金屬離子在阿爾茨海默病中的作用

王靈芝綜述 呼日勒特木爾審校

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金屬離子在阿爾茨海默病中的作用

王靈芝綜述 呼日勒特木爾審校

阿爾茨海默病；金屬離子；淀粉樣蛋白；Tau蛋白

【DOI】 10.3969 /j.issn.1671-6450.2015.03.033

阿爾茨海默病(Alzheimer'sdisease，AD)是一種由遺傳及環境因素相互影響而發生的神經系統退行性變性病,是老年性癡呆最常見的類型。據2010 年世界阿爾茨海默病學會 (ADI)報告統計，全世界約有3 560萬人患AD，預計2050 年全球AD患者將達到 1.154 億[1]。AD主要表現為記憶下降、認知功能障礙以及進行性能邏輯、推理、語言、計劃和概念性功能障礙，嚴重者喪失生活自理能力。AD的病理改變主要是腦內神經細胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)沉積，胞內過度磷酸化Tau蛋白形成神經元纖維纏結(NFTs)及膽堿能神經元丟失。淀粉樣前體蛋白(amyloidprecursorprotein，APP)經β、γ-分泌酶剪切形成Aβ，之后Aβ聚集形成淀粉樣斑塊。Tau蛋白具有調節微管聚合和空間結構的作用，軸突生長和運輸調節均需Tau蛋白磷酸化，而過度磷酸化將影響微管聚集和穩定，成為AD及其他Tau蛋白病變的病理過程。在Aβ、Tau蛋白聚集區發現有高濃度的金屬離子,包括鈣、銅、鐵、鋅、鋁等[2],推測這些離子與AD的發生和病理改變有關。本文對上述金屬離子參與阿爾茨海默病Aβ沉積及Tau蛋白形成的研究現狀及與AD發病的關系作進一步綜述。

1 鈣與AD發病的關系

神經細胞通過鈣通路來調節膜的興奮性，激發神經遞質釋放，影響神經元的生長和分化。胞漿內Ca2+過多可通過電壓門控鈣通道，配體門控通道或瞬時受體電位通道使鈣內流增加，線粒體鈣攝取障礙, 1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)介導的鈣池鈣調節異常等[3],使胞質內Ca2+濃度增加，觸發Ca2+依賴細胞信號級聯反應，導致Ca2+依賴蛋白酶類活化，活性氮/氧自由基(RNS/ROS)形成等，引起神經細胞凋亡。此外，早老素(PS)以及家族性癡呆(FAD)相關的基因變異可導致鈣紊亂，FAD相關的PS突變引起內質網過度釋放Ca2+[4],導致Ca2+平衡失調，激活Ca2+依賴鈣調磷酸酶，損害突觸可塑性、引起神經元凋亡、促進神經炎性萎縮。

1.1 鈣與Aβ有些學者認為鈣是Aβ級聯假說的始發因素。高鈣參與Aβ導致的突觸功能障礙，在淀粉樣斑塊附近，樹突棘靜息鈣水平升高,影響軸突, 使之形成非正常的串珠樣結構[5]。在AD早期，腦內特定區域的鈣蛋白酶活性明顯增高，其作用于鈣調磷酸酶依賴性蛋白激酶II和蛋白激酶C，調節APP磷酸化，影響Aβ的產生。Aβ能觸發谷氨酸受體(NMDA)開放，使Ca2+通過內源性膜離子通道內流，可促進樹突棘內的鈣釋放到胞漿。在神經元和星型膠質細胞中觀察到有Ca2+紊亂，認為Aβ寡聚體直接影響Ca2+離子信號系統。研究發現Aβ能增加胞質內Ca2+水平，目前機制仍不明確，但有幾種假設：(1)Aβ損害了膜ATP酶活性；(2)脂類過氧化可能協同參予；(3)Aβ在質膜上形成Ca2+滲透孔。此外，Aβ低聚物可抑制電壓門控Ca2+通道(VGCC)的活性，使Ca2+內流增加。而流入的Ca2+和胞質內Ca2+均會增加Aβ的產生[3]。有研究[6]發現鈣穩態調節因子(calciumhomeostasismodulator1,CALHM1)，其基因多態性與SAD發病密切相關。通過正常CALHM1內流的鈣可以減少Aβ的生成, 增加不具毒性的sAPPa的產生,如將CALHM1基因敲除,可使Aβ生成增多[5]，其突變體CALHMl-P86L會引起質膜對鈣離子的通透性改變，導致Aβ生成增加。

