細胞骨架與神經退行性疾病

張 蕊，苑玉和，趙 明，陳乃宏

(1.中國醫(yī)學科學院北京協和醫(yī)學院藥物研究所，北京 100050;2.天津中醫(yī)藥大學，天津 300193)

神經退行性疾病主要包括阿爾采末病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、Huntington舞蹈病(Huntington disease)、不同類型脊髓小腦共濟失調(spinal cerebella ataxias)、肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis)及脊髓肌萎縮癥(spinal muscular atrophy)等。

研究發(fā)現神經退行性疾病是由多種原因導致的，包括神經元營養(yǎng)供應不足，軸突傳遞功能受損、谷氨酸受體活性過高、活性氧水平過高、代謝通路受損、線粒體功能障礙、錯誤折疊蛋白質聚集、炎癥、病毒感染、細胞核或線粒體DNA突變等因素。雖然誘發(fā)這些疾病的病因和病變部位不盡相同，但都有一個共同特征，即發(fā)生神經元退行性病變和凋亡。

1 細胞骨架概述

在真核細胞中，細胞骨架是位于真核細胞胞核和細胞膜內側面的一種纖維狀蛋白基質，這些纖維狀結構在細胞內呈網狀、束狀或帶狀等不同形態(tài)。細胞骨架由微絲(microfilament)、微管(microtubule)和中間纖維(intermediate filament)構成。三者高度協調分布，與胞核、質膜、細胞器相連，構成了細胞骨架形態(tài)和運動協調系統(tǒng)。微絲確定細胞表面特征，使細胞能夠運動和收縮。微管確定膜性細胞器(membraneenclosed organelle)的位置和作為囊泡膜泡運輸的導軌。中間纖維使細胞具有張力和抗剪切力［1］。微絲系統(tǒng)除肌動蛋白纖維外，還包括許多微絲結合蛋白，它參與形成微絲纖維高級結構，對肌動蛋白纖維的動態(tài)裝配具有調節(jié)作用，以行使特定的功能。

微管除微管蛋白外，組成微管的化學成分還包括一些其它蛋白質，通常稱為微管相關蛋白。它們對細胞骨架空間構建及細胞形態(tài)形成具有重要作用。

中間纖維(intermediate filaments，IFs)是最穩(wěn)定的細胞骨架成分，在細胞中圍繞著細胞核分布，成束成網，并擴展到細胞質膜，與質膜相連接，主要起支撐作用。

2 細胞骨架與神經退行性疾病

2.1細胞骨架與阿爾采末病(Alzheimer’s disease，AD)阿爾采末病是以老年斑、神經纖維纏結(neurofibrillary tangles)、突觸密度減少和神經元丟失為主要病理改變的神經退行性疾病。

神經元纖維纏結中的主要成分是大量異常磷酸化的纖維狀tau蛋白。Tau蛋白作為一個促使微管裝配的微管相關蛋白，主要分布在神經元軸突中。其主要功能包括兩個方面:一是促進微管的形成。tau蛋白結合的微管蛋白可作為微管組裝早期的核心，進而促進其他微管蛋白在此核心上延伸聚集形成微管。二是保持微管的穩(wěn)定性［2］。

Tau蛋白是可以磷酸化的蛋白，過度磷酸化可降低其穩(wěn)定性及其與微管結合的能力。在病理狀態(tài)下，tau蛋白與微管結合的平衡被破壞。而且tau蛋白過度磷酸化，可從軸突微管上解離下來，形成聚集，異常的tau蛋白最終沉積并聚集在神經細胞的微絲中形成神經纖維纏結NFTs。

另外，tau纖維絲可以選擇性抑制驅動蛋白介導的順向快速軸突轉運(fast axonal transport FAT)，并引起驅動蛋白與囊泡的解離［3］。藥理學實驗表明tau纖維絲對于FAT的這種作用是由蛋白磷酸酶1(protein phosphatase 1，PP1)和糖原合酶激酶3(glycogensynthase kinase 3，GSK3)介導的。Trimmer等［4］用雜交細胞制成AD的模型，實驗觀察到神經元突觸末端囊泡缺失，而胞體囊泡堆積，線粒體運輸速度減慢或停滯，這些現象都證明微管依賴的囊泡轉運發(fā)生了障礙。

由以上研究發(fā)現，在AD患者腦中，tau蛋白不再與微管結合，而是在神經元中纏結成雙螺旋細絲，tau蛋白喪失其促微管組裝的生物學功能，導致細胞骨架的破壞、絲狀物形成和神經纏結;由于神經元的微管、馬達蛋白的異常改變，軸突運輸發(fā)生了障礙，使重要物質無法運輸到軸突末梢，影響軸突末梢與胞體的交流，使突觸功能失調，導致神經元死亡，細胞間通訊中斷，最終導致認知功能發(fā)生障礙。這可能是AD的發(fā)病原因之一。

