同型半胱氨酸對海馬神經(jīng)元損傷機(jī)制的研究進(jìn)展

邱義玲 綜述 張展星 審校

上海市寶山區(qū)精神衛(wèi)生中心，上海 201900

近年來研究認(rèn)為同型半胱氨酸(homocysteine，HCY)水平和認(rèn)知功能有關(guān)，HCY對腦內(nèi)神經(jīng)元有直接的毒性作用，導(dǎo)致神經(jīng)功能受損引起認(rèn)知障礙，其中海馬損傷最為顯著。海馬結(jié)構(gòu)中存在著一系列與空間環(huán)境認(rèn)知相關(guān)的細(xì)胞，是環(huán)境認(rèn)知和情節(jié)性記憶產(chǎn)生的關(guān)鍵腦區(qū)[1]，本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外對同型半胱氨酸對大腦海馬損傷的機(jī)制。

1 同型半胱氨酸的概述

HCY為含硫氨基酸，是甲硫氨酸代謝為谷胱甘肽和S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosine methionine，SAM)的中間產(chǎn)物。HCY水平與認(rèn)知功能密切相關(guān)，除了有直接的神經(jīng)毒性之外，HCY還可以破壞人體的脂質(zhì)代謝，并且損害血管內(nèi)皮和凝血系統(tǒng)，進(jìn)而影響血管的調(diào)節(jié)功能功能，導(dǎo)致腦血流灌注不足，損傷腦白質(zhì)進(jìn)而影響認(rèn)知功能，血清HCY的升高與認(rèn)知功能損害呈正相關(guān)[2]。同型半胱氨酸與阿爾茲海默病、帕金森以及其他一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)，并且在精神分裂癥等一些精神疾病中也有重要意義[3-5]。

2 HCY對海馬神經(jīng)元損傷的機(jī)制

2.1 HCY對神經(jīng)元游離鈣的作用HCY可造成N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受體過度被激活，誘導(dǎo)鈣離子內(nèi)流，造成鈣離子的超載，可以激活胞漿內(nèi)的蛋白酶，這些激活的蛋白酶可以溶解細(xì)胞骨架蛋白和抗α-胞襯蛋白多肽抗體(α-fodrin)以及其他的相關(guān)蛋白。這些蛋白會使神經(jīng)元對興奮性毒物的敏感性得以提高，使凋亡和興奮性毒物介導(dǎo)的細(xì)胞外毒性作用對神經(jīng)細(xì)胞造成損害。HCY對海馬細(xì)胞骨架的影響機(jī)制還涉及磷脂酶C、蛋白激酶C、絲裂原激活蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)、磷酸肌醇-3激酶和鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ，HCY誘導(dǎo)的海馬中間絲過度磷酸化還與G蛋白和cAMP水平的抑制有關(guān)[6]。PODDAR等[7]的研究顯示，同型半胱氨酸-NMDAR誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性相關(guān)的機(jī)制涉及一條獨特的信號通路，該通路觸發(fā)細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)和p38 MAPK之間的串?dāng)_，α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor，AMPAR)在p38MAPK的激活中起促進(jìn)作用。同型半胱氨酸和NMDA受體介導(dǎo)ERK-MAPK磷酸化導(dǎo)致AMPAR亞基Glu2的表達(dá)減少，缺乏Glu2的AMPAR可滲透Ca2+并表現(xiàn)明顯的內(nèi)向整流[8]。IVANOVA等[9]研究了哇巴因?qū)ν桶腚装彼嵘窠?jīng)毒性損傷的大鼠皮層神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣信號、線粒體內(nèi)膜電壓和細(xì)胞存活率的影響，研究結(jié)果顯示哇巴因能對神經(jīng)元有保護(hù)作用的機(jī)制之一就是哇巴因能迅速減輕同型半胱氨酸引起的神經(jīng)元鈣超載和線粒體內(nèi)膜電壓丟失，從而在短時間內(nèi)保護(hù)神經(jīng)元。