1.2 鈣與Tau蛋白 胞質內Ca2+升高可干擾Tau蛋白磷酸化，Ca2+穩態失衡與NFTs形成有關[7]。5’-AMP-活化蛋白激酶(AMPK)是一類鈣調蛋白依賴蛋白激酶，在Tau蛋白磷酸化過程中起重要作用，有助于Tau蛋白S262/S356磷酸化。研究證明，細胞內Ca2+濃度升高可間接活化AMPK[8]。Zempel等[9]用鈣離子指示劑Rhod2AM/F127檢查發現在Tau蛋白錯誤分布區的微管蛋白分解與Ca2+水平增高有關。Garg等[10]證實谷氨酸或類胡蘿卜素引起的胞內Ca2+增高可促進與神經毒性明顯相關的Tau蛋白片段分子量為1.7×104的切割。說明Tau蛋白磷酸化具有Ca2+依賴性。

2 銅、鐵與AD發病的關系

銅和鐵對腦的發育和維持神經系統的正常生理功能極為重要，在輕型認知障礙(MCI)大腦皮質及小腦中發現銅、鐵含量增加。銅鐵通過Fenton反應誘發氧化應激，產生活性氧簇(ROS)，造成DNA、線粒體和細胞膜的氧化損傷，促進AD進展。銅是多種酶的輔助因子，參與金屬蛋白酶復合物的形成、參與電子轉運和多巴胺神經介質傳遞、介導細胞內信號通路。Singh等[11]用小鼠和人腦細胞實驗證實了銅參予且加速了AD的發病及進展。正常機體Fe2+向Fe3+轉化在銅藍蛋白幫助下進行，不產生ROS，而AD患者金屬硫蛋白(MT)功能失常，導致Fe2+蓄積[12]，Fe2+及Cu2+與APP或Aβ相互作用及發生Fenton反應均導致ROS產生。鐵通過催化自由基的產生促進氧化應激反應,加劇Aβ的毒性作用。鐵還可觸發凋亡前信號，誘導神經細胞的凋亡。Suttkus等[13]證實神經元外周細胞叢 (perineuronalnets,PNs) 可以通過拮抗鐵的作用而保護神經細胞，進一步證實了鐵過多損害神經系統。

2.1 銅、鐵與Aβ及氧化應激損傷Cu2+可進入血腦屏障，對Aβ的聚集表現出雙向調制作用：微酸性pH下，誘導不溶性Aβ化合物的聚集；中性及堿性pH下，抑制Aβ聚集，在生理pH(7．4)和適當的濃度比[Cu2+]/[Aβ]=4左右條件下，Cu2+對Aβ聚集表現出強烈的抑制效應。Aβ上有Cu2+結合位點,Aβ與Cu2+結合后，可以將Cu2+還原為Cu+，同時產生過氧化氫，促進Fenton反應的發生，使腦組織產生氧化損傷。趙保路等[14]將Aβ線蟲經高銅處理后，明顯癱瘓加重，過量銅引起氧化應激和Aβ協同發揮毒性，引起神經細胞損傷，表明銅可增強Aβ的神經毒性。同時產生的ROS可激活細胞內多條氧化還原通路，損傷細胞內線粒體，使其釋放凋亡因子細胞色素C，激活Caspases蛋白家族，導致細胞凋亡，進一步引起腦內大量鐵釋放，更多的活性氧物質生成。Eury等[15]研究，發現人Cu2+與Aβ蛋白結合速度要比與小鼠Aβ蛋白的結合速度快2～3倍。Leskovjan等[16]對PS/APP小鼠腦部鐵離子定量檢測發現，早期鐵的增加與Aβ無關，在Fe2+與Fe3+轉化中多種蛋白質調控表達可造成鐵離子代謝失衡，進一步導致Aβ異常沉積。鐵可以延緩Aβ從非結構化構象轉變為Aβ特征性的、有序的β交聯纖維, 阻礙Aβ正常的聚集, 進而增加其毒性[17]。Fe3+可以引起Aβ蛋白聚集，同時Aβ能夠將Fe3+還原為Fe2+，同時生成H2O2。Uranga等[18]研究了Fe3+存在下Aβ蛋白的聚合狀態及它們對突觸的生存能力及信號傳導的影響，發現Aβ-金屬離子絡合物破壞細胞膜完整性的程度遠遠大于Fe3+或Aβ蛋白單獨造成的破壞。此外，Aβ還與亞鐵和亞銅離子發生反應，產生過氧化氫和氫氧根離子，使細胞膜脂質過氧化，膜去極化，并且誘發電壓門控性鈣通道打開，鈣大量內流，造成細胞死亡。

