蛋白的酪氨酸磷酸化信號(hào)通路與阿爾茨海默病的關(guān)系

李雅娟,孫姣姣,劉廣益*,于 洋*

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院,重慶 永川 402160;2.西南醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)教研室,四川 瀘州 646000)

1 蛋白酪氨酸磷酸化與阿爾茨海默病概述

酪氨酸激酶使蛋白酪氨酸磷酸化,催化磷酸基團(tuán)從ATP轉(zhuǎn)移到蛋白底物酪氨酸殘基上使其磷酸化,酪氨酸激酶分兩個(gè)亞組:受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases,RTK)和非受體酪氨酸激酶(nonreceptor tyrosine kinases,NRTK),分別在細(xì)胞的不同位置,受體酪氨酸激酶是一種跨膜蛋白,而非受體酪氨酸激酶在細(xì)胞內(nèi),包括胞質(zhì)酪氨酸激酶與核內(nèi)酪氨酸激酶[1]。目前已發(fā)現(xiàn)有50多種不同的RTKs,主要類型包括表皮生長因子(epithelial growth factor,EGF)受體、血小板生長因子(plateletderived growth factor,PDGF)受體、胰島素和胰島素樣生長因子-1(insulin like growth factor-1,IGF-1)受體、神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)受體、Eph受體家族等。RTK的結(jié)構(gòu)基本相似,胞外一段糖基化肽鏈?zhǔn)桥c配體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域,通過疏水性的跨膜區(qū)與胞內(nèi)含有的酪氨酸激酶活性端結(jié)合,這些膜結(jié)合受體被生長因子、細(xì)胞因子、激素等激活。RTK激活后主要通過PI3K/Akt,Ras/Raf/ERK1/2,STAT途徑將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞質(zhì)并進(jìn)入細(xì)胞核,從而對(duì)各種生物過程進(jìn)行調(diào)控,例如細(xì)胞增殖分化、存活和細(xì)胞周期調(diào)節(jié)。非受體酪氨酸激酶(NRTK)有Src家族、Tec家族、JAK家族、Abl家族等[2]。其中Abl和Src激酶具有十分重要的意義。Abl蛋白激酶家族(Abl1,Abl2)將多種細(xì)胞外刺激與調(diào)控細(xì)胞生長、存活、侵襲、粘附和遷移的信號(hào)傳導(dǎo)途徑相聯(lián)系[3]。Src的一些家族成員普遍表達(dá),例如Src、Fyn,而其他家族成員更具組織特異性,例如Lyn在造血細(xì)胞表達(dá),Lck存在于免疫系統(tǒng)的特定細(xì)胞內(nèi),最常見于T細(xì)胞中[4]。酪氨酸激酶廣泛分布在體內(nèi),其中一些對(duì)特定器官具有特異性,例如EphA4在海馬組織中,c-Abl在顳皮層結(jié)構(gòu)中高度表達(dá)[5]。

圖1 蛋白酪氨酸磷酸化信號(hào)通路Figure 1 Protein tyrosine phosphorylation signaling pathways

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,具有隱匿發(fā)病、進(jìn)行性發(fā)展的特點(diǎn)。年齡是AD的最大風(fēng)險(xiǎn)因素,隨著年齡的增長,患有老年癡呆癥的可能性也會(huì)增加。在臨床上,它的特征是廣泛的癡呆,例如記憶力減退,認(rèn)知喪失,失語,判斷力、執(zhí)行功能障礙和行為改變,其病因尚不確定。疾病進(jìn)程與Aβ聚集和Tau蛋白的異常磷酸化有關(guān)。它們與蛋白酪氨酸磷酸化信號(hào)通路密切相關(guān),酪氨酸磷酸化信號(hào)通路在AD的特征性病理改變中起著重要作用。研究多數(shù)集中在PDGF受體、IGF-1受體、神經(jīng)生長因子受體家族、Eph家族等受體酪氨酸激酶和胞質(zhì)酪氨酸激酶中的JAK家族、Src家族的激酶Fyn,以及核內(nèi)的Abl激酶等非受體酪氨激酶。所以,在此對(duì)以上主要的蛋白酪氨酸磷酸化相關(guān)的信號(hào)通路與AD的關(guān)系作簡要綜述。

