神經(jīng)元細(xì)胞軸漿運(yùn)輸障礙與阿爾茨海默病關(guān)系的研究進(jìn)展

于明慧 薛傲 徐紅丹 王巖 林雪 楊波 孫慧峰 張寧

阿爾茨海默?。ˋD）是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，也是最常見(jiàn)的癡呆類型，其標(biāo)志性病理特征包括細(xì)胞外淀粉樣β 蛋白沉積形成的老年斑，細(xì)胞內(nèi)Tau 蛋白過(guò)度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)，乙酰膽堿含量降低，神經(jīng)元凋亡和突觸丟失［1］。AD 常見(jiàn)臨床表現(xiàn)有失憶、認(rèn)知缺陷，如失語(yǔ)、性格和行為改變等［2］。

在大腦中，突觸神經(jīng)元在生理功能中起著關(guān)鍵作用，對(duì)記憶的形成至關(guān)重要，而神經(jīng)元的正常功能很大程度上依賴于沿軸突的有效“貨物”運(yùn)輸。軸漿運(yùn)輸對(duì)維持神經(jīng)元正?；顒?dòng)起重要作用，軸漿運(yùn)輸障礙會(huì)導(dǎo)致軸突腫脹，影響軸突末梢與細(xì)胞體的溝通，使突觸功能發(fā)生障礙，加速神經(jīng)元死亡，中斷細(xì)胞間的溝通，最終產(chǎn)生認(rèn)知功能障礙。新近的研究表明，AD 在早期會(huì)出現(xiàn)軸突腫脹，這一改變是由軸漿運(yùn)輸障礙引起的。Guo 等［3］及Sleigh 等［4］指出，軸漿運(yùn)輸缺陷與多種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)，對(duì)突觸有很大影響，影響記憶，導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙［5］。而突觸是神經(jīng)元發(fā)揮生理功能的關(guān)鍵部位，這為進(jìn)一步明確AD 的發(fā)病機(jī)制和治療靶點(diǎn)提供了參考。

一、軸漿運(yùn)輸

與其他類型的細(xì)胞相比，神經(jīng)元最獨(dú)特的形態(tài)學(xué)特征是其極端極性和長(zhǎng)軸突，神經(jīng)元體的直徑在5～100 μm，軸突可達(dá)1 m，以便與細(xì)胞體和軸突末端接觸。軸漿運(yùn)輸也稱軸突運(yùn)輸或軸漿流，其循著細(xì)胞骨架（由微管蛋白組成）進(jìn)行“貨物”的運(yùn)輸、信息的交流以及能量的轉(zhuǎn)運(yùn)，負(fù)責(zé)將線粒體、脂質(zhì)、突觸小泡、蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞器從一個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞體運(yùn)送至軸突及末梢，以維持神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)［6-7］。

軸漿運(yùn)輸是影響正常軸突和突觸功能的關(guān)鍵細(xì)胞過(guò)程。軸漿運(yùn)輸分為順行運(yùn)輸和逆行運(yùn)輸，根據(jù)軸漿運(yùn)輸速率的不同還可以分為快速軸漿運(yùn)輸和慢速軸漿運(yùn)輸［6］。慢速軸漿運(yùn)輸以0.1～6 mm/d的速度移動(dòng)細(xì)胞質(zhì)蛋白和細(xì)胞骨架蛋白（微管和神經(jīng)絲）；快速軸漿運(yùn)輸以50～400 mm/d 的速度運(yùn)輸脂肪。軸漿運(yùn)輸物質(zhì)和神經(jīng)微管之間交聯(lián)的Kinesin 和Dynein，水解ATP 產(chǎn)生能量。軸漿運(yùn)輸所需的能量由線粒體提供，馬達(dá)蛋白為神經(jīng)元細(xì)胞體和軸突功能提供了必需的營(yíng)養(yǎng)保障。

AD 的臨床特征是失語(yǔ)、失憶和進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙，其發(fā)病和進(jìn)展機(jī)制尚未明確。在轉(zhuǎn)基因AD 動(dòng)物模型中，突觸功能障礙和軸突病理發(fā)生在淀粉樣斑塊沉積和Tau 蛋白聚集之前，在受AD 影響的腦區(qū)觀察到髓鞘化顯著減少，提示軸突功能障礙和變性是AD 發(fā)病機(jī)制的重要組成部分。軸突和突觸的功能維持依賴于軸漿運(yùn)輸，軸漿運(yùn)輸使軸突和神經(jīng)末梢能夠提供蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和能量，并清除可循環(huán)或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，以避免有毒聚集物的形成。近期研究者們已普遍提出軸漿運(yùn)輸損傷或是AD 的發(fā)病原因。

