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关于小热休克蛋白与阿尔茨海默病病理机制的研究进展

2020-09-08 271 上传者：管理员

关键词：
半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶
小分子
淀粉样β肽类
热休克蛋白质类
阿尔茨海默病
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阿尔茨海默病的病理表现以细胞外老年斑、细胞内神经原纤维缠结为特征,其中β淀粉样蛋白(Aβ)和tau蛋白的异常聚集是最为重要的致病因素[1]。Aβ是由淀粉样前体蛋白水解产生的低分子短肽,在AD脑内以多种形式存在,包括相对可溶性单体、寡聚体、原纤维和成熟纤维,寡聚体和Aβ原纤维尤其具有毒性,Aβ参与神经元死亡,与认知功能下降密切相关[2]。根据Kampinga等发明的人类热休克蛋白家族命名方式,目前HSP分为以下几类:HSPH、HSPC、HSPA、DNAJ、小热休克蛋白,以及伴侣家族HSPD/E和CCT。sHSP家族目前由11个成员组成,其特征是具有保守的C端α晶体结构域,能够与不正确折叠的蛋白质相互作用,进而维持蛋白质网络平衡。在骨骼肌和心肌中,许多sHSP成员都高表达,大多数是几个sHSP共同存在,有时sHSP也单独表达,许多其他组织中(比如星形胶质细胞、肿瘤细胞)也发现sHSP表达。在体外培养的细胞外液中检测到sHSP家族成员的存在,这可能暗示sHSP和Aβ在大脑细胞外液环境中相遇后相互作用,而不是在细胞内液中相互作用。清除或减少毒性蛋白质异常聚集一直被认为是AD的潜在治疗策略,蛋白质平衡网络在保护正常蛋白质与处理毒性蛋白质之间保持着微妙的平衡[3]。蛋白质平衡网络包括调节蛋白质生物发生、折叠、转运和降解的各种途径。核糖体合成后,新生的多肽链适当折叠并组装成稳定的天然蛋白质结构,然而,大约30%新合成的蛋白质错误折叠,有较高的聚集倾向。而作为分子伴侣的sHSP以ATP依赖的方式协助内质网中新生多肽链的折叠、再折叠和循环,不可逆错误折叠的多肽通过内质网相关蛋白酶降解而被清除,从而维持正常细胞蛋白质的稳态[4]。本研究将重点介绍不同sHSP(HSPB1、HSPB5、HSPB6、HSPB8)在AD病理机制中的作用,特别是sHSP与Aβ及tau蛋白的相互作用机制。最后,简要介绍目前与sHSP相关的AD潜在治疗靶点。

1、sHSP的神经保护机制

作为伴侣分子,sHSP通过调节新合成多肽的正确折叠以及参与成熟蛋白质转运和降解,从而维持正常细胞蛋白质的稳态。sHSP水平在细胞应激期间显著升高,有助于防止错误折叠、部分变性蛋白质的额外构象变化和自聚集。当蛋白质平衡受到干扰时,细胞试图通过快速热休克反应,介导sHSP水平提高来增强细胞伴侣能力[5]。这种在应激时细胞诱导分子伴侣的产生是由热休克因子调控的[6]。热休克因子除在应激时诱导分子伴侣产生外,也是细胞生长和分化的重要调节因子。

在生物体老化的过程中,蛋白质降解系统的活性随着年龄增长而降低,这就导致易聚集、易错误折叠蛋白质的积累。由于神经元应激时的细胞保护反应较其他细胞(如胶质细胞)要弱得多,这可能解释了神经元为何更易受到错误折叠蛋白质的损害[7]。因此,可以得出这样一个结论:与年龄相关的蛋白质质量控制能力的全面下降导致蛋白质发生错误折叠,参与多种神经退行性疾病的发病过程[8]。

“膜传感器”假说阐述了sHSP与细胞质膜的作用关系:首先质膜的物理性质和微区结构对热休克反应激活起着至关重要的作用[9,10]。另外,由于应激因素可以影响膜的流动性,并使膜蛋白变形,因此认为质膜是在应激条件下和在病理状态下损伤的敏感靶点。另有研究表明,提高膜的流动性可导致不同的sHSP激活[11]。sHSP通过保护细胞免受氧化还原反应损害,维持细胞骨架稳定,从而促进细胞存活。此外,sHSP还能直接抑制凋亡途径的多个步骤[12]。比如,sHSP抑制线粒体中促凋亡分子的释放,同时阻止半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的激活[13]。因此有学者认为,sHSP可能是凋亡信号通路中重要的抑制因子。

