阿尔茨海默病(A lzheim er’s disease,AD ) 是一种以获得性持续性记忆减退, 认知功能障碍以及行为异常为特征的神经退行性疾病, 是老年期痴呆中最常见的类型, 近年来研究提示, 过度磷酸化的tau蛋白——神经元纤维缠结的主要组成成分, 与阿尔
茨海默病的发病有着不可分割的联系。
1 阿尔茨海默病的病理特征
AD 患者大脑中的重要病变之一, Balcq 和M arinesco 首先发现后由Sim elcoaicz 命名为老年斑, 又称轴索斑, 它位于神经细胞外, 病变是以一类淀粉物质的核心, 围绕以变性的轴索、树突突起、类淀粉纤维、胶质细胞及突起组成。另外还含有ApoE、A
1 抗凝乳蛋白酶、糖胺聚糖(GA Gs)、IgG、补体和淀粉样蛋白P 等〔1〕。老年斑( sen ile p laques, SP) 的主要成分B淀粉样蛋白(B2am ylo id p ro tein, B2A P) 是一个含39～ 43 个氨基酸残基的异质性多肽, 由B淀粉样前体蛋白(B2am ylo id p recu rso r p ro tein, B2A PP) 衍生而来。根据形态可以把她们分成3 类: 不成熟型、成熟型和终末型。另一重要病变是神经细胞内的神经元纤维缠结(neu rof ilam en t tangles, N FT ) , 是由双股螺旋细丝组成的, 每根微丝的直径为10nm , 每隔
80nm 有个相互交叉点, 形成典型的双股螺旋状, 这种双股螺旋细丝是由大量异常磷酸化的tau 蛋白组成的。在形态发育上,A lzheim er 首先将其分为3 期:第1 期, 神经元携带一些嗜银颗粒组成的脆弱的包涵物; 第2 期, 是经典的A lzheim er 缠结, 纤维聚集成粗大致密的束, 占据整个细胞浆, 胞核错位; 第3期,“影子缠结”( gho st tangle ) 或“墓碑”( tom bstone)。神经元已变性坏死, 留下粗束状线丝与神经元胞体及核没有任何关系, 自由存在于神经毡中。大量的病理临床研究也证明联合皮质中含神经元纤维缠结的神经元密度常和痴呆程度有平行关系。单有作者简介: 吴敏霞, 女(1977 年5 月出生)。2001 级研究生班。硕士研究。联系电话: 0591- 3569311B2A P 引起的SP 不能复制AD 患者的临床症状, 提示由N FT 引起的神经元纤维退化在AD 发病中起重要作用。
2 Tau 蛋白在阿尔茨海默病中的发病机制
211 微管的功能与AD 微管是重要的细胞骨架组成, 与有丝分裂, 细胞内转运, 细胞特性及细胞标志等多种功能有关。在神经细胞中, 微管结构的完整性是神经细胞胞体与轴突间营养物质运输的基础。微管由管蛋白( tubu lin, 占总量的80% ) 和微管想关蛋白组成。tau 是微管相关蛋白中含量最高的一种。正常成人脑中分离的tau 蛋白在单向变性聚丙烯酰胺电泳中至少有5- 6 种同功异构体, 其表现分子量在56- 66KDa 之间, 其氨基酸数为352- 441 个。这些同功异构体来自同一基因的转录物mRNA 的不同剪接产物, 其差异是C2末端含有3 个或4 个由31-32 个氨基酸残基组成的微管结合区, 以及N 个平端有0 个, 1 个或2 个由29 个氨基酸残基构成的插入序列。正常人脑tau 蛋白的功能主要表现在如下两个方面: (1) 与管蛋白结构形成微管, (2) 与已经形成的微管结合以维持其稳定性。正常生理条件下, 大脑中tau 蛋白存在于神经元的轴突中, 可促进微管蛋白聚集成微管并增强其稳定性、维持细胞的生长发育, 且在神经系统的形成和轴突的通讯传导中起着至关重要的作用〔2〕。
