ERK信號(hào)通路在阿爾茨海默病中的研究進(jìn)展

喬廷廷，王禹，崔玉環(huán)，顏娟，郭玲

(1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院a.藥學(xué)部，b.老年病科，河北 張家口 075000； 2.安寧市第一人民醫(yī)院昆明市第四人民醫(yī)院科研部，昆明 650302； 3.大理大學(xué)第七附屬醫(yī)院科研部，昆明 650302)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)作為一種在老年人群中普遍存在的漸進(jìn)性和致殘性的神經(jīng)變性疾病，嚴(yán)重?fù)p害了老年人的身心健康，其以認(rèn)知功能減退、記憶力下降、語言功能障礙等為主要臨床表現(xiàn)，嚴(yán)重者甚至完全喪失生活自理能力[1]。AD病程進(jìn)展普遍發(fā)生在65歲以后，2010年全球AD患者達(dá)3 560萬，隨著人口老齡化的進(jìn)展，預(yù)計(jì)2030年全球AD患者將超6 570萬，2050年將超1億，現(xiàn)階段的AD治療藥物主要以緩解疾病進(jìn)展為主要手段，尚無有效逆轉(zhuǎn)病情進(jìn)展和提高治療效果的特效藥[2]。目前，AD的發(fā)病機(jī)制尚不完全明確，主要病理特征為β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ) 的過度聚集(老年斑的形成)、Tau蛋白異常磷酸化(神經(jīng)原纖維纏結(jié))、神經(jīng)元丟失、膠質(zhì)細(xì)胞激活導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)[3-5]。目前關(guān)于AD發(fā)病機(jī)制研究較多的信號(hào)通路有Notch、Wnt、單絲氨酸蛋白激酶1/絲切蛋白和促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路等。其中MAPK信號(hào)通路在Aβ聚集、Tau蛋白磷酸化及炎癥反應(yīng)中起重要作用。現(xiàn)對(duì)MAPK信號(hào)通路中胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)在AD中的研究進(jìn)展予以綜述，以期為AD的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

1 MAPK信號(hào)通路

MAPK是一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，MAPK信號(hào)通路作為細(xì)胞中重要的信號(hào)傳導(dǎo)通路，在細(xì)胞內(nèi)外連接中起重要的橋梁作用[6]。活化的MAPK能夠使細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生磷酸化而激活，從而調(diào)控目標(biāo)基因的表達(dá)，引起細(xì)胞生物學(xué)反應(yīng)，參與細(xì)胞增殖、分化等一系列生理活動(dòng)過程[7-8]。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典MAPK信號(hào)通路包括ERK、p38 MAPK和c-Jun氨基端激酶/應(yīng)激活化蛋白激酶3條通路[9]。

ERK信號(hào)通路主要參與細(xì)胞的分化和增殖，與細(xì)胞凋亡之間存在重要聯(lián)系，起到促細(xì)胞增殖和抗細(xì)胞凋亡的作用[10]。ERK在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中對(duì)神經(jīng)細(xì)胞增殖和分化、突觸可塑性、學(xué)習(xí)記憶能力和軸突生長等具有重要意義[11-12]。作為MAPK信號(hào)通路的重要成員之一，ERK主要存在于細(xì)胞樹突、軸突中，被激活后可以將刺激信號(hào)傳至細(xì)胞核內(nèi)，其激活途徑主要有Ca2+途徑、N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體途徑、蛋白激酶C對(duì)ERK信號(hào)通路的活化、腺苷酸環(huán)化酶/環(huán)腺苷酸/蛋白激酶A途徑、G蛋白偶聯(lián)受體途徑，可引起一系列反應(yīng)，從而參與細(xì)胞的生長過程[12-14]，這是目前的研究熱點(diǎn)之一。

2 ERK信號(hào)通路與AD

ERK信號(hào)通路在AD的病程進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，廣泛參與病程的每個(gè)階段，尤其是在Aβ、Tau蛋白、神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞激活等方面。

