α—突觸核蛋白與帕金森病相互關系研究進展

摘要：α-突觸核蛋白是一種可溶性小分子蛋白主要在中樞神經系統(tǒng)的突出前末梢表達。近年來關于α-突觸核蛋白和帕金森病等神經退行性病的密切關系被廣泛報道越來越多。在本綜述中，詳細介紹了α突觸核蛋白的構成、生理功能和作用、病理生理、聚合機制等方面的研究進展，從α-突觸核蛋白的角度理解帕金森病的發(fā)生機制。

關鍵詞：α-突觸核蛋白；中樞神經系統(tǒng)

帕金森?。≒arkinson's Disease，PD）發(fā)病率在65歲以上人群中高達1%，神經系統(tǒng)退行性疾病中排在第二位，尤其男性罹患為多[1]。PD的臨床特點集中在嚴重的運動性癥狀，包括靜止性震顫、肌強直、姿勢反射異常以及運動減少[2-3]。這些癥狀障礙可以與自主神經功能障礙、抑郁障礙、癡呆等其他神經精神功能障礙伴發(fā)[4]。病理學上PD特點為黑質致密部多巴胺神經元顯著的退行性變，導致紋狀體投射區(qū)或腦干多巴胺神經元投射的減少以及一系列運動皮質系統(tǒng)有關的運動功能障礙。這一神經退行性變伴隨著存活多巴胺神經元和受累神經細胞胞漿和突觸中路易小體的表現(xiàn)，但具體機制目前尚不清楚[5]。

盡管許多研究者試圖闡明選擇性多巴胺神經退化的機制，但PD仍是一種病理研究不明的散發(fā)性神經退行性疾病?；蚝铜h(huán)境危險因素目前收到廣泛的關注，但神經退行過程的始動因素目前仍不清楚[6]?；谀壳把芯浚t發(fā)型原發(fā)性PD是由于復雜的多重易感基因和環(huán)境因素引起的。此外，若干PD單基因家族類型以發(fā)病早和顯性或隱性以遺傳染色體病為特征。在眾多與PD可能的基因中，四種PD有關的突變包括α-synuclein[7]、parkin[8]、泛素羧基末端水解酶（ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L-1）[9]和DJ-1[10]。

盡管伴有特殊基因缺陷的家族性PD患者只占所有發(fā)病人群的一小部分，但對這些病例的研究可以有助于我們發(fā)現(xiàn)造成多因素散發(fā)性PD的核心蛋白通路。與α-syn編碼有關的基因突變受到的重視，原因就在于在大多數家族性或散發(fā)性PD患者中，病理發(fā)現(xiàn)其路易小體中存在大量α-Syn纖維沉積[11-12]。

這一觀察發(fā)現(xiàn)說明了盡管α-syn屬于PD患者中不常見突變，但通過一些不正常的代謝性過程的積累，這些蛋白在家族或散發(fā)性PD的病例中起到了重要作用。

1 α-syn的分布和結構

α-Syn和β-Syn、γ-Syn同屬于synuclein家族[13]，該家族蛋白只存在于脊椎動物中。α-Syn在腦部（尤其是新皮層、海馬、紋狀體、丘腦和小腦）的突觸前末梢中廣泛表達[14-15]。α-syn基因定位于4q21[16]。所有突觸核蛋白的基因排序均類似，但是只有alfa-Syn與疾病相關。α-Syn最初在太平洋電鰻\"加州電鯆\"的放電器官中被發(fā)現(xiàn)。數百種保守的α-syn蛋白類似物存在于人類、鳥類、小鼠、小牛、大鼠等物種之中，但在果蠅、線蟲等地等生物中則未發(fā)現(xiàn)。人類α-syn在突觸前蛋白中占大多數，并在細胞核周圍位置被非Aβ成份識別（NAC，non-Aβcomponent）識別，NAC在阿爾茨海默病（Alzheimer's Disease，AD）患者胞外廣泛沉積。α-Syn是一種極耐熱小分子蛋白（14kDa），由140個氨基酸殘基組成[13]。α-Syn是可溶性、非自發(fā)折疊性蛋白，主要結構為隨機螺旋[17]，但在與其他配體蛋白結合后可引起原結構狀態(tài)改變和折疊，獲得二級結構元件[18]。