2 蛋白酪氨酸磷酸化信號(hào)通路與AD

2.1 NRG1/ErbB4信號(hào)通路

神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1(neuregulin-1,NRG1)及其受體ErbB2/ErbB3和ErbB2/ErbB4異二聚體或ErbB4同源二聚體介導(dǎo)神經(jīng)發(fā)育的多種信號(hào)通路[6]。一些研究表明,通過調(diào)節(jié)NRG1/ErbB4信號(hào)可以減輕AD的病理生理學(xué)特征,改善AD動(dòng)物模型中的認(rèn)知缺陷,NRG1/ErbB4信號(hào)傳導(dǎo)與空間學(xué)習(xí)和空間記憶有關(guān)[7]。用NRG1處理APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠,通過激活ErbB4依賴性PI3K/Akt途徑抑制APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠的神經(jīng)細(xì)胞凋亡[6],并通過激活ErbB4防止可溶性Aβ1-42誘導(dǎo)的突觸的長時(shí)程增強(qiáng)(longterm potentiation,LTP)損傷[4]。慢病毒載體過表達(dá)全長I型或III型NRG1于AD小鼠的海馬中,結(jié)果都改善了Morris水迷宮行為任務(wù)的缺陷,神經(jīng)病理學(xué)也得到了顯著改善,Aβ肽和斑塊的水平顯著降低。此外,還發(fā)現(xiàn)I型和III型NRG1的可溶性胞外域顯著增加了神經(jīng)元培養(yǎng)物中Aβ降解酶腦啡肽酶(neutral endopeptidase,NEP)的表達(dá)[8]。還有報(bào)道在腦室內(nèi)注射NRG1減輕了13個(gè)月大的Tg2576小鼠(一種AD動(dòng)物模型)的認(rèn)知障礙,NRG1減輕了Tg2576小鼠腦中樹突棘數(shù)量的減少,這一結(jié)果在Aβ1-42誘導(dǎo)的大鼠原代海馬神經(jīng)元同樣得到了證實(shí)[9]。NRG1還可以保護(hù)神經(jīng)元免受低氧損傷[10]。這些結(jié)果表明NRG1通過減輕AD腦中樹突棘密度和神經(jīng)發(fā)生的減少,從而具有治療AD的潛力。

2.2 IR/IGF-1信號(hào)通路

胰島素和胰島素樣生長因子受體1型為四聚體糖蛋白,兩個(gè)α和兩個(gè)β亞基構(gòu)成,是跨膜酪氨酸激酶受體家族成員[11]。在大腦中,胰島素樣生長因子信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)于神經(jīng)元生長,突觸維持和神經(jīng)保護(hù)是至關(guān)重要的[12]。生理?xiàng)l件下,胰島素與其受體結(jié)合會(huì)觸發(fā)胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)的磷酸化,從而激活PI3K/Akt通路,促進(jìn)神經(jīng)元生長,神經(jīng)元存活,突觸可塑性,學(xué)習(xí)和記憶等。此外,活化的受體酪氨酸激酶使銜接蛋白Shc聚集,隨后通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活ERK1/2,ERK信號(hào)也參與學(xué)習(xí)和記憶[13]。在AD中,(1)IR和IGF-1直接參與Aβ的代謝和清除,IR可增加Aβ分泌,Aβ寡聚體誘導(dǎo)JNK活化,導(dǎo)致銜接蛋白IRS-1的磷酸化和降解,IRS缺乏導(dǎo)致胰島素抵抗。(2)胰島素抵抗降低Aβ降解胰島素降解酶(insulin degradation enzyme,IDE)的表達(dá),降低的IDE進(jìn)一步降低了IDE對(duì)Aβ降解,使Aβ累積增多。(3)IRS-1(Ser 312和316)的磷酸化抑制胰島素對(duì)糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)活性的調(diào)節(jié),這導(dǎo)致Tau的過度磷酸化進(jìn)一步增加,增加了異常的Tau磷酸化[14]。最近研究表明,IGF-1還可通過調(diào)節(jié)脈絡(luò)叢血-腦界面的轉(zhuǎn)運(yùn)或產(chǎn)生Aβ載體來增強(qiáng)腦Aβ的清除[15]。