2.2細胞骨架與帕金森病(Parkinson＇s disease，PD)PD是人類常見的神經退行性疾病之一，又稱震顫麻痹，其主要病理特征為黑質多巴胺能神經元選擇性變性死亡，臨床主要表現為靜止性震顫、肌僵直、運動遲緩等癥狀。PD的病因和發(fā)病機制十分復雜，可能是環(huán)境因素和遺傳因素等多種因素共同作用的結果。遺傳因素是其發(fā)病的內因，環(huán)境及毒素是誘發(fā)外因，內外因共同作用導致了DA神經元的選擇性死亡。

2.2.1微管:遺傳和環(huán)境因素共同作用的靶點近年來的研究發(fā)現表明:微管及微管蛋白可以作為遺傳和環(huán)境因素共同作用的一個靶點［5］。

在動物模型中，長期接觸一種廣泛使用的殺蟲劑魚藤酮等毒素類物質，可以使多巴胺能神經元選擇性的死亡并產生類似PD的運動障礙［6］。魚藤酮在細胞中直接作用的靶點有兩個:一是抑制了線粒體呼吸鏈的復合物I［7］，二是促使微管解聚。前者并不能解釋多巴胺能神經元的選擇性死亡。Floor等［8］研究發(fā)現:微管解聚擾亂了小囊泡的運輸，導致囊泡在胞體中的聚集。使神經遞質大量滲漏，在多巴胺能神經元中，外滲的多巴胺從小泡到細胞溶質極大的增加了由多巴胺氧化引起的氧化應激，進一步可導致細胞死亡［9］。這種作用在黑質多巴胺能神經元中表現的更加明顯。

黑質多巴胺能神經元有很多投射至紋狀體的長軸突，軸突約占細胞體積的95%，含有大量的微管。微管解聚對神經元軸突的損害大于對胞體的損害，因為在胞體中，微管蛋白的合成可以快速的彌補缺失的微管，但是在軸突末端不具備此功能。

Parkin基因突變是1998年在日本常染色體隱性遺傳青少年型PD患者中發(fā)現的，此后的研究發(fā)現約50%的早發(fā)性PD存在parkin基因突變，包括多種點突變和缺失突變。Parkin是一個由465個氨基酸殘基組成的蛋白，其氨基端有泛素樣結構域(UBL)、羧基端有兩個環(huán)指模序(Ring figure motif)。迄今為止發(fā)現的大多數點突變發(fā)生在環(huán)指模序中，提示這是重要的功能域。

Parkin具有泛素連接酶(E3)功能，研究發(fā)現，它能與泛素結合酶(E2)UbcH7和UbcH8相互作用，促進底物泛素化。Parkin蛋白可能在維持多巴胺能神經元的正常功能中發(fā)揮重要作用，而Parkin蛋白功能障礙可能與帕金森病的發(fā)病有關。研究表明parkin可以泛素化微管蛋白并加速它們的降解，Parkin基因發(fā)生突變后便會喪失這個功能［10］。

微管蛋白的合成需要經過一系列的折疊反應，這是一個非常復雜的過程，在這個過程中微管蛋白可能會發(fā)生錯誤折疊，具有E3連接酶功能的Parkin蛋白可以泛素化這些發(fā)生錯誤折疊的蛋白質類，進而加速它們被蛋白酶體的降解［11］。

另外，微管蛋白的折疊過程依賴于ATP和GTP的水解作用［12］。魚藤酮等毒素類物質可以抑制復合物I的產生，減少ATP的生成，進而影響微管蛋白的折疊過程，導致錯誤蛋白的產生，增加需要泛素化和降解的微管蛋白。因此，Parkin基因發(fā)生突變便會失去E3連接酶的作用導致錯誤微管蛋白大量產生，對細胞產生毒性［13］。

2.2.2Tau蛋白與帕金森氏病新近研究還發(fā)現［14］，PD患者的腦脊液中tau蛋白水平是增加的，tau蛋白參與了原發(fā)性PD的病理過程，tau蛋白的轉化影響PD患者認知缺損和癡呆的發(fā)展。學者對tau基因的研究發(fā)現有兩種不同類型的突變:一種是 9，10，11，12，13外顯子的錯義突變降低了tau蛋白與微管蛋白的結合能力;另一種是內含子和10號外顯子中的編碼突變導致tau異構體中3R型與4R型比率的變化，而研究證實4R型比3R型更能促進微管的集聚和穩(wěn)定。其可能機制有兩種學說:tau蛋白正常功能丟失使得微管細胞骨架穩(wěn)定性的調節(jié)機制受損;受損tau蛋白的獲得性細胞毒性作用，這兩種學說具有互補性。

2.3細胞骨架與亨廷頓舞蹈病(Huntington disease)亨廷頓舞蹈病(Huntington disease)是一種發(fā)生在中樞神經系統(tǒng)的疾病，引發(fā)的神經損傷會導致患者運動疾病，神經抑郁以及認知能力下降，患者會表現出不自覺的手舞足蹈。近些年研究表明，HD與一種稱為Huntingtin的蛋白質(簡稱Htt)的突變有密切關系。在細胞骨架系統(tǒng)中與HD有關的是微管相關蛋白中的胞質動力蛋白(dynein)。

