基質(zhì)金屬蛋白酶在阿爾茨海默病發(fā)病機制中的作用

楊 灑張振強宋軍營高愛社?

(1.河南中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院,鄭州 450018; 2.河南中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥科學院,鄭州 450018)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是以認知行為惡化和記憶力減退為臨床表現(xiàn)的神經(jīng)退行性疾病。AD 的癥狀始于短期的輕度記憶缺陷,隨時間惡化逐漸導致嚴重的記憶喪失,情緒變化,焦慮,抑郁,激動,空間定向障礙,運動障礙,最后發(fā)展為癡呆[1]。AD 腦部特征為由于神經(jīng)元細胞死亡和樹突減少引起的大腦皮質(zhì)和某些皮質(zhì)下區(qū)域的進行性萎縮。研究表明,β 淀粉樣蛋白(β-amyloid protein, Aβ)沉積、Tau 蛋白過度磷酸化、神經(jīng)炎癥、突觸異常等都會導致AD 的神經(jīng)退行性變[2]。盡管AD 中潛在的致病機制多種多樣,但基質(zhì)金屬蛋白酶家族(matrix metalloproteinases, MMPs)與 AD 的神經(jīng)退行性變密切相關。MMPs 在大腦中可調(diào)節(jié)生長因子激活,酶原裂解和細胞外基質(zhì)的重塑,對組織形成、神經(jīng)元網(wǎng)絡修復和血腦屏障完整性至關重要[3]。在健康人的大腦中發(fā)現(xiàn)MMPs 水平非常低。然而,在神經(jīng)退行性疾病如AD 中MMPs 的水平上調(diào),現(xiàn)就MMPs 與AD 病理進程的關系作一綜述。

1 MMPs 概述

MMPs 是多功能的內(nèi)肽酶,在組織形態(tài)發(fā)生、細胞遷移和血管生成中起作用,也參與傷口愈合,炎癥反應和癌癥等過程。根據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)域和作用底物的不同,MMPs 可分為五類:明膠酶(MMP -2 和MMP -9)、溶血素(MMP-3 和-10)、膠原酶(MMP-1,-8 和-13)、膜型 MMP(MMP-14,-15,-16,-17等)和其他MMPs[4]。正常情況下,MMPs 的表達水平較低,它們通常以無活性酶原的形式分泌,需要先通過蛋白水解去除前肽結(jié)構(gòu)域才具有酶活性,并受到MMPs 的特定組織抑制劑的嚴格調(diào)控[4]。

在神經(jīng)退行性疾病如AD 中,MMPs 備受關注,因為:①MMPs 廣泛表達于所有類型的中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞中;②MMPs 通過炎性介質(zhì)如細胞因子、趨化因子和緊密連接蛋白的裂解來調(diào)節(jié)慢性神經(jīng)炎癥過程;③MMPs 控制參與細胞間相互作用的細胞外基質(zhì)和跨膜蛋白的加工;④MMPs 可以啟動或成為蛋白水解級聯(lián)反應的一部分,從而在眾多酶和底物之間的相互作用中放大細胞反應[5]。

2 MMPs 與 Aβ 的代謝

Aβ 是由淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)在酶的作用下經(jīng)水解裂解產(chǎn)生。APP 被α-分泌酶識別裂解的過程稱為非淀粉樣代謝,α-分泌酶裂解APP 生成sAPPα 和具有83個氨基酸的C 端片段(C83),sAPPα 具有神經(jīng)保護和促進記憶增強的功能。然而,隨著年齡的增長,α-分泌酶會逐漸變得效率低下。這會導致APP 被非特異性蛋白酶(例如β-分泌酶和γ-分泌酶)截斷,從而促進APP 的淀粉樣蛋白裂解途徑[6]。APP 的淀粉樣裂解途徑可產(chǎn)生具有細胞毒性的Aβ,它們是導致AD 中神經(jīng)毒性的重要因素。

