同型半胱氨酸對(duì)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(lái)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(duì)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(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)同型半胱氨酸對(duì)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(duì)海馬神經(jīng)元損傷的機(jī)制

2.1 HCY對(duì)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(guò)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(huì)使神經(jīng)元對(duì)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(duì)神經(jīng)細(xì)胞造成損害。HCY對(duì)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(guò)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(dú)特的信號(hào)通路，該通路觸發(fā)細(xì)胞外信號(hào)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(hào)、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(duì)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(shí)間內(nèi)保護(hù)神經(jīng)元。

2.2 HCY對(duì)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(guò)特殊的膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(guò)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(guò)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(huì)被HCY改變，這與神經(jīng)活動(dòng)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(guò)對(duì)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(cè)序，共篩選到34個(gè)有顯著性差異表達(dá)的mRNA，在生物通路分類(lèi)和富集分析中找到最主要的通路是神經(jīng)活動(dòng)配體-受體相互作用通路。

2.3 HCY對(duì)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(dòng)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(shí)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(duì)線粒體的膜電位無(wú)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(duì)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(xiàng)研究中，蝦青素(astaxanthin，ATX)對(duì)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(duì)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(guò)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(lái)逆轉(zhuǎn)HCY誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和細(xì)胞凋亡。

2.4 HCY對(duì)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(huì)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(guó)內(nèi)一項(xiàng)研究中運(yùn)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(gè)蛋白下調(diào)和44個(gè)蛋白上調(diào)。通過(guò)基因本體論和途徑分析，細(xì)胞骨架、肌動(dòng)蛋白、黏著斑調(diào)節(jié)劑、鈣信號(hào)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(hào)傳導(dǎo)等的表達(dá)上調(diào)，另外也證實(shí)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(guò)度磷酸化，過(guò)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(duì)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(lèi)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(xiàng)研究中證實(shí)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(guò)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(gè)作用靶點(diǎn)發(fā)生了過(guò)度磷酸化，而EGb761在這些位點(diǎn)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(lái)[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(guò)程中的重要因子，同樣缺乏維生素B12也會(huì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(duì)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(guò)對(duì)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(xiǎn)因素，也與認(rèn)知障礙的類(lèi)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(duì)海馬損傷機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，越來(lái)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(guò)補(bǔ)充葉酸和維生素B12，對(duì)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P者通過(guò)HCY對(duì)海馬神經(jīng)元損傷機(jī)制的認(rèn)識(shí)，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。