212 AD 神经元微管相关蛋白tau 的异常修饰 正常tau 蛋白是一种含磷蛋白质, 每克分子tau 蛋白的磷酸含量为2- 3mo l。在AD 患者, tau 蛋白被异常过度磷酸化, 从而使每克分子tau 蛋白的磷酸含量增高至5- 9mo l〔3〕。放免点印迹定量测定的结果证明: AD 脑中正常tau 蛋白水平明显低于对照组, 而tau 蛋白总量却显著高于年龄匹配的对照者, 其升高的tau 蛋白中以异常磷酸化的形式存在〔4〕。迄今发现tau 蛋白有21 个位点可以被磷酸化, 但其磷酸化是异质性的, 即tau 蛋白分子在某些而不是所有这些·17·St rait Pharm aceu t ical Jou rnalVo l 16 No. 2 2004部位被磷酸化。用不同生化分离技术可将AD 脑中
的tau 蛋白分成3 个级分: ①胞浆非异常修饰的tau蛋白(c2tau) ; ②异常修饰易溶型蛋白(AD P2tau) 和③ 异常修饰并聚集的tau 蛋白(PHF2tau )。根据PHF2tau 在2% 的十二烷基硫酸钠中的溶解性质差异, 又可将其分为PHFÉ 2tau 和PHFÊ 2tau 蛋白两种〔3〕。tau 蛋白结构中最显著的特征是主体结构呈P ro2Gly2Gly2Gly 的“重复串联”出现, tau 蛋白借助“重复串联”区与双螺旋细丝(PHF ) 结合, 促进了PHF 不可逆的聚合, 导致N FT 的形成及神经元发生变性。Cam b ridge 等在1988 年经免疫细胞化学及生化研究揭示: 高度磷酸化的微管相关蛋白( tau 蛋白) 是PHF 的主要亚单位〔5〕。AD 患者脑tau 的异常磷酸化作用有如下特点: ①不仅是PHF 中的所有异形tau 均以异常磷酸化形式存在, 胞浆中游离的tau也被磷酸化; ②不仅在tau 的氨基末端〔4〕, 而且在其分子内的多部位出现异常磷酸化〔6、10〕; ③虽然每克分子蛋白含的磷酸是正常tau 分子的4 倍, 但AD 患者脑匀浆中的磷酸蛋白磷酸的总水平与正常者相比无显著改变。王建枝等研究证明〔11〕: (1) 去磷酸化可使PHF 缠结松解(2) 去磷酸化使PHF 缠结释放游离蛋白(3) 去磷酸化作用使PHF 更易被从脑中制备的中性蛋白水解酶(CAM P) 水解。AD 脑中的tau 蛋白磷酸化修饰可促进其进一步发生糖基化, 糖化, 消旋化, 泛素化等翻译后修饰〔12〕。
213 tau 蛋白的异常修饰与AD 在正常tau 蛋白与管蛋白现行管组装体系中加入AD P2tau 后, 其生
成微管曲线的光密度(OD) 值急剧下降, 提示AD P2
tau 可以与管蛋白竞争与正常tau 或从已经形成的
微管上夺取tau 蛋白。异常过度磷酸化的tau 蛋白的
功能缺陷可通过去磷酸化作用而得到恢复。去磷酸
化后所形成AD P2tau 分子中被清除的量呈正相关
关系。除异常过度磷酸化外, 还被异常糖基化和糖
化。众所周知, 神经元的功能依赖于细胞体与神经末
梢之间的物质传递, 而这一作用有赖于微管组装, 微
管组装又需功能tau 蛋白的刺激。因为启动微管组
装的微管蛋白B2亚基与GTP 结合的反应受tau 蛋
白的诱导。由于AD 患者脑中的tau 多肽被异常磷酸
化, 这种被修饰的tau 失去诱导微管蛋白与GTP 结
合的能力, 因而降低微管组装〔13〕, 用碱性磷酸酶处理
而脱磷酸则促进微管组装〔14〕。微管组装能力降低, 继
而损害轴浆流, 致使一些在胞体与神经末梢之间正
常运输又不被迅速降解的神经元成分聚集在受累的
神经元内, 最终导致神经元退变。
蛋白质的磷酸化状态, 取决于蛋白磷酸激酶和
磷酸酯酶的相对活性。根据蛋白激酶催化磷酸化反
应序列的特点, 可将丝氨酰ö苏氨酰蛋白激酶分为两
大类型: ①脯氨酸指导的蛋白激酶(PDPK) ②非脯氨
酸指导的蛋白激酶(non2PDPK)。在已知的21 个
AD tau 蛋白异常磷酸化位点中, 有10 个属于PDPK
