阿爾茨海默病中鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)與CaMKⅡ表達間的關(guān)系

阿爾茨海默病中鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)與CaMKⅡ表達間的關(guān)系

吳子怡王爽1魏敏杰1

(中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽110001)

關(guān)鍵詞〔〕阿爾茨海默?。烩}穩(wěn)態(tài)失調(diào)；鈣/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ

中圖分類號〔〕R749.1〔

通訊作者：魏敏杰(1963-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事神經(jīng)藥理學(xué)研究。

1中國醫(yī)科大學(xué)藥理學(xué)教研室

第一作者：吳子怡(1991-)，女，在讀碩士，主要從事阿爾茨海默病研究。

阿爾茨海默病(AD)又稱為老年性癡呆，其主要病理特征包括突觸變性、老年斑(SP)及神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFT)，最終導(dǎo)致神經(jīng)元丟失。目前關(guān)于AD發(fā)病機制的假說有多種，包括β-淀粉樣蛋白(Aβ)假說、Tau蛋白過度磷酸化假說、興奮性氨基酸假說、基因假說、慢性炎癥假說、氧自由基導(dǎo)致的神經(jīng)退行性病變假說、腦神經(jīng)元凋亡假說等。近年來，越來越多的證據(jù)表明，Ca2+失調(diào)在AD的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要的作用。

1鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)學(xué)說

神經(jīng)元通過Ca2+來調(diào)節(jié)膜的興奮性，激發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，繼而影響基因表達及神經(jīng)元的生長和分化。一系列鈣泵及其相關(guān)結(jié)合蛋白參與了細胞基礎(chǔ)鈣水平的調(diào)節(jié)，保持了局部酶活性及信號傳導(dǎo)的正?！?〕。

鈣調(diào)素(CaM)是哺乳動物大腦中主要的鈣結(jié)合蛋白〔2〕。CaM與Ca2+結(jié)合后形成Ca2+/ CaM復(fù)合物，再啟動下游多個信號通路，如鈣/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ，蛋白激酶(PK)C，絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)1/2，磷酸化酶激酶等。其中CaMKⅡ是Ca2+/ CaM第二信使系統(tǒng)的主要靶向作用分子，并且作為神經(jīng)元興奮性傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)者在學(xué)習(xí)和記憶中扮演重要角色〔3〕。

CaMKⅡ是突觸后致密物(PSD)的主要成分，占PSD組分蛋白總量的20%～30%。CaMKⅡ家族包含28個異構(gòu)體，主要來自4個基因(α，β，γ，δ)，在腦內(nèi)分布主要有CaMKⅡ-α和CaMKⅡ-β異構(gòu)體。大量數(shù)據(jù)顯示海馬CA1 區(qū)域的錐體神經(jīng)元中Ca2+/CaMKⅡ的啟動與長時程增強(LTP)現(xiàn)象密切相關(guān)〔4〕。LTP作為突出可塑性的研究模型，被認為是與學(xué)習(xí)和記憶有密切關(guān)系的神經(jīng)突觸可塑性的生物學(xué)基礎(chǔ)。當(dāng)適當(dāng)?shù)拇碳ひ鹜挥|前興奮性遞質(zhì)谷氨酸釋放，與突觸后膜上的谷氨酸受體N-甲基-D-天門冬氨酸(NMDA)受體結(jié)合，使Ca2+通過NMDA受體進入突觸后神經(jīng)元。CaMKⅡ經(jīng)過鈣信號傳導(dǎo)發(fā)生自身磷酸化作用，形成穩(wěn)定的開放狀態(tài)，即使當(dāng)Ca2+濃度降至原有水平后，CaMKⅡ仍能保持長時間的活性狀態(tài)直至其去磷酸化〔5〕。CaMKⅡ磷酸化后能引發(fā)一系列與鈣相關(guān)聯(lián)的細胞內(nèi)生化反應(yīng)，誘導(dǎo)出LTP。Moriguchi〔6〕發(fā)現(xiàn)，奈非西坦作為AD靶向治療藥物，可以通過刺激激活海馬CA1區(qū)的CaMKⅡ來增強NMDA受體依賴的LTP。有實驗證明，小鼠的CaMKⅡ-α亞基被敲除后，其海馬和新皮層的細胞形態(tài)和NMDA受體功能都正常，但小鼠存在明顯的學(xué)習(xí)和空間記憶障礙，也無法在海馬腦片上誘導(dǎo)出LTP〔7〕。

鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)學(xué)說認為，神經(jīng)細胞內(nèi)Ca2+濃度升高會導(dǎo)致細胞損傷，并為AD的最終形成提供共同通路。另外，已有研究表明，在AD的發(fā)展過程中，在神經(jīng)膠質(zhì)細胞中同樣存在鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)現(xiàn)象，而且伴有CaMKⅡ-α表達下降〔8〕。