2.3 PDGF/PDFGR信號(hào)通路

PDGF是半胱氨酸結(jié)合型生長因子家族,在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞中合成[16]。PDGF家族包含五個(gè)功能性亞基,它們是A-、B-、C-和D-多肽鏈的二硫鍵連接的同源或異源二聚體,即PDGF-AA、PDGF-AB、PDGF-BB、PDGF-CC和PDGFDD[17]。這些生長因子通過受體酪氨酸激酶與其同源受體PDGFR-α和PDGFR-β結(jié)合,促進(jìn)其在細(xì)胞上的生物學(xué)功能。PDGF的結(jié)合刺激PDGFR二聚化,進(jìn)一步啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)。有研究報(bào)道,AD患者血漿和腦脊液中PDGF-BB和可溶性PDGFR-β水平均升高,反映了PDGF-BB/PDGFR-β軸功能障礙[18]。PDGF-BB在調(diào)節(jié)神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖和分化中起著重要作用,而神經(jīng)祖細(xì)胞在神經(jīng)退行性疾病,例如AD的細(xì)胞替代治療中具有巨大潛力[19]。近年來,PDGF-CC也參與各種神經(jīng)退行性疾病如AD、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)和肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)的治療[20]。

2.4 BDNF/TrkB信號(hào)通路

腦 源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 (brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是神經(jīng)營養(yǎng)家族成員,屬于支持神經(jīng)元存活和發(fā)育的蛋白質(zhì)家族[21]。該家族還包括神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)、神經(jīng)營養(yǎng)因子-3(neurotrophin-3,NT-3)和神經(jīng)營養(yǎng)因子-4/5(neurotrophin-4/5,NT-4/5)[22]。BDNF和TrkB受體通常在成年哺乳動(dòng)物大腦中表達(dá),其中TrkB主要在大腦皮層、嗅球、海馬、丘腦、黑質(zhì)、下丘腦、齒狀回、紋狀體中表達(dá),海馬和皮層含量很高。有研究報(bào)道BDNF在AD大腦中減少,而BDNF在調(diào)節(jié)認(rèn)知和記憶方面起著重要作用,可以增強(qiáng)突觸的神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)傳遞,促進(jìn)突觸生長,并調(diào)節(jié)突觸的可塑性,BDNF還誘導(dǎo)海馬長時(shí)程增強(qiáng),這對(duì)記憶形成很重要[23]。BDNF的受體包括低親和力的p75和高親和力的TrkB受體。BDNF與TrkB受體特異性結(jié)合,一條路徑通過激活細(xì)胞外ERK1/2信號(hào)通路,激活PLC-γ,產(chǎn)生DAG和IP3,激活ERK,從而導(dǎo)致Rsk2或Msk1激酶活化,進(jìn)一步使CREB磷酸化。另一路徑激活PI3K/AKT信號(hào)通路,發(fā)揮其對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用[24-25]。抑制BDNF/TrkB通路會(huì)增加炎癥細(xì)胞因子表達(dá),并激活JAK2/STAT3通路,導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子C/EBPβ上調(diào)。這會(huì)導(dǎo)致δ-分泌酶表達(dá)增加,導(dǎo)致APP和Tau被δ-分泌酶斷裂和神經(jīng)元丟失[26]。因此,BDNF/TrkB通路受到了研發(fā)人員的廣泛關(guān)注,成為探索治療AD的新希望。目前成功篩選出了靶向TrkB受體的候選藥BrAD-R13,相關(guān)研究證實(shí),BrAD-R13可以激活腦內(nèi)TrkB及其下游信號(hào)通路,提高學(xué)習(xí)、記憶能力,有望成為延緩AD發(fā)病發(fā)展進(jìn)程的新型藥物。還有研發(fā)人員生成了淀粉樣蛋白β-蛋白特異的CD4 T細(xì)胞(Aβ-T細(xì)胞),經(jīng)過基因工程處理表達(dá)BDNF,然后將其注射到AD的5×FAD小鼠模型中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)分泌BDNF的Aβ-T細(xì)胞有效遷移到淀粉樣斑塊,從而使皮質(zhì)中的斑塊顯著降低,降低神經(jīng)毒性炎癥[27]。BDNF缺乏與AD的進(jìn)展有關(guān),所以腦內(nèi)遞送BDNF是一種有前途的治療方法。

