β淀粉样蛋白抑制海马长时程增强机制的研究进展.pdf

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1、-淀粉样蛋白抑制海马长时程增强 机制的研究进展* 武美娜 祁金顺# 乔健天 （山西医科大学生理学教研室， 太原 030001） 摘要 认知、 学习和记忆功能的进行性下降， 是阿尔采末病 （AD） 的主要临床特征， 其发病机制一般 认为与 -淀粉样蛋白 （A） 在脑内的沉积以及由此产生的神经毒性作用有关。海马长时程增强 （LTP） 是反映突触传递可塑性的重要指标之一， 被认为与学习和记忆的形成有关。本文结合近年 来对离体、 在体以及转基因动物多方面的研究进展， 扼要介绍了 A 及其活性片段对海马 LTP 的影 响， 并从离子通道/ 受体、 蛋白激酶、 逆行信使和基因突变等方面阐述了 A 抑制 L

2、TP 的可能机制。 关键词 -淀粉样蛋白； 海马； 长时程增强； 突触可塑性 中图分类号 R338 阿尔采末病 （Alzheimers disease，AD） 即老年性 痴呆， 是一种以认知、 学习和记忆功能障碍为特征的 原发性退行性神经系统疾病， 其主要神经病理学特 征为脑内出现高密度的老年斑和神经原纤维缠结。 研究证实， 老年斑的主要神经毒性成分是 -淀粉样 蛋白 （amyloid -protein，A） 。A 是由 -淀粉样前 体蛋白 （-amyloid precursor protein，-APP） 裂解产 生的由 39 43 个氨基酸组成的多肽， 在 AD 发病过 程中起着至关重要的

3、作用。长时程增强 （long- term potentiation，LTP） 是由强直刺激作用于兴奋性突触 传入通路引起的该突触传递效率长时间增强的现 象。作为突触传递功能可塑性的表现形式， 海马 LTP 被认为与学习和记忆的形成有关。鉴于 A 在 脑内的沉积是 AD 重要的病理学特征， 学习和记忆 功能障碍是 AD 患者主要的临床表现， 近年来已有 不少关于 A 神经毒性作用尤其是损害学习和记忆 行为的研究。本文仅就 A 对海马 LTP 这一反映突 触可塑性的重要指标的影响及其作用机制， 做一概 略介绍， 以期理解 AD 时发生学习和记忆功能障碍 的细胞和分子生物学机制。 一、 -淀粉样蛋白

4、抑制海马长时程增强 大量研究结果表明， A 及其某些较短的活性片 段对海马 LTP 的诱导和维持均产生抑制作用。 （一） 离体海马脑片灌流实验 1999 年， Akio 等 使用脑内自然存在但以人工方法合成的 A1 40对大 鼠进行脑室内灌注 （300 pmol/ 天） ， 10 天后进行离 体海马脑片 LTP 记录，发现受到 A 预处理动物的 海马 CA1 区的 LTP 诱导明显受到压抑， 群集性放电 （PS）的幅度在高频刺激 10 分钟后显著低于对照 组， 这种压抑作用可以一直持续到 45 分钟后结束。 随后， Nakagami 等 （2002） 和 Chen 等 （2002） 的工作 均

5、证实， 另一种脑 内 自 然 存 在 的 A 分 子 A 1 42， 也可以明显减弱大鼠海马脑片的 LTP。并 且， A 在不导致组织形态学改变的浓度下， 就可以 明显地抑制海马的这种长时程突触可塑性， 提示 A 对海马 LTP 产生的功能性影响要早于形态学改变。 有趣的是， Wang 等 1发现， 在 A 1 42对海马齿状回 强直刺激诱导的 LTP 产生压抑的效应中， 细胞分泌 的 A 比人工合成的 A 具有更强的压抑作用，前 者发挥作用的阈浓度还不到后者的 1%。产生这种 现象的原因可能是， 具有生物活性的 A 分子低聚 物在两种不同来源的溶液中浓度不同， 人工合成的 A 溶液中 A 低

