SOD1G93A基因突变型家族性ALS的发病机制的研究进展

SOD1G93A基因突变型家族性ALS的发病机制的研究进展摘要：肌萎缩侧索硬化（amyotrophiclateralsclerosis,ALS）是一种涉及上、下运动神经元的退行性神经系统疾病。病人的肌肉萎缩，最终死于呼吸衰竭。该病的好发年龄主要是中年，近年来也有青少年发病。该病的治疗能够提高患者的生活质量，减轻患者家属的负担。本文介绍最近的ALS发病机制的研究进展，以此阐明发病机制，为治愈ALS的治疗提供靶点。关键词：ALSSOD1G93A肌萎缩侧索硬化症（muotrophiclateralsclerosis,ALS），又称卢塞尔病(LouGehrick‘sdisease)，最早于1869年被描述为运动神经元疾病(运动性Neuorn病，MND)。ALS是一种影响上运动神经元（脑、脑干、脊髓）和下运动神经元（脑核、脊髓前角细胞）及其对躯干神经支配的身体形态。该病男:女=1.0~1.6:1。约90%~95%的ALS为散发性ALS，称为散发性肌萎缩侧索硬化症(SALS)，家族肌萎缩性侧索硬化症（fals）约占5%至10%。到目前为止，已有20多个基因/位点与ALS相关。C9orf72、SOD1、TARDBP和FUS的突变是最常见的ALS致病基因。SOD1基因突变在fALS中占20%，在部分sALS中也有SOD1突变。其中SOD1突变是ALS的主要致病因素，导致SOD1蛋白质聚集、错误折叠和不稳定。其发病机制尚不明确，有以下几种学说氧化损伤理论、氨基酸兴奋性毒性理论、细胞凋亡、线粒体损伤、轴浆转运异常理论、内质网应激理论。本文将对SOD1G93A基因突变型ALS的发病机制进行综述。1.线粒体损伤 线粒体是能量代谢的场所，它通过有氧呼吸产生ATP，SOD1突变导致蛋白凝集物，堵塞了线粒体的运输通道,从而使线粒体的功能缺失，引起线粒体损伤，从而引发凋亡因子凋亡运动神经元,造成神经退行性疾病。线粒体呼吸链是线粒体参与ALS发展过程中氧化应激的主要靶点。解偶联蛋白-3(UCP-3)是维持线粒体内环境稳态平衡的关键蛋白。UCPs缺乏可能会导致线粒体功能失调的加快，引起ATP合成降低、氧化应激增加，增加了影响神经可塑性和神经传递风险引起多种神经退行性疾病，如：癲痫、帕金森病、老年痴呆症等。它已被证明参与抗氧化应激，线粒体功能保护和最终细胞死亡。房娉平等人发现，随着ALS的发展，UCPS蛋白和mRNA的表达显著增加[1].UCP-3的表达增加是一种缓解氧化应激的保护措施，同时它可诱发肌肉损伤和代谢紊乱，随着时间的推移导致ALS小鼠氧化应激损伤。2.内质网应激2.1内质网是细胞中重要的细胞器。它参与蛋白质的加工和合成，当内质网中未加工的蛋白质含量超过内质网的蛋白折叠能力，就会使其中没有被折叠蛋白发生堆积，形成内质网应激。[1]它可以表现为未折叠蛋白反应、内质网相关降解和细胞凋亡。[1]其中未折叠蛋白质反应是由一个内质网分子伴侣GRP78/BIP和三种重要的信号通路分子PERK，IRE-1，ATF6介导。ALS内质网过度应激可以通过该途径诱导细胞凋亡。[1]当内质网出现应激时，内质网分子伴侣grp78/bip与三个受体蛋白分离，从而激活信号通路。ATF6(转录激活因子)是一种Ⅱ跨膜蛋白。[1]BZip是细胞质中一种特殊的转录因子，在非内质网应激的情况下，在内质网中可能存在部分不活跃的结合伴侣蛋白BIP。[1]激活后与免疫球蛋白结合蛋白分离，随后运送到高尔基内被酶解，并且被活化，转运到细胞核后可以增强一系列靶基因的表达。异常激活内质网应激反应原件结合因子（ERSE），最终导致运动神经元凋亡，可导致ALS。2011年孟凤琴等人发现SOD1G93A小鼠脊髓运动神经元中细胞核中有ATF6的运动神经元数量明显增多。