鈣信號與阿爾茨海默病研究進展

盧北玲 李聞文 周 軍

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗系臨床免疫與微生物學(xué)教研室，湖南 長沙 410000)

鈣信號與阿爾茨海默病研究進展

盧北玲 李聞文 周 軍1

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)檢驗系臨床免疫與微生物學(xué)教研室，湖南 長沙 410000)

阿爾茨海默??；鈣信號；β-淀粉樣蛋白；鈣超載

阿爾茨海默病(AD)按有無家族史可分為散發(fā)型(SAD)和家族遺傳型(FAD)兩種類型，臨床以記憶障礙、語言障礙、失認、失用、淡漠及性格改變等為主要特征，目前越來越多的研究〔1〕發(fā)現(xiàn)鈣信號在AD病理進展中發(fā)揮重要作用，鈣信號主要表現(xiàn)為鈣平衡失調(diào)及鈣超載。已知具有神經(jīng)毒性的β淀粉樣蛋白(Aβ)導(dǎo)致了神經(jīng)元內(nèi)鈣離子(Ca2+)上調(diào)，誘發(fā)神經(jīng)元凋亡導(dǎo)致記憶下降。Aβ促進細胞外Ca2+內(nèi)流或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ES)鈣釋放，使細胞內(nèi)鈣超載，導(dǎo)致神經(jīng)元代謝異常。其他因素如早老素蛋白(PS)、蘭尼堿受體(RYRs)、星形膠質(zhì)細胞(AS)、線粒體、谷氨酸受體(GLUR)等也參與神經(jīng)元鈣調(diào)節(jié)，是促進神經(jīng)元功能喪失的關(guān)鍵因素。Aβ級聯(lián)假說和鈣假說之間是緊密關(guān)聯(lián)的，但目前具體機制并不清楚。鈣信號參與細胞的多種生理活動，例如對細胞增殖、凋亡和分化均具有重要調(diào)控作用，因此平衡早期鈣信號紊亂延緩AD病情進展值得研究。

1 鈣信號與神經(jīng)元

鈣信號產(chǎn)生主要有兩個來源：一是細胞外鈣內(nèi)流增加，二是細胞內(nèi)鈣庫鈣釋放(CICR)增加。鈣內(nèi)流通道報道較多是電壓門控鈣通道(VOCS)、受體門控鈣通道(ROCS)、儲存開放性鈣通道(SOCs)。最近發(fā)現(xiàn)非選擇性陽離子通道蛋白6(TRPC6)在細胞內(nèi)鈣升高過程中具有重要作用，TRPC6介導(dǎo)細胞外鈣內(nèi)流及鈣瞬變過程，也介導(dǎo)突觸的可塑性，其機制可能是TRPC6介導(dǎo)的鈣升高激活另外的細胞內(nèi)膜受體絡(luò)氨酸蛋白激酶信號傳遞途徑(Ras/MAPK)、磷脂酰肌醇肌酶3/蛋白激酶B(PI3/Akt)、Ca2+/CaM依賴的蛋白激酶(CAMK)Ⅳ通路，導(dǎo)致腺苷3′-5′環(huán)化磷酸(CAMP)反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)磷酸化引起下游基因轉(zhuǎn)錄及腦源性的神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)和抗凋亡蛋白Bcl-2生成增多，因而對腦神經(jīng)元起到了保護的作用〔2〕。細胞內(nèi)CICR是許多受體起主要作用，如三磷酸肌醇受體(IP3R)、RYRs和煙酸酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAADP)受體，結(jié)合IP3、環(huán)腺苷二磷酸核糖(cAMPR)和NAADP蛋白的作用，調(diào)控細胞內(nèi)鈣釋放。而二孔通道(TPCs)可能是NAADP受體的家族成員，NAADP可通過TPCs促進溶酶體中鈣釋放〔3〕。

