α-synuclein在帕金森病发病机制中的作用

1、-synuclein在帕金森病发病机制中的作用上海医学2006年第29卷第7期synuclein在帕金?综述?森病发病机制中的作用韩威张颖杜丹华胡林森帕金森病(parkinsondisease,PD)是一种常见的神经变性疾病,以黑质多巴胺能神经元慢性进行性缺失和胞浆内嗜酸性包涵体(Lewy体)形成为病理特征.一直以来认为PD是环境因素引起的,随着家族性PD致病基因asynuclein的发现,对PD的认识不断地加深,目前认为环境和遗传因素在PD的发生,发展中共同起作用.聚集的asynuclein是PD和Lewy体痴呆以及其他神经系统变性疾病共有的特征,但是其致病作用还不清楚.近年来对asynuc

2、lein的结构,功能和聚集的研究可能为我们对PD的认识提供新的见解.现就相关问题作一综述.一,asynuclein的生物学特性(一)asynuclein的结构a-synuclein是在1988年通过应用胆碱能囊泡的抗血清从电鲟鱼的带电器官中分离出的一种突触末梢前蛋白.1993年Ueda等在阿尔茨海默病(AD)的淀粉样斑块中分离得到非Ap蛋白成分(NAC),后来证实NAC的前体即a-synuclein.与其同源的synuclein家族成员还包括13-synuclein,7一synuclein,synoretin等.asynuclein是由14O个氨基酸残基组成的酸性热稳定蛋白,为可溶性天然伸展蛋

3、白,生理状况下呈无序构型,包括3个区域:两性的氨基末端区域(16O残基),含有重复7次的6个残基的"KTKEGV"基序,提供一个载脂蛋白结构域,与脂质双分子层结合能稳定蛋白的a螺旋结构;疏水的中心区域,6195残基构成高度淀粉源性NAC,可使asynuclein由不规则卷曲向p片层结构转变,形成Ap样原纤维;酸性的羧基末端,由9614O残基组成,富含脯氨酸,谷氨酸和天冬氨酸等,具有高度可变性,可调节a-synuclein全长的聚集并确定a-synuclein纤维丝的直径,有作者单位:13200l长春,吉林大学第一医院神经内科通讯作者:胡林森分子伴侣的活性1.(二)asynu

4、clein的基因和蛋白表达人类的asynuclein基因(PARK1)定位在4q21.322染色体上,由6个外显子组成,翻译起始密码子ATG由外显子2编码,终止密码子TAA由外显子6编码.小鼠的asynuclein基因位于小鼠6号染色体,小鼠和人类的asynuclein基因的外显子结构高度保守,氨基酸序列只在7个位点上不同,它们的蛋白序列有95.3是相同的.asynuclein在脑组织中含量丰富,主要位于新皮层,海马,嗅球,纹状体,杏仁体,黑质和丘脑等部位的神经元的胞浆和突触前膜.近来对人类尸检样本的分析发现,asynuclein也存在于正常的周围神经系统.此外,还发现一些非神经细胞如血小板,

5、造血细胞,肾细胞和心肌细胞等也存在asynuclein的表达.(三)a-synuclein蛋白的功能asynuclein的生理功能并不完全清楚,然而已有证据表明其参与突触的可塑性,神经分化,多巴胺合成的调节等.asynuclein的219残基和12314O残基对脂肪酸结合蛋白序列的相似性提示其可能在神经细胞浆内水和膜磷脂分隔区之间转运脂肪酸【2J2.低浓度,非聚集的a-synuclein在细胞应激情况下上调bcl一2表达和灭活c-jun激酶,从而保护细胞免于死亡.因此,有人提议a-synuclein可能作为一种抗凋亡蛋白起作用l3J3.a-synuclein有分子伴侣的活性,能与1433蛋白,

6、蛋白激酶C(PKC),BAD等结合并抑制PKC的活性.此外,Hashimoto等4在asynuclein转染的B103成神经细胞瘤中发现a-synuclein上调小窝蛋白一1(caveolin一1)的表达,下调细胞外信号调节激酶(ERK)活性.ERK在包括细胞存活,神经生长,突触形成,突触可塑性和长程增强效应等各种神经功能中起中心作用.因此,ERK信号路径的调节可能在正常的asynuclein功能中具有举足轻重的作用.二,asynuclein基因突变相关的遗传性PD研究人员在意大利和几个希腊的PD家系中通过对asynuclein基因连锁分析和突变研究鉴定了第1个与PD相关的常染色体显性遗传的错

7、义突变(A53T).此后,又分别在德国和西班牙PD家系中的SYNCA位点发现了另外2个错义突变:A30P和E46K.Farrer等5在另外一个PD的家系中发现了asynuclein基因的三倍重复突变伴随脑内asynuclein的双倍表达从而引发PD,进一步证实了asynuclein在PD发病机制中的关键作用.这些突变基因编码的蛋白质以天然未折叠的构象存在,具有自发形成非纤维性聚集物的倾向.对家族性PD中asynuclein基因的研究提示,突变基因的"毒性获得功能"可能是构成PD病理机制的基础.此外,目前已鉴定的早发家族性PD的基因还包括泛素羧基末端水解酶(UCHL1),pa