[2]2007年TetsuyaNagata等人发现在SOD1G93A小鼠脊髓运动神经元中p-PERK及p-eIF2α在ALS发病前期（12周）时表达增高[2]2.2众所周知，钙离子的释放和凋亡前因子表达的增加，jnk途径的激活，CHOP途径，和内质网应激所特有的caspase途径激活可以引起内质网应激。PERK通过诱导核转录因子（CHOP）表达诱导细胞凋亡。[3]2012年，敦旺欢等发现，在ALS症状的早期，Caspase-12有明显的变化，终末期运动神经元的数量随着病情的发展而显著减少。[3]李晓琎等人发现在ALS的中期和后期脊髓中Caspase-3阳性的细胞比前期多[4]。3.神经元周围胶质细胞的异常小胶质细胞(MG)活化时，既保护神经元也会损坏神经元。激活的小胶质细胞对机体起保护作用的同时，也会释放一些超氧阴离子，一氧化氮，兴奋性氨基酸和一些神经毒素，会导致神经元死亡。3.1它介导神经炎症是导致神经退行性疾病的重要机制之一。发现M1促进了神经元炎症的发展。M2抑制炎症发展，起保护作用。而在体外活化的小胶质细胞会产生大量的兴奋性氨基酸来毒害神经元，也会分泌一些蛋白酶，使神经元损伤坏死。3.1.1Notch信号通路是对细胞的正常形态分化、凋亡、形成、增殖产生影响的重要过程，还涉及到突触的塑造，神经元节点的信号通路是影响微胶质细胞激活的重要机制。他可以让小胶质细胞处于静息状态，激活这个信号通路，它能加速小胶质细胞的炎症反应，以此来损伤神经细胞.张皓云等人发现随ALS疾病进展，Notch2信号分子的表达在脊髓退变过程中有明显变化[6]。3.1.2肿瘤坏死因子-α（TNF-α）是由巨噬细胞产生的一种促炎细胞因子，它参与炎症反应和天然免疫反应。对神经系统也起着重要的维持作用。TNF-α与神经胶质增生和多发性硬症等神经性疾病，都有些些许关系。在完好无损的中枢神经系统中，TNF-α参与多项生理过程，包括突触可塑性、学习记忆、睡眠、食物和水的摄入等等。在中枢神经系统受损后，有利的一面是它会促进神经营养因子的分泌，但也有有害的一面，主要是星形胶质细胞和小胶质细胞释放大量的TNF-α。韩笑峰等人通过免疫荧光学等技术发现SOD1G93A小鼠中TNF-α的含量增加，且随着病情的发展水平逐渐上升[12]。3.1.3尹云霞等人通过对有关小鼠小胶质细胞的实验发现，随着SOD-1-G93A转基因小鼠的病程的发展，MG的数量显著增加,活化显著，在病程末期达到最高峰。小胶质细胞增生的部位与疾病受损部位一致,还发现增生程度与病变的严重程度成正相关[5].3.2其中的氨基酸毒性理论，是因为兴奋氨基酸是中枢神经系统的兴奋性神经递质，而谷氨酸是中枢神经系统中含量最高、分布最广、作用最强的兴奋性神经递质，假如脑组织中的谷氨酸含量下降，中枢神经就会产生兴奋抑制，但是如果兴奋性氨基酸的含量过多就会对神经系统产生神经毒性,即兴奋性毒性作用KobayakawaY等人发现脊髓前角神经元和树突状Cx36的下调通常发生在遗传性和偶发性ALS的早期。在运动神经元退化的早期阶段，没有谷氨酸信号的cx36生成的电突触比其他化学突触和有谷氨酸信号的电突触更容易受到损伤，提示cx36生成的电突触参与了ALS的发病过程。[16]4.氧化应激4.1氧化应激是指体内氧化与抗氧化的不平衡且倾向于氧化。产生大量氧化中间产物，其中包括超氧阴离子、羟基自由基和过氧化氢，RNS包括一氧化氮、二氧化氮等。机体存在两类抗氧化系统，一类是酶抗氧化系统，包括超氧化物歧化酶(SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px）等；另一类是非酶抗氧化系统。有实验证明，氧化应激诱导的细胞凋亡可能与nf-kappab的激活以及c-myc和fa-fasl基因的激活有关。[15]血红素加氧酶1（HO-1）是哺乳动物细胞内血红素降解的限速酶.它与氧化应激密切相关.HO-I促进血红素分解生成具有抗氧化功能的物质如胆红素、一氧化碳、亚铁离子。陈相等人发现在转染人SODl-G93A的PCI2细胞中通过免疫印迹观察到转染后的PC12细胞中HO-1的表达量比正常细胞高[8]。