磷脂酶A2在阿爾茨海默病中的作用機制及運動調(diào)控

崔莉莉，李忠堂

(牡丹江師范學(xué)院 體育科學(xué)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

磷脂酶A2在阿爾茨海默病中的作用機制及運動調(diào)控

崔莉莉，李忠堂

(牡丹江師范學(xué)院 體育科學(xué)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

磷脂酶A2(PLA2)是一類催化甘油磷脂sn-2酯鍵水解生成多不飽和脂肪酸的酶，與花生四烯酸(AA)一起在阿爾茨海默病(AD)的發(fā)病機制中起著重要作用。PLA2和AA與神經(jīng)元活性有關(guān)，抑制PLA2和AA活性可抑制Aβ引起的神經(jīng)毒性，緩解AD病癥。運動對AD的防治已經(jīng)不言而喻，運動通過抑制PLA2活性來抑制Aβ毒性，緩解AD學(xué)習(xí)記憶能力的機理仍需進一步研究。

阿爾茨海默??；磷脂酶A2；花生四烯酸；β淀粉樣蛋白；運動訓(xùn)練

阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)是一種進行性發(fā)展的致死性神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為認知記憶功能不斷惡化，日常生活能力進行性減退。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國目前AD患者約為600萬，且年齡每增加5歲，AD患病率將上升1倍，因此AD越來越受到研究人員的重視。AD發(fā)病機制異常復(fù)雜，其中Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性是其發(fā)病的最主要機制[1]，近來研究發(fā)現(xiàn)，PLA2參與了Aβ的毒性作用，在AD的發(fā)生發(fā)展中起著極為重要的作用。

1 PLA2

PLA2存在于動物各種組織的細胞膜及線粒體膜上，是一類催化甘油磷脂sn-2酯鍵水解生成多不飽和脂肪酸的酶(其中包括AA)和溶血磷脂的超家族酶系。AA是一種必需脂肪酸，在神經(jīng)元細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞的信號傳導(dǎo)中起重要作用。由于人體不能合成AA，必須從食物中攝取。AA在被運輸進入大腦之前，先要在肝中合成脂蛋白，在外層附上一層磷脂質(zhì)，進入大腦以后由PLA2分解出AA。AA在一系列酶的作用下可以轉(zhuǎn)化成前列腺素、血栓烷、白三烯等。在正常細胞內(nèi)，這些代謝產(chǎn)物含量很低，作為第二信使可調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達、細胞增殖等細胞功能，但當這些代謝產(chǎn)物大量積聚時又會產(chǎn)生神經(jīng)毒性[2]。

PLA2的N-末端有一個Ca2+結(jié)合區(qū)域，類似于一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白(如蛋白激酶C、GTP酶激活蛋白、磷脂酶C等)的Ca2+結(jié)合區(qū)域，是Ca2+作用的部位。PLA2有許多磷酸化部位，其中MAPK的Ser505是體內(nèi)PLA2激活的最重要區(qū)域[3]。PLA2具有多個亞型，包括GIIA、GIVA、GVA、GVIA等，其中GIVA-PLA2存在于動物海馬中，且含量相對較高，可以分解出較多的AA[4]。腦內(nèi)游離的AA水平受到GIVA-PLA2活性的影響，而GIVA-PLA2的活性主要受細胞內(nèi)Ca2+濃度以及磷酸化位點的調(diào)節(jié)[5]。