2.5 Eph信號(hào)通路

Eph受體是脊椎動(dòng)物最大的酪氨酸激酶家族,分為兩個(gè)亞組:由9個(gè)成員組成的EphA受體(Aphrin A1-8和EphA10)和5個(gè)EphB受體(EphB1-4和EphB6),在成熟哺乳動(dòng)物腦內(nèi)大量表達(dá),對(duì)成熟的神經(jīng)元具有重要的調(diào)節(jié)作用[28-30]。研究表明,Aβ可能會(huì)誘導(dǎo)Eph受體減少,重新獲得Eph受體功能可以防止Aβ寡聚體引起的神經(jīng)毒性,在AD發(fā)病機(jī)理中作為潛在的治療靶標(biāo)[31]。目前的研究主要集中在EphA4和EphB2,突觸喪失是AD的主要病理標(biāo)志之一。酪氨酸激酶受體EphA4參與了樹突棘形態(tài)發(fā)生,突觸形成和成熟,對(duì)于突觸功能至關(guān)重要[32]。Vargas等[33]研究發(fā)現(xiàn),暴露于Aβ寡聚體的神經(jīng)元在培養(yǎng)中,EphA4被過度激活并通過c-Abl激酶相關(guān)信號(hào)途徑,使樹突棘丟失和突觸受損。EphB2通過增加海馬神經(jīng)元的突觸NMDA受體水平和下游p38 MAPK和CREB信號(hào)傳導(dǎo),保護(hù)海馬神經(jīng)元免受Aβ1-42寡聚物的毒性[31]。而敲低海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞中EphB2可通過抑制APP/PS1小鼠中絲氨酸的分泌來改善突觸功能[34]?？扇苄訟β寡聚體通過從神經(jīng)元表面消耗NMDA型谷氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)來干擾突觸功能,而受體酪氨酸激酶EphB2的過表達(dá)可以抵消該過程[35]。EphB受體已被研究證實(shí)與阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān),因此可能會(huì)成為臨床干預(yù)性的潛在治療。

2.6 Aβ-PrPC-mGluR5-Fyn信號(hào)通路

可溶性淀粉樣蛋白-β寡聚體(Aβo)引發(fā)阿爾茨海默氏病,Aβ寡聚體可通過與細(xì)胞表面朊病毒蛋白(prion protein,PrPC)結(jié)合,PrPC在神經(jīng)元突觸后富集,只有共表達(dá)代謝型谷氨酸受體mGluR5,才能使PrPC結(jié)合的Aβ激活Fyn。Fyn信號(hào)引起mGluR5的NR2B亞基的酪氨酸磷酸化,然后表面NMDAR損失,Pyk2和eEF2持續(xù)激活。通過Aβo-PrPC-mGluR5復(fù)合物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)致樹突棘損失,急性暴露于Aβo激活依賴PrPC、mGluR5和Fyn的神經(jīng)元信號(hào)通路,破壞神經(jīng)元功能[36-38]。Fyn還可以促進(jìn)Tau過度磷酸化,之前研究報(bào)道AD患者腦組織中Fyn蛋白水平升高,尤其是小腦和海馬體中[39]。而Fyn激酶活性的抑制可使小鼠突觸功能和記憶力的改善[40]。AZD0530能有效抑制Fyn并阻止Aβ誘導(dǎo)的Fyn信號(hào)傳導(dǎo),靶向Fyn可以逆轉(zhuǎn)AD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)的記憶缺陷,并挽救突觸密度的喪失[41]。因此,AZD0530是一種有希望的候選藥物,可能是治療AD病理學(xué)的可行靶標(biāo)。