8、rkin,DJ1(一种参与氧化应激的与parkin相关的蛋白)和PINK1(一种假想的丝苏氨酸激酶)等,它们可能为家族性PD致病机制提供新的见解6l.三,异常的asynuclein聚集与散发性PD异常的asynuclein聚集是Lewy体的重要组分,Lewy体的出现是PD的病理形态学标志,因此黑质致密部神经细胞体内的asynuclein异常聚集是PD的形态学特征,据此推测在散发性PD中asynuclein聚集可能是PD发生,发展的一个中心环节.了解细胞内的asynuclein聚集的机制对于理解PD的致病过程具有重要意义.Lewy体形成过程大致分为几个阶段,分别表现为弥散的胞浆内asynucle

9、in染色,不规则形状的中等密度asynuclein的染色,个别苍白体asynuclein染色,由中心和周围晕组成的Lewy体的asynuclein染色.(一)a-synuclein的异常聚集asynuclein从天然未折叠结构到异常聚集沉积涉及构象和四价结构的变化.溶液中,高浓度野生型的asynuclein能自发地聚集形成纤维丝和个别的球状聚集物,突变形式的asynuclein可加速此过程.鱼藤酮,百草枯能诱导asynuclein的构象改变,当它们被系统注射到大鼠体内可引发PD的特异性病理变化.研究发现,asynuclein易受环境变化影响表现出结构的高度可塑性,其在溶液中呈现未折叠的天然构象

10、,当暴露于各种物理和化学方面的错折叠压力时其NAC区可被诱导形成部分折叠的构象,随后通过自相连作用形成二聚物或寡聚物并稳定存在,具有部分构象的寡聚物获得高密度的G片层基序形成大量的初原纤维.Volles等8证实,只有初原纤维状的asynuclein与合成的脂质泡紧密结合并渗透其中,从而发现了初原纤维的潜在致病特性.另有研究证实,初原纤维状的asynuclein具有蛋白酶体抑制剂活性,表明asynuclein通过结构转换而获得有毒的功能嘲.Conway等10研究发现,多巴胺的氧化代谢物(即多巴醌)通过形成多巴胺一asynuclein聚合物稳定初原纤维,减慢从初原纤维到纤维丝的过渡,提示初原纤维的

11、稳定可能导致PD中选择性的多巴胺能神经元变性.这将3种PD的病理特征即氧化压力,多巴胺能神经元缺失和asynuclein聚集联系起来.目前,诱导asynuclein从可溶形式到Lewy体内纤丝状形式变化的因素还不清楚,但是asynuclein的基因突变,分子募集现象,氨基酸侧链的化学修饰(磷酸化,糖基化,氧化和硝化修饰等),分子伴侣和泛素一蛋白酶体活性的变化,与配体的结合,温度,pH值和一些二价/三价的金属阳离子等均可使asynuclein的构象发生转化,从而造成蛋白的异常沉积.(二)asynuclein及其相关分子相互作用形成病理性的包涵体人类黑质神经细胞中Lewy体形成的第1个标记是核周物

12、质呈明显的斑点状asynuclein染色,经过泛素作用产生苍白体样结构,最后形成Lewy体.因此,出现聚集asynuclein是Lewy体形成的标志.Chung等¨研究发现,当asynuclein,synphilin一1和parkin共同表达时,形成泛素化阳性的Lewy体样包涵体.荧光共振能量转移技术已证实,asynuclein的羧基末端与synphilin一1的羧基末端密切结合促进胞浆内包涵体的形成.另有研究表明,在synphilinl的氨基末端和泛素之间存在分子间的相互作用.Lee等的研究提示酪蛋白激酶介导的synphilin一1的磷酸化需要synphilin一1与asynucl

13、ein的相互作用.Parkin直接与糖基化的asynuclein相互作用或通过synphilin一1间接与asynuclein相互作用,但是不与正常的野生型asynuclein相互作用.Parkin作为一种E3连接酶参与泛素蛋白酶体系上海医学2006年第29卷第7期统对异常蛋白质的降解.目前已知不是所有asynuclein阳性的包涵体都包括泛素,因此asynuclein的泛素化可能不是包涵体形成的先决条件,但在包涵体内asynuclein能被直接或间接泛素化.不能被泛素化的错误折叠的asynuclein可能导致多巴胺能神经元死亡.最近,Olanow等13对Lewy体形成提出了假说:正常生理条件