α-syn的序列可分為三個結構域。 高度保守的氨基末端α-syn域（1-65殘基），包括6段，由11個氨基酸不完全重復拷貝KTKEGV序列，該結構域在溶液中無法單獨存在，但可以α螺旋結構（該結構由兩個不同的α螺旋構成，易被阻斷）[19-20]。該α雙股螺旋是A2脂蛋白結合域的位點[21]。與其結構特征相匹配，alfa-syn傾向于結合于負電荷的磷脂雙分子層并形成α螺旋[17-18，21]，提示該蛋白通常為膜相關性。最近研究發(fā)現(xiàn)，脂質環(huán)境可以促進α-syn折疊并且加速α-syn沉積，提示脂質相關性的α-syn的異常折疊有關，α螺旋形成域上可能形成兩個無意義突變。在p53位點將丙氨酸改為蘇氨酸，在p30位點將丙氨酸改為脯氨酸，以上這些突變被發(fā)現(xiàn)是引起早發(fā)性PD的染色體改變。A53T突變發(fā)現(xiàn)于意大利-希臘家族PD患者的路易小體中，而A30P突變則發(fā)現(xiàn)于德國的小型PD家族內[22]。以上這些突變造成了α-syn更易于隨機螺旋，進而使沉積更易發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)A30P和A53T突變增加α-syn的寡聚化的比率，A53T增加纖維形成率，而A30P則降低之[23]。

α-syn中心疏水域（66-95殘基）稱為NAC，這也是AD淀粉樣蛋白的第二大組成部 分[24]。它可以淀粉樣形成傾向，可以是隨機螺旋改變?yōu)棣缕瑢咏Y構并形成Aβ樣蛋白原纖維或蛋白纖維[25]，這也是α-syn和β-syn以及γ-syn的顯著區(qū)別。NAC在Ser87位攜帶一個磷酸化位點[26]。

α-syn酸性C末端（96-140殘基）沒有確認的結構元素，但擁有強烈的負電荷酸性氨基酸。與其余兩個區(qū)域的高度保守不同，C末端在不同物種中表現(xiàn)在體積和次序方面差異巨大[27]。C末端含有一個酸性區(qū)域（125-140殘基）對于α-syn的伴侶樣生理所用至關重要，研究發(fā)現(xiàn)C末端的突變后α-syn的伴侶作用消失[28]。C末端在Tyr-125、-133、-136和Ser129區(qū)域發(fā)現(xiàn)了磷酸化位點[29]。Tyr-125殘基可被兩個Src家族蛋白酪氨酸激酶，c-Src[30]和Fyn[31]磷酸化。被Src家族激酶磷酸化有不會阻止和促進alfa-syn的多聚化。α-Syn在體外環(huán)境下已被證明為蛋白酪氨酸激酶p72syk顯著的底物。一旦被syk或其他酪氨酸激酶酪氨酸磷酸化，α-Syn會出現(xiàn)失去寡聚化的能力，這說明酪氨酸有明確的抗神經退行性病變的作用?？紤]到α-syn需要C末端來完成伴侶樣作用，可以想象到這一區(qū)域被酪氨酸磷酸化后可能使alfa-syn作用受到影響。然而這一過程在體內尚未被完全證實。α-Syn可以被蛋白激酶CKI和CKII等絲氨酸磷酸化[26]。Ser-129殘基也可以被G蛋白偶聯(lián)受體蛋白激酶（G-coupled receptor protein kinases，GCRP）磷酸化[32]。研究發(fā)現(xiàn)磷酸化的Ser-129通過改變α-synC末端電勢分布和疏水性來促進alfa-syn纖維細絲的寡聚化[33]。分布廣泛且選擇性的α-syn在Ser-129位點上的磷酸化在包括路易小體在內的許多突觸核蛋白病理損傷中被發(fā)現(xiàn)。另一些C末端殘基翻譯后修飾包括Ser-129位點的甘氨酸化[33]以及Tyr-125、-133和-136位點的硝酸化[34]均可引起α-syn的沉積。

2 α-syn的生理功能

一些研究發(fā)現(xiàn)α-syn在突觸前膜水平有膜整合的有關功能。在斑馬禽中，α-syn在其學習歌曲的關鍵時間段于相應區(qū)域有短暫性表達。在小牛腦中，α、β-syn是D2磷酸化酶的抑制劑，可以催化磷脂酰膽堿水解為磷脂酸（Phosphatidic Acid，PA），進而可以啟動分泌性囊泡的產生。α-Syn可以在PA高水平情況下與之結合，可能參與分泌性囊泡的膜定位。α-Syn敲除小鼠只在成對電刺激下展現(xiàn)出黑質末梢多巴胺分泌增加，提示alfa-syn是活性依賴的多巴胺的負性調節(jié)因子。α-Syn已被發(fā)現(xiàn)結合與快速軸漿轉運囊泡。從培養(yǎng)的原代海馬細胞中清除α-syn，可以在電鏡中看到遠端突觸前膜內囊泡的減少。