二、神經(jīng)元軸漿運(yùn)輸障礙與AD 之間的聯(lián)系

由于神經(jīng)元的極端極性，軸漿運(yùn)輸?shù)倪m當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)其正常的生理功能至關(guān)重要。軸漿運(yùn)輸系統(tǒng)包含微管、“貨物”、運(yùn)動(dòng)蛋白及其適配器，微管沿著軸突延伸，并在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中承擔(dān)“軌道”的作用。馬達(dá)蛋白包括Kinesin 和Dynein，沿著微管移動(dòng)“貨物”，分別介導(dǎo)順行轉(zhuǎn)運(yùn)和逆行轉(zhuǎn)運(yùn)。

Kinesin、Dynein、微管、神經(jīng)絲和“貨物”都與神經(jīng)退行性疾病中導(dǎo)致軸突運(yùn)輸缺陷的基因突變相關(guān)。這通常會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)蛋白結(jié)合的缺失或功能異常、微管失穩(wěn)、適配器蛋白募集受損或“貨物”附著。以下總結(jié)了目前發(fā)現(xiàn)的參與神經(jīng)退行性疾病中軸漿運(yùn)輸障礙的3 個(gè)方面。

1. Kinesin 蛋白超家族（KIF）

在KIF 中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)14 個(gè)蛋白，它們編碼的蛋白質(zhì)所含的序列均能分別與微管和ATP 結(jié)合，其中KIF5 是參與物質(zhì)順行運(yùn)輸?shù)淖钪匾鸟R達(dá)蛋白，大多數(shù)功能性KIF5 是包含2 個(gè)KIF5 重鏈和2個(gè)KIF5 輕鏈的異源四聚體，其中KIF5 輕鏈在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)蛋白結(jié)合和靶向各種膜結(jié)合細(xì)胞器（MBO）中發(fā)揮作用［8］。神經(jīng)元的存活和維持需要信號(hào)復(fù)合物和攜帶降解產(chǎn)物的MBO 從突觸末端和軸突返回到神經(jīng)元細(xì)胞體。許多膜結(jié)構(gòu)，如突觸小泡前體、線粒體和淀粉樣前體蛋白（APP），均通過(guò)KIF5轉(zhuǎn)運(yùn)到突觸末端。KIF5 包括KIF5A、KIF5B 和KIF5C 3 個(gè)亞型，其中KIF5B 在多種組織中表達(dá)，而KIF5A 和KIF5C 是神經(jīng)組織所特有的，與線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)。

海馬神經(jīng)元的退行性變能夠引起AD，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些基因突變，如編碼的APP 和早老素1（PSEN1）的突變，在某些情況下，這些基因編碼的蛋白質(zhì)與軸漿運(yùn)輸缺陷有關(guān)。APP 囊泡的運(yùn)輸被認(rèn)為是通過(guò)APP 控制KIF5 的募集，以及通過(guò)c-JUN 氨基末端蛋白激酶（JNK）相互作用蛋白與KIF5 結(jié)合發(fā)生的。APP 和KIF5 之間的聯(lián)系可以解釋在過(guò)表達(dá)突變的轉(zhuǎn)基因小鼠中觀察到順行轉(zhuǎn)運(yùn)減少的現(xiàn)象［9］。其中鈣聯(lián)蛋白導(dǎo)致的軸突運(yùn)輸中斷可能是AD 的發(fā)病機(jī)制。突變的PSEN1 與KIF5介導(dǎo)的囊泡和細(xì)胞器軸突運(yùn)輸?shù)膿p傷有關(guān)，這是KIF5 磷酸化的結(jié)果［10］。KIF5A 是參與細(xì)胞內(nèi)基于微管運(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)蛋白，廣泛表達(dá)于神經(jīng)元中，其對(duì)于維持軸漿運(yùn)輸及線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要作用，敲除KIF5A 或KIF5B 會(huì)不同程度地影響海馬神經(jīng)元的興奮性和軸突轉(zhuǎn)運(yùn)［11］。KIF5A 突變（SPG10）導(dǎo)致KIF5 中KHC 亞基的ATP 活性和功能異常，最終影響“貨物”沿微管的順行轉(zhuǎn)運(yùn)［12］。作為軸漿運(yùn)輸中重要的馬達(dá)蛋白，KIF5 起著至關(guān)重要的作用，KIF5 參與多種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，KIF5 發(fā)生磷酸化勢(shì)必會(huì)造成軸漿運(yùn)輸中斷，進(jìn)而使軸突腫脹，影響細(xì)胞間交流，造成神經(jīng)元死亡，導(dǎo)致記憶和認(rèn)知功能障礙。