1.1 鈣信號與Aβ Ca2+濃度升高可引發(fā)下游信號分子表達異常，比如鈣蛋白酶(calpain)、Akt、大鼠內(nèi)瘤蛋白(Ras)/Ras相關(guān)的C3病毒底物(Rac)等，引發(fā)鈣信號紊亂，鈣信號也與STAT3信號通路及Aβ間有密切的關(guān)系。 由于神經(jīng)元內(nèi)高Ca2+激活了calpain，使相應(yīng)激酶周期依賴性蛋白激酶(P25/cdk5)的活性增強，信號轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)3磷酸化進入細胞核，核內(nèi)STAT3上調(diào)β-分泌酶的表達，直接或間接使Aβ生成增多，而Aβ升高進一步促進鈣信號紊亂〔4〕。據(jù)報道周期依賴性蛋白激酶(P25/cdk5)分子還參與了DNA損傷引起的神經(jīng)元死亡，在AD的病理形成過程中起關(guān)鍵性作用〔5〕。Aβ是一種疏水性多肽，包含39～42個氨基酸，主要以Aβ40和Aβ42兩種形式出現(xiàn)，其中以Aβ42毒性最強〔6〕。在小鼠皮質(zhì)神經(jīng)元的原代培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)鈉-鈣交換體介導(dǎo)Aβ的神經(jīng)毒性，Aβ還使細胞膜脂質(zhì)雙層形成膜孔從而加強了鈣內(nèi)流〔7〕。Pret等〔8〕證實AD腦內(nèi)神經(jīng)元退化分階段，早期Aβ誘導(dǎo)鈣內(nèi)流引起部分鈣超載，晚期激活了鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(CaN)，CaN活性升高導(dǎo)致神經(jīng)突觸降解及嚴重的鈣超載，可引發(fā)樹突-棘突信號的紊亂。但也有研究者〔9〕認為遲發(fā)型AD患者是Aβ清除障礙，而沒有證據(jù)顯示是Aβ產(chǎn)生增加。低密度脂蛋白相關(guān)受體(LRP)1參與了Aβ的清除過程，起著抑制Aβ降解的作用，具體機制并不清楚。

1.2 鈣信號與PS 研究發(fā)現(xiàn)人體大腦中的PS含量隨著年齡的增長而增加，大約75%的家族遺傳性AD(FAD)與突變型PS有密切關(guān)系，PS作為γ-分泌酶的催化亞單位參與Aβ肽的生成，決定生成的Aβ肽的長度〔10〕。PS1發(fā)生突變使Aβ42生成增多更易于聚集，并作為一種被動型ES Ca2+漏通道發(fā)揮作用，這種作用不依賴γ-分泌酶的活性〔11〕。PS可導(dǎo)致Ca2+漏通道的功能缺失及ES鈣超載，但并不是所有的PS突變都會導(dǎo)致鈣超載和ES Ca2+通道功能缺失〔12〕。PS基因突變對鈣穩(wěn)態(tài)的效應(yīng)在轉(zhuǎn)基因小鼠和人類細胞研究中已經(jīng)得到證實〔13〕。因此，PS在鈣信號中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，影響了許多ES Ca2+信號蛋白質(zhì)的表達和活性〔14〕。

1.3 鈣信號與線粒體 AD腦細胞內(nèi)Ca2+升高損害了線粒體，促使活性氧(ROS)產(chǎn)生增多，降低了細胞色素C氧化酶的活性，從而減少了三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生，導(dǎo)致AD腦細胞能量供應(yīng)失調(diào)。此外線粒體在鈣緩沖和細胞內(nèi)Ca2+瞬變過程中發(fā)揮重要作用〔15〕。在Ca2+升高的早期，線粒體膜通過鈉-鈣交換體加強鈣的釋放〔16〕。高Ca2+誘導(dǎo)線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔開放，Aβ則抑制了線粒體的呼吸功能，兩者引起線粒體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)而誘導(dǎo)細胞死亡〔17〕，Aβ如何進入線粒體目前尚不清楚，一種可能是γ-分泌酶定位于ES或線粒體表面〔18〕。PS突變使鈣穩(wěn)態(tài)和線粒體轉(zhuǎn)運受到影響〔19〕，另外ES Ca2+釋放也升高了線粒體Ca2+濃度，隨后改變了線粒體的功能包括細胞凋亡、酮戊二酸脫氫酶(KGDHC)活性和ROS的產(chǎn)生，而KGDHC的缺乏也導(dǎo)致ES鈣儲存異常。線粒體是一種動態(tài)細胞器，鈣信號參與了線粒體分裂與融合，主要影響融合過程中線粒體融合蛋白(Mfn)1和線粒體分裂蛋白(OPA)1的調(diào)節(jié)及分裂過程中DLP1的作用〔20〕。

