脂氧合酶在鐵死亡驅動阿爾茨海默病中作用的研究進展

于放，馬晶瑩，馬旺然，常翔

阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）是一種與年齡相關的神經(jīng)退行性疾病，是老年人群認知功能減退的主要原因［1］。全球有3 000多萬AD患者，其財政負擔高達5萬億美元［2］。預計到2050年，將有1.52億AD患者［3］，AD已成為影響人民健康和生活質量的重要問題。AD的主要病理學特點是大量的β-淀粉樣蛋白（β-amyloid protein，Aβ）在細胞外沉積形成老年斑以及細胞內高度磷酸化的Tau蛋白形成神經(jīng)原纖維纏結（neurofibrillary tanngle，NFT）［4］。鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型細胞調節(jié)性死亡方式，與AD的發(fā)生和發(fā)展緊密相關。其中，鐵死亡可與Aβ和Tau蛋白相互作用［5］，進一步加重AD的病情［4，6］。近年來，隨著對AD發(fā)病機制的不斷研究，發(fā)現(xiàn)脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）的活化與AD發(fā)病密切相關，并影響著Aβ和Tau蛋白的代謝、突觸完整性和認知功能［7］。脂質過氧化是鐵死亡的關鍵環(huán)節(jié)［8］，脂質代謝紊亂參與了AD疾病的進展［9］。本文旨在分析LOX在鐵死亡驅動AD中的關鍵作用，重點包括LOX的代謝過程、LOX與AD的關系、LOX抑制劑對AD的作用。

1 鐵死亡與AD

1.1 鐵死亡與Aβ相互作用 大腦皮質及海馬區(qū)的Aβ在細胞外沉積形成老年斑是AD的病理特征之一［4］。Aβ是由β分泌酶和γ分泌酶切割淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）后的產物，其升高是神經(jīng)元損傷和死亡的主要原因。作為鐵依賴的機制，鐵在鐵死亡中發(fā)揮著重要作用［10］。一方面，腦鐵異常增高可能在AD發(fā)病過程中起重要作用，其可加劇Aβ的生成和積累［4，11］；另一方面，腦組織中的鐵主要來源于腦微血管中運輸?shù)难彖F［12］。血漿中的Fe2+和Fe3+可與APP和Aβ相互作用，從而加劇淀粉樣體的積聚［13］。不僅如此，Aβ將Fe3+還原為Fe2+時可產生過量自由基并誘導神經(jīng)元損傷［5］。臨床研究也證實了這一情況，有研究者在AD患者大腦皮質、皮質下和白質區(qū)域觀察到鐵含量升高，并推測大腦中鐵含量升高在AD病理發(fā)展中發(fā)揮著重要作用［4］。此外，Aβ還會損傷線粒體功能，將Fe3+轉化為Fe2+，同時誘導氧化應激，從而加重鐵超載，進一步加重鐵死亡［4］。

1.2 鐵死亡與Tau蛋白相互作用 神經(jīng)元內Tau蛋白過度磷酸化形成NFT也是AD的病理特點之一［4］。Tau蛋白與微管的穩(wěn)定性有關，當其磷酸化程度較高時開始聚合成成對的螺旋絲，然后聚集并沉淀形成NFT，進一步使微管分解，進而導致神經(jīng)元死亡［14］。Tau蛋白可通過細胞膜的轉運來調控細胞內鐵外流，促進鐵的輸出，而Tau蛋白的高度磷酸化和聚集可能影響鐵外流，從而使神經(jīng)元鐵沉積，進一步促進NFT的生成，形成惡性循環(huán)［6］。腦鐵穩(wěn)態(tài)失調與Tau蛋白和NFT息息相關，鐵可調控Tau蛋白的磷酸化程度并誘導異常磷酸化Tau蛋白的積聚［5］。過量的鐵還可以促進Tau蛋白的磷酸化，從而促進NFT的生成，最終導致神經(jīng)元和突觸的功能受損。LEI等［15］研究發(fā)現(xiàn)，敲除Tau基因后大鼠會產生年齡依賴性的鐵積累和腦萎縮。此外，有研究者在神經(jīng)元NFT中也發(fā)現(xiàn)了鐵離子的異常沉積，這可能與AD發(fā)病過程中Tau蛋白間接參與神經(jīng)元鐵離子的傳遞有關［16］。

