过渡金属离子对Aβ聚合的影响研究进展

重庆工商大学环境与生物工程学院第1页（共9页）阿尔茨海默症与金属离子（铜、锌）研究进展重庆大学生物工程指导老师：摘要：阿尔海默症(Alzheimer’sdisease，AD)是一种与年龄相关的神经退化性疾病，其症状主要表现为记忆力下降，思维障碍及行为异常等。随着社会的发展，人口老龄化速度的加快，AD己成为威胁人类晚年健康的一大隐患，对其治疗迫在眉睫。AD的主要病理特征β-淀粉样蛋白(β-amyloidpeptide，Aβ)异常聚集形成的淀粉样斑和Tau蛋白磷酸化形成的神经纤维缠结。有文献报道，过渡金属离子与Aβ的聚合密切相关。因此，筛选和发现一些能够抑制Aβ聚合，并考察过渡金属离子对Aβ聚合过程的影响，对于AD的防治具有十分重要的意义。关键词：阿尔海默症；β-淀粉样蛋白；过渡金属离子；苦杏仁苷重庆工商大学环境与生物工程学院第2页（共9页）ABSTRACTAlzheimer’sdisease(AD)isaneurodegenerativedisorderofthecentralnervoussystem.Itisrecognizedasamajorpublichealthproblemhavingasevereimpactonhumanbeings.ThemainpathologicalfeaturesofADaresenileplaquesanddepositofneurofibrillarytangles.IthasbeenreportedthattransmutationmetalionshaveadirectroleontheaggregationofAβ.Soscreeningandidentificationofsomecompounds,whichcouldinhibittheaggregation,areveryimportantforthepreventionandtreatmentofAD.Inthepresentstudy,wescreenedandrevaluedtheinfluenceofsomecommoncompoundsontheaggregationofAβwithThTbindingassayandvioletscanning.KeyWords：Alzheimerdisease(AD)；Aβ；Transmitationmetalions；Amygdalin重庆工商大学环境与生物工程学院第3页（共9页）1绪论1.1研究背景老年痴呆按发病机理不同，分为阿尔茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD)、血管性痴呆(vasculardementia，VD)以及两者并存的混合型痴呆等三种类型，其中以AD最常见，研究也最多[1]。AD是一种中枢神经系统退行性疾病，以高级认知功能障碍为特征，以老年斑、神经纤维缠结和神经元丢失为主要病理改变的综合病。主要表现为渐进性记忆障碍、认知功能障碍、人格改变及语言障碍等神经精神症状，严重影响社交、职业与生活功能。在发达国家，老年痴呆的死亡率仅次于心脏病、肿瘤、中风位居第四。随着世界人口日趋老龄化，该病已经成为当前老年医学面临的最严峻的问题之一。我国是世界上老年人口基数最大的国家，也是老年痴呆患者基数最多的国家。据估计，我国已有6-7百万老年痴呆患者，且在65岁及以上老龄人口中每年以5-7%的速度在增长[2]。随着老龄人口的不断增长，AD患者的群体会不断扩大。1.2病理特征AD病是人体的一种与年龄相关的神经退化性疾病，患者的大脑皮层退化导致它丧失正常的活动功能，包括记忆力、判断力、抽象思维力、推理能力及空间关系等，最后甚至不能完成最简单的任务。在德国一病人于1906年4月8日因连续数月发生褥疮，最后因高烧达40度、双下肺肺炎、败血症、肾炎、脑积水等感染而去世。随后AloisAlzheimer使用了当时较新的组织病理学技术银染法对病人大脑切片进行了检查，发现大脑皮层有很多脑神经纤维和栗粒状斑块。