2 鈣信號與受體

2.1 鈣信號與蘭尼堿受體 RYRs的表達對維持突觸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)起重要作用，主要定位于神經(jīng)元胞體、樹突近端和棘突末梢〔21〕。RYRs表達增加導(dǎo)致ES CICR增加，首先直接通過鈣誘導(dǎo)促進鈣釋放，然后由ES ATP泵再填充枯竭的ES鈣〔22〕。RYRs也可通過CICR促進神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，產(chǎn)生突觸后電位并引起突觸后膜的暫時性去極化引起細胞內(nèi)鈣升高，阻斷RYRs即可消除長時程抑制(LTD)和長時程增強(LTP)。此外RYRs激活低電導(dǎo)鉀通道(SK)通道，影響局部電流的產(chǎn)生〔23〕，在3XTg-AD 動物模型中，RYRs介導(dǎo)的鈣釋放促進了突觸傳遞和突觸可塑性形成，效應(yīng)信號在Aβ形成、Tau沉積或記憶缺失之前就已出現(xiàn)，表明RYRs功能改變在AD早期階段就已出現(xiàn)。異氟烷引起小鼠原代培養(yǎng)神經(jīng)元ES應(yīng)激反應(yīng)，并通過RYRs升高內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子CCAAT/增強子結(jié)合蛋白(CHOP)和半胱天冬酶(Caspase)12的水平，促進Caspase3的活化和神經(jīng)元凋亡〔24〕，神經(jīng)元鈣信號紊亂對ES也是應(yīng)激反應(yīng)。也有觀點表示PS突變通過升高RYRs表達增強了鈣釋放，但相反的觀點認為PS突變改變了IP3R門控特性或ES漏通道功能，對RYRs的效應(yīng)不是很明顯，并且在不同的神經(jīng)元內(nèi)RYRs誘發(fā)鈣升高的程度不同〔25〕。RYRs可與存在于細胞質(zhì)中的S100A1(一種鈣結(jié)合蛋白)形成復(fù)合物，其形成需要Ca2+參與，RYRs作為S100A1的靶蛋白發(fā)揮作用〔26〕。因此對RYRs阻斷劑藥物的開發(fā)是治療AD的一個有效選擇。

2.2 鈣信號與GLUR GLUR可分為兩類：谷氨酸離子型受體(iGLUR)，包括N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異噁唑丙酸受體(AMPAR)、紅藻氨酸鹽受體(KAR)三種亞型，均屬于配體門控離子通道受體，其中NMDAR與興奮性神經(jīng)毒性、突觸可塑性、學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)。谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)最為豐富的神經(jīng)遞質(zhì)，首先激活離子通道型受體NMDAR、AMPAR、KARs引起突觸興奮，允許離子快速進入突觸后終端使其引起了一系列膜的改變，Na+流入引起突觸后極化，Ca2+流入引起鈣瞬變，NMDAR過表達引起Ca2+內(nèi)流增加導(dǎo)致細胞內(nèi)鈣超載〔27〕。在年幼小鼠的神經(jīng)元內(nèi)，NMDAR持續(xù)激活或去極化在一定程度上減少了L-型Ca2+內(nèi)流，保護神經(jīng)元免受興奮性細胞死亡。NMDAR介導(dǎo)鈣離子的內(nèi)流加強了年幼小鼠樹突中異常RYRs受體的活性，故阻斷AD神經(jīng)元內(nèi)RYRs，將阻止NMDAR依賴性鈣反應(yīng)，并且能使Ca2+恢復(fù)到正常水平，表明細胞內(nèi)鈣升高一部分來自NMDAR介導(dǎo)的CICR，而這種由NMDAR介導(dǎo)的CICR在 NonTg小鼠中并沒有發(fā)現(xiàn)，說明RYRs升高的CICR并不是直接通過NMDA加強鈣內(nèi)流的，這與AD后期認知能力損害有一定的關(guān)系〔28〕。在AD患者內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元脂質(zhì)雙層AMPARGLUR2亞型表達減少，而GLUR亞型的激活增強了細胞內(nèi)Ca2+濃度〔29〕。第二類為谷氨酸代謝型受體(mGLURs)，GLU能激活磷脂酶C(PLC)及腦內(nèi)第二信使甘油二酯(DG)和IP3的生成，后者與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上IP3R結(jié)合來釋放Ca2+使其進入細胞質(zhì)，打破細胞內(nèi)鈣信號。