2 LOX與鐵死亡

LOX是一種含鐵的雙加氧酶，該家族成員在生物體內催化含有順，順-1，4-戊二烯結構的多元不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA），從而生成相應脂質，可加速氧與花生四烯酸（arachidonic acid，AA）、二十二碳六烯酸和其他PUFA化合物的立體選擇性結合［17］，在炎癥發(fā)生中起重要作用［18］。研究指出，LOX（特別是15-LOX1）是鐵死亡的關鍵調控因子［19-20］。LOX可促進PUFA氧化成其氫過氧化物的中間體，如氫過氧化二十碳四烯酸（hydroperoxyeicosatetraenoic acid，HPETE）氧化形式AA［21］?，F(xiàn)有研究證實，LOX催化PUFA的氧化（主要是AA）可引導細胞走向鐵死亡［19，22］。因此，LOX可以作為調節(jié)鐵死亡的一個重要靶點，因為PUFA的過氧化作用可以加速鐵死亡的發(fā)生，而LOX可使PUFA過氧化。SHAH等［23］通過轉染使人類胚胎腎細胞過度表達疾病相關的LOX亞型，結果顯示，過度表達LOX亞型的人類胚胎腎細胞對鐵死亡高度敏感，提示LOX過表達會增加細胞對鐵死亡的敏感性。LOX通過促進鐵介導的單電子將預先形成的磷脂氫過氧化物還原為過氧自由基［24］，過氧自由基又可促使PUFA擴增，活性氧（reactive oxygen species，ROS）可與PUFA進一步反應從而誘導脂質過氧化［10］，最終使細胞對鐵死亡敏感［24］。另外，LOX抑制劑可抑制體內氧化劑的產生［23］。

但也有研究推斷LOX在鐵死亡過程中并不起關鍵性作用，即觸發(fā)鐵死亡時，急性抑制LOX催化也不會阻止細胞死亡［7］。已知細胞脂質氫過氧化物（lipid hydroperoxide，LOOH）的生成主要通過兩種機制：一種是自氧化，即鐵催化的自發(fā)過氧自由基介導的鏈式反應［25］，另外一種是鐵依賴性LOX催化的酶介導過程［26］。SHAH等［23］支持磷脂自氧化是鐵死亡發(fā)生的基本條件，即自氧化在鐵死亡的發(fā)生中起核心作用，而通過LOX進行酶驅動的磷脂氧化可能只會降低鐵死亡觸發(fā)的閾值。雖然LOX在鐵死亡過程中不起關鍵性作用，但其仍是鐵死亡過程中不可或缺的角色。脂質過氧化與鐵死亡有著直接的聯(lián)系，PUFA是構成細胞膜脂質雙分子層的重要組成部分［20］，是誘發(fā)鐵死亡的基礎［21］，在鐵死亡過程中起關鍵性的作用。LOX通過氧化PUFA而使細胞損傷，進一步誘導脂質過氧化，最終導致鐵死亡的發(fā)生。