2p(Thr286) CaMKⅡ的重新分布

CaMKⅡ分子結(jié)構(gòu)中存在催化區(qū)、自抑制區(qū)、可變區(qū)和自聯(lián)合區(qū)。在自抑制區(qū)中存在有類似蛋白酶作用區(qū)域，它能和催化區(qū)的底物結(jié)合位點相結(jié)合并激活酶的活性。CaMKⅡ的啟動是在細胞內(nèi)鈣離子濃度升高幅度較大、持續(xù)時間較長的基礎(chǔ)上發(fā)生的。整個過程中，兩個CaM同時與CaMKⅡ的兩個亞基結(jié)合，一個與特定亞基結(jié)合使其啟動，另一個與相鄰亞基結(jié)合，使CaMKⅡ構(gòu)象改變，使鄰近亞基將Thr286磷酸化。CaMKⅡThr286自身磷酸化后使得CaMKⅡ從CaM依賴狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉荂aM依賴狀態(tài)，這種非CaM依賴狀態(tài)是LTP所必需的〔9〕。

據(jù)Reese等〔10〕研究，CaMKⅡ的磷酸化啟動形式，即p(Thr286) CaMKⅡ，在AD海馬神經(jīng)元樹突中降低，但是在神經(jīng)元胞體中升高。這是因為在PSD中，蛋白磷酸酶(PP)1是p(Thr286) CaMKⅡ主要的去磷酸化劑，在PSD外，PP2A占p(Thr286) CaMKⅡ主要的去磷酸化劑的70%。在AD患者海馬中，PP2A mRNA的水平顯著下降，PP2A抑制劑1和2的水平顯著上升，使得神經(jīng)元胞體中p(Thr286) CaMKⅡ去磷酸化作用減弱。p(Thr286) CaMKⅡ這種重新分布在海馬CA3區(qū)體現(xiàn)得更有意義。因為AD 患者中海馬CA1區(qū)幾乎一半的神經(jīng)元丟失，很難排除由神經(jīng)元丟失引起的p(Thr286) CaMKⅡ減少。相反，CA3區(qū)的神經(jīng)元保存的相對完好。由于突觸CaMKⅡ的變化形式參與調(diào)解突觸傳遞，這種重新分布可能表明突觸CaMKⅡ的喪失是AD的一個病理性事件〔11〕。

3CaMKⅡ與Aβ寡聚體

SP是AD的主要病理改變之一，主要由胞外的Aβ聚集而成。與非轉(zhuǎn)基因鼠相比，腦內(nèi)有Aβ形成的淀粉樣前體蛋白(APP)轉(zhuǎn)基因鼠的神經(jīng)元軸突內(nèi)鈣嚴(yán)重超載〔12〕。Aβ引起鈣超載的可能機制有多種：①Aβ與NMDA受體相結(jié)合引起鈣內(nèi)流〔13〕。②Aβ與細胞膜相互作用形成離子孔，引起鈣內(nèi)流〔14〕。③老齡化相關(guān)的鈣結(jié)合蛋白calbindin的減少〔15〕。④Aβ與亞鐵和亞銅離子作用引起的膜脂過氧化〔16〕。

Min等〔17〕在實驗中用APP/早老素(PS)1轉(zhuǎn)基因鼠和Aβ1～42處理過神經(jīng)元分別代表體內(nèi)和體外AD模型，結(jié)果測得CaM的表達增加，相反，p(Thr286) CaMKⅡ的表達下降。Gu等〔18〕在研究中發(fā)現(xiàn)，胞外Aβ處理神經(jīng)元可以使CaMKⅡ在突觸的表達下降，Aβ可能通過未知的機制進入胞內(nèi)或與細胞膜上的受體結(jié)合引發(fā)胞內(nèi)系列信號傳導(dǎo)。并且推測Aβ通過兩條途徑影響CaMKⅡ的表達：①Ca2+/CaM途徑；②通過F-肌動蛋白影響細胞骨架途徑。新近的研究報道〔19〕，從柚皮中提取的Naringin可以通過增強CaMKⅡ的活性提高AD小鼠模型中的長時程記憶能力。與之前報道的Naringin可以降低Aβ介導(dǎo)的體內(nèi)神經(jīng)毒性相吻合〔20〕。