2.2 HCY對神經(jīng)元脫氧核糖核苷酸(deoxyribonucleic acid，DNA)的損傷以及導(dǎo)致海馬的基因表達(dá)譜改變HCY可以通過特殊的膜轉(zhuǎn)運體快速進(jìn)入神經(jīng)元細(xì)胞，從而在細(xì)胞內(nèi)高濃度聚集，進(jìn)一步影響DNA甲基化異常，造成DNA鏈斷裂，引起細(xì)胞的凋亡，此外在DNA損傷的情況下，HCY還可能通過損害FA/BRCA1通路而導(dǎo)致DNA損傷的積累，并促進(jìn)細(xì)胞毒性的超敏反應(yīng)[10]。同型半胱氨酸誘導(dǎo)的DNA低甲基化可能是由于細(xì)胞內(nèi)SAM和S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosyl homocysteine，SAH)的濃度或其蛋白表達(dá)水平所調(diào)節(jié)的DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶活性降低所致，HCY可能通過負(fù)調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞增殖和DNA甲基化改變的分子機(jī)制在某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用[11]。海馬的基因表達(dá)譜也會被HCY改變，這與神經(jīng)活動配體-受體相互作用等生物通路相關(guān)，這可能就是高HCY水平導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的分子基礎(chǔ)之一[12]。在潘建青等[13]的研究中，通過對大鼠皮下注射L-HCY(60μg/g)，2次/d，連續(xù)注射14 d后提取海馬組織進(jìn)行RNA測序，共篩選到34個有顯著性差異表達(dá)的mRNA，在生物通路分類和富集分析中找到最主要的通路是神經(jīng)活動配體-受體相互作用通路。

2.3 HCY對神經(jīng)元的興奮毒性和氧化損傷神經(jīng)元的易興奮性和氧化損傷能被HCY顯著提高。在KOVALSKA等[14]最新的研究中，體內(nèi)高濃度HCY[(11.22±3.86)μmol/L]的動物腦缺血7 d后大腦海馬區(qū)灰質(zhì)體積減少，代謝率發(fā)生廣泛變化，并且神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞及其突起的數(shù)量和形態(tài)也發(fā)生了更深層次的改變。高濃度同型半胱氨酸可以抑制神經(jīng)細(xì)胞線粒體的呼吸功能和活性氧的產(chǎn)生，高濃度HCY以時間和濃度依賴的方式抑制三氟甲氧基苯腙羰基氰化物刺激的神經(jīng)細(xì)胞耗氧率和線粒體備用呼吸能力，并能降低神經(jīng)元細(xì)胞的活性氧含量，而對線粒體的膜電位無明顯影響[15]。HCY可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白水平升高，在創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)的大鼠模型中，對于已經(jīng)發(fā)生創(chuàng)傷的皮質(zhì)層，高HCY增加了氧化應(yīng)激，上調(diào)了促進(jìn)凝血功能的蛋白質(zhì)的表達(dá)，加劇了與TBI相關(guān)的血腦屏障功能障礙，并促進(jìn)了炎癥細(xì)胞向皮質(zhì)的滲透[16]。在王賢軍等[17]的一項研究中，蝦青素(astaxanthin，ATX)對HCY誘導(dǎo)的大鼠海馬神經(jīng)元毒性有保護(hù)作用，其機(jī)制除了ATX對MAPKs、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路的激活之外，還可以通過抑制線粒體功能障礙、細(xì)胞內(nèi)活性氧化物介導(dǎo)的氧化損傷來逆轉(zhuǎn)HCY誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和細(xì)胞凋亡。

2.4 HCY對海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)的影響B(tài)ax是人體最主要的促凋亡基因，Bcl-2為抑制凋亡基因，兩者相互拮抗，當(dāng)bax/bcl-2表達(dá)比例會影響凋亡細(xì)胞產(chǎn)生[18]。p53可以降低細(xì)胞內(nèi)源性Bcl-2蛋白表達(dá)病抑制其功能以提高細(xì)胞內(nèi)蛋白的表達(dá)。在既往研究中，高濃度的HCY(＞10μmol/L)主要影響p53、Bax的表達(dá)，抑制Bcl-2的表達(dá)。國內(nèi)一項研究中運用iTRAQ技術(shù)進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，高同型半胱氨酸血癥可誘導(dǎo)小鼠海馬中52個蛋白下調(diào)和44個蛋白上調(diào)。通過基因本體論和途徑分析，細(xì)胞骨架、肌動蛋白、黏著斑調(diào)節(jié)劑、鈣信號傳導(dǎo)途徑、緊密連接、酪氨酸激酶和促性腺激素釋放激素信號傳導(dǎo)等的表達(dá)上調(diào)，另外也證實了tau蛋白在高同型半胱氨酸表達(dá)神經(jīng)元中高表達(dá)。進(jìn)一步的分析表明，tau蛋白在同型半胱氨酸引起的神經(jīng)元損傷中發(fā)揮功能性作用，表現(xiàn)為tau蛋白過度磷酸化，過度磷酸化的tau蛋白喪失促進(jìn)神經(jīng)微管組裝的生物學(xué)活性，且對蛋白水解酶的抗性增加，產(chǎn)生神經(jīng)毒素[19-20]。在EL-MISSIRY等[21]的研究中，高HCY水平小鼠模型中，安石榴苷(石榴多酚類物質(zhì))可以使促凋亡蛋白(Bax、caspases-3、9和p53)水平明顯降低，提高抑制凋亡蛋白Bcl-2水平，從而抑制細(xì)胞的凋亡。而在另一項研究中證實銀杏葉提取物(EGb761)可改善因高HCY血癥誘導(dǎo)的大鼠tau蛋白過度磷酸化而導(dǎo)致的認(rèn)知障礙，其原理正是在高同型半胱氨酸血癥大鼠的海馬區(qū)和前額葉皮質(zhì)中，tau蛋白在Thr231、Ser262、Ser396和Ser404這四個作用靶點發(fā)生了過度磷酸化，而EGb761在這些位點恢復(fù)了tau蛋白的磷酸化，并且上調(diào)了突觸后致密蛋白95和突觸蛋白1的表達(dá)[22]。

