Aβ聚集的影响因素和Aβ寡聚体的生理功能

陈林丽 徐 丽 (大连理工大学生命科学与技术学院，辽宁 大连 116023)

Aβ聚集的影响因素和Aβ寡聚体的生理功能

陈林丽 徐 丽 (大连理工大学生命科学与技术学院，辽宁 大连 116023)

阿尔茨海默病;Aβ;Aβ聚集

阿尔茨海默病(AD)俗称老年痴呆症，分为家族型AD和年龄依赖型AD，以后者为主，主要发病年龄在60～65岁以上。我国具有庞大的人口基数，随着老龄化社会的到来，明确AD的生理病理机制变化越来越重要。多年的研究表明大脑内的淀粉样β肽(Aβ)在AD的发生发展中起重要作用。

1 Aβ聚集的影响因素

在AD病的发展过程中，Aβ多肽经历了由单体到寡聚体，然后再形成原纤维和纤维的聚集过程，在这一过程中实现了Aβ由α螺旋向β折叠结构的转换〔1〕。Aβ的聚集受多种因素的影响，如本身结构、pH、生物膜、金属离子、其他蛋白等因素的影响。

1.1 自身结构对Aβ聚集的影响 Petkova等〔2〕通过核磁共振波谱分析发现，Aβ40的前10个氨基酸呈无规则卷曲状态，第12～24与30～40位氨基酸通过分子间的氢键作用形成反向平行的两个β折叠结构，与Aβ的聚集相关，第25～29位氨基酸为两个β折叠结构的联结区;Liu等〔3〕的研究进一步明确β折叠中17～20和30～35位氨基酸对Aβ的聚集起主要作用;其中一个氨基酸如第20位丝氨酸的突变就会明显影响Aβ的聚集，当其变为甘氨酸时，其聚集速度会明显加快，但当其变为脯氨酸时，Aβ将不会发生聚集〔4〕。另外，比较几种不同的Aβ发现，虽然Aβ42只在C末端比Aβ40/Aβ38多几个氨基酸，但是其刚性的C-末端拥有更稳定的β折叠结构，可以作为聚集的核心或者种子，使其更易于聚集〔5〕，这也就进一步证明为什么在家族性AD中仅仅Aβ42/Aβ40的比值增加会加快Aβ的聚集速度，提高AD的发病率。

1.2 pH值对Aβ聚集的影响 当pH＞pI时(pI≈5.3)，Aβ中有7个氨基酸带负电荷，只有1个氨基酸带正电荷，Aβ多肽间相互静电排斥力较大，Aβ主要形成无规则卷曲形式的单体或二聚体。当pH＜pI时，组氨酸的咪唑基和天冬氨酸/谷氨酸的羧基在静电力的作用下，Aβ易于聚集成寡聚体。当pH=pI时，Aβ易于形成多聚体〔6〕。一般认为pH值不是影响体内Aβ聚集的主要因素，因为体内生理环境是偏碱性的且恒定在某个范围内，但是体内某些特殊的微环境可能有利于Aβ的聚集，比如最近几年的研究发现多泡体(MVBs)内是微酸的环境，其通过狭窄的空间及较低的pH给Aβ提供了一个较佳的聚集场所〔7〕。