后来Alzheimer将此发现以摘要形式发表在1906年Tubingen会议上，又在1907年第37届西南德国神经科医生会议上较详细地报道了这一病例。当时在神经和精神学界非常权威的专家Kraepelin于1910年出版的第八版神经病学手册的书中将此病称为Alzheimer’sdisease(阿尔茨海默病)。八十年代人们获知这些斑点和成团化纤维主要由蛋白质组成，这些异常蛋白首先出现于Entorhinal皮质,然后扩展到海马回(存在大脑深处，起记忆储存的功能)，最后蔓延至大脑皮质,导致神经元退化，直到大脑死亡[3]。AD的发病机制还不十分清除，可能与细胞的衰老、遗传基因、神经递质损伤或炎症等多种因素有关。现已确认该病在脑部有三个标志性病理特征:(l)出现淀粉样蛋白Aβ斑点(老年脑斑)；(2)神经纤维缠结；(3)轴突、树突退化。阿尔茨海默病病因尚未阐明，研究认为，其发病可能与遗传和环境因素有关。重庆工商大学环境与生物工程学院第4页（共9页）痴呆阳性家族史是AD公认的危险因素，提示遗传因素在AD的病因中起重要作用。在相关的医学研究中显示，AD患者的直系亲属患病危险性极高，是一般人的4.3倍，呈常染色体显性遗传及多基因遗传，具有遗传异质性。目前已发现至少4种基因突变与AD有关，即：淀粉样蛋白前体(APP)基因，早老素1基因(PS-1)，早老素2基因(PS-2)和载脂蛋白(apoE)基因。已被确认为家族性AD的致病基因分别位于21、14、1号的三个染色体上，apoE基因与散发性AD相关。文化程度低、吸烟、脑外伤、重金属接触史等可增加患病风险。据报道AD发病前35年内脑外伤史占15-20%；饮水铝含量与痴呆死亡率显著正相关，且AD患者脑组织中铝水平较高，并发现铝可导致脑组织神经原纤维缠结(NFTs)和老年斑(SP)形成。而长期用雌激素、非甾体抗炎药可能有保护作用[4]。1.3AD致病机制1.3.1Aβ假说及APP基因分子生物学研究Aβ假说认为，β-淀粉样蛋白是由β-淀粉样蛋白前体(APP)经过β和γ分泌酶酶解而产生，β-淀粉样蛋白前体经过α分泌酶酶解形成可被清除的可溶性产物。Aβ在脑中集聚形成老年斑，引起神经元退变，是阿尔茨海默病发病的起始因素。Aβ是整个生命过程中的正常代谢产物,它在脑脊液、血清等中均可测定到。从AD患者和Downs综合征患者的脑膜血管中分离出了Aβ之后人们认识到该肽AD脑组织老年斑中的主要成分[5]，标志着AD这种常见而具有破坏性疾病的研究进入了一个新纪元。其后根据对编码Aβ前体蛋白(amyloidprecursorprotein,APP)基因的克隆和染色体定位，人们开始推测Aβ的聚集是AD发生过程中的主要事件。APP基因已知至少有6种点突变,大多数突变簇集在APP被A、β和γ分泌酶正常裂解部位之内或附近，突变型APP基因产物可出现新的酶切位点，与此一致，这些突变通过β和γ分泌酶促进APP的蛋白水解过程而增加了Aβ的生成，且产生的Aβ自聚性强，易沉积形成老年斑，Aβ可诱导神经元凋亡。Aβ的分子构型、状态与Aβ神经毒性关系密切，β-片层结构可促进Aβ聚集成不溶性纤维，形成极难溶的沉淀，并由此生成老年斑，导致AD患者的智能衰退[6]。因此Aβ由可溶状态到不溶状态的转变是AD发病机制中的关键环节。此外，APP在Aβ序列内的突变提高了Aβ聚集成淀粉样原纤维的能力。APP及其代谢物的生物功能广泛而复杂，可做为孔尼兹抑制剂(Kunitzsoybeantrypsininhibitor)系列的丝氨酸蛋白酶的抑制剂、凝结因子Xla的抑制剂、趋动蛋白受体(调节运载几个轴突间隙蛋白到神经末重庆工商大学环境与生物工程学院第5页（共9页）端)以及营养或保护神经元等。APP代谢过程如图1.1。1.1APP代谢示意图1.1a表示前体蛋白APP，含有770个残基，N端是由17个残基组成的信号蛋白；在残基289处插入59个或19个氨基酸外显子；在残基542和571处被醛基化(N-cHO)。跨膜区域在700-723残基之间。