6、聚物浓度远较细胞自己分泌时低 得多。 有人比较了 A1 40、 A1 42和 A25 35三种 A 片段对海马 LTP 的作用， 发现 A25 35类似于 A1 40 和 A1 42， 不仅明显抑制了海马齿状回 LTP 的诱 导， 而且还压抑 Schaffer 侧枝-CA1 锥体细胞这一突 触传递通路上的 LTP （Chen 等. 2000） 。他们认为 A 分子中的 25 35 序列是 A 产生 LTP 压抑效应 所必需的。 本研究室近年来的系列报道提示， 用一 * 山西省自然科学基金 （2006011105） 和山西省教育厅高校 科技开发项目基金 （200341） 资助课题 # 通讯作者

7、932生理科学进展 2006 年第 37 卷第 3 期 个更短的 A 片段、 即 A31 35预处理后， 培养的大脑 皮层细胞可出现凋亡 （Yan 等. 1999） ， 因而推测 A 31 35也可以抑制离体或在体海马 LTP 的诱导， 并 且在离体实验中得到证实 （Ye 等. 1999） 。以上事 实说明， A25 35和 A31 35虽然并非脑内自然存在的 A 片段， 但可能是 A 分子产生神经毒性作用的活 性中心。 （二） 在体脑室注射实验 相对于离体实验， 在 体实验同正常的生理状态更为接近， 海马内部以及 与周围组织的神经联系得以完整保留。在这种情况 下， 观察外源性给予 A 及其片

8、段对 LTP 的影响， 能 够较准确地反映脑内沉积的内源性 A 的实际作 用。Cullen 等 （1997） 经侧脑室注射 A1 40和 A1 42 后， 发现大鼠海马 LTP 的诱导受到了明显的压抑。 Rowan 等 2和 Klyubin 等3的研究发现， 野生型和 突变型的 A1 40均可抑制大鼠海马 CA1 区的 LTP， 而外源性给予的或内源性产生的抗 A 抗体， 则能 有效阻止 A 对 LTP 的抑制作用。有人比较了 A 的 4 种片段即 A15 25、 A25 35、 A35 25和 A1 40对 大鼠海马 CA1 区 LTP 的作用， 发现 A15 25对 LTP 的诱导没有明显

9、作用， 而 A25 35和它的反转序列 A 35 25及 A1 40均对 LTP 诱导有明显损害， 并且这 种损害作用具有时间和浓度依赖性 （Freir 等. 2001， 2003） 。 （三） 转基因动物实验 已经证实， 家族性 AD 的发生与基因突变有关。因此， 与上述脑片灌流和 脑室注射外源性 A 的实验相比， 转基因动物实验 能够更准确地反映内源性 A 对 LTP 的作用。 APP 基因突变与一些家族性 AD 的发病密切相 关， 故 APP 基因突变小鼠成为最常用的 AD 动物模 型之一。研究表明， APP 基因突变动物的脑内可出 现与 AD 患者类似的神经病理学改变， 如 A 的沉积

10、 和老年斑的形成。而且， 这些动物多有海马 LTP 损 害和认知功能障碍。例如， Postina 等 4观察到， APP 突变 （V717I） 的小鼠不仅脑内沉积的 A 和老年斑 明显增多， 海马 LTP 的诱导也明显受损； 同时， 水迷 宫寻找平台的行为学实验证实， 这种小鼠的学习能 力明显下降， 寻找平台的潜伏期较对照组增加了两 倍之多。进一步研究表明， 过度表达突变 （V717F） 的人类 APP 的转基因小鼠， 在 A 沉积尚未形成前 就已经表现出 LTP 的明显受损 （Larson 等. 1999） 。 具有 APP （肽链长度为 695） Swedish 突变的转基因 鼠， 可表达

