α-突觸核蛋白在帕金森病鐵死亡中作用的研究進展

張利杰 逯冉冉 郝夢蝶 楊新玲

(新疆醫科大學第二附屬醫院神經內科,新疆 烏魯木齊 830000)

帕金森病(PD)是一種常見的神經退行性疾病,其特征是運動障礙及非運動癥狀。在PD病理生理中,主要表現為多巴胺能神經元的死亡和細胞內α-突觸核蛋白(α-syn)的聚集、鐵累積、氧化應激升高和脂質過氧化等〔1〕。然而,潛在的機制仍不清楚。鐵死亡是一種鐵依賴的新型細胞死亡方式,涉及脂質過氧化物的致死累積,在PD發病中存在共性〔2〕。而PD病理核心致病蛋白α-syn在功能上與鐵和脂質代謝有關,提示α-syn失調與PD病理特征之間存在相互作用。本文對鐵和α-syn之間的相關性及靶向抑制鐵死亡在PD體內外模型中的保護作用進行綜述。

1 鐵死亡與PD的相關性

鐵死亡這一概念在2012年被提出,是一種鐵依賴的脂質過氧化的新型細胞死亡方式。鐵死亡在PD體內、體外模型中均已被證明〔3〕。在鐵死亡誘導劑Erastin誘導多巴胺能神經元中腦細胞鐵死亡時發現可被鐵死亡特異性抑制劑Fer-1和鐵螯合劑DFP阻斷。同時這些特異性抑制劑還可防止紋狀體黑質多巴胺能神經元的丟失和緩解運動障礙等〔4〕。α-syn聚集形成Lewy小體,長期以來一直被認為是PD發病的關鍵病理特征。全基因組關聯研究證實了α-syn與PD的病理學關系,確認了SNAC基因(負責編碼α-syn)的突變導致了從經典型到早發家族性PD的各種臨床表現〔5〕。盡管α-syn參與PD的病理過程,但其確切的生理功能及在神經退行性變疾病中的機制仍不明確。在近期的研究中,發現α-syn在鐵死亡鐵和脂質代謝過程中存在關聯性,鐵螯合劑和鐵抑制劑能夠抑制α-syn寡聚體誘導的細胞死亡〔6〕。

2 鐵與α-syn的相關性

2.1鐵與α-syn之間的結構聯系 在PD病理學標志物中,α-syn是Lewy小體的主要構成成分。有研究證明α-syn上含有鐵離子的結合位點,在暴露于高鐵環境下,神經元胞內的α-syn過度表達及增高鐵含量。同時,鐵可引起α-syn蛋白聚集體及纖維體的形成,誘導構象發生改變,增加致病毒性〔7〕。在分子水平上,二價鐵優先結合于α-syn的C端,盡管結合的不是很牢。在核磁共振譜中α-syn的C端殘基Asp121、Asn122、Glu123受到嚴重的影響,證實這些位點具有較高的親和力〔8〕。等溫滴定量熱法(ITC)顯示三價鐵在α-syn上存在一個單一的結合位點〔9〕。研究表明,α-syn除在C端存在結合位點外,在有氧條件下二價鐵離子可促使α-syn的N端乙酰化形成低聚物〔10〕。綜上所述,鐵離子和α-syn的直接結合和隨后的結構重組在很大程度上提示鐵離子和α-syn的聚集存在關聯性。

2.2鐵對α-syn轉錄后的調控 鐵離子在體內的穩態主要是由鐵調節蛋白(IRPs)調控,一種RNA結合蛋白。IRP1和IRP2是鐵的關鍵感受器分子,在結構和功能是上同源的,共同參與鐵代謝轉錄后的調控〔11〕。IRP1和IRP2通過與鐵反應元件(IRE)的非翻譯區(UTR)結合,調控鐵的攝入、轉運、存儲和釋放的轉錄后過程。這些含有IRE的mRNAs包括轉鐵蛋白受體(TfR)1、鐵蛋白、鐵轉運蛋白(FPN)1等〔12〕。 當細胞內高鐵形成Fe-S簇時,可阻礙IRP1與IRE結合,降低胞內鐵含量。而IRP2的調節主要受到鐵介導的蛋白酶體降解。相反,細胞內鐵離子含量減少時,IRP1和IRP2與TfR1 mRNA的3′UTR的IREs結合,促使TfR1 mRNA穩定性增高,加速蛋白質的翻譯,增高胞內鐵離子的含量〔13〕。

