鋅與阿爾茨海默病

王湛 王振宇

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)，是主要發(fā)生在老年人的常見(jiàn)的慢性進(jìn)行性神經(jīng)功能衰退性疾病，因1907年由德國(guó)神經(jīng)科醫(yī)生Alois Alzheimer發(fā)現(xiàn)而得名。在臨床上以進(jìn)行性記憶喪失、認(rèn)知能力下降、行為異常以及語(yǔ)言能力障礙等神經(jīng)精神癥狀為主要特征。AD典型的病理特征包括老年斑的形成、神經(jīng)元內(nèi)纖維纏結(jié)(Neufibrillary tangles，NFTs)、大腦淀粉樣血管病(cerebral amyloid angiopathy，CAA)以及神經(jīng)元凋亡等。目前已經(jīng)明確老年斑的核心成分是β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)，而 Aβ具有的的較強(qiáng)的神經(jīng)毒性作用也是AD發(fā)病的主要原因[1]。由于缺乏有效的治療手段，目前在發(fā)達(dá)國(guó)家AD已成為繼心臟病、癌癥和中風(fēng)之后第四位危害人類健康的致死性疾病。眾多的在體和離體實(shí)驗(yàn)表明，金屬離子尤其是鋅離子在大腦Aβ沉積過(guò)程中起關(guān)鍵作用，因此，過(guò)量的鋅離子可能參與AD的發(fā)病進(jìn)程[2]。

1 鋅的分布及生物學(xué)作用

鋅離子對(duì)于人類而言是一種基本的微量元素，在體內(nèi)的含量?jī)H次于鐵，分布于機(jī)體所有組織中，在前列腺、精液、眼睛、腦中的含量最高，其次是肌肉、肝臟、胰腺、骨骼和皮毛。成人體內(nèi)鋅離子含量約為2.0×2.5 g，是機(jī)體多種酶的必需組分或激活因子，與機(jī)體發(fā)育、骨骼生長(zhǎng)、免疫功能、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)和核酸代謝等一系列生理活動(dòng)密切相關(guān)[3]。鋅缺乏可以造成許多系統(tǒng)的損害，例如學(xué)習(xí)記憶能力下降、視神經(jīng)萎縮、免疫功能缺陷等。因此，鋅離子在維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起著重要的作用。

2 腦內(nèi)鋅的分布與鋅穩(wěn)態(tài)

鋅與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系密切，大腦是含鋅量最高的器官之一。研究表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中大約85%的鋅主要與金屬蛋白結(jié)合，游離鋅在大腦的平均含量為150 μmol/L，大約是血清鋅水平的10倍[4]。在人腦內(nèi)，鋅主要存在的形式有:①以膜結(jié)合形式存在于金屬蛋白內(nèi)，與各種新陳代謝反應(yīng)有關(guān)。②以離子形式存在于神經(jīng)末梢的突觸小泡內(nèi)。③以游離或疏松結(jié)合的離子形式存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)[5]。

鋅離子不能自由通過(guò)細(xì)胞膜，特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和膜通道參與鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，其中鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體主要包括金屬硫蛋白家族(Metallothioneins，MTs)、ZIP 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族(Zrt-Irt like proteins，ZIPs)和鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體家族(Zinc transporter family，ZnTs)，它們?cè)诰S持體內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)中起重要的作用。

2.1 金屬硫蛋白家族(Metallothionein，MT)結(jié)構(gòu)與鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)MT家族是一組大約由60個(gè)氨基酸構(gòu)成的小分子量的多肽鏈，分子量6 7kDa，其中25 30%為半胱氨酸[6]。在腦內(nèi)，MT家族分為三個(gè)亞型，MT-I與MT-Ⅱ主要分布于星形膠質(zhì)細(xì)胞、血管周間隙、軟腦膜、室管膜與脈絡(luò)叢上皮中，而MT-Ⅲ則在神經(jīng)元中大量表達(dá)[7]。MT-Ⅲ與鋅離子有很高的親和力，可以迅速的與細(xì)胞攝入的鋅離子結(jié)合，每個(gè)MT-Ⅲ分子可以與7個(gè)鋅離子結(jié)合，在維持細(xì)胞內(nèi)鋅離子穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中起著重要的作用，防止因鋅離子濃度過(guò)高而產(chǎn)生的細(xì)胞毒作用。

