CREB与阿尔茨海默病

张超洁，商亚珍

(承德医学院中药研究所/河北省中药研究与开发重点实验室/河北省中医药抗痴呆重点研究室，河北承德 067000)

CREB（cAMP response element binding protein）是一种真核细胞生物核内蛋白质，具有调节基因转录、增强突触可塑性和改善记忆障碍的功能，对阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）发生发展过程中存在的学习记忆能力减退起着重要的作用。AD是多发生于老年及老年前期的一种痴呆类型，是伴随有进行性认知功能障碍的一种中枢神经系统退行性疾病，其主要临床表现为学习记忆障碍不断加重、智能低下、呆傻愚笨等[1]。研究表明，AD的发病机制为β-淀粉样斑块异常沉积、Tau蛋白过度磷酸化而导致的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs）、神经炎症反应、突触转导功能发生异常、线粒体功能障碍等[2]。另外，CREB结构和功能的异常变化也与AD的病理生理发生改变密切相关。CREB作为长期记忆形成所必需的转录因子广泛存在于各种动物中，研究表明，在AD患者发生学习记忆障碍的过程中，其对中枢神经有改善作用，且对长时程记忆的增加作用得到普遍认可[3]。CREB磷酸化水平降低，导致其下游与学习记忆相关的神经生长因子的活性降低。因此，CREB磷酸化水平高低决定了AD患者在发生认知障碍过程中记忆能力受损的强弱。

1 AD与CREB

CREB可调节、刺激基因转录，被称为调节转录的核因子，又被称为转录增强因子。已有大量研究表明，在中枢神经系统,CREB能调控神经生长因子的转录活性及调节突触可塑性，影响与学习记忆相关的多种神经退行性疾病[4]。神经细胞结构和功能异常，能够引起神经退行性改变，而神经突触可塑性改变是AD认知障碍的神经生物学基础。大量研究证明，AD患者海马组织中CREB及其发生磷酸化形成p-CREB的表达量下降能够诱导神经元凋亡[5]。因此，CREB可能与 AD患者学习记忆障碍的发病机制密切相关。

2 CREB的转录调节机制

CREB必须在被磷酸化形成p-CREB后才能发挥其转录激活功能。CREB的二级结构有两个功能区，其中，C端为富含碱性氨基酸的DNA结合区，含亮氨酸拉链结构（bZIP），也称为DNA结合域；N端是富含酸性氨基酸的转录调节区，该区域包括含大量脯氨酸PRO区（协助发挥转录作用）和KID区（多激酶诱导结构域）等。PRO区能将CREB与启动子的结合部位和调节转录部位分为bZIP区与KID区，在增加分子柔性的同时，使两个区能够更好地发挥作用[6]。CREB分子结构中KID的Ser133位点是最主要的磷酸化位点，也是发挥其转录调节作用的关键位点。研究表明，CREB-Ser133位点的磷酸化不足以激活靶基因的转录，CREB发挥转录作用尚需两个重要的辅助因子参与其转录调节功能的机制。

2.1 辅助因子CBP/p300

辅助因子CBP（CREB binding protein）与CREB的相互作用，能够驱动长期记忆所必需的 CREB转录。CBP参与促进CREB的磷酸化，并与CREB结合为复合物，实现对基因转录的调节功能。CBP的特殊结构域KIX能够特异性识别磷酸化后CREB的KID结构域，KID结构域能够特异地识别磷酸化后的Ser133位点, 促使CBP与CREB相结合[7]，进而实现对基因转录的调节功能。先前对AD大鼠模型的研究发现，大鼠海马CBP活性水平的降低伴随着CREB活化的降低，即p-CREB-Ser133水平[8]，进一步强调CBP在转录和记忆中的作用。

2.2 辅助因子TORC/CRTC1

除CBP通过诱导拟合机制使CREB本身发生磷酸化外，还存在其他辅助激活因子共同参与对CREB下游基因的转录起始和维持。因此，研究者们发现了cAMP 反应元件（CRE）驱动的基因转录的有效调节剂，cAMP调节的转录共激活因子(cAMP-regulated transcriptional coactivator,CRTC)或CREB调控转导子(transducer of regulated CREB,TORC)。与CBP不同的是，CRTC与CREB的bZIP结构域结合[9]，该部位与DNA亲和力高，为CREB与启动子CRE位点结合的部位，发生结合后，促使下游基因的转录活性，增加相关基因的表达。