2.1ERK信號(hào)通路與Aβ Aβ是由β-分泌酶和γ-分泌酶連續(xù)裂解Aβ淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)產(chǎn)生的多肽，過度產(chǎn)生的Aβ不能被及時(shí)清除而沉積形成老年斑，Aβ能夠調(diào)節(jié)線粒體功能、介導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)、神經(jīng)細(xì)胞凋亡或炎癥等過程，參與AD的病理進(jìn)展過程[4,15-16]。有研究表明，ERK信號(hào)通路參與了AD的病理發(fā)展過程，并在 APP的加工過程中發(fā)揮重要作用[17]。ERK信號(hào)通路激活能增加α-分泌酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)可溶性APPα釋放，減少Aβ的產(chǎn)生和沉積[15]。梓醇處理的SweAPP N2a細(xì)胞可通過ERK信號(hào)通路顯著促進(jìn) α-分泌酶及其蛋白水解產(chǎn)物sAPPα和C83的表達(dá)，提示梓醇可能參與了非淀粉樣生成APP通路減少Aβ的產(chǎn)生[18]。Kim等[19]研究發(fā)現(xiàn)，γ-分泌酶與ERK水平呈劑量依賴關(guān)系，當(dāng)ERK1/2被干擾小RNA抑制時(shí)，γ-分泌酶活性增加，提示Aβ分泌增加。張海波和孫陽[20]的研究顯示，前列腺素處理神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞24 h能夠通過ERK信號(hào)通路提高前咽缺陷蛋白-1的信使RNA和蛋白水平的表達(dá)，增加γ-分泌酶的剪切活性，使Aβ分泌增加，導(dǎo)致Aβ分泌與清除失衡，加速AD病理進(jìn)程。Yamamoto等[21]探索他汀類藥物是否通過誘導(dǎo)腦啡肽酶和胰島素降解酶表達(dá)參與Aβ降解的研究發(fā)現(xiàn)，他汀類藥物處理的大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞通過激活ERK信號(hào)通路促進(jìn)腦啡肽酶分泌表達(dá)，且他汀類藥物和腦啡肽酶的表達(dá)呈劑量和時(shí)間依賴性，最終促進(jìn)Aβ的降解。酸棗仁皂苷A能夠以時(shí)間依賴或劑量依賴的方式通過ERK信號(hào)通路增加熱激蛋白90β的表達(dá)，增強(qiáng)與過氧化物酶體增殖物激活受體γ的相互作用，有效清除Aβ42，而體內(nèi)研究也顯示，酸棗仁皂苷A能夠清除AD小鼠大腦皮質(zhì)及海馬中可溶性和不溶性Aβ和斑塊，改善AD小鼠的認(rèn)知功能[22]。

基于AD小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，Aβ25～35能夠使SD大鼠海馬B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2、磷酸化ERK(phosphorylated extracelluar signal-regulated kinase,p-ERK)1/2蛋白表達(dá)下降，且梔子苷能夠上調(diào)B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2、p-ERK1/2的表達(dá)，緩解Aβ25～35對(duì)海馬神經(jīng)元的損傷作用，改善其認(rèn)知和行為[23]。Aβ1～42小鼠腦內(nèi)RAS明顯增加，法尼基硫代水楊酸可抑制Aβ1～42誘導(dǎo)的海馬ERK信號(hào)通路激活，提示法尼基硫代水楊酸可能保護(hù)新生神經(jīng)元存活和突起生長、改善AD空間認(rèn)知缺陷[24]。AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)神經(jīng)生長因子減少、ERK信號(hào)通路抑制，給予一定的刺激后，ERK信號(hào)通路相關(guān)蛋白磷酸化MEK、p-ERK等增加，小鼠學(xué)習(xí)記憶能力在一定程度上得到改善[25]。以上研究提示，適當(dāng)?shù)腅RK磷酸化對(duì)Aβ的降解起積極作用，ERK的異常磷酸化會(huì)促進(jìn)Aβ的過度增加或沉積。研究證明，Aβ可異常活化ERK1/2，活化后的ERK1/2可與胞質(zhì)和胞核內(nèi)的底物蛋白作用，引起特定蛋白質(zhì)的表達(dá)異常，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂，并誘發(fā)神經(jīng)元凋亡[26-27]。