2 PLA2與神經(jīng)元活性

研究發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)的PLA2、AA在突觸傳遞、LTP、學(xué)習(xí)記憶中起著重要的作用。對注射GVIA-PLA2抑制劑的小鼠進行Y迷宮測試時也發(fā)現(xiàn)其學(xué)習(xí)記憶能力下降[6]。提示，PLA2參與了腦學(xué)習(xí)記憶過程。進一步研究發(fā)現(xiàn)，磷脂質(zhì)在PLA2的作用下產(chǎn)生AA、DHA等代謝物，AA通過增強神經(jīng)元的興奮性，增強海馬的LTP功能，提高學(xué)習(xí)記憶能力[7]，提示PLA2參與學(xué)習(xí)記憶過程可能與AA有關(guān)。對外源性PLA2注射大鼠海馬切片時發(fā)現(xiàn)，其表面AMPA受體增多，而如果抑制PLA2的活性，表面AMPA受體水平降低[8]。提示，PLA2可通過調(diào)節(jié)AA表達，提高神經(jīng)元細胞膜上AMPA受體水平，來增強神經(jīng)元的活性，調(diào)節(jié)海馬LTP以及學(xué)習(xí)記憶功能。但是又有學(xué)者提出疑問：PLA2與AA過多，是否會引發(fā)神經(jīng)元毒性呢？大腦齒狀回PLA2活性增強，AA釋放增多，神經(jīng)元活性增強，反過來神經(jīng)元活性增強又可刺激谷氨酸鹽產(chǎn)生Ca2+，更多的Ca2+透過NMDA受體與AMPA受體進入胞內(nèi)，使得PLA2活性增強，AA水平提高。正是通過這種正反饋調(diào)節(jié)作用，PLA2活性增強使神經(jīng)元活性出現(xiàn)了異常狀態(tài)。

3 PLA2與Aβ介導(dǎo)的神經(jīng)毒性

Aβ又稱β-淀粉樣蛋白，由39—43個氨基酸組成，是大腦皮質(zhì)老年斑的主要成分。Aβ的可溶性二聚體可以有效削弱突觸結(jié)構(gòu)和功能，這種二聚體是最小的突觸毒性物質(zhì)，是引起AD的核心物質(zhì)。在AD中，Aβ誘導(dǎo)IL-1β、IFN-γ、TNF-α等促炎性因子增加，過度激活PLA2，釋放大量的AA，導(dǎo)致神經(jīng)細胞的凋亡。Bate等[9]發(fā)現(xiàn)，大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元內(nèi)Aβ42增加，IFN-γ增加，PLA2活性增強，前列腺素增加，導(dǎo)致細胞凋亡。在AD中，Aβ引起ROS產(chǎn)生增多，ROS也會增強PLA2活性，增加AA釋放，引起細胞凋亡。同時過量的ROS會導(dǎo)致氧化應(yīng)激，引起神經(jīng)元損傷。Kriem等[10]發(fā)現(xiàn)，大鼠星形膠質(zhì)細胞中的H2O2刺激了PLA2的磷酸化，增加AA的釋放。且Aβ還可以通過NADPH氧化酶與MAPK激活PLA2的活性，誘導(dǎo)線粒體損傷，導(dǎo)致活性氧增加，引起氧化應(yīng)激損傷。Gottfried等[11]發(fā)現(xiàn)：AA以及ROS會抑制星形膠質(zhì)細胞攝入谷氨酸鹽，使得突觸間隙內(nèi)的谷氨酸鹽水平升高，過度激活NMDA受體，增加Ca2+內(nèi)流，激活PLA2的活性，同時激活對Ca2+敏感的各種酶類，產(chǎn)生活性氧，造成線粒體損傷，致使認知功能障礙。

在AD中，Aβ誘發(fā)的促炎性因子、ROS等物質(zhì)可以激活PLA2活性，同時活性氧使得進入細胞內(nèi)的Ca2+增多，激活MAPK酶，增強GIVA-PLA2活性，并將GIVA- PLA2轉(zhuǎn)運到高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核膜上，使其接近磷脂質(zhì)，促進AA的釋放，AA通過AMPA受體與NMDA受體水平的升高增強神經(jīng)元活性，過量的AA過度激活A(yù)MPA受體與NMDA受體，就會出現(xiàn)興奮性中毒；且AA與其代謝產(chǎn)物的擴散也會使其周圍區(qū)域血壓升高，引起腦血管損傷；同時AA增多使腦內(nèi)活性氧增加，從而引起氧化損傷[12]；GIVA-PLA2的活性過強，致使過量的磷脂水解，膜上磷脂的迅速水解導(dǎo)致脂復(fù)合物來不及補充細胞膜的缺失，將直接導(dǎo)致神經(jīng)元的丟失及損壞(圖1)。

圖1 PLA2在AD中的作用機制[13]