2.微 管

微管是軸漿運(yùn)輸?shù)墓羌懿⑶覅⑴c多種細(xì)胞活動(dòng)，可以讓承載不同物質(zhì)的馬達(dá)蛋白在其中不同軌道上運(yùn)行，微管參與了神經(jīng)元功能的建立和維持以及軸突的生長(zhǎng)。微管是由α/β-微管蛋白異二聚體的聚合物組成的，每個(gè)異二聚體聚合物都與GTP 分子結(jié)合。固有的GTP 酶活性誘導(dǎo)GTP 水解，這是微管動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性和雙向聚合所必需的。GTP與游離微管蛋白異質(zhì)二聚體的β 亞基結(jié)合，可使微管蛋白二聚體聚合成直的微管晶格［13］。任何扭曲都會(huì)導(dǎo)致微管失穩(wěn)解體，這種扭曲和微管組裝的缺陷已經(jīng)在AD患者和老年大鼠的大腦中被發(fā)現(xiàn)［11］。微管蛋白在空間平行網(wǎng)絡(luò)中組織和穩(wěn)定微管，并且可以調(diào)節(jié)軸漿運(yùn)輸。微管蛋白為微管提供穩(wěn)定性，當(dāng)過(guò)度磷酸化、脫離微管時(shí)，形成不溶性聚集體，導(dǎo)致微管失穩(wěn)，改變線粒體軸漿運(yùn)輸并導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。微管蛋白還可以保護(hù)微管不受微管分裂蛋白Katanin 的影響，AD 患者尸檢結(jié)果顯示其腦組織中未見(jiàn)微管，過(guò)度磷酸化、微管結(jié)合位點(diǎn)的突變或C 端截?cái)?，微管蛋白與微管的結(jié)合能力大大降低。這些發(fā)現(xiàn)促成了一個(gè)觀點(diǎn)，即微管蛋白的過(guò)度磷酸化促進(jìn)了其與微管的分離，降低了微管的穩(wěn)定性［14］。

微管蛋白修飾的擾動(dòng)可能導(dǎo)致微管功能障礙，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性變。其中多聚谷氨酰化在神經(jīng)退行性變中起關(guān)鍵作用。微管相關(guān)蛋白（MAP）與微管相互作用以控制微管的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。所謂的“結(jié)構(gòu)MAP”被認(rèn)為可以穩(wěn)定微管。在神經(jīng)元中主要的MAP 是Tau 蛋白，是AD發(fā)病的關(guān)鍵蛋白，另外還有MAP1A、MAP1B 和MAP2。另一組微管相互作用蛋白是微管切斷酶Spastin、Katanin 和Fidgetin，它們調(diào)節(jié)細(xì)胞中的微管質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。在神經(jīng)元中，這些酶在軸突生長(zhǎng)和可塑性中發(fā)揮重要作用。微管對(duì)于維持軸突的結(jié)構(gòu)和完整性至關(guān)重要，微管的穩(wěn)定作用改善了AD 模型小鼠的軸突轉(zhuǎn)運(yùn)［15］。當(dāng)微管失穩(wěn)、破裂時(shí)，軸漿運(yùn)輸無(wú)法正常運(yùn)行，微管依賴性運(yùn)輸?shù)臏p少可能導(dǎo)致老年斑和AD 的發(fā)生。

微管是Kinesin 和Dynein 等的“跑道”。在神經(jīng)元中，這些蛋白在將“貨物”運(yùn)輸?shù)讲煌膩喖?xì)胞中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從而確保神經(jīng)元的存活和功能。鑒于許多神經(jīng)元的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元運(yùn)輸缺陷是人類神經(jīng)退行性疾病的共同特征也就不足為奇了。事實(shí)上，在神經(jīng)退行性疾病中，軸漿運(yùn)輸缺陷和微管功能障礙可能在致病事件的上游起作用。

3.線粒體

在軸漿運(yùn)輸過(guò)程中線粒體是唯一能夠產(chǎn)生ATP 的細(xì)胞器，保持線粒體的形態(tài)和動(dòng)力學(xué)正常是發(fā)揮其生理功能的前提。研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)缺陷可以引發(fā)AD、帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化和亨廷頓病等，包括阻礙代謝狀態(tài)、減少ATP生成和增強(qiáng)氧化應(yīng)激反應(yīng)。在創(chuàng)傷性腦損傷中，改善線粒體軸漿運(yùn)輸功能障礙可能是一個(gè)新的研究方向［16］。