Aβ 的代謝與轉(zhuǎn)運失衡是AD 的引發(fā)因素,大腦清除Aβ 主要通過酶的降解、血腦屏障轉(zhuǎn)運、細胞吞噬和腦膜淋巴系統(tǒng)引流等方式進行[7]。MMPs 家族的部分成員具有降解Aβ 的作用。MT1-MMP 是一種膜型MMP,可以處理多種細胞周圍蛋白,還可以催化酶原proMMP-2,使其轉(zhuǎn)化為具有活性的MMP-2 形式。MT1-MMP 可以降解COS-1 細胞中表達的天然跨膜形式的Aβ,也可以在體外降解Aβ 的可溶性和原纖維形式[8]。MT1-MMP 介導的APP 處理釋放了可溶性APP 片段,此過程部分需要激活內(nèi)源性MMP-2[9]。此外,MMP-2 和 MMP-9 也參與 Aβ 的代謝。APP/PS1 轉(zhuǎn)基因小鼠的Aβ 斑塊周圍的星形膠質(zhì)細胞中MMP-2 和MMP-9 的水平升高,MMP-9 具有類似分泌酶的活性,并在多個位點切割APP,從而促進了APP 的非淀粉樣生成過程和Aβ 的清除。星形膠質(zhì)細胞條件培養(yǎng)基能夠降解Aβ,部分原因是通過培養(yǎng)基中的MMP-9 發(fā)揮該作用[10]。大多數(shù)Aβ 降解酶,例如內(nèi)皮素轉(zhuǎn)化酶,胰島素降解酶和中性溶酶在很大程度上表現(xiàn)出對可溶性Aβ 的降解,而不是原纖維 Aβ。但是,MMP-9 能夠體外降解原纖維Aβ。不同腦細胞產(chǎn)生的MMP-2 和MMP-9 以及兩種酶的胞外定位都強調(diào)了它們作為體內(nèi)參與清除Aβ 沉積物的相關參與者的潛力,這一方法已在體內(nèi)得到驗證,在體內(nèi)注入多種MMP 抑制劑,導致 Aβ 水平升高[11]。除了 MMP-2 和 MMP-9,其他MMP 也會降解Aβ。例如,金屬配體氯喹諾醇通過MMP-3 活化的機制刺激細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中的Aβ 降解[12]。MMP-7 裂解 Aβ40 和 Aβ42,這一過程受 Aβ 與 Cu2+結(jié)合的抑制[13]。

盡管原則上認為MMPs 對Aβ 的降解作用是有益的,但MMPs 是多功能酶,其作用不僅取決于表達它們的細胞類型,而且取決于所涉及的底物或病理背景。大腦中沉積的Aβ 除了各種酶的降解之外,跨血腦屏障運輸也是一種重要的清除方式。據(jù)報道,在AD 患者中,整個血腦屏障的Aβ 清除率降低了約30%[14]。低密度脂蛋白相關受體蛋白-1(lowdensity lipoprotein receptor-related protein-1,LRP-1)位于血腦屏障上,是有助于清除大腦中Aβ 的受體,MMP-9 在LRP-1 上有一個結(jié)合位點,并與LRP-1的蛋白水解脫落有關。MMP-9 抑制劑SB-3CT 的調(diào)節(jié)促進了單體Aβ 在體外血腦屏障模型中從基底外側(cè)向頂端的轉(zhuǎn)運,這很可能是脂蛋白受體脫落減少的結(jié)果[15]。