對APP轉(zhuǎn)基因小鼠及同窩野生型小鼠進行液相色譜分析與質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，AD小鼠海馬中游離脂肪酸增多，腦內(nèi)Aβ釋放增加，GIVA-PLA2活性增強，AA含量增加，小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力下降，而敲除APP轉(zhuǎn)基因小鼠的GIVA-PLA2基因，發(fā)現(xiàn)其空間學(xué)習(xí)記憶能力又有所緩解[4]。提示，Aβ可提高海馬內(nèi)GIVA-PLA2磷酸化水平，誘導(dǎo)神經(jīng)毒性，而抑制PLA2活性可抑制Aβ毒性。此外，AD小鼠學(xué)習(xí)記憶能力下降也可能與鈣調(diào)蛋白等突觸活性蛋白下降有關(guān)。

4 運動、PLA2與AD

Aβ是導(dǎo)致AD的最重要致病因素，Aβ在腦內(nèi)過度沉積可激活GIVA-PLA2活性，增加AA及其代謝產(chǎn)物釋放，過度增強GIVA-PLA2活性，破壞神經(jīng)元結(jié)構(gòu)功能，導(dǎo)致神經(jīng)元毒性。同時，AA可引起腦血管的損傷以及活性氧的過多釋放，引起氧化損傷，導(dǎo)致腦內(nèi)學(xué)習(xí)記憶能力下降，從而引發(fā)AD。

傳統(tǒng)治療AD的方法主要集中在藥物療法，該療法毒副作用較強且無良好療效。運動科學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，積極的有氧運動可以有效延緩AD的發(fā)病。跑輪運動是一種可以規(guī)避強制性刺激帶來的不利影響的自主運動方式，國外有關(guān)腦健康運動干預(yù)的研究多集中于該運動模式。Garcia等[14]對6月齡3XTg-AD轉(zhuǎn)基因小鼠進行6個月自主跑輪運動干預(yù)，結(jié)果顯示，長期自主跑輪運動降低了Aβ水平，抑制了AD轉(zhuǎn)基因小鼠的認知功能下降。Rao等[15]研究了7個月跑輪運動對APP/PS1小鼠認知功能的影響，發(fā)現(xiàn)運動提高轉(zhuǎn)基因小鼠認知功能與Aβ含量減少有關(guān)。提示，長期自主跑輪運動可以降低轉(zhuǎn)基因AD小鼠的Aβ蛋白表達水平，抑制其認知功能的下降。研究人員也研究了短期自主運動對AD的影響，但其結(jié)果仍存在爭議，如3周的自主跑輪運動可以抑制Tg2576AD小鼠腦內(nèi)可溶性Aβ40表達[16]，但是有研究[17]卻發(fā)現(xiàn)，3周跑輪運動僅僅提高了該小鼠的認知功能，并沒有改變Aβ40或Aβ42的表達。隨后，研究人員比較了1個月和6個月自主運動對AD小鼠Aβ表達的影響，發(fā)現(xiàn)短期和長期運動均可以抑制Aβ40表達，且長期運動效果更好[18]，提示自主跑輪運動強度較低，長期運動效果好于短期運動。針對于自主跑輪運動，跑臺運動可以很好地模擬人體訓(xùn)練，但是該運動模式是一種強制性運動，結(jié)果易受強制性刺激的干擾。研究發(fā)現(xiàn)，4個月中等強度跑臺運動可以降低13月齡APP轉(zhuǎn)基因AD小鼠的Aβ42水平，提高認知功能[19]。Lin等[20]發(fā)現(xiàn)10周的跑臺運動可以通過促進Aβ清除減少Aβ含量來提高4月齡APP/PS1小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力。以上研究表明，長期中等強度運動可以降低腦內(nèi)Aβ的蛋白表達水平，提高認知功能。但是有研究將17月齡的APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD小鼠作為研究對象，對其進行5個月的跑臺運動，發(fā)現(xiàn)運動可以減少海馬內(nèi)可溶性Aβ含量，增強突觸可塑性，提高小鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力，但是運動并沒有改變海馬內(nèi)Aβ斑塊的數(shù)量[21]。提示運動對AD的防治效果可能與年齡有關(guān)，推測在AD初期進行運動干預(yù)可以有效延緩AD的發(fā)病，但是隨著年齡的增加，AD病情加重，運動的緩解作用減弱。以上研究結(jié)果提示，自主運動和被動運動均對AD轉(zhuǎn)基因小鼠具有積極效應(yīng)，且干預(yù)效果與年齡、運動的強度、時間等有關(guān)。