11、具有两个点突变（L670A、 M671L） 的人类 APP； Chapman 等 （1999） 发现， 这种突变虽然没有影 响小鼠海马 CA1 区和齿状回的基础性突触传递和 短时程突触易化， 但 LTP 则随年龄增长而受到严重 损害， 且 LTP 的损害与动物的学习和记忆行为的损 害密切相关。有趣的是， Klyubin 等 （2004） 比较了野 生型和两种突变的 A1 40对海马 LTP 诱导的抑制 效应， 发现有突变的 A 比野生型 A 的作用要强 100 倍左右。 但并非所有与家族性 AD 有关的转基因鼠都有 LTP 的变化。例如， 另一种具有人类 APP （长度为 751） 突变的转基

12、因小鼠， 也有两个点突变 （KM670/ 671 NL） ， 虽然有人观察到该转基因鼠出生后脑内 可逐渐形成淀粉样斑块， 并影响其认知行为； 然而 Roder 等 （2003） 使用 12 和 18 个月的该转基因小鼠 的研究并未发现海马 LTP 的抑制， 而是仅仅出现基 础突触传递功能的降低， 这提示了 LTP 和认知功能 两者之间关系的复杂性。 二、 -淀粉样蛋白抑制长时程增强的机制 A 及其有效片段影响 LTP 的作用机制非常复 杂， 目前尚未完全清楚。一般认为， 它们首先作用于 神经元的膜通道和受体蛋白质， 引起通道和受体的 功能性改变， 进而引起细胞内信号转导通路和基因 转录、 蛋白

13、表达等过程的改变， 最终影响 LTP 与学 习和记忆功能。 （一） 影响电压门控钙通道 保持细胞内钙稳 态是维持正常 LTP 的一个重要因素。全细胞电压 钳记录表明， 急性给予 A1 40或 A25 35可以显著增 强离体海马神经元的钙电流； 使用 L 型电压依赖性 钙通道阻断剂则可减轻 A 引起的海马 LTP 的损害 （Freir 等. 2003，Niikura 等. 2004） ， 这表明 A 引 起的 LTP 压抑作用可能与电压门控钙通道的激活 有关。另有证据表明， A 及其 5 肽片段 A31 35除 了促进电压门控钙通道开放外， 还能抑制电压门控 钾通道 （Qi 等. 2004） ，

14、 并且可以在细胞膜上形成新 的、 对 钙 离 子 高 度 通 透 的 阳 离 子 通 道 （ Qi 等. 2001） 。我们推测， A 可能经由这些途径导致细胞 内钙超载， 进而引起海马 LTP 的抑制。 （二） 影响 NMDA 受体 离子型 NMDA 受体对 一价阳离子和 Ca2 +具有高度通透性。有资料表明， NMDA 受体主要参与 LTP 的诱导过程， 而 LTP 的维 持既与 NMDA 受体有关， 还与非 NMDA 的谷氨酸能 受体有关。Chen 等 （2002） 发现， A1 42在抑制海马 齿状回 LTP 的同时， 还可降低齿状回颗粒细胞由 NMDA 受体介导的突触电流， 因而推测

15、 NMDA 受体 通道的抑制可能是 A 损害 LTP 的机制之一。另有 042生理科学进展 2006 年第 37 卷第 3 期 人 （Nakagami 等. 2002）发现， 用 A1 42和谷氨酸同 时对海马脑片进行预处理后， 前者对高频电刺激诱 发的 LTP 的压抑作用要比单独使用 A1 42引起的 压抑作用为强。他们推测， 使用 A1 42和谷氨酸预 处理可以损害 NMDA 受体的功能， 从而累及 LTP。 但是也有报道表明， A 对 LTP 的压抑作用可能并 非直接经由 NMDA 受体 （Ye 等. 1999） ， 而是通过干 扰其下游信号转导通路发挥作用的 （Raymond 等. 2