Miro（ mitochondrial Rho GTPases）是一種線粒體外膜蛋白，在基于微管的線粒體軸漿運(yùn)輸、線粒體動(dòng)力學(xué)（融合和分裂）和鈣離子穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。Miro 與Milton（一種接頭蛋白）、Kinesin 和Dynein 形成主要的蛋白復(fù)合物，對(duì)基于微管的線粒體軸漿雙向運(yùn)輸有促進(jìn)作用，滿足神經(jīng)元的能量需求，維持線粒體穩(wěn)態(tài)和確保神經(jīng)元存活。改變線粒體的生物發(fā)生會(huì)導(dǎo)致線粒體軸漿運(yùn)輸不當(dāng)，Miro 是唯一與線粒體軸突轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程相關(guān)的線粒體外膜蛋白，是AD 等多種神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵參與者之一，其可提高神經(jīng)元的存活率并充當(dāng)能量供應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。

在順行線粒體軸突轉(zhuǎn)運(yùn)中，線粒體在Kinesin的幫助下從細(xì)胞體向軸突行進(jìn)，在突觸處提供ATP，這是啟動(dòng)神經(jīng)傳遞、神經(jīng)元可塑性和神經(jīng)元存活所必需的［17］。鏈脲佐菌素鏈糖尿病大鼠海馬神經(jīng)元KIF5B mRNA 上調(diào)是參與異常軸漿運(yùn)輸、導(dǎo)致線粒體功能受損的一個(gè)因素［18］。而在逆行轉(zhuǎn)運(yùn)的情況下，線粒體運(yùn)動(dòng)是在Dynein 的幫助下從軸突向細(xì)胞體進(jìn)行的，目的是通過(guò)細(xì)胞體內(nèi)的溶酶體自噬清除受損的線粒體。

Dynein 可以調(diào)控軸漿運(yùn)輸，對(duì)于從雙向逆行到高度單向逆行的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。在軸突中，Dynein 將信號(hào)分子TrkA 和TrkB、腦源性神經(jīng)生長(zhǎng)因子及其受體復(fù)合物囊泡在突觸中沿軸突轉(zhuǎn)運(yùn)回細(xì)胞，完成信號(hào)傳遞。Dynein 也參與突觸末端線粒體逆向運(yùn)輸至胞體的過(guò)程，同時(shí)在神經(jīng)元生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)傳遞以及遷移等方面起著重要作用［19］。Dynein 是細(xì)胞運(yùn)輸中必不可少的運(yùn)輸?shù)鞍字?，其功能的改變可能?dǎo)致細(xì)胞生理活動(dòng)的紊亂，尤其是在神經(jīng)元軸漿運(yùn)輸中。線粒體Miro 和軸漿運(yùn)輸中相關(guān)的蛋白之間有著不可分割的關(guān)系，線粒體受損、Kinesin 和Dynein 不能與Miro 正常結(jié)合均會(huì)引起ATP 供應(yīng)減少或不能產(chǎn)生ATP，造成“貨物”運(yùn)輸堆積，導(dǎo)致軸突堵塞最終引起軸漿運(yùn)輸障礙［20］。

三、結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，軸漿運(yùn)輸障礙可能是AD 發(fā)病前期的重要因素。神經(jīng)元興奮性突觸傳遞的改變是AD早期的重要標(biāo)志之一。軸漿運(yùn)輸涉及多種神經(jīng)退行性疾病，AD 早期產(chǎn)生了軸突腫脹的病理特征，這支持了軸突運(yùn)輸是治療AD 疾病進(jìn)展的潛在靶點(diǎn)的觀點(diǎn)。

從軸漿運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制出發(fā)，通過(guò)運(yùn)輸關(guān)鍵蛋白Kinesin 和Dynein、運(yùn)輸通道微管、運(yùn)輸供能者線粒體3 個(gè)方面闡述引起軸漿運(yùn)輸障礙可能的原因。微管作為軸漿運(yùn)輸?shù)摹肮羌堋?，保證運(yùn)輸正常運(yùn)行，運(yùn)輸通路上的關(guān)鍵蛋白維持運(yùn)輸穩(wěn)態(tài)，而線粒體為軸漿運(yùn)輸提供能量保障。軸突運(yùn)輸障礙會(huì)導(dǎo)致軸突腫脹，進(jìn)一步影響軸突與細(xì)胞的聯(lián)系，引起突觸功能障礙，誘發(fā)神經(jīng)元死亡，最終導(dǎo)致記憶和認(rèn)知功能障礙。因此，對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞軸漿運(yùn)輸機(jī)制的深入研究可為防治AD 提供新思路。