運動可以預(yù)防及延緩AD的發(fā)病，但是其機制并不清楚。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)PLA2在Aβ的神經(jīng)毒性中起了重要作用。但是目前為止，研究人員并沒有檢測AD小鼠腦內(nèi)的PLA2的表達水平。僅Wu等[22]研究了運動及DHA聯(lián)合干預(yù)對腦外傷大鼠PLA2的影響，發(fā)現(xiàn)腦外傷后腦內(nèi)PLA2減少，膜脂質(zhì)減少，突觸可塑性被抑制，認知功能下降，而運動和DHA補充均可以抑制PLA2的減少。該小鼠模型導(dǎo)致了PLA2表達的下降，而運動可以抑制腦外傷小鼠腦內(nèi)PLA2的下降，維持膜脂質(zhì)代謝。而AD模型腦內(nèi)Aβ含量急劇增加，過多的Aβ增加了PLA2的活性，促進AA的釋放，AA通過AMPA受體與NMDA受體水平的升高增強神經(jīng)元活性，過量的AA過度激活A(yù)MPA受體與NMDA受體，引起了興奮性中毒，因此并不清楚運動是否會抑制AD腦內(nèi)PLA2的活性的增高。推測，運動可以通過減少Aβ含量將GIVA-PLA2活性、AA及其代謝產(chǎn)物維持在正常水平，從而提高學(xué)習(xí)記憶能力。但是，目前并沒有通過AD動物模型來探討運動對PLA2活性影響的相關(guān)研究，因此，其確切機制仍需進一步研究。

5 結(jié)論

我國已開始進入老齡化社會，AD的發(fā)病率正在逐年增加，AD越來越受到人們的重視，目前研究發(fā)現(xiàn)Aβ是導(dǎo)致AD的最主要原因，Aβ可通過過度激活PLA2來誘導(dǎo)神經(jīng)元毒性，引起學(xué)習(xí)記憶損傷。運動作為一種積極有效的干預(yù)方式在預(yù)防及緩解AD中起了重要作用，但是運動緩解AD的分子機制不甚清楚，其確切機制仍需進一步研究。

[1] Querfurth H W, LaFerla F M.Alzheimer’s disease[J]. N Engl J Med, 2010, 362 (4) : 329-344.

[2] Farooqui A A, Horrocks L A. Phospholipase A2generated lipid mediators in the brain: the good, the bad, and the ugly[J].Neuroscientist, 2006, 12( 3) : 245-260.

[3] Sitaraman R, Israel D A, Romerogallo J, et al. Cell-associated hemolysis induced by Helicobacter pylori is mediated by phospholipases with mitogen-activated protein kinase-activating properties[J]. J Clin Microbiol, 2012, 50(3):75-78.

[4] Sanchez M O, Newman J W, Toh S, et al. Phospholipase A2reduction ameliorates cognitive deficits in a mouse model of Alzheimer’s disease[J]. Nat Neurosci,2008,11(11):1311-1318.

[5] Ahn K, McKinney M K, Cravatt B F. Enzymatic pathways that regulate endocannabinoid signaling in the nervous system[J]. Chem Rev,2008,108(5):1687-1707.

[6] Fujita S, Ikegaya Y, Nishiyama N, et al. Ca2+-independent phospholipase A2inhibitor impairs spatial memory of mice[J]. Jpn J Pharmacol,2000,83(3):277-278.

[7] Nomura T, Nishizaki T, Enomoto T, et al. A long-lasting facilitation of hippocampal neurotransmission via a phospholipase A2signaling pathway [J].Life Sci, 2001, 68(25):2885-2891.

[8] Massicotte G. Modification of glutamate receptors by phospholipase A2: its role in adaptive neural plasticity[J]. Cell Mol Life Sci, 2000, 57(11):1542-1550.

[9] Bate C, Kempster S, Last V, et al. Interferon-gamma increases neuronal death in response to amyloid-beta1-42[J]. J Neuroinflammation,2006,3(3):23-28.