1.3 金属离子对Aβ聚集的影响 金属离子导致AD的假说认为，在正常情况下，存在于细胞膜上的Aβ与金属离子结合，然后将多余的金属离子转运至细胞间质，同时Aβ也从细胞膜上脱落至细胞间质;在正常人体内细胞间质的Aβ可以转运至血管内代谢;但在细胞内金属离子水平异常增高时，产生的前体APP增多，Aβ的数量增加，导致细胞间质内的Aβ增多，多余的Aβ聚集成寡聚体，在Zn2+的作用下加速聚集形成Aβ纤维〔8〕。这个假说不仅支持Aβ异常导致AD的理论，也肯定了金属离子在Aβ的聚集中的直接作用。诸多实验也证明金属离子在Aβ的聚集中起重要作用〔8，9〕。另外，不同的金属离子在Aβ聚集的不同阶段通过不同的机制促进Aβ的聚集，Cu2+和Fe3+在偏酸性的条件下使Aβ聚集，而Zn2+是唯一在生理条件下(pH=7.4)使Aβ聚集的离子，Zn2+能与Aβ中的His形成His(Nτ)-Zn2+-His(Nτ)，迅速使Aβ单体聚集成多聚体，但其在Aβ原纤维聚集成纤维的过程中不起作用;而Ca2+在原纤维聚集成纤维的过程中起作用〔10〕。另外，不同种类的Aβ对Zn2+的结合能力类似，而对 Cu2+和Fe3+的结合能力却不同，Aβ42(人) ＞Aβ40(人) ＞ Aβ42(小鼠) ＞Aβ40(小鼠)。对于 Al3+与AD的关系目前仍存在一定的争议，有人通过X射线对AD病人的大脑进行分析得出，老年斑内没有Al3+的沉积，但体外研究发现Al3+对Aβ聚集的促进能力比Cu2+、Fe3+、Zn2+强，所以Al3+与AD的关系有待进一步的研究。

1.4 生物膜在Aβ聚集中存在的作用 研究表明细胞质膜的脂筏可以调节蛋白折叠的动力学和蛋白聚集速率，细胞膜外的Aβ单体可以与质膜上的单唾液酸神经节苷脂GM1相互作用，使Aβ被锚定在GM1上，被锚定的Aβ可以作为Aβ聚集的“种子”，促进Aβ寡聚体(oAβ)的形成，由此人们推测Aβ聚集体随着年龄的增加而增多可能与突触脂质体层中GM1增多有关〔11，12〕;而插入质膜的 Aβ，由于不同 Aβ 之间的距离由三维变为二维，相当于缩短了Aβ分子间的距离，从而加快了Aβ的聚集;但从另一个方面讲，被锚定在GM1上或质膜上的Aβ由于不能自由移动，在一定程度上抑制了Aβ的聚集。因此，生物膜在Aβ聚集中存在促进和抑制两种截然不同的作用，当不利的影响因素存在时，结合在膜上的Aβ会加速聚集，从而引起神经细胞的凋亡，导致AD的发生〔13〕。

除了细胞质膜，其他亚细胞膜如线粒体膜、内质网膜、高尔基体膜，特别是多泡体和溶酶体的膜通过将Aβ限定在狭小的空间内，提高Aβ浓度，促进Aβ的聚集，或通过形成某种特殊的微环境如低pH或抑制蛋白酶活性等影响Aβ的聚集。

1.5 分子伴侣对Aβ聚集的影响 分子伴侣能催化介导蛋白质特定构象的形成，体内oAβ的形成受多种分子伴侣的调节，Aβ与分子伴侣结合后，能抑制 Aβ的聚集和纤维化，使Aβ保持在寡聚体状态。在血浆高密度脂蛋白中，Aβ单体可以与载脂蛋白J(apoJ)和ApoE等比例络合;人脑脊液中也分离出Aβ与apoJ的络合物，大量的Aβ聚集体与ApoJ/E结合后使Aβ保持在寡聚体状态〔14，15〕;前折叠素D(PFD)通过与Aβ 结合，使之形成相对高分子量的Aβ聚集体〔16〕，并抑制其进一步聚集;而热休克蛋白(Hsp)Hsp20、Hsp70、Hsp90等与相对低分子量的oAβ的形成有关。另外，不同分子伴侣与Aβ结合后，Aβ表现出不同的生理功能，一方面分子伴侣与Aβ结合后引起细胞氧化损伤和神经细胞凋亡，如MTT检测发现，apoJ和PFD的加入加强了Aβ的细胞毒性〔17〕;另一方面分子伴侣如热休克蛋白Hsp20、Hsp70、Hsp90在抗氧化应激、阻断细胞凋亡、抑制Aβ的毒性等方面发挥重要功能，对神经细胞起保护作用〔18，19〕。