2.2 鋅鐵調(diào)控蛋白(ZRT、IRT-like protein，ZIP)結(jié)構(gòu)與鋅的轉(zhuǎn)運(yùn) ZIP家族共有14個(gè)成員，其功能是促進(jìn)細(xì)胞外的鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，這種轉(zhuǎn)運(yùn)作用是受HCO3-或H+濃度梯度所驅(qū)使或與其偶聯(lián)的[8]。大多數(shù)ZIP蛋白存在8個(gè)跨膜區(qū)，其氨基和羧基末端均位于細(xì)胞外或囊泡內(nèi)。第2、3跨膜區(qū)位于細(xì)胞外，預(yù)示著可能對(duì)金屬離子有選擇通透性[9]。第3、4跨膜區(qū)間存在富含組氨酸的結(jié)構(gòu)域，該區(qū)域可能具有結(jié)合鋅離子的功能。第4、5跨膜區(qū)具有較高的親水性和親脂性，若該區(qū)的組氨酸序列突變可能會(huì)導(dǎo)致該蛋白功能喪失。

2.3 鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體家族(Zinc transporter，ZnTs)結(jié)構(gòu)與鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)ZnTs是維持鋅穩(wěn)態(tài)蛋白家族中的重要成員，在正常生理?xiàng)l件下，其主要功能是將鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外或?qū)\離子聚集在細(xì)胞器內(nèi)。ZnT家族具有六個(gè)跨膜區(qū)及相似的膜拓?fù)湫螤睿被汪然┒司挥诩?xì)胞質(zhì)內(nèi)。在跨膜區(qū)IV和V中存在著2個(gè)富含組氨酸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為該環(huán)可能是鋅離子的結(jié)合位點(diǎn)。迄今為止，在哺乳動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)至少10個(gè)ZnT家族成員。其中研究較多的是ZnT1與ZnT3的功能。ZnT1是ZnT家族中最先被發(fā)現(xiàn)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要參與鋅離子在小腸的循環(huán)和在腎臟的重吸收及分泌，并參與鋅在母體與胎兒之間的轉(zhuǎn)運(yùn)[10]。ZnT3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中有表達(dá)，主要參與鋅離子向突觸小泡內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[11]。

3 鋅及其轉(zhuǎn)運(yùn)體與阿爾茨海默病

3.1 鋅離子與阿爾茨海默病 目前的研究表明，Aβ沉積形成老年斑是誘發(fā)AD的主要原因之一，是AD形成和發(fā)展的重要因素，而Aβ沉積與鋅離子有著密切的關(guān)系。

近年來(lái)的體外實(shí)驗(yàn)證明，鋅離子與Aβ的第13、14位組氨酸殘基結(jié)合[12]，能夠誘導(dǎo)皮摩爾或更高濃度的Aβ聚集，產(chǎn)生寡聚體中間產(chǎn)物。此外，鋅離子能促進(jìn)Aβ分子α-螺旋形成，維持Aβ的三級(jí)結(jié)構(gòu)，并可能參與Aβ在神經(jīng)元表面附近的凝聚[14]。而鋅螯合劑TPEN能使這種聚合體解聚，提示鋅離子在腦內(nèi)Aβ沉積過(guò)程中起著重要的作用[13]。老年斑內(nèi)的鋅離子主要來(lái)源于腦內(nèi)含鋅能神經(jīng)元軸突末端的釋放，在AD的發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程中起重要的作用。

