α-突觸核蛋白在帕金森病發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

毛婷婷 綜述 陳煜森審校

1.廣東醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣東 湛江 524000；2.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，廣東 湛江 524000

α-突觸核蛋白(α-synuclein，SNCA)是位于4號(hào)常染色體上長(zhǎng)臂q21-23 上的SNCA 基因所編碼形成的蛋白，是一種由14 個(gè)氨基酸殘基組成分子量為19 kDa的單體小分子可溶性蛋白，呈囊泡結(jié)合型或膜結(jié)合型狀態(tài)，主要存在于突觸前神經(jīng)末梢[1]。α-突觸核蛋白(α-synuclein，SNCA)是一種結(jié)構(gòu)高度保守且具有一定神經(jīng)特異性的蛋白質(zhì)家族。α-突觸核蛋白是最先報(bào)道的與家族性帕金森病(Parkinson's disease，PD)有關(guān)的基因，大量表達(dá)于PD患者腦內(nèi)的黑質(zhì)、丘腦、海馬、杏仁核、胼胝體和尾狀核中，占腦內(nèi)可溶性蛋白的0.05%；SNCA 基因的翻譯產(chǎn)物α-突觸核蛋白結(jié)構(gòu)是一種天然的非折疊蛋白，在正常生理狀況下可形成穩(wěn)定的α-螺旋結(jié)構(gòu)，具有特定的生理功能，參與了突觸的發(fā)育形成、突觸功能、突觸可塑性及突觸囊泡的分泌，在多巴胺能神經(jīng)元中參與多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)。而在病理?xiàng)l件下，可選擇性在神經(jīng)元的胞體中形成路易小體，進(jìn)一步損害一些神經(jīng)元，但在其附近的神經(jīng)元并未顯示出有包涵體形成的跡象[2]。目前認(rèn)為帕金森病的發(fā)病率是與年齡存在明顯相關(guān)性的疾病，而病理上的α-突觸核蛋白包涵體可能是由一組易損害的神經(jīng)元長(zhǎng)期積累形成的，從而進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。本文將從α-突觸核蛋白在人類傳播證據(jù)、細(xì)胞和動(dòng)物傳遞模型以及α-突觸核蛋白擴(kuò)散機(jī)制等方面進(jìn)行闡述。

1 帕金森病

PD是由英國(guó)醫(yī)師James Parkinson于1817 年首次發(fā)現(xiàn)的常見的神經(jīng)退行性疾病，PD 臨床癥狀除非運(yùn)動(dòng)性癥狀(包括快速眼動(dòng)睡眠障礙、便秘和營(yíng)養(yǎng)不良)外，主要以運(yùn)動(dòng)癥狀障礙為主，臨床表現(xiàn)出一系列運(yùn)動(dòng)遲緩、僵硬、姿勢(shì)不穩(wěn)和震顫；病理學(xué)上發(fā)現(xiàn)這是由于黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的丟失后導(dǎo)致多巴胺能系統(tǒng)和膽堿能系統(tǒng)神經(jīng)性功能失衡[3]。目前我國(guó)現(xiàn)有的最大流行病學(xué)調(diào)查顯示：PD 的患病率為0.19%，發(fā)病率為0.36%，而年齡在65 歲以上的患病率更是高達(dá)1.7%[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球約上千萬老年人遭受PD的影響，每年用于該病的護(hù)理和治療費(fèi)用更是高達(dá)570億美元，而這一數(shù)值還在逐年持續(xù)上升，成為繼腫瘤和心血管疾病之后威脅老年人身心健康的第三大殺手，嚴(yán)重影響著中老年人的生活質(zhì)量和壽命[5]。

隨著PD運(yùn)動(dòng)癥狀的有效治療，逐漸出現(xiàn)認(rèn)知能力下降的患者可高達(dá)80%，并進(jìn)一步發(fā)展為帕金森氏病癡呆(PDD)[6]。在神經(jīng)病理學(xué)上，PD、PDD的共同特點(diǎn)是路易小體(Lewy body，LBS)，即存活神經(jīng)元中出現(xiàn)的嗜酸性包涵體，一種富含多種蛋白質(zhì)，包括α-突觸核蛋白、Parkin 蛋白和泛素等，其中α-突觸核蛋白是其主要成分，最先由 Friedrich Lewy 在 1912 年描述[7]；隨著組織化學(xué)和生物化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，Lewy body 的主要蛋白成分是α-突觸核蛋白，而在家族性帕金森病中發(fā)現(xiàn)主要是存在α-突觸核蛋白基因復(fù)制[8]、三倍體[9]和點(diǎn)突變[10]的改變；這些發(fā)現(xiàn)更加支持了α-突觸核蛋白在疾病發(fā)病機(jī)制中起直接作用的假設(shè)。