3 鈣信號與AS

AS是CNS內(nèi)神經(jīng)支持、營養(yǎng)和保護作用的重要細胞，并參與突觸的形成、消除Aβ 、炎癥反應(yīng)、分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子等作用。近年來發(fā)現(xiàn)AD發(fā)病早期活化AS的出現(xiàn)促進疾病的病理進程，并與鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)密切相關(guān)〔30〕。AD腦內(nèi)異常的Ca2+信號加劇了AS增殖與炎癥反應(yīng)，引起神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)及大腦功能異常〔31〕。在AS純化培養(yǎng)中，較低濃度Aβ能直接誘導(dǎo)細胞內(nèi)鈣瞬變及瞬時性鈣波，其主要機制是通過升高細胞內(nèi)鈣瞬變的頻率和增加AS活化數(shù)量來實現(xiàn)，并且Aβ誘導(dǎo)的AS鈣瞬變具有時間延遲性，這可能是大腦存在一種對Aβ破壞的補償機制，這一機制也使得一些腦部出現(xiàn)Aβ的患者出現(xiàn)AD癥狀的時間推遲，并且AS源性蛋白如GFAP和 S100β表達上升，加強了腦Aβ沉積和神經(jīng)損傷，其升高水平與細胞內(nèi)Ca2+水平有一定相關(guān)性〔32〕。AS細胞內(nèi)鈣瞬變導(dǎo)致神經(jīng)元中鈣依賴性谷胱甘肽消耗和反應(yīng)性氧簇形成，直接誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡〔33〕。

綜上，鈣信號紊亂通過各種機制參與早期AD病理形成過程，是引起神經(jīng)元死亡的關(guān)鍵因素〔34〕，目前美金剛已被批準(zhǔn)是治療中度到重度AD的唯一藥物，它是一種非競爭型的NMDA受體拮抗劑，阻止過多鈣流入和細胞死亡〔35〕。由于各種原因?qū)е录毎麅?nèi)鈣超載，進而引起鈣信號的紊亂，使得相關(guān)蛋白質(zhì)表達異常，產(chǎn)生毒性效應(yīng)使神經(jīng)元受損，即將死亡的神經(jīng)元會引發(fā)神經(jīng)變性障礙和病人認知能力損傷及記憶喪失，為了更好地診斷和治療這些神經(jīng)變性疾病，需要更好地理解鈣信號失調(diào)引發(fā)神經(jīng)元死亡的原因和機制以控制AD病情的發(fā)展。

1 Berridge MJ.Dysregulation of neural calcium signaling in Alzheimer’s disease，bipolar disorder and schizophrenia〔J〕.Landes Biosci，2013；7(1)：2-13.

2 Heiser JH，Schuwald AM，Sillani G，etal.TRPC6 channel-mediated neurite outgrowth in PC12 cells and hippocampal neurons involves activation of RAS/MEK/ERK，PI3K and CAMKⅣ signaling〔J〕.J Neurochem，2013；127：303-13.