14、下,泛素一蛋白水解系统和热休克蛋白家族的完美结合使无用的蛋白质的产生与降解之间保持动态平衡.PD中,突变,错折叠,变性和损害的蛋白质增加或降解障碍产生蛋白水解压力,导致这些蛋白质聚集并沿微管转运到核周中心体,中心体结构不断扩展形成由周围晕和清晰中心组成的聚集体,asynuclein和神经纤维丝等丝状网络可包裹聚集体,如果隔离的蛋白能被成功降解,那么细胞内将恢复蛋白水解的动态平衡.相反,如果蛋白降解失败或异常蛋白产生过多,那么聚集体将继续扩展最终形成不溶的蛋白团,即Lewy体.(三)asynuclein阳性包涵体对多巴胺能神经元存活的作用众多研究说明细胞内聚集是有害事件,但是asynuclein

15、阳性包涵体形成对细胞存活的影响存在争议.一些学者认为,Lewy体包涵体形成有细胞保护性作用.PD患者脑内,大部分黑质的神经元经历凋亡样细胞死亡而不形成Lewy体.相反,含有Lewy体的黑质多巴胺能神经元表现出比周围神经元更健康的状态.Tanaka等H使用过表达asynuclein和synphilin一1的293T细胞研究聚集物在细胞活力中的作用,发现抑制蛋白酶体活性引发了聚集体的形成.这项研究显示,在6O的非凋亡细胞中发现了这些聚集物,而仅在1O凋亡细胞中发现此现象,表明这些包涵体可能具有细胞保护作用.Setsuie等应用6一OHDA'制备大鼠PD模型后,应用蛋白酶体抑制剂PSI进行干

16、预,发现PSI可明显保护黑质免于变性和改善阿扑吗啡诱导的PD模型旋转不对称性,同时伴有黑质内大量的asynuclein和泛素阳性包涵体的形成,这项研究提示蛋白酶体抑制剂可能促进黑质细胞内包涵体的形成,保护多巴胺能神经元免于死亡.但是,这些研究还不能提供Lewy体形成对细胞存活有保护作用的直接证据.要澄清asynuclein阳性包涵体对多巴胺能神经元存活的作用还需要进一步的研究.(四)高水平的asynuclein对多巴胺能神经元的毒性作用随着PD遗传学研究的不断深入,最近又发现asynuclein基因的三倍重复突变可引起PD,这与脑内的asynuclein双倍表达有关,表明高水平的asynucl

17、ein可能引发多巴胺能神经元的缺失.人类的SHSY5Y细胞系中,野生型和突变型的asynuclein过表达导致活性氧(ROS)的增加,并通过破坏细胞内稳态水平的ROS引发神经细胞的凋亡16l.在过表达野生型或突变型asynuclein的原代培养的人类脑细胞中分别显示有279/6或499/6的多巴胺能神经元的缺失.此外,大鼠黑质纹状体系统中asynuclein的过表达诱导细胞和轴突的萎缩,并伴随有黑质多巴胺能神经元3O9/68O9/6的缺失和纹状体的DA405O的减少17.因此,黑质多巴胺能神经元表现出对高水平的asynuclein易损性,支持asynuclein在PD发病机制中的作用.然而,从

18、这些实验还不能得出高水平的可溶性的asynuclein引发黑质细胞死亡的结论.四,asynuclein相关的PD动物模型为了阐明asynuclein聚集在PD发病机制中的作用,Masliah等183最先采用转基因方法在小鼠体内过表达人野生型和变异型asynuclein(A53T),并观察到小鼠出现运动障碍,伴有多巴胺能神经元丢失,胞质内出现asynuclein和泛素表达阳性的丝状包涵体的病理改变.此后对asynuclein转基因PD模型的研究方兴未艾,已有研究者成功建立了变异型asynuclein(A53T或AaOP)或两者兼有的转基因PD模型.此外,McNaught等19将蛋白酶体抑制剂注人

19、大鼠黑质部,抑制细胞内asynuclein降解,大鼠出现动作迟缓,头向对侧倾斜和阿扑吗啡诱导的旋转行为,组织学表现为黑质DA能神经元死亡,asynuclein聚集的核周包涵体形成.这些事实有力地支持asynuclein与PD的发生密切相关.asynuclein是把PD的遗传因素和环境因素结合起来的纽带,了解asynuclein聚集形成Lewy体的过程和影响因素,以及明确asynuclein聚集是PD变性疾病的原因还是与疾病相伴随的结果,将为进一步深入了解PD的发病机制提供全新的见解.在以后的研究中不断地探索asynuclein聚集的机制,寻找更为有效的方法阻止其病理性沉?504?积,可能为PD

20、患者的病因治疗带来希望.参考文献1KimKS,ChoiSY,KwonHY,eta1.Theceruloplasminandhydrogenperoxidesysteminducesalphasynucleinaggregationinvitro.Biochimie,2002,84:625631.2SharonR,Bar-JosephI.FroschMP,eta1.Theformationofhighlysolubleoligomersofalpha-synucleinisregulatedbyfat-tyacidsandenhancedinParkinson'sdisease.Neur

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