銅代謝及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

韓 寧 趙萬紅

(湖北醫(yī)藥學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北 十堰 442000)

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銅代謝及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

韓 寧 趙萬紅

(湖北醫(yī)藥學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北 十堰 442000)

銅代謝；肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥；Menkes病；阿爾茨海默??；Wilson病

銅廣泛分布于腦內(nèi)，主要集中在基底核、海馬、小腦、突觸細(xì)胞膜、皮質(zhì)神經(jīng)元的胞體和小腦顆粒神經(jīng)元。在細(xì)胞水平，銅在呼吸、肽酰胺化、神經(jīng)遞質(zhì)生物合成、色素生成和結(jié)締組織力量維持過程中是必需的。銅也是一些重要酶的必需組成元素，如超氧化物歧化酶、細(xì)胞色素C氧化酶、過氧化氫酶、多巴胺羥化酶等。含銅酶在體內(nèi)參與氧化還原反應(yīng)、呼吸鏈和抗氧化作用。銅缺乏可能引起癡呆、骨骼缺陷、神經(jīng)系統(tǒng)退化、顯著的心血管病變、高膽固醇和免疫系統(tǒng)受損等改變。

1 銅代謝

銅主要通過小腸從食物中吸收并儲存于肝臟，主要通過膽汁排泄。小腸黏膜細(xì)胞吸收銅后主要通過兩種途徑轉(zhuǎn)運：一是主要轉(zhuǎn)運途徑，銅以亞銅離子的形式被細(xì)胞吸收；二是銅與銅藍蛋白結(jié)合，提供銅給組織和酶〔1〕。銅的主要代謝途徑在肝臟，銅通過漿膜上的人類銅轉(zhuǎn)運體(HCtr1)轉(zhuǎn)運入肝細(xì)胞，HCtr1也參與了細(xì)胞內(nèi)銅的分布。

銅可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，主要有兩種機制：一是可直接刺激活性氧的生成〔2〕，二是高濃度的銅可顯著降低谷胱甘肽的水平〔3〕。銅離子和亞銅離子均參與氧化還原反應(yīng)，當(dāng)有超氧陰離子基團或生物還原劑如抗壞血酸和谷胱甘肽存在時，銅離子可還原為亞銅離子，亞銅離子和過氧化氫反應(yīng)生成羥自由基〔4〕。細(xì)胞內(nèi)銅濃度的升高會消耗谷胱甘肽促使氧化還原平衡傾向于氧化狀態(tài)。谷胱甘肽過氧化物酶是機體重要的抗氧化酶之一，其以谷胱甘肽為還原劑分解體內(nèi)的脂質(zhì)過氧化物〔5〕。因此，谷胱甘肽的消耗會使體內(nèi)活性氧增多。

2 銅和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病

2.1 銅和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS) ALS是神經(jīng)退行性疾病中的特殊類型，主要表現(xiàn)為漸進性的初級運動皮質(zhì)、腦干和脊髓的運動神經(jīng)元的丟失，進而導(dǎo)致肌無力、癱瘓直至死亡〔6〕。ALS以選擇性的上下運動神經(jīng)元死亡所導(dǎo)致的肌萎縮、無力及痙攣為特點，呼吸肌的去神經(jīng)化通常會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，在大多數(shù)病例中其通常在發(fā)病5年內(nèi)出現(xiàn)。多數(shù)病例在發(fā)生呼吸肌的去神經(jīng)化的3～5年內(nèi)死亡〔7〕。ALS可以是常染色體顯性遺傳、常染色體隱性遺傳和X染色體連鎖遺傳。90%的ALS是散發(fā)的并無明顯的遺傳傾向，剩下的10%則表現(xiàn)出家族遺傳性〔8〕。大約20%的家族遺傳病例是由Cu/Zn超氧化物歧化酶(SOD)1基因突變引起，除了SOD1基因的突變外，焦油DNA結(jié)合蛋白(TARDBP)、肉瘤融合(FUS)、泛醌蛋白(UBQLN2、C9ORF72)和其他基因的突變也與ALS的臨床表現(xiàn)有關(guān)。