3 LOX的代謝過程

LOX參與了炎癥的發(fā)生和發(fā)展過程，而炎癥則與腦卒中、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病密切相關［27］。因此，LOX與疾病的發(fā)展密切相關，而抑制其作用在疾病預防中至關重要［28］。目前，人類LOX家族有六種亞型（5-LOX、12-LOX、12B-LOX、15-LOX、15B-LOX和E3-LOX），而小鼠有七種亞型（5-LOX、15-LOX、15b-LOX、12-LOX、12b-LOX、e3-LOX和12e-LOX）［29］。在LOX家族中，5-LOX至關重要，5-LOX在心血管系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達，其水平隨著機體衰老而上升，其升高是神經(jīng)退行性疾病的常見危險因素［30］。抑制5-LOX的激活，可以減緩與年齡相關的腦部疾病的進展［31］。5-LOX可通過氧化游離或酯化脂肪酸的5位碳原子而產生促炎遞質［32］。5-LOX的直接產物包括5-氫過氧二十碳四烯酸（5-hydroperoxyeicosatetraenoic acid，5-HPETE），其被還原為5-羥基二十碳四烯酸（5-hydroxyeicosatetraenoic acid，5-HETE）或白三烯（leukotriene，LT）A4［1］。根據(jù)細胞內環(huán)境，LTA4可以代謝為LTB4或LTC4，LTC4可進一步代謝為LTD4和LTE4［33］。這些5-LOX最終產物通過激活G蛋白偶聯(lián)受體和半胱氨酰白三烯受體來調節(jié)趨化因子的產生、免疫細胞活化和炎癥［34］。5-LOX的活性依賴于5-LOX活化蛋白（five lipoxygenase activating protein，F(xiàn)LAP）并受其調節(jié)，這是5-LOX活化的必要條件［35］。此外，5-LOX也是一種通過產生脂質過氧化物介導脂質過氧化的關鍵酶［36］。質膜的主要成分是磷脂，易發(fā)生脂質過氧化，進一步使細胞膜破裂并誘發(fā)鐵死亡［36］。

此外，12/15-LOX可將游離和酯化脂肪酸氧化成磷脂，進一步生成脂質遞質，如12-羥基二十碳四烯酸（12-hydroxyeicosatetraenoic acid，12-HETE）和15-羥基二十碳四烯酸（15-hydroxyeicosatetraenoic acid，15-HETE），在人體組織中具有廣泛的功能［37］。12-HETE是一種促炎分子，可引起血管舒張、中性粒細胞趨化和細胞增殖［38-39］。15-HETE可與LTB4受體2、過氧化物酶體增殖物激活受體結合并活化，其高水平狀態(tài)下可引起細胞產生毒性ROS［40］。

4 LOX與AD的關系

4.1 LOX與Aβ Aβ生成過多或清除不及時均可導致可溶性Aβ寡聚體和不可溶性淀粉樣蛋白沉積在大腦中，形成淀粉樣蛋白斑塊，其與小膠質細胞、星形膠質細胞相互作用，可導致神經(jīng)元功能異常和死亡［41］。越來越多的證據(jù)表明，5-LOX參與了Aβ的形成和沉積。如CHU等［1］用Tg2576（一種AD轉基因大鼠模型）與5-LOX基因缺陷的大鼠（即5-LOX的純合敲除）雜交，并將其與常規(guī)Tg2576大鼠進行比較，發(fā)現(xiàn)缺乏5-LOX的Tg2576大鼠的大腦中β-淀粉樣蛋白肽明顯減少，并且隨著大鼠年齡增長，β-淀粉樣蛋白肽減少更明顯；在Tg2576大鼠的海馬和皮質檢測到5-LOX mRNA表達升高，而敲除5-LOX則可以明顯減少Aβ沉積［42-43］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，5-LOX可通過激活cAMP反應元件結合蛋白（cAMP response element binding，CREB）而調節(jié)Aβ的生成，并在Tg2576、3xTg（一種AD轉基因大鼠模型）中促進γ分泌酶復合物的表達［44-46］。研究表明，5-LOX基因敲除或選擇性抑制5-LOX能使CREB和γ分泌酶復合物的表達水平下降，使Aβ的產生明顯減少［44］。Aβ還可以通過12/15-LOX來調節(jié)β分泌酶1（beta-site APP-cleaving enzyme 1，BACE1）［47］。當12/15-LOX基因缺陷時，Aβ生成減少，而12/15-LOX表達增強時大腦中Aβ的水平則升高［17］。12/15-LOX在Aβ形成中的作用與BACE1蛋白水平直接相關，并且12/15-LOX的重要性已在體內試驗得到證實［47］。