2.2 銅、鐵與Tau蛋白Cu2+在特定pH值和劑量下,可與水溶性Tau蛋白微小管結合區內的R3和R2肽結合,誘導其形成NFTs，還可使正常Tau蛋白發生二聚化形成NFTs。核磁共振光譜分析證明，Cu2+與R2肽結合時，產生·OH，造成Tau蛋白的氧化損傷。Cu2+過氧化產生的ROS間接影響Tau蛋白形成，使微管發生解體，神經元的養分運輸系統崩潰，最終引起細胞凋亡。但比較有意思的是，Crouch等[19]發現增加胞內Cu2+可抑制調節Tau蛋白磷酸化的GSK-3β的活性，使Tau蛋白的磷酸化水平降低，可以幫助緩解AD癥狀。Fe3+可以和過度磷酸化的Tau蛋白結合，促進雙螺旋Tau蛋白聚集，形成NFTs，在APP轉基因鼠和AD患者腦組織標本NFTs富集區發現鐵沉積，推測鐵參與NFTs的形成，但具體原因仍需進一步探明[20]。

3 鋅與AD發病的關系

鋅是機體多種酶的激活因子和必需組分，腦中游離鋅的含量約為血清鋅的10倍。Loef等[21]Meta分析發現膳食中Zn與AD相關聯，但不能提供結論性證據。適當濃度的Zn具有保護作用，低濃度的鋅能防御Aβ的毒性，而在低pH值時鋅會誘導神經元死亡。近年來一些研究金屬離子與AD關系的實驗，進一步推論AD患者存在機體缺鋅[22]。Zn具有抗氧化特性，補鋅對防御Aβ毒性有積極作用。

3.1 鋅與Aβ腦內鋅離子大量聚集是晚期AD的一個顯著特征，是癡呆嚴重程度的重要標志之一。AD患者腦內鋅離子的作用具有兩面性。Zn2+通過與Aβ蛋白中3個組氨酸配體結合誘導Aβ蛋白低聚體形成[23]。應用金屬自顯影技術發現鋅離子大量聚集在Aβ老年斑內[24，25]，尤其是在神經炎性斑塊的Aβ核心和失營養狀態的神經元突起中富集。鋅離子不能自由通過細胞膜，需要特殊的轉運蛋白和膜通道來參與細胞代謝，SLC30A家族、SLC39A家族和金屬硫蛋白家族 (MT)等參與腦內鋅穩態的調節。近年來，SLC30A基因家族編碼表達的鋅轉運蛋白 (zinctransporter,ZnT)研究較多，其可降低細胞質內的鋅離子濃度[26]。ZnT3以一種尚未明了的機制將約占大腦總鋅量30%的Zn2+轉運進囊泡，細胞間隙內Zn2+僅維持約<500nmol/L的基礎水平，如突觸小泡內游離鋅濃度提高，將促進Aβ的沉積，在淀粉樣血管病變部位見到大量鋅離子沉積[27]。鋅具有神經保護作用，研究表明，MT3作為一種能夠抑制神經元生長的因子，主要表達在含鋅的神經元內，可以減少APP的表達，增加可溶性的Aβ1～40和Aβ1～42的含量[28]。鋅還與銅或者鐵競爭性結合Aβ，從而阻止銅或鐵與Aβ的結合，減少過氧化氫和自由基的產生,經研究發現，AD腦內結合了銅離子的Aβ寡聚體產生的氧化應激可促進鋅離子釋放，誘導Aβ的進一步聚集、沉積，形成成熟的毒性相對較小的Aβ高聚物，從而對神經元具有一定的保護作用。而Aβ進一步沉積可能削弱Aβ寡聚體與銅離子和亞鐵離子結合后參與自由基損害引起神經變性的過程，所以鋅離子可能在AD發病過程中具有一定的積極作用[29]。