伴隨著Aβ老年斑的形成，AD的另一主要病理改變?yōu)樯窠?jīng)元內(nèi)纖維纏結(jié)。神經(jīng)元內(nèi)纖維纏結(jié)的形成與一種微管相關(guān)蛋白tau的異常磷酸化(形成p-tau)密切相關(guān)，在一些神經(jīng)元細(xì)胞系中，鋅離子能誘導(dǎo)tau蛋白的過(guò)度磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)大腦神經(jīng)元凋亡[15]。

已有研究顯示，在AD患者大腦內(nèi)老年斑及其周圍組織、淀粉樣變血管以及呈現(xiàn)AD特異性的纖維纏結(jié)神經(jīng)元胞體及樹(shù)突內(nèi)鋅的含量明顯升高。與AD發(fā)生密切相關(guān)的蛋白PS-1、2，γ-分泌酶，APP 等均為鋅金屬蛋白(zinc metalloprotein)，其分子上均有鋅結(jié)合位點(diǎn)。

3.2 鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體與阿爾茨海默病 運(yùn)子斑的沉積，粉樣變形樣變形研究顯示，腦內(nèi)鋅離子代謝紊亂可能是Aβ老年斑形成的重要因素之一，而腦內(nèi)鋅代謝、細(xì)胞內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)的維持與鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白密切相關(guān)。有研究證明，AD患者大腦皮質(zhì)Aβ老年斑內(nèi)有大量ZnT蛋白表達(dá)，進(jìn)一步提示ZnT與神經(jīng)退行性疾病AD的發(fā)生有著十分密切的關(guān)系。在雌性APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)，淀粉樣變?cè)龆鄤t可能是由于雌激素依賴性ZnT3的增加[16]。ZnT3作為體內(nèi)的一種重要的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體，主要定位于海馬、大腦皮層和嗅球的含鋅神經(jīng)元突觸小泡內(nèi)。ZnT3通過(guò)向突觸小泡內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)鋅離子，從而使鋅離子聚集在突觸小泡內(nèi)，并在神經(jīng)傳導(dǎo)時(shí)伴隨神經(jīng)遞質(zhì)一同釋放到突觸間隙[11]。Friedlich等[17]的研究認(rèn)為，位于突觸小泡膜上的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體ZnT3通過(guò)提高突觸小泡內(nèi)游離鋅離子的濃度來(lái)促進(jìn)Aβ老年斑的沉積，從而引起大腦淀粉樣血管病的發(fā)生。Lovell等[18]的研究表明，AD患者海馬區(qū)、海馬旁區(qū)的ZnT4和ZnT6水平顯著升高，ZnT6水平在AD患者腦內(nèi)顳前回、顳中回中也升高。在AD患者和轉(zhuǎn)基因鼠腦內(nèi)，ZnT表達(dá)的異常也提示了局部鋅離子穩(wěn)態(tài)的紊亂[19]。

鋅離子與Aβ的結(jié)合還受MT-Ⅲ的調(diào)節(jié)。細(xì)胞外MT-Ⅲ的減少會(huì)促進(jìn)鋅離子引起的Aβ過(guò)度金屬化[20]。有研究證明，在阿爾茨海默病患者腦內(nèi)MT家族的濃度與正常人相比有所降低。

4 思考與展望

目前的研究已經(jīng)證明了鋅離子與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，隨著對(duì)AD研究的不斷深入，將進(jìn)一步明確鋅離子參與AD發(fā)生的分子生物學(xué)機(jī)制。因此，對(duì)鋅離子及其轉(zhuǎn)運(yùn)體ZIP和ZnT的深入研究以及鋅螯合劑類藥物如DP-109的研發(fā)，對(duì)未來(lái)AD的防治將具有重要的意義。

[1]Pei JJ，Gong CX，An WL，et al.Okadaic acid induced inhibition of protein phosphatase 2A produces activation of mitogen-activated protein kinases ERK1/2，MEK1/2 and p70 s6，similar to that in Alzheimer's disease.Am J Pathol，2003，163(3):845-858．