α-syn的mRNA的5 '-UTR中的46個堿基對形成一個單一的RNA環,這個結構與H-ferritin、L-ferritin、FPN1、紅系5-氨基乙酰丙酸(eALAS)和線粒體烏頭酸酶的mRNA的5 '-UTR中的IREs相似〔14〕。α-syn的5 '-UTR區域內包含的IRE參與神經元鐵代謝相關的蛋白質的翻譯過程。在一項體外高鐵實驗中,敲除SK-N-SH細胞的IRP1,α-syn的mRNA水平上調,證實鐵離子可促進α-syn表達及加速聚集物的形成〔15〕。在HEK293細胞中,鐵螯合劑去鐵胺(DFO)可降低α-syn的mRNA水平,證明鐵可以調控α-syn轉錄后的水平〔16〕。在體內實驗中,DFO可有效降低PD模型中的α-syn的量,從而減輕病理性α-syn的聚集作用。迷迭香酸預處理可通過降低IRP1蛋白水平降低α-syn的mRNA的水平,抑制鐵誘導的α-syn的聚集〔17〕。推測阻斷鐵離子調節的α-syn的轉錄過程可能是改善鐵和α-syn引起的病理的關鍵策略。

2.3鐵對α-syn的翻譯后修飾 近年來發現α-syn在翻譯時主要包括乙酰化、泛素化、糖基化、硝基化及磷酸化等,這些翻譯后的修飾可能與病理性聚集相關。例如,糖基化可影響α-syn的N末端,阻礙α-syn的清除,促進有毒低聚物的積累,而使用糖基化抑制劑可以重建正常的α-syn的清除過程,減少聚集〔18〕。

病理研究發現,在Lewy小體中,磷酸化的α-syn約占90%以上,而在生理條件下,只有4%的可溶性單體α-syn被磷酸化。α-syn在酪氨酸、蘇氨酸和絲氨酸殘基(如Tyr125、Ser87和Ser129)上存在磷酸化位點〔7〕。Ser129的磷酸化是α-syn翻譯后的主要修飾。而Lewy小體中α-syn的Ser129位點的磷酸化修飾可能與多巴胺能神經元退行性變密切相關。在近期研究中,腦脊液和血漿中均能檢測到Ser129位點磷酸化的α-syn,可被認為是一種PD的生物學標志物〔19〕。此外,在腸神經系統中也可被檢測到。在一個轉基因A53T突變小鼠中,發現ser129 磷酸化的α-syn在運動障礙發生前可在腸神經系統中早期積累并持續存在。在特發性快速動眼睡眠障礙(RBD)患者的結腸活檢中,發現在黏膜下神經纖維中存在ser129 磷酸化的α-syn〔20〕。這些證據表明,結腸活檢可以作為PD診斷的前驅標志物。因此,α-syn翻譯的磷酸化在PD致病中扮演者重要的角色,阻止α-syn的磷酸化過程有助于預防PD的發生。

在α-syn的ser129磷酸化過程中,主要參與的酶包括polo樣激酶(PLKs)、G蛋白耦聯受體激酶(GRKs)、酪蛋白激酶(CKs)和富亮氨酸重復激酶(LRRK)2等。在過表達α-syn和PLK2的細胞中,α-syn早期出現磷酸化并引起錯誤折疊和形成聚集體。α-syn磷酸化增強胞內囊泡膜的破壞,使錯誤折疊的α-syn從胞外轉移至胞內并促進細胞間α-syn增殖〔21〕。在GRK6介導的α-syn磷酸化中可顯著增加神經毒性,形成不可溶的α-syn及顯著增加多巴胺能神經元的變性。然而在一些實驗中未能得到證實,α-syn的磷酸化并不能加劇病情的發展〔22〕。在PD大鼠模型中,PLK2介導α-syn的Ser129位點的磷酸化可以抑制α-syn的毒性,并增強PLK2/α-syn復合物的降解。故有人提出在這些研究中的差異可能是由于不同的激酶在不同模型中磷酸化Ser129或其他殘基的效率不同〔23〕?？偟膩碚f,關于α-syn磷酸化是否能夠促進聚集及神經毒性或神經保護作用還有待于進一步討論。

鐵離子介導的翻譯后修飾是基于鐵源性的氧化損傷促進的磷酸化修飾,而磷酸化可促進PD中α-syn的聚集和神經毒性。在暴露于高鐵的細胞中,鐵離子可引起α-syn低聚體、包裹體及ser129磷酸化單體的聚集〔19〕。在此過程中,鐵可促使氧化物的堆積,促進CK2的積累,GRK2的減少。這表明鐵離子引起磷酸化的α-syn聚集是CK2上調的結果〔21〕。在高鐵SH-SY5Y細胞中,鐵離子促進脂質過氧化物形成和改變線粒體的形態及降低蛋白磷酸酶(PP)2A的活性。在近期研究中表明,鐵離子引起磷酸化α-syn的聚集是由于CK2和PLK2上調所致。透射電子顯微鏡(TEM)在監測α-syn的聚集時,發現三價鐵可改變α-syn原纖維的形態,加速野生和突變類型的產生〔24〕。在α-syn中加入鐵會引起低聚體的形成從而增加神經毒性。Ser129或Tyr125位點的磷酸化可通過增加α-syn的C端殘基對二價鐵的親和力,改變結合位點。綜上,鐵離子引起的磷酸化可促進α-syn的聚集及增強神經毒性。