4.2 LOX與Tau蛋白 Tau蛋白是一種微管相關蛋白，其可使微管保持穩(wěn)定。當Tau蛋白高度磷酸化時，其對微管的親和力降低，Tau聚合成成對的螺旋絲，進一步聚集并沉淀形成NFT，導致神經(jīng)元突觸傳導障礙，加劇神經(jīng)退行性病變［14］。越來越多的磷酸化Tau蛋白在腦部積累是AD和Tau蛋白相關性疾病的主要標志性病變之一，神經(jīng)炎癥是這些疾病的特征［48］。5-LOX是一種酶蛋白，其代謝產物是具有強效致炎作用的脂質［48］。VAGNOZZI等［49］通過比較5-LOX基因缺陷的P301S（Tau蛋白病轉基因大鼠模型）大鼠與常規(guī)Tau蛋白病大鼠發(fā)現(xiàn)，5-LOX的遺傳缺失減輕了P301S大鼠的Tau蛋白磷酸化和神經(jīng)炎癥；該研究還顯示，5-LOX的表達和活性在P301S大鼠的大腦中以年齡和區(qū)域依賴性模式上調。研究表明，5-LOX過表達可導致細胞周期蛋白依賴性激酶5（cyclin dependent kinase-5，CDK5）激活，隨后在特定表位發(fā)現(xiàn)Tau蛋白磷酸化升高［31］。研究發(fā)現(xiàn)，與P301S大鼠相比，過表達5-LOX的Tau蛋白病大鼠的大腦中CDK5激酶通路被激活［50］。當抑制或敲除5-LOX時可降低CDK5共激活因子p35和p25的表達水平［30］。在體外實驗中，5-LOX催化AA產生的代謝產物5-HPETE與N2A-APPswe神經(jīng)元共培養(yǎng)，可激活CDK5，進而增強Tau蛋白磷酸化水平，而通過與CDK5抑制劑共培養(yǎng)則可明顯降低Tau蛋白磷酸化水平［51-52］。上述研究表明，5-LOX通過CDK5發(fā)揮作用，從而誘導Tau蛋白發(fā)生病理變化。

4.3 LOX與神經(jīng)突觸 AD是一種神經(jīng)退行性疾病，會導致記憶喪失和認知功能障礙惡化［53］。一個健康的神經(jīng)系統(tǒng)具有突觸可塑性以及其他神經(jīng)可塑性，允許對環(huán)境的變化進行結構和生理適應［54］。這種可塑性的改變維持著學習、記憶的變化，當受到病理和衰老的嚴重影響時，認知功能會發(fā)生退化［54］。突觸連接的強度和效率受到環(huán)境或個人體驗的影響，這種特性稱為突觸可塑性，其與記憶和學習過程直接相關，這些類型的細胞記憶和學習模型具有特定的刺激方式，其通過激動突觸前后神經(jīng)元而引起突觸傳遞增強，稱為長期增強（long-term potentiation，LTP）［53］，在學習和記憶的形成中扮演著重要角色［7］。大腦突觸可塑性異常被認為是導致AD患者認知功能下降的重要原因。學習和記憶取決于突觸的完整性和功能，當5-LOX過度激活時可導致突觸障礙，其特征是突觸生物標志物（如突觸素、突觸后密度蛋白95和樹突蛋白微管相關蛋白2）表達降低，進一步使LTP受損，最終導致AD模型大鼠的記憶缺陷［46，50，55］。當抑制或敲除5-LOX時以上改變則被反轉［7］。電生理實驗表明，3xTg大鼠LTP的損傷程度明顯減輕，而抑制或敲除5-LOX基因后LTP的功能得到了改善［17，45，47］。