3 MMPs 與大腦屏障功能的破壞

血腦屏障和血液-腦脊液屏障是腦部的主要屏障結(jié)構(gòu),主要維持大腦微環(huán)境的穩(wěn)定。血腦屏障的屏障特性主要取決于腦毛細血管內(nèi)皮,內(nèi)皮細胞之間的緊密連接以及基底膜。腦毛細血管內(nèi)皮細胞是小的親水化合物屏障。緊密連接處密封了相鄰內(nèi)皮細胞之間的縫隙,從而防止了溶質(zhì)和細胞的旁細胞通過?；啄つ軌?qū)?nèi)皮細胞與周細胞和星形膠質(zhì)細胞連接起來,形成神經(jīng)血管單位[16]。血液-腦脊液屏障由單層脈絡叢上皮細胞組成,通過產(chǎn)生腦脊液并限制不良分子和病原體進入大腦來維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)。

血腦屏障和血液-腦脊液屏障功能障礙與AD密切相關。研究顯示,與老年認知健康患者相比,輕度認知障礙患者的血腦屏障通透性明顯增加[17]。血腦屏障通透性改變導致有毒物質(zhì)從血液中進入中樞神經(jīng)系統(tǒng),引起微環(huán)境紊亂,損傷神經(jīng)元。在血腦屏障分解的情況下,Aβ 從中樞神經(jīng)系統(tǒng)的清除率降低[14]。內(nèi)皮細胞,緊密連接和基底膜對于適當?shù)钠琳瞎δ苤陵P重要,血腦屏障的完整性受三個緊密連接蛋白家族的調(diào)節(jié):claudins,occludins 和zonula occludens。當內(nèi)皮細胞中緊密連接蛋白的表達降低時,會增加血腦屏障通透性。內(nèi)皮細胞和星形膠質(zhì)細胞暴露于Aβ1-42的共培養(yǎng)研究表明,星形膠質(zhì)細胞誘導的血腦屏障開放與MMP-9 的激活和claudin-5 減少有關,claudin-5 是 MMP-9 的底物,有助于維持血腦屏障的功能[18]。當大鼠腦微血管暴露于濃度不斷增加的Aβ1-40時,claudin-1 和claudin-5 表達顯著降低,同時伴隨著MMP-2 和MMP-9 表達升高[19]。MMP-2、MMP -9 作為 MMPs 家族的兩個成員,在病理條件下不僅可以降解緊密連接蛋白,而且可以降解基底膜,從而導致BBB 結(jié)構(gòu)的破壞。

AD 與脈絡叢形態(tài)和功能的多種變化有關,其中最突出的是腦脊液生成減少,代謝活性變化和毒素清除。抑制MMPs 活性可阻止Aβ1-42低聚物誘導的血液-腦脊液屏障破壞。廣譜 MMPs 抑制劑GM6001 防止了Aβ1-42寡聚物注射對血液-腦脊液屏障的有害影響,表明MMPs 參與了Aβ1-42寡聚物誘導的血液-腦脊液屏障分解[20]。一項針對小鼠脊髓損傷模型的最新研究表明,缺乏MMP-3 的小鼠顯示出對血液-腦脊液屏障的破壞減少。向MMP-3 缺陷的小鼠腦室內(nèi)注射了Aβ1-42寡聚物,并發(fā)現(xiàn)MMP-3 的缺失強烈降低了Aβ1-42寡聚物誘導的血液-腦脊液屏障滲漏。此外,腦室內(nèi)注射Aβ1-42寡聚物后,脈絡叢中的 MMP-8,MMP-9 和 MMP-13 mRNA 水平升高,因此這些MMPs 也可能在血液-腦脊液屏障完整性喪失中起作用[21]。

4 MMPs 與神經(jīng)炎癥

神經(jīng)炎癥是指發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥反應,通常是神經(jīng)組織作為對有害刺激的免疫應答而引發(fā)的,當炎癥反應過度活躍時會導致多種腦部疾病。膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應中的主要細胞類型。當被應激刺激激活時,細胞會通過改變形態(tài)圍繞病變部位,并通過吞噬清除細胞碎片來限制損傷。與腦內(nèi)動態(tài)平衡喪失或組織改變相關的疾病會誘發(fā)幾種動態(tài)的小膠質(zhì)細胞過程,包括細胞形態(tài),表面表型,分泌介質(zhì)和增殖反應的改變,稱為“激活狀態(tài)”[22]。