[10] Kriem B, Sponne I, Fifre A, et al. Cytosolic phospholipase A2mediates neuronal apoptosis induced by soluble oligomers of the amyloid-beta peptide[J]. FASEB J,2005,19(1):85-87.

[11] Gottfried C, Tramontina F, Gon?alves D, et al. Glutamate uptake in cultured astrocytes depends on age: a study about the effect of guanosine and the sensitivity to oxidative stress induced by H2O2[J]. Mech Ageing Dev, 2002,123(10):1333-1340.

[12] Palop J J, Chin J, Mucke L. A network dysfunction perspective on neurodegenerative diseases [J]. Nature, 2006,443(7113):768-773.

[13] Sanchez-Mejia R O, Mucke L. Phospholipase A2and arachidonic acid in Alzheimer’s disease[J]. Biochim Biophys Acta, 2010,1801(8):784-790.

[14] Garcia-Mesa Y, Gimenez-Llort L, Lopez L C, et al. Melatonin plus physical exercise are highly neuroprotective in the 3xTg-AD mouse[J]. Neurobiol Aging, 2012,33(6):1113-1124.

[15] Rao S K, Ross J M, Harrison F E, et al. Differential proteomic and behavioral effects of long-term voluntary exercise in wild-type and APP-overexpressing transgenics[J]. Neurobiol Dis. 2015, 78:45-55.

[16] Nichol K E, Poon W W, Parachikova A I, et al. Exercise alters the immune profile in Tg2576 Alzheimer mice toward a response coincident with improved cognitive performance and decreased amyloid[J]. J Neuroinflammation, 2008,5(1):13.

[17] Parachikova A, Nichol K E, Cotman C W. Short-term exercise in aged Tg2576 mice alters neuroinflammation and improves cognition[J]. Neurobiol Dis, 2008,30(1):121-129.

[18] Garcia-Mesa Y, Lopez-Ramos J C, Gimenez-Llort L, et al. Physical exercise protects against Alzheimer’s disease in 3xTg-AD mice[J]. J Alzheimers Dis, 2011,24(3):421-454.

[19] Um H S, Kang E B, Leem Y H, et al. Exercise training acts as a therapeutic strategy for reduction of the pathogenic phenotypes for Alzheimer’s disease in an NSE/APPsw-transgenic model[J]. Int J Mol Med, 2008,22(4):529-539.

[20] Lin T W, Shih Y H, Chen S J, et al. Running exercise delays neurodegeneration in amygdala and hippocampus of Alzheimer’s disease (APP/PS1) transgenic mice[J]. Neurobiol Learn Mem, 2015, 118:189-197.

[21] Zhao G, Liu H L, Zhang H, et al. Treadmill exercise enhances synaptic plasticity, but does not alter β-amyloid deposition in hippocampi of aged APP/PS1 transgenic mice[J]. Neuroscience,2015, 298(9):357-366.

[22] Wu A, Ying Z, Gomez-Pinilla F.Exercise facilitates the action of dietary DHA on functional recovery after brain trauma[J]. Neuroscience, 2013, 248(38):655-663.

Functional Mechanisms of Phospholipase A2in Alzheimer Disease and Sport Exercise Regulation

CUI Li-li, LI Zhong-tang

(School of Sport Sciences, Mudanjiang Normal University, Mudanjiang 157011, China)

Phospholipase A2(PLA2) is a kind of enzyme catalyzing hydrolysis of glycerol phospholipid sn-2 ester bonds to produce polyunsaturated fatty acids. Together with arachidonic acid (AA), it plays an important role in the pathogenesis of Alzheimer disease. PLA2and AA are associated with neuronal activity. Inhibition of PLA2and AA activity could inhibit Aβ-induced neurotoxicity and alleviate AD. The function of sport exercise on AD prevention and cure has been self-evident. Sport exercise inhibits PLA2activity by inhibiting Aβ toxicity, while the mechanisms to alleviate AD learning and memory capacity still need further study.

Alzheimer disease; Phospholipase A2; Arachidonic acid; β-amyloid; sport training

2016-08-25

崔莉莉(1985-)，女，山東齊河人，碩士，研究方向為運動與健康促進。

G80-05 < class="emphasis_bold">文獻標志碼：A

A

1008-3596(2017)01-0067-05