2、不同sHSP参与AD的发病机制

2.1HSPB1

HSPB1与tau蛋白前体以一种微弱的作用相结合,从而延缓tau纤维形成,但具体机制仍在研究中[14]。然而,HSPB1必须在其磷酸化与去磷酸化形式中动态循环,才可以发挥清除脑内tau蛋白的作用,而当这一特性受到损害时,HSPB1甚至可能会促进可溶性tau在脑中的积累。

长时程增强作用,又称长期增益效应,是发生在两个神经元信号传输中的一种持久的增强现象,能够同步刺激两个神经元。这是与突触可塑性—突触强度改变能力相关的几种现象之一。由于记忆被认为是由突触强度改变编码的,长时程增强作用被视为构成学习与记忆基础的主要分子机制之一[15]。Tóth等[16]通过设计过表达HSPB1转基因小鼠,发现AD模型对照组小鼠神经元兴奋性明显增强,长时程增强作用受损,小鼠学习和记忆能力都有所下降,而HSPB1过表达AD模型组小鼠则无明显的神经元兴奋性增强,且长时程增强作用未见明显受损,小鼠学习和记忆能力明显优于对照组,证明HSPB1过表达通过改善神经元长时程增强作用的受损,从而改善AD导致学习与记忆功能下降的症状。

2.2HSPB5

HSPB5最初在眼晶状体中被发现,它对维持眼睛屈光性和晶状体透明性都有重要作用。随后,广泛的研究表明,它在心脏中高表达,并且对心脏有保护作用[17]。在大脑中,HSPB5表达虽然较低,但相关研究显示,HSPB5发挥着神经保护作用。例如,与野生型老鼠比较,缺乏HSPB5小鼠在实验性脑卒中后显示出更大的梗死面积,而且对实验性自身免疫性脑脊髓炎的反应更强烈[18]。

与许多的sHSP相似,HSPB5可以通过与Aβ纤维单体结合而抑制其伸长,从而阻止Aβ形成,减轻其毒性作用[19]。虽然各种sHSP相互作用,履行其共同的伴侣类功能,但是越来越多的证据表明,单一家族成员显示出其特有的功能。例如,HSPB5还具有抗凋亡功能和抗炎作用,与细胞骨架蛋白相互作用维持细胞稳定性,在神经元中发挥相应的作用。

Bartelt-Kirbach等[20]特异过表达海马神经元中的单个sHSP,发现HSPB5在提高树突状结构的复杂性方面发挥作用。HSPB5水平升高增加了树突状结构的复杂性,但对轴突的生长和突触密度无影响。这种刺激作用依赖于HSPB5的磷酸化,而HSPB5的非磷酸化突变体并没有表现出这种作用。同时,相关研究表明,HSPB5存在于不同的细胞区,即轴突、树突和突触中都有HSPB5表达,而这种表达是依赖于磷酸化作用的[21]。此外,HSPB5还可以防止热休克时发生的树突状结构的稀薄化。AD患者海马神经元树突状细胞减少,其特征是树突状细胞总长度较低,分支减少。而HSPB5的这种特性能够保护树突状结构的完整性,从而减轻AD的病理特征。综上,HSPB5在长期维持树突状结构和神经元连接中起着重要作用,这对于大脑的正常运作以及学习和记忆至关重要。

2.3HSPB6

从既往的研究来看,HSPB6在骨骼、心脏和血管平滑肌中都有高水平表达,一直是心血管研究领域的研究热点,它的作用大致可分为抗缺血、抗凋亡和抗肥厚[22]。但最近越来越多的研究报道了HSPB6的神经保护作用。