AD 疾病過程中伴隨著慢性持續(xù)性神經(jīng)炎癥反應,小膠質(zhì)細胞活化并釋放細胞因子,可促進Aβ 的吸收和清除。但它的長期激活會引起神經(jīng)毒性和神經(jīng)變性的慢性炎癥狀態(tài),從而促進AD 的病理進程[23]。MMPs 是重要的炎癥成分,可通過多種機制促進神經(jīng)炎癥反應。首先,MMPs 激活神經(jīng)炎癥途徑,這是通過激活作用于信號分子的酶間接完成的。例如,MT4-MMP 具有 TNF-α 轉(zhuǎn)化酶活性,通過該酶可將跨膜TNF-α 蛋白水解轉(zhuǎn)化為可溶性的活性 TNF-α[24]。其次,MMPs 本身具有神經(jīng)炎癥信號分子的作用。LPS 或者凋亡信號刺激神經(jīng)元后,具有活性的MMP-3 被分泌到間質(zhì)中,從而觸發(fā)小膠質(zhì)細胞激活以及促炎細胞因子的產(chǎn)生和分泌[25]。第三,MMPs 通過脫落如Fas 配體之類的死亡分子,影響γ-氨基丁酸和甘氨酸水平,從而促進神經(jīng)炎癥介導的神經(jīng)毒性[26]。最后,神經(jīng)炎癥誘導的MMPs通過蛋白水解腦血管基底膜和緊密連接蛋白,導致屏障功能破壞[27]。在AD 發(fā)病過程中,外周免疫細胞如淋巴細胞、單核細胞和嗜中性粒細胞,可以穿過血腦屏障并滲入大腦[4]。Aβ25-35可以激活入侵的中性粒細胞,這是最豐富的免疫細胞,可以滲透到大腦中,并刺激proMMP-9 的釋放[28]。

5 MMPs 與 Tau 蛋白

Tau 蛋白是一種微管相關蛋白,主要參與維持神經(jīng)元細胞微結(jié)構(gòu)。Tau 蛋白首先作為微管穩(wěn)定劑發(fā)揮作用,以其天然構(gòu)象結(jié)合微管并促進聚合,但它是一種磷蛋白,其生物學活性受其磷酸化狀態(tài)的調(diào)節(jié),一旦磷酸化過高,Tau 蛋白就會改變其構(gòu)象并與微管分離,從而使它們不穩(wěn)定。Tau 蛋白在軸突中含量更為豐富,但在病理條件下,它會在細胞體中發(fā)生局域化和積累,并在那里形成聚集體[29]。在生理條件下,Tau 蛋白是可溶的,具有有限的二級結(jié)構(gòu),但在病理條件下,Tau 蛋白從微管解離并自我締合,形成原纖維寡聚體,其寡聚體具有神經(jīng)毒性, 對神經(jīng)細胞快速軸突運輸產(chǎn)生影響[30]。

在AD 中,天然展開的Tau 變得過度磷酸化,并且由于失去對微管的親和力而趨于聚集,最終形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neuro fibrillary tangles, NFT)。NFT 損害軸突運輸,導致突觸喪失,細胞骨架和線粒體功能障礙以及記憶喪失[31]。AD 的組織病理學特征之一是存在Tau 蛋白寡聚體,額葉皮質(zhì)中顆粒狀Tau 蛋白寡聚體水平的升高可能是AD 的早期征兆[32]。Tau 蛋白寡聚體可通過降低突觸小泡相關蛋白突觸素的水平來損害突觸,并通過降低煙酰胺腺嘌呤二核苷酸-泛醌氧化還原酶和電子轉(zhuǎn)運鏈復合物I 的水平來破壞線粒體[33]。MMP-3 和MMP-9 都可以在特定部位切割Tau 蛋白。雖然MMP-3限制的蛋白水解作用在廣泛研究的濃度范圍內(nèi)不會增加Tau 蛋白聚集,但MMP-9 卻導致Tau 蛋白寡聚體形成增加。因此,MMP-9 可以釋放Tau 蛋白的重復結(jié)構(gòu)域,從而促進寡聚體的形成[34]。