2.4鐵參與α-syn的降解 生理情況下,α-syn的形成和降解存在一定的平衡。泛素-蛋白酶系統(UPS)和自噬-溶酶體途徑(ALP)主要是胞內降解α-syn的蛋白水解系統。研究表明α-syn在胞內的聚集及細胞毒性所導致的神經退行性變主要是因為這兩種蛋白水解系統的失調〔25〕。鐵沉積可以直接改變α-syn的結構,也可以通過改變轉錄和翻譯后的修飾。

近期研究表明,鐵可通過調節蛋白水解途徑參與α-syn的降解過程。DFO耗盡鐵離子誘導自噬,促進溶酶體中鐵蛋白的降解。自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤存在時,蛋白酶體中發生鐵蛋白的降解,說明UPS和ALP受到細胞內鐵的調節〔26〕。結構異?；蚬δ苁д{的鐵蛋白可能是PD自噬損傷和鐵穩態障礙之間的聯系。自噬障礙可影響鐵蛋白的選擇性自噬,進而導致鐵代謝的異常。鐵誘導的氧化應激導致α-syn聚集體的形成和生成ROS誘導SH-SY5Y細胞自噬。因此,鐵螯合劑可通過去除自噬的過氧化毒性保護細胞。在過表達DMT1引起攝鐵增多時,可觀察到SH-SY5Y細胞出現過度的自噬活動,且自噬抑制劑可逆轉這一現象〔27〕。在原代神經元中,二價鐵可顯著降低自噬相關蛋白Beclin1、Atg5蛋白水平和自噬體數量,提示自噬通路受損。雷帕霉素是一種自噬激活劑,可逆轉鐵誘導的神經元α-syn聚集。沉默α-syn對鐵誘導的自噬抑制沒有影響,進一步證明鐵主要破壞自噬〔28〕。因此,ALP和UPS不僅參與α-syn降解,還通過鐵蛋白降解參與鐵的循環利用。綜上,PD中的鐵積累和α-syn聚集可能與降解信號通路有關。

3 PD靶向鐵死亡的治療進展

目前PD的治療中,主要以藥物為主延緩疾病的進展,但不少患者存在對藥物耐受或不敏感。在PD細胞和動物模型中已被多次證實鐵螯合劑的使用可以改善細胞鐵死亡及動物運動障礙等癥狀。而并非所有的鐵螯合劑都可應用于PD患者,對于有臨床價值的鐵螯合劑必須能夠特異性進入大腦,同時要避免對其他部位的鐵清除〔29〕。鐵螯合劑去鐵酮(DFP)具有跨膜的特性,能夠穿透血腦屏障和螯合腦組織中神經元內的鐵離子,且不引起貧血的發生。而DFP這種特性歸功于可將螯合的鐵離子重新分布至胞外,有利于鐵離子的清除和重新部署,目前已進入二期臨床試驗階段〔30〕。

同時,消除由鐵離子引起的脂質過氧化物的堆積也是一種新興的治療策略。肌肽是一種內源性組氨酸二肽,可耦聯脂質過氧化物以提供抗氧化損傷的保護作用。在PD體外6-OHDA模型中,肌肽可以減少神經元細胞的死亡和ROS生成。而在PD小鼠模型中也被證明鼻內注射肌肽可減少黑質中α-syn的積累和運動功能〔31〕。在一項臨床試驗中,肌肽可以提高PD患者初期治療的有效性,降低UPDRS評分,恢復超氧化物歧化酶(SOD)的水平。在靶向抗氧化防御方面,越來越多研究證明其有效性和安全性〔32〕。一些二期臨床試驗證實補充CoQ10可有效緩解PD的運動癥狀,而一些臨床試驗卻沒有顯著的效益。

綜上,隨著在PD背景下探討鐵離子和α-syn的相關性,我們對鐵死亡在PD中有了更深入的了解,包括鐵離子在α-syn中轉錄、翻譯及翻譯后的調控高度系統的整合。更重要的是,在PD患者身上應用驅鐵藥物的臨床試驗正在進行中,后續仍需收集大量數據進一步探討有效性及安全性。此外,為了明確靶向鐵死亡的候選藥物的治療效果,我們還需在鐵死亡特異性蛋白上尋找新的藥效學生物標志物。因此,在PD發病機制這一領域將不可避免的進一步闡明鐵死亡的生理和病理作用,從而為包括PD在內的神經退行性疾病提供新的治療策略。