3 Calcraft PJ，Ruas M，Pan Z，etal.NAADP mobilizes calcium from acidic organelles through two-pore channels〔J〕.Nature，2009；459：596-601.

4 Liu Li，Martin P，Kohler M，etal.Palmitate induces transcriptional regulation of BACE1 and presenilin by STAT3 in neurons mediated by astrocytes〔J〕.Exp Neurol，2013；248：482-90.

5 Ogara MF，Belluscio LM，de la Fuente V，etal.CDK5-mediated phosphorylation of p19INK4d avoids DNA damage-induced neurodegeneration in mouse hippocampus and prevents loss of cognitive functions〔J〕.Biochim Biophysi Acta，2014；1843：1309-24.

6 Jensen LE，Bultynck G，Luyten T，etal.Alzheimer′s disease-associated peptide Aβ42 mobilizes ER Ca2+via InsP3R-dependent and independent mechanisms〔J〕.Mol Neurosci，2013；6(36)：1-12.

7 Atherton J，Kurbatskaya K，Bondulich M，etal.Calpain cleavage and inactivation of the sodium calcium exchanger-3 occur downstream of Aβ in Alzheimer′s disease〔J〕.Aging Cell，2014；13(1)：49-59.

8 Pret DD，Checler F，Chami M.Ryanodine receptors：physiological function and deregulation in Alzheimer′s disease〔J〕.Mol Neurodegenerat，2014；9：21.

9 Gan M，Jiang PZ，McLean P，etal.Low-density lipoprotein receptor-related protein 1 (LRP1) regulates the stability and function of GluA1 a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid (AMPA) receptor in neurons〔J〕.PLoS One，2014；9(12)：e113237.

10 Fernández-Morales J，Arranz-Tagarro J，Calvo-Gallardo E，etal.Stabilizers of neuronal and mitochondrial calcium cycling as a strategy for developing a medicine for Alzheimer′s disease〔J〕.ACS Chem Neurosci，2012；3(11)：873-83.

11 Supnet C，Bezprozvanny I.Presenilins as endoplasmic reticulum calcium leak channels and Alzheimer′s disease pathogenesis〔J〕.Sci China Life Sci,2011；54(8)：744-51.

12 Nelson O，Supnet C，Huarui Liu，etal.Familial Alzheimer′s disease mutationsin presenilins：effects on endoplasmic reticulum calcium homeostasis and correlation with clinical phenotypes〔J〕.J Alzheimers Dis，2010；21(3)：781-93.

13 Chakroborty S，Stutzmann GE.Early calcium dysregulation in Alzheimer′s disease：setting the stage for synaptic dysfunction〔J〕.Life Sci，2011；54(8)：752-62.

14 Supnet C，Bezprozvanny I.Neuronal calcium signaling，mitochondrial dysfunction and Alzheimer′s disease〔J〕.J Alzheimers Dis，2010；20：S487-98.

15 Murchison D，Griffith WH.Calcium buffering systems and calcium signalingin aged rat basal forebrain neurons〔J〕.Aging Cell，2007；6(3)：297-305.

16 Kawamoto EM，Vivar C，Camandola S.Physiology and pathology of calciumsignaling in the brain〔J〕.Front Pharmacol,2012；3：61.

17 Cali T,Ottolini D，Brini M.Calciumand Endoplasmic reticulum-mitochondria tethering in neurodegeneration〔J〕.Dna Cell Biol，2013；32(4)：140-6.

18 Picone P，Nuzzo D，Caruana L.Mitochondrial dysfunction：different routes to Alzheimer′s disease therapy〔J〕.Oxidat Med Cellular Longevity，2014：780197.

19 Sepulveda-Falla D，Barrera-Ocampo A，Hagel C，etal.Familial Alzheimer′s disease-associated presenilin-1 alters cerebellar activity and calcium homeostasis〔J〕.J Clin Invest,2014；124(4)：1552-67.