2.2ERK信號(hào)通路與Tau蛋白 Tau蛋白是一種微管相關(guān)蛋白，主要在神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)元軸突內(nèi)發(fā)揮作用，促進(jìn)微管形成并保持微管的穩(wěn)定性。正常老年人腦內(nèi)存在適量的Tau蛋白，當(dāng)發(fā)生AD時(shí)，Tau蛋白過度活化，與微管蛋白結(jié)合能力降低，導(dǎo)致微管解聚，Tau蛋白異常聚集形成神經(jīng)原纖維纏結(jié)，最終神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生退行性改變而損害大腦[28]。Medina等[29]研究顯示，組織型纖溶酶原激活物與NMDA受體、百日咳毒素敏感G蛋白和蛋白激酶C相關(guān)通路共同誘導(dǎo)ERK1/2過度活化，進(jìn)而激活糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase，GSK)-3β，使其表達(dá)水平升高，引起Tau蛋白異常磷酸化、微管解體，最終導(dǎo)致神經(jīng)毒性級(jí)聯(lián)反應(yīng)，引起細(xì)胞凋亡和壞死。Kirouac等[14]對(duì)AD患者的研究結(jié)果與其一致。Xie等[30]的研究認(rèn)為，硒-甲基硒代半胱氨酸可通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和金屬穩(wěn)態(tài)抑制ERK信號(hào)通路的激活，Tau蛋白的過度磷酸化可抑制Aβ的生成，最終保護(hù)AD小鼠正常的神經(jīng)元功能和學(xué)習(xí)記憶能力。近年研究表明，Aβ1～42能促使C57小鼠大腦海馬中Tau、磷酸化Tau和ERK1/2、p-ERK1/2表達(dá)增加，誘導(dǎo)Tau蛋白在特異性位點(diǎn)磷酸化水平升高，不同劑量人參皂苷預(yù)處理后可有效降低Tau、磷酸化Tau和ERK1/2、p-ERK1/2的蛋白表達(dá)水平，穩(wěn)定神經(jīng)元的微管系統(tǒng)，減輕神經(jīng)纖維結(jié)節(jié)，促進(jìn)其功能恢復(fù)[31]。

蛋白磷酸酯酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)作為參與調(diào)節(jié)Tau蛋白磷酸化的磷酸酯酶之一，其不同亞基與Tau蛋白結(jié)合能使Tau蛋白去磷酸化，對(duì)減緩AD進(jìn)展有積極作用[32]。體外研究發(fā)現(xiàn)，L199P轉(zhuǎn)基因小鼠中PP2A活性的長期抑制會(huì)導(dǎo)致ERK和c-Jun氨基端激酶的激活，該激活過程可通過ERK和c-Jun氨基端激酶底物Elk-1和c-Jun的磷酸化及其在細(xì)胞核內(nèi)的聚集來完成[33]。ERK1/2的活性在缺氧條件下降低，PP2A抑制劑岡田酸完全阻止了Tau蛋白在急性缺氧誘導(dǎo)下的去磷酸化，并可將ERK1/2和c-Jun氨基端激酶1/2的活性形式恢復(fù)到對(duì)照水平[34]。Tau蛋白通過募集PP2A加速ERK1/2的去磷酸化，PP2A的下調(diào)使ERK磷酸化水平上升，進(jìn)而降低GSK-3β的功能，促使神經(jīng)元應(yīng)答功能改善[35-36]。

GSK-3β活性增加導(dǎo)致Tau蛋白過度磷酸化和Aβ產(chǎn)生，引起神經(jīng)元凋亡和學(xué)習(xí)記憶障礙[37]。ERK和GSK-3β均能誘導(dǎo)Tau蛋白和APP在Thr668位點(diǎn)的過度磷酸化，而ERK異常磷酸化能夠調(diào)節(jié)GSK-3β通路，降低Tau蛋白的磷酸化水平，閆恩志等[38]研究發(fā)現(xiàn)，阿魏酸鈉通過激活ERK信號(hào)通路增加GSK-3β磷酸化蛋白的表達(dá)，拮抗Aβ1～42導(dǎo)致的海馬神經(jīng)元凋亡。Kirouac等[14]對(duì)AD患者大腦樣本的研究顯示，Aβ可能通過調(diào)節(jié)Ras-MAPK信號(hào)通路和激活GSK-3引起毒性作用，進(jìn)而促進(jìn)APP和Tau蛋白的磷酸化，促進(jìn)AD中神經(jīng)炎性斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)的病理發(fā)展。