近20 年研究者主要關(guān)注α-突觸核蛋白是如何在神經(jīng)元中聚集并如何進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和死亡的。越來越多的研究表明，單個(gè)神經(jīng)元中形成的α-突觸核蛋白并不能完全解釋帕金森病的病理模式和癥狀進(jìn)展。反而，據(jù)最新的研究表明錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白可類似于朊病毒的方式在細(xì)胞間傳遞，即一個(gè)神經(jīng)元釋放的錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白，可以被吸收并作為受體神經(jīng)元α-突觸核蛋白折疊的模板，進(jìn)而形成錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白的復(fù)制與傳遞。但病理性的α-突觸核蛋白不同于朊病毒之處是，目前無明顯證據(jù)表明其具有傳染性[11]。

2 人類傳播的證據(jù)

根據(jù)人類模型系統(tǒng)的最新研究表明，α-突觸核蛋白可以通過大腦的病理性傳播來促進(jìn)疾病的進(jìn)展，即α-突觸核蛋白可以從神經(jīng)元中釋放，并可被突觸連接區(qū)域的神經(jīng)元攝取，導(dǎo)致這些神經(jīng)元的病理性α-突觸核蛋白可在大腦內(nèi)不同組織傳播，因此在PD 患者大腦內(nèi)的黑質(zhì)、腦干和其他黑質(zhì)外部位亦可發(fā)現(xiàn)路易小體。而這與在21世紀(jì)初BRAAK等[12]發(fā)現(xiàn)的路易小體的病理演變過程和疾病嚴(yán)重程度之間關(guān)系的研究結(jié)論不謀而合。BRAAK 等[12]通過選取約170 例PD 患者、有LBS 但未被診斷為PD 的患者以及沒有LBS 或任何神經(jīng)學(xué)診斷的患者。該實(shí)驗(yàn)是基于不同疾病發(fā)展程度來進(jìn)行假設(shè)，在病程的早期，帕金森病患者表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)功能障礙，并發(fā)現(xiàn)這個(gè)階段的α-突觸核蛋白病理主要存在在控制運(yùn)動(dòng)功能的區(qū)域。在疾病的后期，隨著患者認(rèn)知功能的惡化，進(jìn)一步在負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知處理的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了病理α-突觸核蛋白的存在。隨著時(shí)間的推移，α-突觸核蛋白病理在大腦中的典型進(jìn)展提示可能存在病理性α-突觸核蛋白從大腦的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的物理傳輸。

IRWIN 等[11]研究發(fā)現(xiàn)PD 疾病分期系統(tǒng)從最初的只影響嗅球逐漸出現(xiàn)兩個(gè)不同的階段，分別以腦干占優(yōu)勢(shì)或以邊緣占優(yōu)勢(shì)為主，后期可出現(xiàn)腦干和邊緣區(qū)域都累及，并伴隨新皮質(zhì)區(qū)域影響。臨床表現(xiàn)為以限制性病理改變?yōu)橹魉鶎?dǎo)致的早期認(rèn)知障礙，及以腦干病理改變?yōu)橹魉鶎?dǎo)致的PD 的運(yùn)動(dòng)癥狀；值得重視的是，實(shí)驗(yàn)組中患者的神經(jīng)元丟失的病理分期同認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)癥狀的出現(xiàn)順序具有明確的相關(guān)性[13]，這表明在這些疾病中的病理性擴(kuò)散預(yù)測(cè)著疾病臨床癥狀進(jìn)展過程。KORDOWER 等[14]的研究表明，致病性α-突觸核蛋白可在PD患者腦內(nèi)的神經(jīng)元進(jìn)行相互傳遞。LI等[15]通過在PD 患者的紋狀體中移植了胚胎腹側(cè)中腦神經(jīng)元，來替代在疾病期間所丟失的神經(jīng)元。短期內(nèi)PD患者的臨床運(yùn)動(dòng)癥狀可以得到顯著的改善，但經(jīng)過11～22 年的研究觀察，移植的神經(jīng)元逐漸出現(xiàn)了路易小體。從某種程度上，研究者們考慮由于植入神經(jīng)元內(nèi)時(shí)間較短，更加提示神經(jīng)元不是自己產(chǎn)生的病理性路易小體，極有可能是通過從移植的神經(jīng)元周圍含有路易小體的神經(jīng)元間接或者直接攝取錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白，更加揭示了在帕金森病腦內(nèi)環(huán)境誘導(dǎo)下可進(jìn)一步促進(jìn)形成病理性α-突觸核蛋白。