2 Aβ的生理作用

Aβ纤维是老年斑的主要成分，因此早期的研究认为Aβ纤维是AD的主要致病因子，但对老人大脑皮层的病理和模型动物的研究发现老年斑的量与AD不直接相关;甚至有观点认为致病蛋白Aβ聚集成纤维对神经细胞有保护作用〔20〕。越来越多的证据也表明可溶性的oAβ在AD的发生发展中起主要作用〔1〕。oAβ的生理作用主要体现在神经毒性和神经保护两个方面，以下逐一论述。

2.1 oAβ的神经毒性作用

2.1.1 对细胞膜的影响 oAβ通过在细胞膜锚定、插入和形成离子通道等多种方式影响细胞膜的结构和功能，导致AD的发生〔1〕。如oAβ通过细胞膜上GM1的锚定作用，增加胆固醇、磷脂和GM1的释放，从而导致神经元细胞膜的脂类平衡紊乱，降低脂质双分子层的流动性，影响神经细胞的功能〔21〕;而插入细胞膜的oAβ，一方面可能由于不同细胞间的oAβ的进一步聚集，引起细胞的融合，另一方面可能在细胞膜上形成形状大小不规则的离子通道，使许多离子如Na+、K+、Cl-，尤其是大量Ca2+通过oAβ通道流入细胞，破坏细胞内的离子平衡，导致神经冲动的产生、传导和细胞信号通路的传递发生紊乱，突触可塑性降低，细胞发生凋亡甚至死亡〔22〕。

2.1.2 对信号通路的影响 锚定在细胞质膜上的oAβ在质膜上脱落后，部分oAβ被细胞吞噬，或者被溶酶体降解，或者进一步聚集形成纤维;但仍有部分oAβ停留在细胞外，并与膜上的NMDA、AMPA、NGF等多种受体结合，通过不同信号途径影响神经细胞的功能。oAβ与NMDA受体结合引起神经细胞内Ca2+水平异常增高，导致细胞氧化压力增大、树突棘密度减少，甚至引起神经细胞死亡〔16，23〕;oAβ 与AMPAR结合后，使 AMPAR活性降低，促进AMPAR的胞吞和酶解，从而干扰长时程增强效应(LTP)的诱发和维持，导致认知功能障碍;oAβ还可以与神经元细胞表面的胰岛素受体结合，起到类似于胰岛素抑制剂的作用，影响与LTP相关的激酶及 PI3激酶的活性〔16，24〕，损害PI3K-Akt(磷脂酰基肌醇-3-蛋白激酶B)通路，导致细胞死亡;Aβ与Frizzled受体结合抑制Wnt信号通路，引起Tau蛋白磷酸化，导致神经纤维缠结和细胞机能障碍〔16〕;而不同浓度的oAβ与NGF受体结合会出现两种完全不同的结果，当oAβ浓度为20 nmol/L时，oAβ的作用与NGF类似，能增强转录因子NF-κB的活性、提高树突的生长和GABA神经元的输入，起到神经营养因子的作用;但当oAβ浓度为800 nmol/L时，oAβ起到NGF受体拮抗剂的作用，抑制神经细胞的生长。

2.1.3 引起神经细胞凋亡 当神经细胞的细胞膜和细胞调节蛋白特别是信号通路蛋白的损伤达到一定程度，细胞功能蛋白的表达和活性就会受到抑制，凋亡相关的分子的表达和活性会被提高。已有证据表明oAβ能通过提高细胞内Ca2+，提高钙依赖性ATP酶活性和过氧化物的产生，使细胞出现能量不足甚至耗竭和氧化损伤，以及线粒体细胞色素C的释放，核DNA的断裂;促进Bax、P53、Casapse等凋亡相关蛋白的表达，下调抗凋亡因子Bcl-2的表达。神经细胞的上述变化反过来进一步使细胞膜的功能、信号调节蛋白的活性等受到抑制，两者互为因果，最终导致神经细胞的凋亡，AD的出现。