3.2 鋅與Tau蛋白Mo等[30]研究了不同濃度鋅離子對體外重組的人Tau蛋白微管結合核心區片段Tau蛋白244-372 纖維化程度的影響，發現低濃度(5～10μmol/L) 鋅離子能夠促進Tau蛋白244-372 的纖維化程度，且形成的纖維化Tau蛋白具有明顯的細胞毒性。而高濃度(50～100μmol/L) 鋅離子反而降低了Tau蛋白244-372 纖維化程度，誘導其形成無顯著細胞毒性的顆粒狀聚集物。此外，尚有研究表明，鋅離子通過激活核糖體S6蛋白激酶 (p70S6)，調控Tau蛋白蛋白翻譯，或激活Src途徑下調蛋白磷酸酯酶2A(PP2A) 活性，導致Tau蛋白過度磷酸化[31，32]。由于體外研究的局限，相關結果還需在體內研究進一步證實，也可能在AD腦內高鋅環境下，Tau蛋白會以一種更緊密的方式聚集起來，具有更強的神經細胞毒性。

4 鋁與AD發病的關系

流行病學和動物實驗表明，鋁對學習、記憶具有明確的損傷作用，過量接觸鋁及其在體內蓄積可能是AD的病因之一。世界范圍內進行的AD和飲用水鋁濃度增加相互關系的流行病學調查中,有9項顯示AD患病率與鋁濃度增加呈正相關。

4.1 鋁與AβGonzalez-Domínguez等[33]發現鋁介導的神經毒性主要作用于小分子物質,鋁還干擾血清中其他金屬的動態平衡。實驗證實鋁在基因水平調控β-APP、PS1和BACE基因,使它們的表達量增加,其中PS1和BACE的增加將直接或間接導致β和γ分泌酶的增加,從而形成大量Aβ[34]。鋁可引起Aβ蛋白構象發生改變，使其異常聚積，鋁誘導的Aβ沉積物對細胞膜表面具有強親和力，很難被蛋白激酶分解。此外，鋁還抑制水解酶如組織蛋白酶D等對Aβ的降解，破壞腦組織Aβ產生與清除之間的平衡，誘導其異常沉積[35]。

4.2 鋁與Tau蛋白PP2A是一種存在于哺乳動物腦組織中的絲/蘇氨酸磷酸酶，其作用主要是使Tau蛋白去磷酸化，維持Tau蛋白正常功能。而鋁可以抑制PP2A活性，干擾Tau蛋白磷酸化和去磷酸化的平衡，使過度磷酸化的Tau蛋白增加。鋁與超磷酸化Tau蛋白的磷酸基結合后會改變其正常構象，形成穩定交聯，進一步促進Tau蛋白異常沉積。Walton[36]將鋁和過度磷酸化的Tau蛋白聯合注入鼠腦發現，鋁和Tau蛋白的復合物可以提高Tau蛋白對蛋白水解酶的抵抗力，有利于NFT的形成。

其他研究還證實，鋁可能導致AD發病。乙酰膽堿(Ach)是促進學習和記憶的重要神經遞質，膽堿乙酰轉移酶(ChAT)促進合成Ach，Ach又被乙酰膽堿酯酶(AchE)分解。程書珍等[37]對鋁誘導阿爾茨海默病模型大鼠進行研究，發現中、高劑量鋁飼料組大鼠海馬中AchE的活性明顯增高，ChAT活性明顯降低，Ach含量顯著減少。證實鋁的過多攝入使大鼠膽堿能系統失衡而導致AD發病。目前已證實，減少鋁的攝入是預防AD的有效措施[38]。

5 小結

近年來，金屬離子對AD的影響機制不斷被研究證實，針對調節離子穩態的治療也備受關注。有關金屬離子是否還通過其他途徑參予到AD發病仍需進一步探索。測定體內金屬離子的含量可能作為無創性預測AD患病風險的重要評估指標。調節金屬代謝平衡對闡明AD的發病機制和尋找AD防治策略都具有重要意義。

1PrinceM,BryceR,AlbaneseE,etal.Theglobalprevalenceofdementia:Asystematicreviewandmetaanalysis[J].Alzheimer'sDementia, 2013, 9(1): 63-75.