SOD1是一種重要的抗氧化蛋白，人類的SOD1是一種32 kD的蛋白，它通過分子間的二硫化物結(jié)合以同源二聚體的形式存在。SOD1存在于各種類型細(xì)胞中，催化超氧化物生成分子態(tài)的氧和過氧化氫。SOD1是一種非常穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，其穩(wěn)定性大部分取決于分子內(nèi)部的二硫鍵。SOD1在細(xì)胞環(huán)境中的作用非常重要，SOD1的突變會使細(xì)胞產(chǎn)生各種后果，但其突變導(dǎo)致ALS的具體機制尚不清楚，而現(xiàn)在關(guān)于其機制也只是猜測可能是SOD1誘導(dǎo)的如氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、谷氨酸興奮性中毒以及軸突傳導(dǎo)障礙等毒性作用〔9〕。目前，臨床上尚無針對ALS的有效治療藥物，現(xiàn)有藥物主要為對癥治療。通過對銅代謝的研究可知部分家族遺傳性的ALS的機制為SOD1基因突變，因此可以考慮篩選出穩(wěn)定SOD1的分子，為治療ALS提供新靶點。

2.2 銅和阿爾茨海默病(AD) AD是神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病中最常見的一種，AD的主要病理特征為老年斑、神經(jīng)原纖維纏結(jié)和選擇性的神經(jīng)細(xì)胞死亡。神經(jīng)原纖維纏結(jié)主要分布在內(nèi)嗅皮層、海馬和杏仁核。神經(jīng)炎性斑塊由細(xì)胞外沉積的β淀粉樣蛋白(Aβ)、退化的軸突和樹突以及周圍的淀粉樣沉積物形成，Aβ主要為Aβ1～40和Aβ1～42，其中Aβ1～40是可溶性的，Aβ1～42主要形成斑塊沉積〔10〕。Aβ可以與銅結(jié)合，使銅離子還原為亞銅離子并產(chǎn)生過氧化氫，同時使Aβ聚集。淀粉樣前體蛋白(APP)的產(chǎn)生在神經(jīng)系統(tǒng)銅代謝平衡調(diào)節(jié)中也有重要意義，曾有文獻報道APP基因敲除小鼠腦內(nèi)銅離子水平有所提高〔11〕。在AD患者腦脊液和腦內(nèi)老年斑中銅離子濃度明顯增高〔12〕；同時通過血漿銅藍蛋白轉(zhuǎn)運的銅明顯增多〔13〕。當(dāng)體內(nèi)銅代謝失衡，細(xì)胞外銅離子沉積，細(xì)胞內(nèi)銅離子貯備減少〔14〕；釋放到突觸間隙的銅離子減少導(dǎo)致對N-甲基-D-天門冬氨酸受體(NMDAR)的抑制作用減弱〔15〕；進而導(dǎo)致Aβ生成增多以避免興奮性中毒〔16〕；同時，細(xì)胞內(nèi)銅離子的減少使Aβ1～42：Aβ1～40的比例增加。銅離子通過蛋白酶體途徑加速腦啡肽酶的降解，腦啡肽酶減少使Aβ的清除受損，導(dǎo)致突觸間隙Aβ濃度增高〔17〕。當(dāng)細(xì)胞外銅濃度增加時，多余的銅與肌肽結(jié)合形成復(fù)合物使肌肽水平降低〔18〕；進而使相關(guān)蛋白增多，該蛋白可促使Aβ和銅離子絡(luò)合物形成。此外，也有可能增加突觸的氧化應(yīng)激〔18〕。當(dāng)突觸內(nèi)的Aβ濃度達到臨界值時，其會與肌肽配體競爭性結(jié)合銅離子〔19〕，銅離子與Aβ的結(jié)合所導(dǎo)致的結(jié)果就是Aβ纖維纏結(jié)快速形成，因為與銅離子結(jié)合的Aβ形成纖維纏結(jié)的速度是單純Aβ的2倍，這些纖維纏結(jié)一旦形成又會促使單體Aβ形成纖維纏結(jié)，此外這些纖維纏結(jié)還會繼續(xù)結(jié)合銅離子，直到兩者比例為1∶1，更重要的是，一旦銅離子和Aβ結(jié)合，金屬硫蛋白就無法將銅從聚合物中解聚出來〔20〕。之后，銅離子與Aβ聚合物的氧化應(yīng)激作用及低水平肌肽導(dǎo)致突觸的氧化應(yīng)激〔21〕；同時銅離子和Aβ對NMDAR的抑制無效，最終的結(jié)果是興奮性神經(jīng)毒性〔22〕；逐漸的神經(jīng)細(xì)胞開始死亡、突觸丟失、嗅神經(jīng)功能喪失，淀粉樣蛋白斑從嗅球逐漸向全腦擴散，最終導(dǎo)致廣泛的記憶缺失、腦功能喪失和嚴(yán)重的AD病變〔23〕。