3 CREB磷酸化激活机制

CREB的转录调节功能受到磷酸化和去磷酸化的一系列调控[10]。研究证明，CREB可以通过NMDA受体的激活而发生磷酸化[11]，NMDA受体的蛋白质水平及其磷酸化状态与认知功能有着密切的关系[12]，AD病人海马神经元的NMDA受体亚基水平降低。通过激活突触上的NMDA受体诱发CREB的持续磷酸化，磷酸化的CERB诱导神经营养因子的表达而起到神经保护作用。有研究表明，小鼠海马中NMDA受体激活表达增加能激活CREB磷酸化[13]，在长期空间学习和记忆障碍的小鼠中观察到NMDAR复合物显著减少[14]。此外，CREB分子是多种蛋白激酶的磷酸化底物，其活化的中心环节是Ser133位点的磷酸化，PKA、Rsk、Akt等蛋白激酶都可促使CREBSer133磷酸化。在这些激酶中, 最早被确认的是蛋白激酶A，即PKA。PKA将Ser133位点磷酸化后引起分子构象的变化, 释放活性，催化亚基并磷酸化其底物，从而刺激了CREB调节转录的活性。除PKA之外, 使CREB磷酸化的蛋白激酶还有钙离子依赖的蛋白激酶钙-钙调素酶CaMK，其对CREB快速激活和ERK介导的核糖体蛋白S6激酶（RSK）的缓慢激活[15,16]。尽管CREB-Ser133位点的磷酸化是启动转录的关键，但许多实验发现，CREB被称为记忆存储的核心，能够整合多种信号转导通路[17]，但仅该位点的磷酸化不足以激活靶基因的转录，CREB磷酸化的激活同样也是需要多位点、多通路共同发挥作用。

4 CREB信号通路与AD

CREB调节神经细胞生长发育，参与神经细胞突触可塑性和长时程记忆的建立，CREB的表达及活性参与了多种神经退行性疾病的病理生理过程。近年来的研究发现，通过信号通路刺激CREB磷酸化对AD的发生具有重要影响。CREB的磷酸化可使β淀粉样蛋白前体蛋白（β-amyloid precursor protein, APP）水平降低，细胞增殖加快，减缓细胞老化[18]。AD中过量Aβ由APP经分泌酶代谢紊乱生成，通过Aβ干扰CREB的磷酸化，抑制其与cAMP反应元件（CRE）结合，进而降低脑源性神经生长因子（brain derived neurotrophic factor, BDNF）的转录与合成[19]。如：BDNF降低使Akt磷酸化下降，Tau蛋白与TrkB结合，进一步下调BDNF-TrkB信号通路，使神经元内Aβ产生，造成神经元凋亡[20]。动物行为学同样提示，学习记忆能力下降，表现出AD的病理变化[21]。在大脑神经系统中，已经被鉴别出来CREB磷酸化的经典通路包括：G蛋白偶联受体诱导的(PKA-CREB)通路、通过电压敏感型钙离子通道(VSCC)增加胞内钙/钙调蛋白浓度并刺激钙/钙调蛋白依赖性的蛋白激酶(CaMK)通路、受体酪氨酸激酶诱导的(Rsk-CREB)通路以及应激或炎性细胞因子(PI3K-Akt)通路等。

4.1 cAMP-PKA-CREB信号通路与AD

cAMP-PKA-CREB信号通路能够调控突触生成并影响长时记忆[22]，其作用机制为细胞膜上G蛋白偶联受体与神经递质结合后激活腺苷酸环化酶(AC)。研究表明，缺乏AC的小鼠明显存在长期记忆能力和神经功能障碍[23]。AC被激活后，细胞内cAMP水平升高导致PKA活性提高，进一步作用于CREB，将Ser133位点磷酸化，形成p-CREBSer133。CREB的磷酸化依赖于PKA的活性，即当cAMP水平降低、PKA活性下降时，CREB磷酸化受到抑制。同时，PKA活性也应用于tau蛋白磷酸化，加速NFTs生成，导致AD的发生。