16、003） 。 （三）影响 N 型胆碱受体 N 型胆碱受体 （nAChRs） 在脑内参与众多生理过程的调节， 包括 LTP 的诱导和维持 （Small 等. 2002） 。除了使用烟 碱可以在海马脑片诱导出 LTP（邓春玉等. 1999） 之外， 使用 nAChRs 中一种 42 型受体的特异性激 动剂 epibatidine， 也能在活体小鼠齿状回诱导出 LTP （Matsuyama 等. 2003） ， 因而认为胆碱能 42 型受 体在小鼠齿状回 LTP 的诱导中发挥着重要作用。 采用 MAPK（mitogen-activated protein kinase）抑制 剂的实验表明， 烟碱可以

17、通过激活 MAPK 级联反 应， 在大鼠海马 CA1 区诱导出 LTP（ Wang 等. 2001） 。 已经证实， 基底前脑胆碱能神经元丧失是 AD 的一个重要病理特征。而且， 在 AD 发展过程中脑 内存在明显的 nAChRs 的功能性紊乱。除了免疫组 化实验证实 A1 42在 pmol 和 nmol 的浓度范围内分 别对 7 和 42 型受体有高亲和力以外 （Wang 等. 2000） ， 大鼠基底前脑胆碱能神经元全细胞和单通 道膜片钳记录也表明， A 可以作为大鼠基底前脑胆 碱能神经元非 7 型受体的激动剂， 通过激活 42 型 nAChRs 引起膜去极化反应和内向电流， 最终导 致钙

18、稳态失调和产生神经毒性作用 5。另有报道 表明， A 的慢性暴露可以导致 7 型 nAChRs 上调 和过度活化， 继发性地引起 ERK2 （extracellular sig- nal-regulated kinase 2） -MAPK 系统下调和该激酶下 游效应物的功能紊乱。由于 ERK2-MAPK 信号转导 系统在啮齿类动物海马 CA1 区 LTP 的晚期阶段是 必需的 （ Dineley 等. 2001） ， 所以 A 可能通过 nAChRs 或通过 MAPK 信号转导系统而最终影响 LTP。 （四） 影响其它蛋白激酶 除上述 ERK2-MAPK 系统外， 多种蛋白激酶也可能参与了 A

19、 对 LTP 的 抑制。 1. SAPK 通路： 即应激活化蛋白激酶通路， 又称 JNK （ c-Jun N-terminal kinase）信号通路， 它属于 MAPK 通路， 在细胞应激时被激活。研究发现， 此激 酶的磷酸化增强和 IL-1 的浓度增加， 与海马 LTP 的损害有关， 而 A 的作用可能通过 SAPK 磷酸化 和 IL-1 增加使下游的细胞转导通路活化， 引起细 胞凋亡， 最终损害海马 CA1 区 LTP 6； 使用 SAPK 抑 制剂则可阻止合成的 A1 42和 A25 35， 以及自然分 泌的 A 对 LTP 诱导的压抑作 用 （ Costello 等. 2004） 。

20、因此， SAPK 信号转导通路的活化可能是 A 影响突触可塑性的机制之一。 2. PKA/ CREB 通路： PKA/ CREB 通路对于记忆 的获取十分重要。有研究发现， A1 42在低于引起 细胞死亡的浓度下， 就可导致海马神经元 PKA 活性 的快速而稳定的下降， 导致谷氨酸诱发的 CREB 的 磷酸化减弱。例如， Vitolo 等 7在小鼠海马脑片 LTP 的实验中证实， A1 42对 LTP 诱导的压抑作用可能 是通过抑制腺苷酸环化酶的活化， 使细胞内 cAMP 水平降低， PKA 失活， 最终使转录因子 CREB 不能 磷酸化而启动转录所致。 3. 其它与 MAPK 有关的通路：