Aβ碎片在膜外有28个残基，在膜内有12-14个残基。1.1b表示APP被ADAM-10、TACE、PC7等水解酶(属于α-eeretase类)切割出可溶性α分泌物(α-APPs：包括18-687残基)，剩下的83个C端残基α-CTF)留在膜内，在711或713位点进一步被Presenilin水解酶(属于γ-secretase)从c端切割成γ-分泌物和P3多肤碎片，以上是APP在生命体中的主要代谢方式。1.1c表示APP被天冬氨酞水解酶BACE(β-secretase类)切割出β-分泌物(β-APPs：包括18-671残基)，剩下的99个C端残基(β-CTF)在711或713位点被进一步水解成γ-分泌物并释放出Aβ40或Aβ42碎片，其中Aβ40是主要代谢产物，而Aβ42则是致病原形式。APP趋向于何种代谢路径的规律是相当复杂的，但是有一点无可争议：即APP代谢失衡是AD病理的重要组成之一。研究者初步认为胆碱等神经递质能激活C端依赖性蛋白激酶，促进APP的α-分泌代谢；而胞内游离钙浓度的增加将促进Aβ分泌。值得注意的是APP绝大部分仍以完整的前体形式留在膜内，只有极少部分通过以上两种形式进行水解[5]。在正常人的体内，被水解下来Aβ42蛋白碎片是可以与其周围的的某些物质结合；并不影响其的可溶性：但患有AD后的Aβ42多肽改变了其的可溶性变成不可溶，逐渐在细胞内外通过成核作用形成毒素斑点。在成核初期，由多个Aβ42单体缓慢地聚合成晶核而Aβ40却起抑制成核作用，但是当晶核形成的时候Aβ40和Aβ42都将加速聚沉纤维而不段的扩展。现在的研究成果还不能证实Aβ42蛋白碎片能被许多不同类型的细胞分泌，同时集中在脑部淤积。这些Aβ42重庆工商大学环境与生物工程学院第6页（共9页）斑点对周围神经元产生很强的毒理性作用[6]：(1)APP断裂出Aβ42时，释放出自由基，使神经细胞的脂质膜过氧化；(2)Aβ42能在细胞膜上形成极小的隧道或者破坏钾通道，导致大量外钙内流；(3)Aβ42能减少胆碱的量，而胆碱是乙酞胆碱的合成原料。对此，一种理论认为正是因为Aβ42毒性导致神经元营养不良、胶质细胞和星细胞(星细胞能通过吸收金属离子、各种递质来保护神经元)活化直至神经元死亡，所以抑制β、γ-secretase酶和激活α-secretase酶以此减少Aβ的分泌量或者寻找一种能溶解Aβ42沉淀的抗体是目前消除淀粉状斑点合理的战略：另一个理论提出Aβ42斑点只是AD病变的副产物,而不是神经元死亡的直接原因，在目前组织病理学没用确认Aβ。斑点和神经元、突触凋亡的直接关系时，我们只能认为Aβ多肽在细胞内外的积累是AD症状发生的一个重要的、潜在的因素[7]。1.3.2中枢胆碱能损伤关于阿尔茨海默症发病机理中，有关中枢胆碱能损伤的学说与Aβ假说一样是在学术界比较公认之一的。胆碱能神经递质是脑组织中的重要化学物质，阿尔茨海默病患者的脑内的胆碱能神经元教正常值少，这以数值的变化导致乙酰胆碱(ACh)合成、储存和释放减少，进而引起以记忆和识别功能障碍为主要症状的一系列临床表现。1.3.3兴奋性氨基酸毒性学说兴奋性氨基酸，尤其是谷氨酸(Glu)的兴奋性神经毒性作用越来越受到关注。谷氨酸及谷氨酸受体参与了神经元的兴奋性突触传递，调节多种形式的学习和记忆过程等。谷氨酸是中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，具有重要生理功能，如大量释放可以造成组织损伤。现有研究提示，AD脑内谷氨酸功能亢进，造成神经元损伤，从而产生认知功能缺陷。1.3.4Tau蛋白学说微管系统是神经细胞的骨架成分，参与多种细胞功能。微管是由微管蛋白和微管相关蛋白组成，Tau蛋白是一种含量最高的微管相关蛋白。在AD患者脑内，Tau蛋白异常过度磷酸化，并聚集成双螺旋丝形式，与微管蛋白的结合力降低，失去了促进微管形成和维持微管稳定的作用。异常磷酸化Tau蛋白的病理性沉积，导致了神经原纤维缠结(NFTs)的形成，而NFT可作为大脑早老化的标志。AD患者较正常老年