20 Gan X，Huang S，Wu L，etal.Inhibition of ERK-DLP1 signaling and mitochondrial division alleviates mitochondrial dysfunction in Alzheimer′s disease cybrid cell〔J〕.Biochim Biophys Acta，2014；1842(2)：220-31.

21 Popugaeva E，Bezprozvanny I.Role of endoplasmic reticulum Ca2+signaling in the pathogenesis of Alzheimer′s disease〔J〕.Front Mol Neurosci，2013；6：29.

22 Supnet C，Bezprozvanny I.The dysregulation of intracellular calcium in Alzheimer′s disease〔J〕.Cell Calcium，2010；47(2)：183-9.

23 Chakroborty S，Kim J，Schneide C，etal.Early pre and postsynaptic calcium signaling abnormalities mask underlying synaptic depression in presymptomatic Alzheimer′s disease mice〔J〕.J Neurosci，2012；32(24)：8341-53.

24 Wang H，Dong Y，Zhang J，etal.Isoflurane induces endoplasmic reticulum stress and caspase activation through ryanodine receptors〔J〕.Br J Anaesthesia，2014；113(4)：695-707.

25 Goussakov V，Miller MB，Stutzmann EG.NMDA-mediated Ca2+influx drives aberrant ryanodine receptor activation in dendrites of young Alzheimer′s disease mice〔J〕.J Neurosci,2010；30(36)：12128-37.

26 AfanadorEmily L，Roltsch EA，Holcomb L，etal.The Ca2+sensor S100A1 modulates neuroinflammation，histopathology and Akt activity in the PSAPP Alzheimer′s disease mouse model〔J〕.Cell Calcium，2014；56：68-80.

27 Nimmrich V，Ecker A.Calcium channel blockers and dementia〔J〕.Br J Pharmacol，2013；169(6)：1203-10.

28 Molokanova E，Akhtar MW，Sanz-Blasco S，etal.Differential effects of synapticand extrasynaptic NMDA receptors on Aβ-Induced nitric oxide production in cerebrocortical neurons〔J〕.J Neurosci，2014；34(14)：5023-8.

29 Cataldi M.The changing landscape of voltage-gated calcium channels in neuro-vascular disorders and in neurodegenerative diseases〔J〕.Curr Neuropharmacol，2013；11(3)：276-97.

30 Cho T，Chaban VV.Interaction between P2X3 and ERα/ERβ in ATP-mediated calcium signaling in mice sensory neurons〔J〕.J Neuroendocrinol，2012；24(5)：789-97.

31 Brawek B，Garaschuk O.Network-wide dysregulation of calcium homeostasisin Alzheimer′s disease〔J〕.Cell Tissue Res，2014；357(2)：427-38.

32 Elman JA，Hwamee OH，Madison CM，etal.Neural compensation in older people with brain amyloid-β deposition〔J〕.Nat Neurosci，2014；17(10)：1316-8.

33 Chow SK，Yu D，MacDonald CL.Amyloid β-peptide directly induces spontaneous calcium transients，delayed intercellular calcium waves and gliosis in rat cortical astrocytes〔J〕.Asn Neuro，2009；2(1)：e00026.

34 Honarnejad K，Daschner A，Giese A.Development and implementation of a high-throughput compound screening assay for targeting disrupted ER calcium homeostasis in Alzheimer′s disease〔J〕.PLoS One，2013；8(11)：e80645.

35 Sun X，Wu Y，Herculano B.RCAN1 overexpression exacerbates calcium overloading-induced neuronal apoptosis〔J〕.PLoS One，2014；9(4)：e95471.

〔2015-12-17修回〕

(編輯 苑云杰/杜 娟)

國家自然科學(xué)基金(81571382)；湖南省科技廳項目(2015WK3010)

李聞文(1956-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事臨床免疫及微生物教學(xué)研究。

盧北玲(1989-)，女，在讀碩士，主要從事神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究。

R741.02

A

1005-9202(2017)10-2567-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.10.098

1 中南大學(xué)湘雅醫(yī)院醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心