4.2 Ca2+-CaMK-CREB信号通路与AD

神经科学领域对于金属离子的研究表明，脑内的金属离子水平发生紊乱会导致多种神经退行性疾病的发生[24]，Ca2+的失衡与AD病理特点密切相关[25]。cAMP-PKACREB这条信号通路也能引起脑内Ca2+浓度的增加[26]，通过Ca2+依赖性的形式所存在的Ca2+-CaMK-CREB信号通路是长时程增强（Long-term potentiation，LTP）的重要信号通路之一。Ca2+信号通路改善AD小鼠的学习记忆能力的研究表明[27]，CaMK的磷酸化蛋白水平提高，促进CREB磷酸化，能够有效改善AD学习记忆障碍，促进长时程记忆增加。胞外信号使Ca2+结合游离的CAM，形成有活性的钙-钙调蛋白复合物（Ca2+-CaM），进一步活化钙调蛋白激酶CaMK(CaMKII、CaMKIV)，CREB分子中的Ser133位点能够被CaMKII、CaMKIV磷酸化，激活下游因子（如Ferritin），能够减轻AD患者脑内铁沉积诱导的蛋白质氧化损伤[28]，抑制Aβ的聚集，促进AD的神经再生和突触可塑性。

4.3 RSK-ERK-CREB信号通路与AD

RSK-ERK-CREB信号通路参与调节多种细胞生长过程,包括生存、增殖和新陈代谢，且与AD病理机制的发展密切相关。在RSK系统中，其上游分子Ras可与Raf的N端结构域结合并磷酸化MAP2K上的Ser/ Thr位点。MEK属于MAP2K家族成员，其作用是磷酸化并激活下游底物ERK，ERK的激活和发育过程中，与成人大脑中神经元的分化、存活和适应性反应密切相关，且参与Aβ和异常磷酸化的Tau蛋白的形成，活化的ERK能够激活下游CREB，调节突触可塑性，改善大脑学习记忆能力[29]。ERK下游主要是核糖体S6激酶（90 kD ribosomal S6 kinase, RSK）,它可以独立地转位进入细胞核，并磷酸化一系列底物，激活下游CREB，促进有利于细胞生长的mRNA翻译，促进细胞增殖，改善AD记忆障碍。

4.4 PI3K-Akt-CREB信号通路与AD

PI3K-Akt-CREB信号通路对细胞存活、增殖和分化等起着关键的作用。在该信号通路中，TRKB是细胞内外信号刺激传递启动开关，与BDNF结合可激活胞内PI3KAKT信号传导通路，逆转突触的丢失，促进神经元再生，从而改善学习记忆障碍[30]。PI3K是磷脂激酶家族成员，与自身受体结合后产生第二信使，第二信使激活下游靶蛋白激酶Akt。P-Akt使CREB在丝氨酸的133位点磷酸化，并诱导其下游包括IGF2、NGF、BDNF和其它神经元相关分子的mRNA及蛋白表达。PI3K-AKT信号通路的激活可以上调 CREB 活性，并进而能够维持多巴胺能神经元结构与功能的完整性[31]，促进突触可塑性，抑制AD的发生。研究表明，有些药物可以通过其抗氧化和消炎作用，增强小鼠的学习和记忆能力，通过PI3K-AKT信号通路的激活，从而抑制氧化应激，减少tau蛋白的形成，在AD中发挥神经保护效用[32，33]。

5 小结

目前，人们对AD的病因及发病机制尚不能完全阐述清楚。越来越多的研究表明，做为细胞核内转录因子的CREB在诸多细胞传导通路的激活下，能够起到增强细胞的转录水平、调控突触可塑性及增强细胞兴奋性的作用。因此，增强CREB活性的策略可能对于治疗AD在内的多种神经退行性疾病有效果。本文通过综述CREB磷酸化与AD的关系，CREB及其信号转导通路的传导作用机制，可以得出CREB的转录功能被抑制是诱发AD的前提。但是，在目前的研究中，关于CREB对AD治疗作用机制尚未完全阐明，因此，仍具有进一步探讨的意义和价值，希望本文可以为AD治疗方向以及AD动物模型的建立提供新的思路和方案。