目前美國食品藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)的AD治療藥物均屬于對癥治療藥物，影響疾病進程的藥物仍處于初步研究階段〔24〕。FDA批準(zhǔn)用于治療晚期重癥AD的藥物美金剛，為非競爭性的NMDA受體阻斷劑，而NMDA受體活性的增強主要是由于突觸內(nèi)銅離子減少而對其抑制作用減弱，可從平衡體內(nèi)銅離子分布及濃度方面為治療AD提供新思路。

3 銅和Menkes病、Wilson病

3.1 三磷酸腺苷(ATP)7A和ATP7B ATP7A和ATP7B基因編碼的蛋白與機體銅代謝相關(guān)。ATP7A編碼的蛋白稱為有絲分裂原激活蛋白激酶作用激酶(MNK)蛋白，具有P型ATP酶的所有特點。P型ATP酶是一個蛋白家族，其利用ATP水解釋放的能量轉(zhuǎn)運陽離子通過磷脂雙分子層〔25〕。之所以稱為“P型”ATP酶是因其在陽離子跨膜過程中形成磷酸化的媒介，P型ATP酶的龐大家族還包括Na+/K+泵、H+/K+泵以及細(xì)胞膜和肌漿網(wǎng)上的 Ca2+泵〔9〕。ATP7B編碼銅轉(zhuǎn)運跨膜蛋白，主要在肝中表達，參與銅在肝細(xì)胞高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)運。一般情況下，ATP7A和ATP7B位于高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這也與它參與銅依賴酶生物合成的作用有關(guān)〔26〕。然而，對于ATP7B的位置存在爭議，有人認(rèn)為其存在于內(nèi)涵體，除此之外，有一種更小的ATP7B同種體存在于線粒體〔27〕。目前得到公認(rèn)的是ATP7B存在于高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其已被驗證存在于包括人類肝臟超微結(jié)構(gòu)的獨立系統(tǒng)中。研究表明ATP7A和ATP7B調(diào)節(jié)銅轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵機制是這兩種蛋白對細(xì)胞周圍的銅濃度都很敏感〔28〕。當(dāng)銅濃度增高時，ATP7A轉(zhuǎn)移到外圍囊泡腔和細(xì)胞膜，但極化細(xì)胞和腸組織切片中的ATP7A轉(zhuǎn)移至基底膜，與它轉(zhuǎn)移銅通過腸屏障的作用一致。同樣的，當(dāng)銅濃度增高時ATP7B也會再分布于外圍囊泡腔〔28〕。