位点, 分别是Ser246、199, 202, 235, 396, 404, 422 和
Th r2212, 217, 231, 其余属于non2PDPK 位点。
PDPK 主要包括有丝分裂原蛋白激酶(MA PK)〔15〕;
细胞分裂周期蛋白激酶22 (cdc22)〔16〕; 糖原合成酶激
酶23 (GSK23)〔17〕; 周期蛋白依赖性激酶25 ( cdk2
5 )〔18〕; 周期蛋白依赖性激酶22 ( cdk22)。而non2
PDPK 主要包括蛋白激酶A (PKA )〔19〕; 蛋白激酶C
(PKC) ; 钙ö钙调蛋白2依赖性蛋白激酶Ê (CaM K
Ê )〔20〕; 酪蛋白激酶21 (CK21) 和酪蛋白激酶22 (CK2
2)〔21〕。Tau 蛋白在脑粗提取液中, 被MA P 激酶磷酸
化, 并主要被蛋白磷酸酶2A 的3 聚体蛋白去磷酸
化。研究证明成年脑的tau 蛋白的磷酸化和去磷酸
化也这样进行。已有文献报道:AD 脑中CDK5 活性
增强〔22〕, 蛋白磷酸酯酶2A 和2B 的活性降低〔23〕。在
正常人脑内, 蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶处于一定的
平衡之中, tau 蛋白不能被磷酸化, 而在AD 病理条
件下受蛋白激酶激活剂或磷酸酯酶抑制剂的作用,
平衡被打破, tau 蛋白被高度磷酸化, 失去结合微管
的能力, 积聚并形成PHF s。M alch iodi2A lbedi 等用
蛋白磷酸酶PP21 和PP22 选择性的抑制剂冈田酸
(OA ) 和Calicu linA (caA ) 处理培养的胚胎大鼠海马
神经元, 发现突独数目减少, 轴索结构受到破坏, tau
蛋白发生磷酸化〔24〕。
W ang 等用特异性识别不同糖基的外源凝集素
( lect in) 所进行的免疫印迹研究结果显示: AD 异常
磷酸化的tau 蛋白(包括易溶型ADP2tau 和难溶型
PHF2tau) 还被异常糖基化(glyco sylat ion) 修饰。这
些异常的糖基为: 末端连接的甘露糖, 唾液酸A2(22
3) 糖苷键末端连接的半乳糖, B2半乳糖(123) 2N 2乙酰
半乳糖胺和B2半乳糖(124) 2N 2乙酰半乳糖胺。并证
明这种修饰以N 2糖苷键连接为主〔25〕。A rno ld 等证
明: 微管相关蛋白tau 被o2糖苷键连接的乙酰葡萄
糖胺(o2GlcNA c) 修饰。有研究证明内切糖苷酶Fö
N 2糖苷酶F 可使A lzheim er 病神经元纤维缠结选择
·18·
海峡药学 2004 年 第16 卷第2 期
性去糖基化。去糖基化作用使神经元纤维缠结的螺
旋消失, 在电子显微镜下呈直径为(215±015) nm 的
线性纤维丝结构, 这些线性纤维丝结构常以束存在。
与去磷酸化作用不同, 单纯去糖基化处理并不能恢
复异常tau 蛋白的生物学活性。然而去糖基化预处
理可增加其后的去磷酸化作用对tau 蛋白功能恢复
的程度, 这些结果提示, tau 蛋白的糖基化作用与
A lzheim er 病患者脑中神经元纤维缠结构的稳定性
有关〔26〕。近年来的研究指出: 阿尔茨海默病tau 蛋白
的糖基化发生早于磷酸化〔27〕, o2GlcNA c 主要出现在
tau 蛋白441 变异体磷酸化程度较轻的时候, 而大部
分磷酸化的tau 蛋白都缺乏o2GlcNA c, 两者的平衡
失调与核定位密切相关〔28〕。
AD 的发病机制说法不一, 但tau 蛋白的磷酸化
继而产生神经元退变仍是其中一个非常重要的因
素, 现今研究集中在蛋白激酶与蛋白磷酸酯酶的失
平衡上, 相信经过更深入的科学研究后, 能够深层次
地探究其在基因水平的变化, 真正阐明AD 的发病
机理。
[点击浏览该文件:Tau 蛋白异常磷酸化与阿尔茨海默病的关系 海峡药学 2004.pdf]