2NuttallJR,OteizaPI.Zincandtheagingbrain[J].GenesNutrit,2014,9(1):1-11.

3 林如意,鄧天翔,張俊芳,等.Ca2+失調與阿爾茨海默病發生發展關系的研究進展[J].生命科學,2012,24(3):297-303.

4SupnetC,BezprozvannyI.PresenilinsfunctioninERCalciumleakandAlzheimer'sdiseasepathogenesis[J].CellCalcium,2011,50(3,SI):303-309.

5 陳艷杏,孫圣剛.阿爾茨海默病中的鈣紊亂機制研究進展[J].國際神經病學神經外科學雜志,2009,36(5):441-444.

6Dreses-WerringloerU,LambertJC,VingtdeuxV,etal.ApolymorphisminCALHM1influencesCa2+homeostasis,Abetalevels,andAlzheimer'sdiseaserisk[J].Cell,2008,133(7):1149-1161.

7CoronaC,PensalfiniA,FrazziniV,etal.NewtherapeutictargetsinAlzheimer'sdisaease:brainderegulationofCalciumandZinc[J].CellDeathDis,2011,2(6):e176.

8ThorntonC,BrightNJ,SastreM,etal.AMP-activatedproreinkinase(AMPK)isataukinase,activatedinresponsetoβ-amyloidexposure[J].JBiochem,2011,434(3):503-512.

9ZempelH,ThiesE,MandelkowE,etal.AbetaOligomerscauselocalizedCa2+elevation,missortingofendogenoustauintodendrites,tauphosphorylation,anddestructionofmicrotubulesandspines[J].JNeur,2010,30(36):11938-11950.

10GargS,TimmT,MandelkowEM,etal.CleavageofTaubycalpaininAlzheimer'sdisease:thequestforthetoxic17kDfragment[J].NeurobiolAging,2011,32(1):1-14.

11SinghI,SagareAP,ComaM,etal.Lowlevelsofcopperdisruptbrainamyloid-betahomeostasisbyalteringitsproductionandclearance[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2013, 110(36):14771-14776.

12 李德鳳,査曉明,許常旭,等.金屬離子及其螯合劑在阿爾茨海默癥中的研究進展[J].亞太傳統醫藥,2013,9(9):56-59.

13SuttkusA,RohnS,J?gerC,etal.Neuroprotectionagainstiron-inducedcelldeathbyperineuronalnets-aninvivoanalysisofoxidativestress[J].AmJNeurodegenerDis,2012,1(2):122-129.

14 趙保路,萬莉.金屬離子代謝平衡失調與阿爾茨海默病早期發病機制[J].生物化學與生物物理進展,2012,39(8):756-763.

15EuryH,BijaniC,FallerP,etal.Copper(II)coordinationtoamyloidβ:murineversushumanpeptide[J].AngewChemIntEdEngl,2011,50(4):901-905.

16LeskovjanAC,KretlowA,LanzirottiA,etal.IncreasedbrainIroncoincideswithearlyplaqueformationinamousemodelofAlzheimer'sdisease[J].Neuroimage,2011,55(1):32-38.

17LiuB,MoloneyA,MeehanS,etal.Ironpromotesthetoxicityofamyloidbetapeptidebyimpedingitsorderedaggregation[J].JBiolChem,2011,286(6):4248-4256.

18UrangaRM,GiustoNM,SalvadorGA.Effectoftransitionmetalsinsynapticdamageinducedbyamyloidbetapeptide[J].Neuroscience,2010,170(2):381-389.

19CrouchPJ,HungLW,AdlardPA,etal.IncreasingCubioavailabilityinhibitsAbetaoligomersandtauphosphorylation[J].ProcNatlAcadSciUSA,2009,106(2):381-386.

20GuoC,WangT,ZhengW,etal.Intranasaldeferoxaminereversesiron-inducedmemorydeficitsandinhibitsamyloidogenicAPPprocessinginatransgenicmousemodelofAlzheimer'sdisease[J].NeurobiolAging,2013,34(2):562-575.