3 α-syn的伴侶樣作用

分子伴侶是蛋白通過在活體調節(jié)結合與釋放作用，避免不可逆聚集和促進非本體蛋白正確折疊的蛋白。α-Syn可以同脂質分子層一樣與多種配體和細胞蛋白結合，提示其可以在體內發(fā)揮伴侶作用以調節(jié)配體和細胞蛋白的活性。近年來的報道稱α-syn氨基末端與分子伴侶14-3-3擁有40%同類氨基酸，提示這兩種蛋白可能具有相同的功能。分子伴侶14-3-3在腦內大量存在，構成腦內1%的可溶性蛋白。伴侶14-3-3在路易小體中聚集，參與神經發(fā)生和細胞生長，以及通過拮抗BAD抗凋亡。α-Syn與伴侶14-3-3結合同樣的蛋白[43]，其中包括三種影響細胞生存能力的蛋白PKC、BAD、ERK。α-Syn與14-3-3相互結合，兩種蛋白在PD腦內形成54-84kDa的蛋白復合物[42]。該復合物選擇性地在黑質而非小腦或皮層增多。因此，α-syn可能與14-3-3結合，使14-3-3蛋白減少，進而組織其抗凋亡的作用，增加細胞應激狀態(tài)下的易感性[42]。14-3-3和α-syn均可與酪氨酸羥化酶（Tyrosin Hydroxylase，TH）結合，該酶是兒茶酚胺合成的限速酶，14-3-3可以刺激TH的作用，而α-syn則抑制TH的作用[36]。

α-syn和14-3-3的生理功能同樣性提示α-syn發(fā)揮蛋白伴侶作用，對抗應激反應。然而野生α-syn過量表達或其突變體A53T和A30P過量表達則會產生毒性，可能與其抑制PKC或者α-syn與BAD、ERK等蛋白相關。

4 α-syn的病理生理

α-syn和神經系統(tǒng)退行性疾病的聯(lián)系最早由Ueda等提出[13]提出。他們提出在AD患者淀粉樣斑塊中提純出的一種稱為NAC的短肽，就是α-syn。α-syn基因的兩類無意義突變A53T[7]和A30P[22]，與歐洲發(fā)現(xiàn)的早發(fā)型家族性PD有關。據報道稱這些異常α-syn蛋白在多巴胺神經元的沉積和積累引起了雖有的神經退行性病[22]。

關于三者形成的纖維纏結的結構基礎目前研究甚少。目前已知A53T和A30P與α-syn一樣在生理狀態(tài)下并不聚集，但在何種情況下改變正常的聚合狀態(tài)目前還不得而知[7]。α-syn沉積也不只出現(xiàn)于早發(fā)PD中，往往在經典PD、AD、LBD、MSA等神經退行性病中也有發(fā)現(xiàn)。

α-syn的聚合伴隨著其由隨機纏結向β片層過渡的過程[8]。X光纖維和電子衍射研究發(fā)現(xiàn)α-syn纖維細絲便顯出一種典型的淀粉樣結構形態(tài)-cross-β形成物[49]。PD患者中存活的多巴胺神經元的通常形式是LBs和LNs[50]，后者不只存在于黑質，也存在于迷走神經背核、Meynert基底核以及藍斑中[51]。LBs不是正常細胞內的包涵體，直徑5～25 μm，由致密核和外周清晰的暈構成。光鏡下，LBs包括一個嗜酸性粒細胞核心和一個放射狀纖維細絲顆粒物為背景。α-Syn是LBs纖維細絲和畸形LNs的主要組成部分[47]。

5 α-syn的聚合機制

在老年腦病和其它退行性疾病中蛋白的異常聚集較為常見，但機理往往不明。在體外模型中，α-syn可以模擬PD患者腦內聚合形成的纖維細絲[52]。α-syn疏水區(qū)分離出的蛋白NAC則至AD斑塊的第二大來源[53]。正常α-syn和A53T、A30P有隨機纏結的形態(tài)，并且在低濃度是不能形成二級結構，但在更高濃度是則表現(xiàn)出自發(fā)聚合形成纖維斑塊的傾向[54]。目前已有各種關于PD相關突變蛋白之間的聚合狀態(tài)各不相同的報道[55]。就單體α-syn在體外通過掛句話形成穩(wěn)定的纖維態(tài)寡聚化比例而言，突變蛋白要高于野生型蛋白，A30P纖維化率高于A53T[56-57]。

α-syn聚合的機制已經提出，其中最受廣泛關注的包括泛素蛋白水解酶系統(tǒng)（UPS）和氧化應激。UPS是正?；虍惓５陌麅鹊鞍资滓慕到馔緩絒58]。該途徑功能功能障礙導致蛋白沉積和細胞死亡[59]。通過UPS降解包括兩個連續(xù)的過程：首先，蛋白水解底物被多種泛素分子通過泛素結合酶結合，隨后標記蛋白被26S蛋白水解酶水解，并重新釋放出泛素[58]。26S蛋白水解酶屬于多重催化蛋白酶家族，位于胞漿內質網和核周質[60]。越來越多的證據顯示泛素以來的蛋白降解可能在多種神經退行性病中發(fā)生。