另有實驗證明〔21〕，Aβ干擾NMDA受體依賴的LTP誘導(dǎo)首先通過Aβ與NMDA受體相互作用，NMDA受體啟動后引起鈣內(nèi)流增加，并通過下游一系列信號通路啟動鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(CaN)和依賴于環(huán)磷酸腺苷(cAMP)的蛋白激酶(PK)A等蛋白激酶。PP1分別受CaN和PKA的正調(diào)節(jié)和負調(diào)節(jié)，PP1被過度啟動后，使得p(Thr286) CaMKⅡ發(fā)生去磷酸化失活，從而引起LTP障礙。因此，在Aβ對LTP的抑制中，CaMKⅡ磷酸化下調(diào)起到了重要作用。CaMKⅡ雖然不參與LTP的形成，但對LTP的誘導(dǎo)起重要作用。有實驗表明，加入CaN抑制劑后，小鼠認知下降的現(xiàn)象得到緩解。同樣支持了Aβ寡聚體介導(dǎo)的p(Thr286) CaMKⅡ通路障礙至少和CaN有關(guān)〔10〕。另有證據(jù)表明，Aβ也可以直接增強PP1的活性〔22〕。在Grant等〔23〕研究中，在CaM和ATP存在的條件下，給予Ca2+刺激后，CaMKⅡ-α迅速發(fā)生自身磷酸化。給予持續(xù)的Ca2+刺激后，結(jié)合Ca2+/ CaM的p(Thr286) CaMKⅡ-α去磷酸化失活，并且構(gòu)象發(fā)生改變，繼而聚集，以Ca2+/ CaM/ p(Thr286) CaMKⅡ-αc的形式存在。這種構(gòu)象改變起初可以通過Ca2+/ CaM的移除發(fā)生可逆變化，但是隨著鈣超載引起的Ca2+/ CaM持續(xù)存在使其不可逆。

由于PSD中CaMKⅡ的分區(qū)對于突觸底物如α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑-丙酸(AMPA)受體的調(diào)解很關(guān)鍵，Aβ介導(dǎo)的突觸CaMKⅡ丟失可能對突觸功能有很大影響。AMPA受體是谷氨酸受體的另一亞型，一些蛋白激酶如CaMKⅡ可以磷酸化AMPA受體，在突出可塑性中起到調(diào)節(jié)作用。研究〔18〕發(fā)現(xiàn)，Aβ能使AMPA受體的谷氨酸受體(GluR)1亞基顯著喪失。通過控制CaMKⅡ的表達能夠進一步證實AMPA受體的喪失首先通過CaMKⅡ表達的變化。敲除CaMKⅡ基因能顯著降低AMPA受體電流密度。若降低Aβ效應(yīng)，CaMKⅡ過度表達能阻止AMPA受體電流密度的下降。因此，Aβ可以通過降低突觸CaMKⅡ表達造成AMPA功能障礙。

4CaMKⅡ-α與Tau蛋白過度磷酸化

NFT是AD的另一重要病理特征。高度異常磷酸化Tau蛋白的成對螺旋絲組成(PHF-tau)，并且以NFT的形式聚集在神經(jīng)元胞體。Tau 蛋白是微管相關(guān)蛋白質(zhì)，具有穩(wěn)定微管結(jié)構(gòu)的功能。在激酶/磷酸酯酶作用下，Tau 蛋白會發(fā)生可逆性磷酸化/去磷酸化作用。Tau 蛋白的高度磷酸化，特別是位于其微管結(jié)合區(qū)域的Ser-262和Ser-356的磷酸化，降低了Tau 蛋白與微管的結(jié)合性能。CaMKⅡ正是Ser-262和Ser-356位點磷酸化的主要蛋白激酶。

高度磷酸化的Tau 蛋白自聚合形成成對螺旋纖維(PHF)，沉積于NF7中，妨礙微管蛋白裝配和影響微管的穩(wěn)定性，破壞了正常的細胞骨架結(jié)構(gòu)和功能。Wang等〔24〕研究證實，AD患者海馬CA1區(qū)CaMKⅡ-α陽性神經(jīng)元數(shù)目顯著減少，一方面可能本身由海馬神經(jīng)元大量丟失導(dǎo)致，另一方面，CaMKⅡ-α和Tau蛋白磷酸化共存比例低，僅32%過度磷酸化Tau蛋白神經(jīng)元同時表達CaMKⅡ-α，這提示CaMKⅡ-α可能部分參與Tau蛋白的過度磷酸化或是含過度磷酸化Tau蛋白的神經(jīng)元功能損傷可能導(dǎo)致了CaMKⅡ-α表達缺失。雖然AD海馬CA1亞區(qū)CaMKⅡ-α神經(jīng)元數(shù)目顯著減少，但是CaMKⅡ-α免疫反應(yīng)性卻顯著增強。一方面可能是由于CA1區(qū)神經(jīng)元數(shù)目減少，機體為了維持正常的功能，剩余神經(jīng)元產(chǎn)生代償反應(yīng)；另一方面，AD患者腦內(nèi)自由基產(chǎn)生增加、局部釋放過氧化氫(H2O2)增加也能誘導(dǎo)CaMKⅡ-α的表達增加。

Tau蛋白高度磷酸化的機制目前還不十分清楚，但近幾年的研究表明，Ca2+失調(diào)參與了NFTs 的形成〔25〕。Tau 蛋白磷酸化程度是體內(nèi)多種特異蛋白激酶的磷酸化和蛋白磷酸酯酶脫磷酸兩種作用間相互平衡的結(jié)果。當(dāng)病理條件下CaMKⅡ在胞體被異常激活時，該平衡被打破，Tau蛋白被高度磷酸化，失去結(jié)合微管的能力，積聚并形成PHFs。

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〔2013-12-23修回〕

(編輯安冉冉/杜娟)