2.1.4 对学习和记忆的损害 AD患者的一个很重要的表现是学习和记忆能力减退，目前大家的共识是oAβ而不是Aβ单体能干扰学习与记忆，但对于具体是哪个或者是哪几个聚集度的oAβ起主要作用还没有统一的结论。例如，Selkoe等研究发现Aβ的2、3聚体能干扰大鼠海马趾的LTP，这种干扰快速并且强烈，但作用短暂，没有导致永久性的神经功能缺损〔25〕;而Lesné等对5～8个月转APP基因小鼠Tg2576的研究发现，Aβ的2聚体和6聚体与记忆无关，9聚体和12聚体能引起长期的记忆衰退〔26〕;但也有其他完全相反的研究报道，认为Aβ的9聚体和12聚体与记忆损害无关，而是Aβ的2～6聚集体使小鼠出现认知障碍〔27〕。因此对于不同oAβ对学习和记忆的影响还需要更进一步的研究。

2.1.5 与其他神经性疾病的关系 帕金森病(PD)和AD是两种常见的神经退行性疾病，由于脑组织受损伤的部位不同，表现出不同的症状，但在疾病发生的分子机理上，他们皆受oAβ毒性的影响，如oAβ能提高突触核蛋白的聚集和毒性，而突触核蛋白是有聚集倾向并能引起帕金森的蛋白;另外，在肌萎缩性侧索硬化、亨廷顿病、精神分裂症等大脑疾病中都发现有Akt的异常，而oAβ能同样损害PI3K-Akt信号通路。目前关于oAβ对上述疾病影响的报道较少，因此要明确oAβ的详细作用还需要更为深入的研究。

2.2 Aβ的保护作用 Aβ的持续产生和正常存在说明Aβ除了毒性以外可能存在正常的生理作用，并得到了许多实验的证实。在人体的生长发育过程中，Aβ40单体对成熟的神经细胞有保护作用，Aβ42寡聚体和单体能调节神经细胞的可塑性和记忆能力、促进多种细胞的发育、增值、分化与迁移〔28〕;Aβ40和Aβ42寡聚体和单体还能与体内过多的铝、铁、铜、锌等金属离子结合，降低金属离子诱导的氧化损伤〔29〕;能够抗凝血、保持血管完整性，脑损伤时能加速血管与神经组织的重塑〔30〕，甚至有研究发现Aβ寡聚体可以诱使AD动物的神经细胞重新开始DNA的合成等〔31〕，对大脑起保护作用，并且盲目去除AD患者体内的Aβ容易引起脑出血等副作用〔32〕。

3 展望

拥有庞大数量的老年人，给社会和家庭的正常生活带来很大影响，因此对AD的有效预防和治疗越来越受到重视。Aβ是引起AD的重要影响因素，并且已经证明抑制Aβ的聚集可以明显减轻AD的症状，但在治疗的同时，也不能忽视Aβ在神经细胞的分化、生长、增殖等方面的积极作用，因此为了减少相关药物的副作用，必须对Aβ的作用进行更为深入的研究，明确在不同的生理阶段不同oAβ的作用机制，为对AD的早期发现及干预，后期的治疗提出理论指导。

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〔2011-04-12收稿 2011-07-20修回〕

(编辑 曹梦园)

R741-02

A

1005-9202(2012)17-3848-03;

10.3969/j.issn.1005-9202.2012.17.129

高等学校博士学科点专项科研基金(200801411128);中央高校基本科研业务费专项基金(DUT10LK32);青年科学基金项目(31100612)

徐 丽(1974-)，女，副教授，主要从事神经退行性疾病研究。

陈林丽(1986-)，女，硕士，主要从事Aβ相互作用蛋白方面的研究。