PD和DLBD的關鍵病理特征為泛素化胞漿內涵體[61]。在PD中，LBs在黑質致密部的多巴胺神經元中形成。在DLBD中，生化分析尸檢組織的皮層發(fā)現(xiàn)，LB-泛素以多重泛素鏈形式存在而非單體存在[62]。這些發(fā)現(xiàn)提供多鏈蛋白可能由于蛋白水解酶降解途徑障礙而形成。除泛素外，LBs還包括α-syn、26S蛋白酶亞基，以及其他蛋白復合物如parkin、14-3-3蛋白和synphilin-1，后者形成含有α-syn的復合物，然后由E3泛素連接酶活化使之泛素化[63]。盡管LBs不存在，單純選擇性的毒性αSP22積累在parkin相關的PD腦中存在[8]，提示parkin突變可能更易使α-syn在可溶性非纖維化的形式積累?？偨Y起來。這些發(fā)現(xiàn)說明UPS活性下降可能與PD形成的神經退行性疾病有關。

α-syn聚集的另一個機制可能包括氧化應激。該機制不僅引起α-syn聚集，并可能通過動態(tài)平衡合成達到毒性寡聚物的形成[64-65]。其它體外實驗也顯示α-syn的過度表達引起胞內離子依賴的異常聚集[66]。

6多巴胺和α-syn

一種觀點認為PD病理與ROS的作用有關，可以引起氧化應激和線粒體損傷導致細胞死亡[67]。黑質神經元多巴胺代謝產生ROS和其它過氧化物如多巴胺醌和各種氧化物，通過自氧化或單氨氧化酶街道的氧化去氨基作用[68-69]。ROS和多巴胺醌的產生導致離子復合增加[70]、超氧化物歧化酶增多[71]、脂質氧化、谷胱甘肽減少、DNA受損、線粒體呼吸鏈活性下降以及細胞死亡[72]。

α-syn過度表達特別是突變可能通過胞內ROS的過度表達增加多巴胺神經元的易感性引起細胞死亡[73]。多巴胺神經元的退行性變也可由于腦內清除過氧化物能力下降?？寡趸芰ο陆狄言赑D中報道[74]。

由于突變誘發(fā)培養(yǎng)的多巴胺神經元凋亡可引起α-syn的積累，但非多巴胺神經元凋亡率則下降[42]。α-syn突變引起的神經毒性在低濃度即可，但在野生型多巴胺神經元中則需要更高濃度，并且突變的皮層神經元中的蛋白保持作用也減弱[42]。多巴胺選擇性α-syn毒性與內源性多巴胺產生和隨后產生的ROS相關，因為TH抑制劑可以阻止α-syn引起的多巴胺神經元毒性。多巴胺以來的神經毒性由54～83 kDa可溶性蛋白復合物α-syn和14-3-3蛋白水平升高誘導，14-3-3蛋白活性降低可以增加由多巴胺代謝引起的ROS危害易感性。

已經報道野生型α-syn過度表達可能調節(jié)多巴胺的生物合成，表現(xiàn)出一些酶在不同作用。TH的作用，作為催化兒茶酚胺的生物合成的限速酶[75]，可能因α-syn的結合或減少其基因表達被負性調節(jié)[76]。另外，在野生型α-syn多度表達也引起芳香酸多巴脫羧酶基因表達減少[77]。因此，對于催化作用，TH需要四氫生物蝶呤（BH4）作為共同因子。任何減少BH4的因素可以減少多巴胺合成。野生型α-syn過度表達也可能通過抑制BH4產生的關鍵酶（包括GTP和墨蝶呤）達到減少多巴胺的目的[77]。

可溶性α-syn的減少可能發(fā)生于α-syn mRNA下調或刺激引起纖維形成。α-syn活性的失抑制可能導致多巴胺濃度并進一步引起ROS產生?？傊?，這些數據說明α-syn調節(jié)多巴胺的合成。由于PD引起的聚集或合成減少引起α-syn功能減少，可能選擇性干擾多巴胺合成并負性影響多巴胺神經的存活[76]。

總之，目前有大量證據報道證明遺傳和環(huán)境因素參與PD的發(fā)生與發(fā)展。在PD眾多的病因中，α-syn越來越受到重視。盡管α-syn在正常情況下為調節(jié)突出前膜的可塑性，但在研究進展中發(fā)現(xiàn)病理狀態(tài)下對于多巴胺神經元的毒性使之成與PD密切相關的重要因素。在未來PD病因的研究中α-syn可能成為另一個要點。

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編輯/張燕