2.3ERK信號(hào)通路與神經(jīng)元 ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與神經(jīng)元存活及突觸可塑性密切相關(guān)，ERK1/2蛋白的激活是記憶學(xué)習(xí)能力的基本條件，ERK1/2的過度激活則會(huì)導(dǎo)致多種信號(hào)[活性氧類(reactive oxygen species，ROS)/一氧化氮(nitric monoxide，NO)、B細(xì)胞淋巴瘤家族等]轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的異常激活，產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)并引發(fā)NMDA介導(dǎo)的神經(jīng)元興奮性毒性，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[39-40]。體外研究顯示，人參皂苷可抑制Aβ誘導(dǎo)的單核細(xì)胞THP-1激活，并釋放過度的ERK，劑量依賴性地降低白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)-β等炎癥因子的水平，緩解THP-1細(xì)胞的神經(jīng)損害[41]。Kirouac等[14]研究顯示，寡聚體Aβ42處理神經(jīng)元的Ras細(xì)胞水平增加，神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中p-ERK染色增加，細(xì)胞周期蛋白D1水平升高，這可能是增強(qiáng)細(xì)胞周期失調(diào)的機(jī)制之一，也是導(dǎo)致AD神經(jīng)元丟失的原因之一。佟雷等[42]研究顯示，ERK抑制劑U0126干預(yù)新生Wistar大鼠海馬神經(jīng)干細(xì)胞后，神經(jīng)干細(xì)胞增殖速度和ERK磷酸化水平降低，表明新生Wistar大鼠海馬神經(jīng)干細(xì)胞的生長可能與ERK有關(guān)。ERK存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，腦缺血、癲癇、腦創(chuàng)傷時(shí)神經(jīng)元損傷，ERK1/2信號(hào)通路被激活，神經(jīng)元凋亡減少，從而減輕對(duì)機(jī)體的影響[43]。Su等[44]研究發(fā)現(xiàn)，乙醇胺縮醛磷脂通過激活G蛋白偶聯(lián)受體蛋白增加蛋白激酶B和ERK的磷酸化，并可通過抑制胱天蛋白酶9和胱天蛋白酶3的裂解抑制原代小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡。

體內(nèi)研究表明，ERK信號(hào)通路的激活可能是影響機(jī)體認(rèn)知功能的重要機(jī)制之一，間歇低氧可使大鼠海馬區(qū)ERK蛋白、c-Fos蛋白增加，導(dǎo)致海馬區(qū)神經(jīng)元凋亡指數(shù)增加，且c-Fos蛋白的表達(dá)與神經(jīng)元凋亡指數(shù)呈正相關(guān)，接受間歇低氧8周以上大鼠的上述指標(biāo)逐漸下降，但學(xué)習(xí)記憶功能仍繼續(xù)下降[45]。β片層阻斷肽H102經(jīng)鼻入腦，通過激活PAP轉(zhuǎn)基因小鼠海馬和皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域ERK信號(hào)通路相關(guān)蛋白R(shí)as和p-ERK的表達(dá)抑制Aβ聚集和老年斑形成，減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡，改善PAP轉(zhuǎn)基因小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[46]。李智勇等[47]的研究發(fā)現(xiàn)，Aβ1～42可導(dǎo)致胎鼠海馬神經(jīng)元活力降低、凋亡率增加，ERK蛋白表達(dá)水平下降，原兒茶酸預(yù)處理的海馬神經(jīng)元凋亡率明顯下降，ERK蛋白表達(dá)水平上調(diào)，提示胎鼠海馬神經(jīng)元的凋亡可能與ERK信號(hào)通路有關(guān)。有學(xué)者采用水迷宮、免疫組織化學(xué)等方法對(duì)海馬雙側(cè)注射Aβ42且隨后腦室內(nèi)注射MaR1小鼠進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，MaR1可通過上調(diào)ERK信號(hào)通路相關(guān)蛋白表達(dá)水平減少Aβ42誘導(dǎo)的促炎因子TNF-α、IL-6的產(chǎn)生，增加抗炎因子IL-2、IL-10的分泌，最終導(dǎo)致炎癥和凋亡的發(fā)生，改善認(rèn)知功能[48]。在高果糖飲食誘導(dǎo)的小鼠神經(jīng)元喪失和記憶損傷研究中，沙棘類黃酮通過增加PSD-95蛋白的表達(dá)激活ERK、蛋白激酶B等通路，并通過滅活凋亡相關(guān)核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號(hào)通路及其下游炎癥的表達(dá)，改善小鼠的神經(jīng)元損傷和認(rèn)知功能[49]。

2.4ERK信號(hào)通路與小膠質(zhì)細(xì)胞 小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)參與免疫和炎癥反應(yīng)的細(xì)胞之一，結(jié)構(gòu)與功能相當(dāng)于腦和脊髓中的巨噬細(xì)胞，小膠質(zhì)細(xì)胞被Aβ激活后，可合成或釋放大量的IL-1β、ROS、NO等促炎因子以及IL-4、IL-10、胰島素樣生長因子-1等抗炎因子和其他物質(zhì)，引起慢性炎癥或神經(jīng)元損傷[50-52]。