21LoefM,VonStillfriedN,WalachH.Zincdietandalzheimer'sdisease:asystematicreview[J].NutrNeurosci,2012,15(5):2-12.

22 侯煥喜,王訓.阿爾茨海默病與微量元素及氧化應激的關系[J].中西醫結合心腦血管病雜志,2014,12(8):983-985.

23 姚付軍,李向軍,袁倬斌.儀器分析研究β淀粉樣蛋白和金屬離子相互作用進展[J].現代科學儀器,2012,4(2):149-154.

24ZhangLH,WangX,ZhengZH,etal.AlteredexpressionanddistributionofZinctransportersinAPP/PS1transgenicmousebrain[J].NeurobiolAging,2010,31(1):74-87.

25ZhengW,WangT,YuD,etal.ElevationofZinctransporterZnT3proteininthecerebellarcortexoftheabetaPP/PS1transgenicmouse[J].JAlzheimersDis,2010,20(1):323-331.

26ZhangH,HuangX,LiL,etal.Photoreductivesynthesisofwater-solublefluorescentmetalnanoclusters[J].ChemCommun(Camb),2012,48(4):567-569.

27FriedlichAL,LeeJY,VanGroenT,etal.NeuronalZincexchangewiththebloodvesselwallpromotescerebralamyloidangiopathyinananimalmodelofAlzheimer'sdisease[J].JNeur,2004,24(13):3453-3459.

28MansoY,CarrascoJ,ComesG,etal.Characterizationoftheroleofmetallothionein-3inananimalmodelofAlzheimer'sdisease[J].CellMolecLifeSci,2012,69(21):3683-3700.

29 鄭瑋,王占友.腦鋅代謝與阿爾茨海默病[J].生命科學,2012,24(8):833-846.

30MoZY,ZhuYZ,ZhuHL,etal.LowmicromolarZincacceleratesthefibrillizationofhumanTauviabridgingofCys-291andCys-322[J].JBiolChem,2009,284(50):34648-34657.

31LuCA,ZhangJF,JiangHM,etal.AssessmentofsoilcontaminationwithCd,PbandZnandsourceidentificationintheareaaroundtheHuludaoZincPlant[J].JHazardMater,2010,182(1/3):743-748.

32XiongY,JingXP,ZhouXW,etal.Zincinducesproteinphosphatase2AinactivationandtauhyperphosphorylationthroughSrcdependentPP2A(tyrosine307)phosphorylation[J].NeurobiolAging,2013,34(3):745-756.

33Gonzalez-DomlnguezR,Garcia-BarreraT,LuisGomez-ArizaJ.HomeostasisofmetalsintheprogressionofAlzheimer'sdisease[J].Biometals,2014,27(3):539-549.

34LinR,ChenX,LiW,etal.ExposuretometalionsregulatesmRNAlevelsofAPPandBACE1inPC12cells:blockagebycurcumin[J].NeurosciLett,2008,440(3):344-347.

35 程莉莉.鋁與阿爾茨海默病關系的研究進展[J].環境與職業醫學,2014,31(1):69-71.

36WaltonJR.EvidenceforparticipationofAluminuminneurofibrillarytangleformationandgrowthinAlzheimer'sdisease[J].JAlzheimersDis,2010,22(1):65-72.

37 程書珍,王曉梅,劉恒,等.鋁誘導阿爾茨海默病模型大鼠的發病機制的實驗研究[J].中風與神經疾病雜志,2012,29(1):41-43.

38PercyME,KruckTP,PogueAI,etal.TowardsthepreventionofpotentialAluminumtoxiceffectsandaneffectivetreatmentforAlzheimer'sdisease[J].JInorgBiochem,2011,105(11):1505-1512.

內蒙古自治區自然科學基金(No.2014MS0848)

010050 呼和浩特，內蒙古醫科大學在讀研究生(王靈芝，現在巴彥淖爾市醫院神經內科工作)；內蒙古醫科大學 第一附屬醫院神經內科(呼日勒特木爾)

呼日勒特木爾，E-mail:hurile1992@163.com

2014-11-08)