6 MMPs 與突觸可塑性

突觸是大腦中存儲記憶和傳遞信息的基本單位,由突觸前和突觸后區(qū)室組成,其允許神經(jīng)元將電或化學信號傳遞到另一個神經(jīng)元細胞,并且對于維持神經(jīng)元功能至關重要。突觸可塑性是神經(jīng)元回路對各種變化如學習和記憶、環(huán)境影響和腦損傷等發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能適應性。突觸可塑性可以增強或降低突觸傳遞的強度,導致突觸傳遞穩(wěn)定放大的可塑性稱為長期增強(long-term potentiation, LTP),導致突觸強度降低的稱為長期抑制(long-term depression, LTD)[35]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的許多突觸由谷氨酸受體組成,這些突觸受體與長期增強作用相關,主要參與突觸可塑性的形成[36]。

研究表明,海馬和皮層的突觸喪失可能是造成AD 認知功能障礙的主要原因[37]。MMPs 在與學習相關的神經(jīng)回路修飾過程中起著關鍵作用,不同類型的MMPs 修飾細胞外突觸周圍環(huán)境,導致突觸可塑性變化。谷氨酸受體N-甲基-D-天冬氨酸受體是控制突觸可塑性和記憶功能的主要分子裝置。Gorkiewic 等[38]表明 MMP-9 酶活性增加了含有NR1 亞基的 N-甲基-D-天冬氨酸受體的轉(zhuǎn)移。MMP-9 可以有效地切割突觸蛋白,而不會引起細胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的大變化,可以修飾重要的突觸受體的行為并改變突觸的形態(tài)。因此,MMP-9 積極參與突觸重塑[39]。MMP-9 基因敲除小鼠在基于海馬的學習和記憶中表現(xiàn)出行為障礙,MMP-9 基因敲除小鼠的海馬切片培養(yǎng)物顯示LTP 受損,從而損害記憶功能,這可通過應用重組MMP-9 來恢復[40]。此外,MT3-MMP 和 AD 的發(fā)展密切相關。首先,MT3-MMP 在小鼠大腦皮層中廣泛表達,其功能喪失會干擾游離皮質(zhì)神經(jīng)元和體內(nèi)興奮性突觸的發(fā)育[41]。其次,在依賴海馬的學習過程如水迷宮中,MT3-MMP 活性和mRNA 的水平在實驗開始的前期升高,這可能表明較高的MT3-MMP 水平在相對短的時間內(nèi)很重要,在此期間會誘發(fā)突觸可塑性現(xiàn)象[42]。

7 小結(jié)與展望

隨著研究的深入,MMPs 僅作為非特異性降解酶的傳統(tǒng)觀點已經(jīng)過時。它們在神經(jīng)退行性疾病中通過動員與底物的蛋白水解作用以及產(chǎn)生具有生物活性裂解產(chǎn)物發(fā)揮著有益或者有害的影響。如在AD 中,它們可以通過促進Aβ 的降解和可溶性Aβ 的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)突觸可塑性等發(fā)揮神經(jīng)保護作用。同時也可以通過破壞血腦屏障和血液-腦脊液屏障、促進神經(jīng)炎癥、促進Tau 蛋白寡聚體的形成等損傷神經(jīng)元。因此,在未來我們可以通過高通量蛋白質(zhì)組學技術(shù)精準鑒定出它們的作用底物,對所涉及的病理生理機制有透徹的了解,以促進新靶標的識別和創(chuàng)新治療策略的應用。