[2]Zirah S，Stefanescu R，Manea M，et al.Zinc binding agonist effect on the beta-amyloid(4-10)epitope by anti-beta-amyloid antibodies.Biochem Biophys Res Commun，2004，321(2):324-328．

[3]Sensi SL，Paoletti P，Bush AI，et al.Zinc in the physiology and pathology in the CNS.Nat Rev Neurosci，2009，10(11):780-791．

[4]Takeda A.Movement of zinc and its functional significance in the brain.Brain Res Brain Res Rev，2000，34(3):137-148．

[5]Frederickson，CJ.Neurobiology of zinc and zinc-containing neurons.Int Rev Neurobiol，1989，31:145-238．

[6]Lovell MA.A potential role for alternation of zinc and zinc transport proteins in the progression of Alzheimer's disease.J Alzheimer Dis，2009，16(3):471-483．

[7]Palmiter RD，Huang L.Efflux and compartmentalization of zinc by members of the SLC30 family of solute carrier.Pfluger Arch，2004，447(5):744-751．

[8]Iguchi K，Usui S，Inoue T，et al.High-level expression of zinc transport-2 in the rat lateral and dorsal prostate.J Androl，2002，23(6):819-824．

[9]Gaither LA.，Eide DJ.Functional expression of the human hZIP2 zinc transporter.J Biol Chem，2000，275(8):5560-5564．

[10]Langmade SJ，Ravindra R，Daniels PJ，et al.The transcription factor MTF-1 mediates metal regulation of the mouse ZnT1 gene.J Biol Chem，2000，275(44):34803-34809．

[11]Li Y，Houqh CJ，F(xiàn)rederickson CJ，et al.Induction of mossy fiber long-term potentiation requires translocation of synaptically released Zn2+.J Neurosci，2001，21(20):8015-8025．

[12]Dong J，Atwood CS，Anderson VE，et al.Metal binding and oxi-dation of amyloid-beta within isolated senile plaque cores:Raman microscopic evidence.Biochemistry，2003，42(10):2768-2773．

[13]Cherny RA，Legg JT，McLean CA，et al.Aqueous dissolution of Alzheimer's disease A beta amyloid deposits by biometal depletion.J Biol Chem，1999，274(33):23223-23228．

[14]Lesnes S，Koh MT，Kotilinek L，et al.A specific amyloid-beta protein assembly in the brain impairs memory.Nature，2006，440(7082):352-357．

[15]Bjorkdahl C，Sjoqren MJ，Winblad B，et al.Zinc induces neurofilament phosphorylation independent of p70 s6 kinase in N2a cells.Neuroreport，2005，16(6):591-595．

[16]Lee JY，Kim JH，Honq SH，et al.Estrogen decreases zinc transporter 3 expression and synaptic vesicle zinc levels in mouse brain.J Biol Chem，2004，279(10):8602-8607．

[17]Friendlich AL，Lee JY，van Groen T，et al.Neuronal zinc exchange with the blood vessel wall promotes cerebral amyloid angiopathy in an animal model of Alzheimer's disease.Neurosci，2004，24(13):3453-3459．

[18]Smith JL，Xiong S，Markesbery WR，et al.Altered expression of zinc transporters-4 and-6 in mild cognitive impairment，early and late Alzheimer's disease brain.Neuroscience，2006，140(3):879-888．

[19]Zhang LH，Wang X，Zheng ZH，et al.Altered expression and distribution of zinc in APP/PS1 transgenic mous brain.Neurobiol Aging，2008，31(1):74-87．

[20]Meloni G，Sonois V，Delaine T，et al.Metal swap between Zn7-metallothionein-3 and amyloid-beta-Cu protects against amyloidbeat toxicity.Nat Chem Biol，2008，4(6):366-372．