2.5 促進(jìn)高HCY從而誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡的因素HCY輕度至中度的水平升高可由于遺傳多態(tài)性的亞甲基四氫葉酸還原酶(methylene tetrahydrofolate reductase，MTHFR)、藥物副作用(甲氨蝶呤、茶堿、苯妥英、和環(huán)孢霉素)、生活方式(酗酒、妊娠)、慢性疾病(終末期腎病、嚴(yán)重肝功能障礙、糖尿病、甲狀腺功能減退)所引起；嚴(yán)重的高水平HCY可因經(jīng)典的高胱氨酸尿癥(胱硫醚合成酶缺乏型)引起[23]。葉酸、維生素B6、維生素B12和SAM是DNA甲基化修飾的重要輔助因子，MTHFR基因突變，維生素B6、維生素B12及葉酸缺乏可引起,高同型半胱氨酸血癥[24-25]。MTHFR在一碳代謝中將葉酸循環(huán)與甲硫氨酸循環(huán)聯(lián)系起來[26]。葉酸參與了人體正常的生理代謝，也是DNA合成、修復(fù)和甲基化過程中的重要因子，同樣缺乏維生素B12也會干擾DNA的合成、修復(fù)及甲基化，并限制HCY向甲硫氨酸轉(zhuǎn)化而增加。HCY途徑控制著甲基的生物利用度，其穩(wěn)態(tài)可以被甲硫氨酸合成酶的輔因子維生素B12調(diào)節(jié)。QUEIROZ等[27]的實驗中研究了維生素B12在幼鼠細(xì)菌性腦膜炎(bacterial meningitis，BM)模型中的神經(jīng)保護(hù)作用模式，結(jié)果顯示維生素B12以同型半胱氨酸依賴的方式抑制BM導(dǎo)致的海馬神經(jīng)元凋亡，BM可使DNA整體低甲基化，從感染動物的SAM與SAH的比率推斷，維生素B12可以增加被感染的海馬細(xì)胞甲基化能力。

3 總結(jié)

綜上所述，HCY對海馬神經(jīng)元的損傷機(jī)制主要包括興奮NMDA受體使細(xì)胞神經(jīng)元游離鈣內(nèi)流增多；導(dǎo)致細(xì)胞DNA的損傷甚至導(dǎo)致海馬的基因表達(dá)譜改變；細(xì)胞內(nèi)鈣離子內(nèi)流和DNA的損傷又導(dǎo)致了神經(jīng)元的興奮毒性和氧化損傷；通過對海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)的影響以及葉酸、維生素B12等可以引起HCY水平升高的因素改變均可以導(dǎo)致海馬神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡。HCY不僅是認(rèn)知障礙的危險因素，也與認(rèn)知障礙的類型及程度相關(guān)[28]。

海馬神經(jīng)元的損傷在一些神經(jīng)精神疾病中起重要作用。隨著HCY對海馬損傷機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識，越來越多神經(jīng)精神疾病的認(rèn)知功能障礙可以得到一定的治療和預(yù)防。如通過補(bǔ)充葉酸和維生素B12，對阿爾茲海默病、腦血管病或精神分裂癥患者的高HCY水平進(jìn)行干預(yù)，研究結(jié)果顯示可以減輕認(rèn)知功能的損害[29-31]?？傊?，筆者通過HCY對海馬神經(jīng)元損傷機(jī)制的認(rèn)識，為今后研究多種途徑減輕一些神經(jīng)精神疾病中的認(rèn)知損害提供參考。