4.2铁蛋白(ferritin)是核转录因子(nuclearfactorerythroid2-relatedfactor2,Nrf2)下游的一种抗氧化蛋白由L链和H链组成，它具有保护组织细胞免受氧化损伤的功能。MaryK.发现脊髓组织中铁蛋白L链和H链的mRNA在4个月龄时的SOD1G93A小鼠中表达升高。[9]张丽发现在SOD1G93A小鼠中FerrinH的表达增高[9]。4.3腺苷酸活化酶蛋白激酶（AMP-activatedproteinkinase,AMPK）可以通过激活下游靶蛋白来调节葡萄糖和脂质的代谢。隋艳玲等人发现在SOD1G93A小鼠神经干细胞中MAPK/Pax3/5P3通路激活异常增多使细胞在遇到氧化应激时更容易凋亡。pi3k是pi3k/akt凋亡途径的重要信号[10].朱玲等人发现pi3k在萎缩肌肉纤维膜上有显著表达[11]。5.保护神经元的机制受损5.1sirt1是一种依赖nad+的去乙酰基酶，在体外和体内神经退行性疾病模型中起了保护神经元的作用。SIRT1的神经保护作用与其催化活性无关。LK诱导的细胞凋亡实验表明，长寿蛋白(sirt-1)能保护神经元免受突变性亨廷顿毒性的影响。虽然它本身的催化活性并不是必需的，然而，sirt1介导的保护并不依赖于hdac1去乙酰化酶的活性。虽然有研究表明SIRT-1的催化活性具有神经保护作用，但近期研究表明，SIRT-1脱乙酰酶的活性在小脑颗粒神经元中并不重要，还发现HDAC-1参与了SIRT-1的神经保护作用。于莎莎等人发现在SOD1G93A小鼠的运动皮质与腰髓中SIRT1的表达随病情的发展而增高，起到一定的保护作用。[18]6.神经元的变化及ALS的发病进程6.1Neuropilin1是Semaphorin3A的重要受体，也是血管内皮生长因子的共同受体。神经元的损伤可以引起中枢神经Neuropilin1和Semaphorin3A表达增加，外周神经系统表达减少。KörnerS等人在转基因SOD1G93A小鼠脊髓神经中发现Neuropilin1表达增加，肌肉组织中Neuropilin1和Semaphorin3A表达减少。[19]6.2神经诱导的肌肉收缩调节脑源性神经营养因子/原肌球蛋白相关激酶B(BDNF/TrkB)信号逆行调节突触前蛋白激酶PKC和PKA，它们直接参与调节乙酰胆碱释放。Just-BorràsL等人发现BDNF/TrkB信号,下游PKC(cPKCβI、cPKCαnPKCε亚型),和PKA(监管和催化亚基)和一些陷阱/SMexocytotic机械(Munc18-1和SNAP-25）在有症状的ALS小鼠肌肉中受到很大的影响，包括BDNF和TrkB亚型之间的不平衡，PKC亚型和PKA亚基之间的不平衡，以及Munc18-1和SNAP-25磷酸化比率、TrkB的变化。T1andcPKCβI早熟地观察到小鼠发生前症状。[17]7.错误折叠的SOD17.1GillC等人发现可溶性错误折叠的SOD1在受影响最严重的区域表达最多，由此得出可溶性错误折叠的SOD1可能是ALS的致病因素，而聚集的SOD1可能以神经保护的方式隔离了有毒物质[20]。7.2成熟的SOD1中含有氧化二硫键，氧气是该键形成所必须的，KeskinI等人发现，在低氧条件下培养病人来源的星形胶质细胞和诱导多能干细胞来源的混合运动神经元和星形胶质细胞培养物(MNACs)会导致还原键断裂和SOD1紊乱的增加。该结果表明，氧分压是决定ALS患者SOD1稳定性的重要因素。由此可以证明在血管灌注减少可以促进病情的发展。[21]综上所述，可能每一种发病机制都在疾病的发生发展过程起了相应的作用。只有明确了疾病的致病基因，并且了解该基因的功能，从而了解疾病的发病机制，才能为疾病的诊断提供有力的依据、为疾病的治疗提供相应的靶点。参考文献 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