮层分别降低了29%和35%;α7亚单位在海马中降低了36%，在大脑皮层无明显降低;β2亚单位与对照组相比没有明显的差异〔6〕。通过对AD病人的如正电子发射图谱(Positron emission tomography，PET)研究发现，在疾病发生的早期即出现特异性的尼古丁受体减少，这与AD病人认知功能关系的改变有密切关系〔7〕。携带瑞典家族性遗传性APP突变基因(APP670/671，APPSWE)的AD患者出现大脑皮层萎缩和nAChRs数量明显减少〔8〕。Nordberg等的研究显示慢性尼古丁的作用能降低APP转基因小鼠中的Aβ斑量〔9，10〕，nAChRs与AD有着密切的联系，对nAChRs的结构功能与AD关系的阐明，可能提供一种有效防治AD的方法。

　　2.2 毒蕈碱样乙酰胆碱受体(Muscarinic acetylcholine receptors，mAChRs)与AD mAChRs( 简称毒蕈碱样受体)属于G蛋白耦联受体超家族成员。目前mAChRs亚型按药理分型将M受体分为M1～M4 4种亚型，分子生物学分型则依据M受体克隆基因序列的差异，分为m1～m5，5种亚型。药理学的M1～M4型分别与分子生物学的m1～m4型相对应，而m5尚缺乏对应的药理学分型。M受体亚型m1～m5分子量为51～66 kD，由460～590个氨基酸残基组成，其氨基酸形成7次跨膜结构，氨基端位于胞外、羧基端位于胞内，并形成3个胞外环与3个胞质环。M受体亚型在脑中分布具有区域特异性，其中m1受体在脑内分布广泛，以皮层、海马和纹状体居多;m2受体在皮层和海马也有分布，但主要在丘脑及后脑;m4受体在纹状体分布较多;而m3和m5受体在脑内分布较少。mAChRs与激动剂(如乙酰胆碱)结合后，激活GTP结合蛋白从而使第二信使系统激活。mAChRs具有调节中枢神经系统、外周神经系统及副交感神经系统的功能。神经突触mAChRs的丧失与AD的发生有关，早期的研究发现，在AD病人大脑中非选择性M受体强阻断剂[3H]二苯羟乙酸奎宁酯(Quinuclidinyl benzilate，QNB)结合位点明显减少。利用放射自显影技术对AD患者的M受体亚型进行测定，发现m1受体在额叶和海马密度降低，m2受体在海马降低，而在纹状体密度则升高。利用同样方法测定内嗅皮质和海马m1、m3受体及M受体总密度，结果发现均明显降低〔11〕。在AD病人中发现mAChRs与G蛋白结合连接紊乱，这可能是由于Aβ的损伤导致神经信号转导减少、分泌型APP减少以及Aβ 产生增加，从而进一步加剧胆碱能系统的损害。另一方面，在与AD相关的数种动物模型研究中发现M1受体激动剂能提高分泌型APP水平，减少Tau蛋白磷酸化、高磷酸化，并且使病人的认知功能恢复〔12〕。mAChRs与AD的认知功能障碍密切相关，其功能受损可能与AD的发病机制有关。

　　3 AD中Tau蛋白磷酸化和胆碱能受体的相互作用关系

　　nAChRs与很多大脑功能有关，如认知功能、记忆功能、对其他神经递质释放的调节及神经保护功能，在AD的发病中占有重要的作用。相比于Aβ和nAChRs相互作用关系在多种水平上的研究，目前AD中Tau蛋白过度磷酸化与nAChRs相互作用关系的研究只有少数报道。通过对吸烟史与AD病理特征关系的研究发现，在AD病人脑中神经原纤维缠结的数目与吸烟呈正相关。体外的研究发现通过尼古丁及其他nAChRs激动剂处理SHSY5Y细胞，能显著增加Tau蛋白磷酸化水平〔13〕。α7 nAChRs在Aβ诱导的Tau蛋白磷酸化过程中起着重要调节作用，这种作用主要通过激动细胞外信号调节激酶(Extracellular signalregulated protein kinases，ERKs)和cJun氨基末端激酶(CJun Nterminal protein kinase，JNK)产生。α7 nAChRs激动剂能够使增加Tau蛋白的磷酸化，而预先用α7 nAChRs阻滞剂处理则削弱Aβ诱导的Tau蛋白磷酸化作用〔14〕。在转基因AD动物模型中研究显示慢性尼古丁作用于转基因AD小鼠能显著增加Tau蛋白的磷酸化和聚集。这种作用被认为是由于激动了P38有丝分裂原活性蛋白激酶(p38 mitogenactivated protein kinase，p38MAPK)，而这种激酶在体内和体外的研究中都被证明具有磷酸化Tau蛋白的功能〔15〕。一系列的实验都证实nAChRs在AD发病中具有重要作用，而nAChRs和Tau蛋白磷酸化之间的作用及其机制还有待进一步的研究阐明。

　　mAChRs为维持大脑学习、记忆等功能的重要受体之一，其功能的下降可能为AD的发病原因之一。Forlenza等的研究指出，由于某些M受体与蛋白激酶C(Protein kinase C，PKC)相关，PKC抑制糖原合成激酶3β(Glycogen synthase3β，GSK3beta)磷酸化Tau蛋白的作用，通过激活M受体，从而可以减少Tau蛋白磷酸化。实验结果也显示在神经元细胞非选择性M受体激动剂卡巴胆碱能够减轻Tau蛋白磷酸化，在非神经元细胞M1受体激动剂能够减轻Tau蛋白磷酸化〔16〕。利用M1受体激动剂还可以改善载脂蛋白E基因缺陷小鼠的记忆障碍并抑制Tau蛋白磷酸化〔17〕。通过选择性M1受体激动剂作用转基因AD动物模型，能明显减少海马、皮质神经元中Tau蛋白磷酸化水平〔18〕。以上研究显示，激活M受体可以减少Tau蛋白的磷酸化，这为寻找AD治疗手段提供了一条可能的途径。

　　4 结 论

　　AD主要的一个病理学特征是神经细胞内神经原纤维缠结，而过度磷酸化Tau蛋白作为神经原纤维缠结的主要成分在AD的发病中起着重要作用。在AD患者脑部存在胆碱能受体的明显减少，这种改变与AD患者得认知障碍和记忆缺失有着密切联系。胆碱能受体对Tau蛋白磷酸化可能起着调节作用，许多研究从不同水平探讨了这两者间的相互作用关系〔19〕。胆碱能受体已经作为AD治疗的潜在药物靶点，在对胆碱能受体和Aβ相互作用关系的研究表明激活胆碱能受体能防治Aβ毒性效应，目前胆碱能受体与Tau蛋白磷酸化之间关系的研究显示，激活mAChRs能防止tau蛋白的磷酸化，而激活nAChRs可增加Tau蛋白的磷酸化，后者的机制仍有待进行深入研究。从分子水平了解胆碱能受体对Tau蛋白磷酸化的作用对于明确AD的发病机制、制定AD的防治策略等具有非常重要的意义。

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