近年來研究發(fā)現(xiàn)SNCA三倍體患者有帕金森病的相關(guān)癥狀，并在該患者中發(fā)現(xiàn)野生型α-突觸核蛋白的過度表達(dá)，另一方面，從SNCA三倍體中提取的iPSCs神經(jīng)元也被用于藥物篩選和再利用，B-腎上腺素受體（P2AR）激動(dòng)劑是SNCA 的調(diào)控因子。利用攜帶SNCA 三倍體的患者誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞證實(shí)了p2AR激動(dòng)劑可以使SNCA 表達(dá)正?；瑴p少a-synuclein 的產(chǎn)生，改善線粒體功能[5]。

到目前為止，大量的人類神經(jīng)病理學(xué)的研究更加支持了病理性α-突觸核蛋白可以作為疾病進(jìn)展的調(diào)節(jié)器在細(xì)胞間傳遞，進(jìn)而衍生出一個(gè)病理性α-突觸核蛋白在病變的神經(jīng)元中形成并釋放，沿著解剖學(xué)上神經(jīng)傳導(dǎo)通路傳播的模型。

3 細(xì)胞和動(dòng)物傳遞模型

當(dāng)然，也有不少研究者嘗試在細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物模型中演示這一過程，即驗(yàn)證細(xì)胞外α-突觸核蛋白能被周圍的細(xì)胞所攝取，并啟動(dòng)內(nèi)源性α-突觸核蛋白的募集和進(jìn)一步形成錯(cuò)誤折疊的病理性α-突觸核蛋白。VOLPICELLI-DALEY 等[16]通過選取在大腸桿菌中高效表達(dá)的α-突觸核蛋白，并通過凝膠過濾和離子交換純化，將α-突觸核蛋白迅速誘導(dǎo)出錯(cuò)誤折疊成富β片狀的纖維，并用超聲處理成纖維(PFF)。這些PFF提供了一個(gè)錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白的實(shí)驗(yàn)池。這是第一個(gè)測(cè)試外源α-突觸核蛋白PFF 是否可以誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)α-突觸核蛋白錯(cuò)誤折疊的實(shí)驗(yàn)，并促使α-突觸核蛋白在非神經(jīng)細(xì)胞過度表達(dá)，另外可通過一種親脂性試劑來增強(qiáng)PFF 向胞漿的轉(zhuǎn)移。外源PFFs 誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)α-突觸核蛋白錯(cuò)誤折疊成路易小體樣結(jié)構(gòu)，最后形成具有α-突觸核蛋白和泛素中S129 的磷酸化的路易小體[17]。

隨后研究發(fā)現(xiàn)即使在沒有任何其他試劑的情況下，α-突觸核蛋白PFF仍然可以被帶入野生型初級(jí)神經(jīng)元，并進(jìn)一步誘導(dǎo)內(nèi)源性α-突觸核蛋白的錯(cuò)誤折疊。這些神經(jīng)元中的LB樣包涵體聚集體進(jìn)一步加劇神經(jīng)元功能障礙和死亡[18-19]。初級(jí)神經(jīng)元包裹體包含pS129α-突觸核蛋白、泛素和p62，這些包裹體的蛋白質(zhì)組學(xué)目前已經(jīng)被用來鑒定早期LB樣包涵體形成的新成分[20]。α-突觸核蛋白PFF在初級(jí)多巴胺能神經(jīng)元中可以被誘導(dǎo)成類似的LB樣包涵體結(jié)構(gòu)以及促使線粒體氧化應(yīng)激反應(yīng)，這被認(rèn)為是帕金森病發(fā)病機(jī)制之一。這一實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)一步證明在α-突觸核病中看到的病理性包涵體有能力將構(gòu)象特異LB樣包涵體轉(zhuǎn)移到正常的α-突觸核蛋白。

α-突觸核蛋白PFF 還能夠在活體中以α-突觸核蛋白的錯(cuò)誤折疊為模板在易損害的神經(jīng)元中進(jìn)一步形成LB樣包涵體。LUK等[21]將α-突觸核蛋白PFF注射到過表達(dá)帶有家族Ala53Thr 突變的人α-突觸核蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠的大腦中，同樣證明可以誘導(dǎo)出LB樣包涵體，這些包涵體在小鼠的大腦中以特定的時(shí)空方式進(jìn)行傳播[22]。人體研究還表明，皮質(zhì)神經(jīng)元中的包涵體會(huì)導(dǎo)致這些神經(jīng)元的死亡[23]。除非這些神經(jīng)元的同時(shí)死亡，大的LB 樣包涵體將不會(huì)從神經(jīng)元中徹底被清除。這揭示了帕金森病主要的病理特征，并為帕金森病治療提供了一個(gè)有價(jià)值的工具。