3.2 Menkes病 Menkes病是與X基因連鎖的體內(nèi)銅代謝失衡的多系統(tǒng)疾病，主要表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)退行性變和結(jié)締組織病變，其主要致病機制為ATP7A基因突變〔29〕。Menkes病中涉及銅代謝最初是由Danks發(fā)現(xiàn)的〔30〕，Menkes病病人大腦、肝臟和血清中銅離子濃度降低而其腎臟和小腸中銅濃度增高。最初，人們認(rèn)為銅吸收障礙是主要病因，當(dāng)ATP7A基因突變時，MNK蛋白結(jié)構(gòu)和功能改變，患者腸黏膜對食物中銅的吸收減少，同時使細(xì)胞中銅不能轉(zhuǎn)運至細(xì)胞間和血液，導(dǎo)致各種銅依賴酶功能障礙而出現(xiàn)臨床癥狀〔31〕。其后，研究表明其是銅在肝組織和腦內(nèi)的沉積導(dǎo)致的多系統(tǒng)病變，銅通過血腦屏障后，被轉(zhuǎn)運到膠質(zhì)細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞主要由MNK蛋白控制，此后銅可參與神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)生成中的各種酶的形成，如多巴胺、去甲腎上腺素、細(xì)胞色素C氧化酶、多巴胺β羥化酶、氧化酶和酪氨酸酶〔9〕?；蛲蛔兒?，銅聚集于血腦屏障的內(nèi)皮細(xì)胞中而導(dǎo)致大腦內(nèi)銅缺乏，進而出現(xiàn)致命性的神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變，主要表現(xiàn)為腦萎縮、癲癇發(fā)作、肌張力減退、毛發(fā)增粗和結(jié)締組織異常。在兒童表現(xiàn)為Menkes病，患兒通常在幼兒期發(fā)病死亡。研究表明：早期予以腸外銅-組氨酸治療可能阻止神經(jīng)變性的進展〔32〕。

3.3 Wilson病(WD) 1912年，Kinnear Wilson發(fā)現(xiàn)了一種家族性“進展性豆?fàn)詈俗冃孕约膊　?，其病變包括中樞神?jīng)系統(tǒng)病變和肝硬化，這種疾病隨后被命名為WD〔33〕。WD是一種銅代謝異常的常染色體隱性疾病，由位于13號染色體的ATP7B基因突變引起。ATP7B基因參與銅和銅藍蛋白結(jié)合以及銅轉(zhuǎn)運入膽汁〔34〕，其突變使人體內(nèi)游離的銅增多，銅和組織內(nèi)蛋白結(jié)合導(dǎo)致銅在體內(nèi)異常聚積。在WD中銅沉積于多個器官并對組織造成損傷，受損器官主要為腦和肝臟，表現(xiàn)為肝疾病和廣泛的神經(jīng)精神癥狀，其中，肝內(nèi)銅含量是診斷WD的金標(biāo)準(zhǔn)。

目前，WD的治療包括飲食控制和藥物治療等，前者目的是控制食物中銅的攝取，后者則為促進銅的排泄和減少銅的吸收。實驗數(shù)據(jù)顯示：長期正規(guī)的綜合驅(qū)銅治療能使WD患者的腦代謝得到明顯改善〔35〕。

4 結(jié) 語

銅作為機體必需的金屬元素，在維持機體穩(wěn)態(tài)尤其是神經(jīng)系統(tǒng)生理功能中發(fā)揮著重要作用。銅參與機體多種酶的合成，當(dāng)銅代謝及分布異常時可導(dǎo)致酶合成異常進而影響神經(jīng)系統(tǒng)的正常生理功能，同時，銅在體內(nèi)的代謝平衡受相關(guān)基因調(diào)控，當(dāng)產(chǎn)生基因突變時，可引起體內(nèi)銅代謝失衡及分布異常，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)病理變化。銅代謝與機體多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，但兩者之間的關(guān)系尚未引起足夠重視。目前，大部分神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療仍處于對癥治療階段，尚無有效藥物能夠緩解疾病進程甚至逆轉(zhuǎn)各種病理改變。通過對銅代謝和神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系的研究，可能研發(fā)出調(diào)節(jié)體內(nèi)銅代謝的藥物，為與其有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供新靶點。

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〔2016-05-12修回〕

(編輯 袁左鳴)

國家自然科學(xué)基金(No.81341138)

趙萬紅(1970-)，男，碩士生導(dǎo)師，教授，主要從事神經(jīng)精神疾病研究。

韓 寧(1993-)，女，在讀碩士，主要從事阿爾茨海默病相關(guān)研究。

R363

A

1005-9202(2016)21-5456-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.21.110