2.7 JAK-STAT信號(hào)通路

JAK-STAT信號(hào)通路是細(xì)胞因子刺激的信號(hào)傳導(dǎo)通路,參與許多重要的生物學(xué)過程,例如細(xì)胞增殖,分化,凋亡和免疫調(diào)節(jié)[42]。與其它信號(hào)通路相比,傳遞過程相對(duì)簡單,主要由三個(gè)部分組成:酪氨酸激酶相關(guān)受體、酪氨酸激酶JAK和轉(zhuǎn)錄因子STAT。JAK是非跨膜的酪氨酸激酶,其家族由4個(gè)成員組成:JAK1、JAK2、JAK3和Tyk2。STAT在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活上起著重要作用。當(dāng)前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)STAT家族的六個(gè)成員,即STAT1-STAT6。STAT蛋白可以在結(jié)構(gòu)上分為以下功能區(qū)段:N-端保守序列、DNA結(jié)合區(qū)、SH3結(jié)構(gòu)域、SH2結(jié)構(gòu)域及C-端的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)[43]。結(jié)合臨床數(shù)據(jù),通過全基因組關(guān)聯(lián)研究(Genome-Wide Association Studies,GWAS),最新研究表明AD的程度與JAK-STAT途徑中的分子參與遺傳關(guān)聯(lián)的強(qiáng)度相關(guān)。使用四個(gè)獨(dú)立的RNA表達(dá)數(shù)據(jù)集,找到了AD中JAK-STAT途徑基因調(diào)節(jié)改變的證據(jù)[44]。還有研究發(fā)現(xiàn)在5xFAD小鼠腦中Aβ斑塊沉積之前,小膠質(zhì)細(xì)胞中有明顯的炎性激活,細(xì)胞因子水平發(fā)生改變,并且JAK-STAT通路相關(guān)蛋白質(zhì)上調(diào),可溶性Aβ水平顯著增加[45]。這些結(jié)果表明JAK-STAT信號(hào)通路與AD有密切聯(lián)系。

2.8 calpain-2-PTPN13/c-Abl信號(hào)通路

calpain-2-PTPN13/c-Abl途徑,鈣蛋白酶-2(calpain-2)激活通過PTPN13/c-Abl途徑增加Tau磷酸化,最近發(fā)現(xiàn)大腦中的兩種主要鈣蛋白酶同種型,證據(jù)表明鈣蛋白酶-1(calpain-1)和鈣蛋白酶-2(calpain-2)在生理和病理?xiàng)l件下發(fā)揮相反的功能,這可能與它們不同的C末端PDZ結(jié)合序列有關(guān)。calpain-1是誘導(dǎo)海馬LTP和某些形式的學(xué)習(xí)記憶所必需的,而calpain-2激活限制了LTP和學(xué)習(xí)記憶[46-47]。有研究發(fā)現(xiàn),反復(fù)腦震蕩或TBI后促進(jìn)纏結(jié)形成并加速AD病理學(xué)的發(fā)展。TBI后,calpain-2切割PTPN13,激活c-Abl并觸發(fā)Tau酪氨酸磷酸化和Tau寡聚體形成,TBI后施用鈣蛋白酶-2選擇性抑制劑減少TBI誘導(dǎo)的鈣蛋白酶-2激活,Tau酪氨酸磷酸化和Tau寡聚體形成,最終減少Tau蛋白聚集和AD發(fā)病[48]。

3 小結(jié)與展望

AD作為一種以認(rèn)知學(xué)習(xí)障礙為主要臨床特征的慢性神經(jīng)退行性疾病,是老年癡呆的最主要病因,迄今為止沒有有效的治愈方法。蛋白酪氨酸磷酸化信號(hào)通路作為調(diào)節(jié)神經(jīng)元細(xì)胞丟失和凋亡的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,可能是AD治療的新方向。大量實(shí)驗(yàn)研究表明,異常的酪氨酸磷酸化信號(hào)通路在AD中造成的神經(jīng)細(xì)胞損傷機(jī)制中起著重要作用。酪氨酸激酶抑制劑如達(dá)沙替尼阻斷Src和Lyn和馬賽替尼阻斷c-kit,可對(duì)AD所造成的細(xì)胞損傷進(jìn)行修復(fù)并具有直接的神經(jīng)保護(hù)作用,為治療阿爾茨海默病提供了新的希望與方向[49-50]。