在正常情況下，Htt中存在一段重復的谷氨酸殘基(6～35)，然而在HD患者中，重復的谷氨酸殘基的數目大大增加，Htt發(fā)生突變。當htt突變后，槍烏賊、果蠅和哺乳類均會出現軸突的運輸障礙［15－16］。這暗示Htt在軸突運輸過程中發(fā)揮作用。當注射Htt抗體時囊泡在運輸過程中與微管解離，進一步表明Htt對于囊泡的軸突運輸也起著重要作用。在微管表面，動力蛋白(dynein)和動力蛋白激活蛋白(dynactin)組成復合物，介導沿微管向負極的運動。Htt直接同動力蛋白(dynein)相連，并且與Htt相關蛋白1(Htt associated protein 1，HAP1)和動力蛋白激活蛋白組成復合物，促進囊泡轉運［17］。

另外，Colin等［18］發(fā)現，Htt的磷酸化可以作為神經元軸突順向/逆向轉運的分子開關(molecular switch)。Htt的磷酸化引起了驅動蛋白1在囊泡和微管處的聚集，進而增加了囊泡沿軸突的順向轉運。當Htt去磷酸化后，驅動蛋白1從微管和囊泡表面釋放，因此囊泡繼續(xù)在Htt驅動蛋白動力蛋白激活蛋白復合物的介導下向微管負極運動，即沿軸突的逆向轉運。

HD患者神經元內Htt的突變，造成神經元內沿微管運輸的囊泡轉運發(fā)生紊亂，破壞了神經元胞體和軸突之間的物質循環(huán)，進而可能導致神經元的死亡，發(fā)生神經退行性病變。

HD的發(fā)病原因是清楚的，但Htt通過怎樣的通路導致發(fā)病尚且不明，只是知道dynein在這一通路中扮演了重要的角色。Dynein的功能缺陷是來自本身還是自htt突變后的干擾作用還有待進一步的研究。

2.4細胞骨架與運動神經元病運動神經元病(motor neuron disease，MND)是一類以運動神經元退行性病變?yōu)樘卣鞯纳窠浶约膊　＿@類疾病包括肌萎縮性脊髓側索硬化(amyo trophic lateral sclerosis，ALS)、脊髓延髓肌肉萎縮癥(spinal bulbar muscular atrophy，SBMA)和脊髓性肌萎縮(spinal muscular atrophy，SMA)等。

ALS是一種以運動神經元退化和肌肉麻痹為典型特征的致命的神經退化狀態(tài)。在ALS患者的脊髓運動神經元中發(fā)現富集神經纖維的內涵體。

研究發(fā)現［19］，神經絲蛋白質異常磷酸化及在神經元核周及近端軸索的異常聚集是ALS早期的病理特征，其發(fā)生機制及對神經元的影響目前仍不清楚。神經絲是運動神經元的重要細胞骨架成分，在維持細胞結構完整性，保持軸索直徑和軸漿運輸方面具有重要的作用。由于運動神經元及大的有髓纖維含有大量的神經絲，因此研究神經絲異常聚集的機制將對ALS的發(fā)病機制和治療具有重要的意義。

另外，細胞骨架蛋白調節(jié)囊泡轉運也與運動神經元病有關聯。研究顯示運動神經元的退化與動力蛋白復合物功能異常和軸突逆向轉運受損有關。而dynein負責神經微絲的逆向運輸，這使得我們推測ALS的發(fā)病可能與受阻的軸突運輸密切相關。動力蛋白(dynein)重鏈的錯義點突變使軸突內囊泡的逆向轉運受損，并導致了小鼠運動神經元的退化，鏡下觀察發(fā)現退化的神經元中存在包涵體，這與人體病理中的關鍵特征相類似。Laird等［20］研究發(fā)現，動力蛋白激活蛋白(dynactin)的錯義點突變與ALS的發(fā)病有關。通過對轉基因小鼠的研究發(fā)現，突變的動力蛋白激活蛋白P150Glued特異地引起了運動神經元軸突內囊泡的逆向轉運受損，軸突腫脹、退化，并最終導致了小鼠的運動神經元病。

3 展望

綜上所述，細胞骨架與多種神經退行性疾病關系密切。細胞骨架穩(wěn)定性的破壞、絲狀物和神經纏結的形成，軸突運輸損害，進而導致突觸蛋白失去功能發(fā)生和神經退行性病變。已經證明抑制神經元或膠質細胞骨架蛋白的解聚可以有效阻止神經退行性病變的發(fā)生發(fā)展。目前，隨著分子生物學的發(fā)展，細胞骨架的研究將會更加深入，例如通過開發(fā)穩(wěn)定微管的藥物，可以增強微管的活性，防止微管解聚?？梢赃@樣認為，對細胞骨架及其相關蛋白研究的越透徹，越有助于理解退行性神經病變，同時有助于該類疾病的治療。所以針對細胞骨架作為藥物靶點對退行性神經病變的針對性治療可能具有重要意義。

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