NF-κB是調(diào)節(jié)促炎因子的一種轉(zhuǎn)錄因子，被過度激活的ERK信號(hào)通路通過介導(dǎo)NF-κB轉(zhuǎn)錄因子的活化上調(diào)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá)，刺激NO的合成和釋放，從而加重AD進(jìn)展[53]。Lee等[54]研究顯示，NfESP誘導(dǎo)BV-2細(xì)胞的IL-1α和TNF-α表達(dá)受MAPK的調(diào)控，抑制NF-κB和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)可有效減少BV-2細(xì)胞中NfESP誘導(dǎo)的IL-1α和TNF-α產(chǎn)生，提示NfESP通過NF-κB和AP-1依賴的MAPK信號(hào)通路刺激BV-2細(xì)胞釋放IL-1α和TNF-α，緩解小膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。付媛等[51]研究發(fā)現(xiàn)，脂多糖活化的小膠質(zhì)細(xì)胞能夠激活NF-κB p65，并促進(jìn)其轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，使ERK信號(hào)通路相關(guān)蛋白磷酸化MEK、p-ERK表達(dá)增加。血清淀粉樣蛋白能夠通過作用于小膠質(zhì)細(xì)胞表面的甲酰肽受體2和Toll樣受體2，增加其轉(zhuǎn)錄水平和受體的表達(dá)，以劑量依賴方式激活ERK、NF-κB信號(hào)通路，促進(jìn)小鼠原代小膠質(zhì)細(xì)胞的遷移[55]。研究顯示，經(jīng)脂多糖誘導(dǎo)BV-2細(xì)胞培養(yǎng)基培養(yǎng)的SH-SY5Y細(xì)胞產(chǎn)生的NF-κB活性增加，經(jīng)butein預(yù)處理后，NF-κB活性顯著降低，可有效阻斷小膠質(zhì)細(xì)胞激活的負(fù)性后果，這可能與ERK信號(hào)通路的異常活化有關(guān)[56]。

AP-1是由蛋白質(zhì)Jun、Fos組成的轉(zhuǎn)錄因子，能夠被生長因子、激素、細(xì)胞環(huán)境改變等激活，參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡和炎癥等過程以及多種疾病的病程進(jìn)展[57]。在放射誘導(dǎo)的小鼠BV-2細(xì)胞正常腦損傷中，N端c-Jun和ERK1/2快速磷酸化并相互作用，輻射刺激c-Jun轉(zhuǎn)錄活性并上調(diào)c-Jun調(diào)控的促炎基因，ERK信號(hào)通路的藥理阻滯干擾c-Jun活性，抑制輻射刺激的c-Jun靶基因的表達(dá)，該過程中ROS可能通過激活ERK信號(hào)通路促進(jìn)c-Jun磷酸化[58]。黃精多糖通過誘導(dǎo)RAW264.7細(xì)胞與Toll樣受體4結(jié)合，促進(jìn)ERK激活、NO和細(xì)胞因子產(chǎn)生以及NF-κB和AP-1表達(dá)[59]。Gu等[60]的研究發(fā)現(xiàn)，壬基酚處理BV-2細(xì)胞的ERK磷酸化水平降低，且AP-1被激活，IL-6和IL-1β分泌增加，促進(jìn)了炎癥反應(yīng)的發(fā)生。

3 小 結(jié)

ERK信號(hào)通路作為MAPK家族的組成部分，參與AD進(jìn)展，在細(xì)胞增殖、分化和凋亡中起重要作用。ERK信號(hào)通路與Aβ的生成和降解、Tau蛋白磷酸化、神經(jīng)元存活和小膠質(zhì)細(xì)胞激活的發(fā)生發(fā)展均有密切關(guān)系，廣泛參與了AD的病理生理過程。ERK信號(hào)通路參與AD的機(jī)制復(fù)雜，既有積極的調(diào)節(jié)又有消極的參與。因此，進(jìn)一步研究ERK參與AD的“正負(fù)性”作用機(jī)制非常必要，可為AD預(yù)防、新藥研發(fā)、精準(zhǔn)醫(yī)療提供堅(jiān)實(shí)的理論或?qū)嵺`依據(jù)，且相關(guān)研究結(jié)果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用對(duì)臨床具有重要意義。