在人体死亡后的细胞培养实验中,死后AD脑的病理改变显示,HSPB1、HSPB5和HSPB6皆在细胞外有表达,在正常脑实质中也可检测到HSPB6,而在老年脑的枕部、大脑皮质和海马区HSPB6明显过度表达,并与Aβ具有高度相似的定位。因此猜测HSPB6可能是由Aβ水平升高所致的细胞应激反应的一部分。另外,HSPB6可与Aβ结合,防止毒性聚合物的堆积,而与游离的Aβ肽比较,HSPB6-Aβ复合物对细胞无毒性损伤。HSPB6与Aβ聚合物相互作用甚至可以使Aβ的溶解性增加,从而导致毒性Aβ聚合物的清除[23]。而磷酸化HSPB6与Aβ的相互作用要更强一些[24]。Lee等实验发现,在HSPB6高表达时不具有抑制Aβ聚集和减弱其毒性的作用,而HSPB6在较低水平时可以减少Aβ纤维的形成,且在与Aβ1〯1摩尔比浓度下可以降低Aβ的毒性,这提示我们HSPB6也是影响AD进展的至关重要的因素。

2.4HSPB8

HSPB8是最近才被研究的一种sHSP,它有典型的α-晶体结构域,并且可以与其他的sHSP相互作用。它的伴侣活性已经在体外实验中被证明,HSPB8能阻止多谷氨酰胺蛋白质聚集。除骨骼肌和平滑肌以外的组织都有HSPB8表达,在几种神经元细胞中也观察到HSPB8表达,比如说脑灰质、白质和脑血管中的大血管细胞。

与HSPB6类似,HSPB8亦被证明具有与Aβ结合的能力,参与减少β片状结构形成,并且影响Aβ介导的毒性蛋白质对脑血管细胞的损害[25]。最近有研究表明,上调HSPB8表达可能是一种减轻运动神经元变性损伤的潜在治疗策略。

值得一提的是,HSPB8与Aβ的结合是具有选择性的[26]。Aβ根据其片段大小不同分为Aβ1-42和Aβ1-40,其中Aβ1-42发生“荷兰型”突变(22号染色体上谷氨酸突变为谷氨酰胺)形成突变型D-Aβ1-42。相关研究结果表明,HSPB8与D-Aβ1-42的结合能力远远强于Aβ1-42,而典型老年斑主要的病理成分是D-Aβ1-42,弥散性老年斑主要病理成分是Aβ1-42,这也就解释了为什么HSPB8仅出现在典型老年斑病变中,而在弥散性老年斑中却未被发现。

3、未来的发展研究方向及可能存在的治疗靶点

保持蛋白质稳态对于维持细胞正常形态至关重要,并且是癌症、神经变性和心血管疾病等多种疾病的病理学基础。既往的研究结果表明,应激转录因子及其效应因子的调节是在细胞水平进行的,所以对疾病信号传导通路进行系统的了解是具有研究价值的,这些信号传导通路会帮助我们更加明确蛋白质平衡网络以及sHSP的细胞作用机制。此外,全基因组方法和高分辨率染色质分析等新研究技术的应用将能够揭示sHSP通过核小体重构,染色质状态和转录因子协同作用对AD的保护作用机制[27]。

sHSP在神经保护机制方面的新成果为开发合理的AD防治方法提供潜在治疗靶点。相关动物模型实验表明,羟肟酸衍生物,如双氯洛莫、阿莫克洛莫是sHSP的共诱导剂,它们作用于脂质,从而稳定细胞膜的结构。羟肟酸衍生物作为一种新型的膜插层化合物,在膜脂治疗中有着重要的应用前景。大多数sHSP受蛋白激酶A磷酸化调控,而且已知磷酸二酯酶抑制剂显著增加这种磷酸化作用,磷酸二酯酶抑制剂有希望通过此途径提供AD治疗靶点。同时,他汀类药物可上调sHSP,由此可以假设他汀类药物可以降低老年人AD发病率和增加短暂缺血再灌注后细胞存活率,他汀类药物上调sHSP表达的可能性仍有待进一步研究。

综上所述,多种sHSP对于AD均可发挥神经保护机制,然后我们目前对于sHSP在AD病理机制中作用的研究并不透彻,且未达成共识,这将成为我们今后的研究发展方向。现有AD的治疗药物疗效有限,sHSP对AD病理保护作用可为其提供新的治疗靶点。

胡杨,彭茜,王倩,邹文颖,陈卓友.小热休克蛋白与阿尔茨海默病病理机制的研究进展[J].中华老年心脑血管病杂志,2020,22(09):1004-1006.