5 LOX抑制劑對AD的作用

目前，AD治療的選擇范圍很窄，并且缺乏足夠的治療藥物。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的LOX異構體是12/15-LOX［17］。JOSHI等［2］認為，12/15-LOX可通過促進Aβ的積累形成老年斑和Tau蛋白的磷酸化來加重AD的神經(jīng)變性。12/15-LOX能提高轉錄因子Sp1的轉錄活性，并誘導β分泌酶的表達，增加Aβ的合成，加速老年斑的形成［2］。而12/15-LOX對Tau蛋白磷酸化有一定的促進作用，可導致NFT的形成。此外，ODDO等［56］研究發(fā)現(xiàn)，12/15-LOX還可以直接調節(jié)突觸功能。JOSHI等［2］認為，12/15-LOX抑制劑PD14676可作為AD治療的潛在靶點，既可以抑制Aβ通路，又可以干預Tau蛋白磷酸化通路，還可減輕相關的突觸病理和行為損傷。此外，研究發(fā)現(xiàn)，PD14676可逆轉AD大鼠模型的認知功能和神經(jīng)病理學表現(xiàn)［57］。所以，抑制12/15-LOX可能是AD的一個新的治療靶點。

氧化應激在A D的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用。PRATICò等［58］認為，12/15-LOX的增加可能與腦氧化應激有關。12/15-LOX是氧化應激的主要來源，細胞因子、Aβ等刺激12/15-LOX，進而產生羥基二十碳四烯酸（hydroxyeicosatetraenoic acids，HETEs），進而加強炎癥和氧化應激。研究表明，與對照衰老大腦相比，AD患者大腦12/15-LOX代謝途徑增加，且這種增加與中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧化失衡直接相關［58］。因此，特異性降低或阻斷12/15-LOX代謝途徑激活的藥物可考慮作為AD的潛在治療措施。

6 小結與展望

目前，鐵死亡可能通過促進脂質過氧化和鐵失調來驅動AD。一方面，鐵在鐵死亡中起關鍵作用，當腦鐵異常增高時過量的鐵與Aβ和Tau蛋白相互作用，促進兩者在腦部的生成和積累，引起惡性循環(huán)，進一步加重AD。另一方面，脂質過氧化與鐵死亡的發(fā)生有著直接的關系，而LOX在介導脂質過氧化方面具有重要作用，含有PUFA成分的磷脂易受到LOX介導的自由基影響而發(fā)揮氧化作用，進一步導致脂質雙層的破壞，從而促進鐵死亡。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者和動物模型大腦皮質和海馬區(qū)域LOX表達水平上調，且LOX通過激活CREB或調節(jié)BACE1蛋白來促進Aβ的生成，通過激活CDK5來誘導Tau蛋白高度磷酸化［41-42］，且能損傷LTP，進一步加重突觸功能障礙，導致認知功能下降，從而促進AD的進展［7］。LOX抑制劑在AD中的作用得到越來越多的研究證實，LOX的靶向干預可能是治療AD的有前景的策略。然而LOX的亞型較多，且大部分LOX抑制劑不具有選擇性，治療效果可能會受此影響，此外，也應考慮LOX抑制劑帶來的不良反應。雖然LOX抑制劑作為抗AD藥物的研發(fā)仍有待進一步研究，但抑制LOX的特異性藥理學可能是延緩AD發(fā)展的重要方法。AD的病理機制較為復雜，鐵死亡可能為了解AD的病理機制提供新的方向，所以今后可以進一步驗證鐵死亡在AD中的作用及研發(fā)具有多效性作用的LOX抑制劑。

作者貢獻：于放進行文章的構思與設計，撰寫及修訂論文；常翔進行研究的實施與可行性分析，負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責、監(jiān)督管理；于放、馬晶瑩、馬旺然進行文獻收集、整理。

本文無利益沖突。