4 α-突觸核蛋白擴(kuò)散機(jī)制

4.1 吸收 神經(jīng)元對(duì)錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白的攝取似乎沒有明顯的障礙。研究者選取HEK 和SH-SY5Y 細(xì)胞系、少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和活體神經(jīng)元等不同細(xì)胞株系，并將不同細(xì)胞株系放在存有錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白的體外環(huán)境后，在短短幾分鐘內(nèi)可發(fā)現(xiàn)α-突觸核蛋白被攝取的現(xiàn)象[24-26]。目前已經(jīng)提出了不少的攝取方法，包括微管吞飲和受體介導(dǎo)的內(nèi)吞[27-28]。一旦內(nèi)吞，錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白就通過內(nèi)切溶酶體途徑運(yùn)輸，并聚集成成熟的溶酶體。

4.2 分布 神經(jīng)元攝取大部分的α-突觸核蛋白在溶酶體中至少可以保留一周。大部分α-突觸核蛋白可能被溶酶體蛋白質(zhì)水解處理并進(jìn)一步斷裂[29]，最后只有極少數(shù)錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白可以進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。而溶酶體的完整性及功能與年齡呈負(fù)相關(guān)，可促使錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白釋放增加，這是導(dǎo)致致病性α-突觸核蛋白積聚的機(jī)制之一[30]。目前還不完全清楚α-突觸核蛋白是如何逃脫細(xì)胞的，但研究發(fā)現(xiàn)氯喹對(duì)溶酶體的干擾足以增加細(xì)胞質(zhì)中錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白的數(shù)量，這可促使內(nèi)源性α-突觸核蛋白的募集進(jìn)一步增加。而內(nèi)源性α-突觸核蛋白聚集在神經(jīng)元細(xì)胞包涵體中，進(jìn)一步修飾形成LB樣包涵體，每一個(gè)新形成的包涵體都可能是一個(gè)新的致病α-突觸核蛋白池，并且研究發(fā)現(xiàn)大的包涵體在大鼠體內(nèi)數(shù)月不被清除，且可能從神經(jīng)元中釋放出來，這種方式無疑更加促使疾病的發(fā)生發(fā)展。

4.3 釋放 在腦脊液中存在少量錯(cuò)誤折疊α-突觸核蛋白是可以被檢測(cè)出的。通過細(xì)胞培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞一方面將錯(cuò)誤折疊α-突觸核蛋白釋放以防止對(duì)單個(gè)細(xì)胞短期的損害，另一方面可能這也是導(dǎo)致病理性α-突觸核蛋白傳播的主要機(jī)制。老化神經(jīng)元由于蛋白質(zhì)降解機(jī)制受損可導(dǎo)致溶酶體酶的釋放增多，這類細(xì)胞為了延長(zhǎng)自己的功能而釋放有毒的α-突觸核蛋白到細(xì)胞間液中，從而使附近神經(jīng)元處于危險(xiǎn)之中。而其中通過突觸結(jié)果來相互連接的神經(jīng)元可能存在特別高的風(fēng)險(xiǎn)。突觸前神經(jīng)末梢可通過快速的外吞和內(nèi)吞循環(huán)以釋放神經(jīng)遞質(zhì)，并回收多余的神經(jīng)遞質(zhì)[31]，這種快速的膜循環(huán)可能使突觸前神經(jīng)末梢更加容易攝取由突觸后神經(jīng)元釋放的致病性α-突觸核蛋白。

5 展望

廣泛的研究表明，α-突觸核蛋白在患者大腦中的不同分期揭示了一種與疾病癥狀相關(guān)的進(jìn)行性病理模式。而目前PD 主要通過多巴胺替代療法，這種療法不能改變疾病的進(jìn)展。錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白的細(xì)胞外擴(kuò)散模式對(duì)治療途徑提供了更多的方向，基于傳遞假說的細(xì)胞和動(dòng)物模型已經(jīng)證明，病理性的α-突觸核蛋白不僅可以從細(xì)胞間傳遞，而且這種病理可以導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和變性。α-突觸核蛋白傳遞假說對(duì)帕金森病的治療干預(yù)點(diǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。