21、p38 MAPK 和 p42-p44 MAPK 属于 MAPK 家族的不同亚型， 前者 参与炎性反应和细胞死亡过程， 而后者是与生长相 关的刺激引起的信号转导通路的中间组分。Wang 等 1发现使用高选择性的 p38 MAPK 抑制剂可以阻 断 A1 42对 LTP 诱导的压抑作用， 而使用 p42-p44 MAPK 抑制剂则无效。据此推测， A 可能通过 p38 MAPK 信号转导途径及其下游的促炎性通路而导致 LTP 的抑制。此外， 属于丝氨酸-苏氨酸激酶的 Cdk5（cycline-dependent kinase-5） 的活化 1，以及 CaMKII 自身的磷酸化 （Zhao 等. 2

22、004） ， 也参与 A 引起的海马 LTP 的抑制。 （五） 逆行信使的参与 在中枢神经系统， NM- DA 受体的活化诱导钙离子依赖的一氧化氮合酶 （NOS） 的激活和 NO 的释放， 继而激活鸟苷酸环化 酶合成 cGMP， 这是调节 LTP 的一个重要因素。有 研究发现， AD 脑内老年斑附近细胞内的诱生型一 氧化氮合酶 （iNOS） 水平明显升高 （Wallace 等. 1997） ； A 还可以导致胶质细胞内的 iNOS 的产生 （Akama 等. 2000） ； 敲除小鼠 iNOS 基因或使用选择 性的 iNOS 抑制剂后， A 对海马 LTP 的抑制作用便 不能实现 8。由此证实

23、， 在 A 抑制 LTP 诱导的过 程中， iNOS 可能发挥着重要作用。与此同时， 通过 减少超氧化物的来源和增加超氧化物的降解， 均可 削弱 A 对 LTP 诱导的抑制作用。据此， Wang 等 8 推测， A 可能通过作用于某种受体， 使胶质细胞活 142生理科学进展 2006 年第 37 卷第 3 期 化、 产生 NO 和超氧化物， NO 和超氧化物结合产生 的过氧亚硝酸盐可以对诱导 LTP 必需蛋白质产生 氧化和酪氨酸硝基化反应， 从而导致 LTP 诱导的抑 制。但是， 关于 NO 在 A 压抑 LTP 中的介导作用 也有相反报道。Chalimoniuk 和 Strosznajder

24、 （1998） 使用大鼠海马、 大脑皮层和小脑脑片的研究发现， A 25 35可以明显降低 NMDA 受体调节的钙和钙调 素依赖的 NO 合成， 从而损害 NO 和 cGMP 信号转导 通路。因此， 有关 A 抑制海马 LTP 的过程中逆行 信使 NO 水平的改变及其意义， 仍有待进一步研究。 （六） 影响基因表达 Dickey 等 9使用 APP + PS1 双重转基因小鼠的研究发现， 该小鼠的大脑皮 层和海马中与 LTP 和长时记忆相关的一些突触后 活动有关的基因 （包括 Arc、 Zif268、 NR2B、 GluR1、 Homer-1、 Nur77/ TR3） 的表达出现了选择性下调；

25、 一些和炎症相关的基因的表达水平则上调； 而作为 突触前末梢和神经元标记的基因 （包括 synaptophys- in、 neurofilament-M、 synapsin-1 和 synaptotagmin V） 的 表达没有改变。这些结果提示， APP + PS1 小鼠所 以不能巩固记忆， 可能是由于过表达的 A 通过与 一条或多条信号转导通路相互作用而使神经元活性 普遍下降， 选择性下调了一些与记忆相关的基因， 尤 其是突触后基因的表达所导致。 三、 结语与展望 综合以上报道， 可以初步得出以下结论：（1） 外 源性给予 A 及其有效片段或转基因动物高表达的 内源性 A， 均可抑制动物在

26、体或离体海马 LTP 的 诱导和维持， 从而累及学习、 记忆等认知过程。这至 少可以部分地解释 AD 患者出现的学习和记忆功能 障碍；（2） A 压抑 LTP 的神经毒性作用的机制是相 当复杂的， 可以经由某些已知的电压/ 配体门控通道 或未知的膜受体， 干扰细胞内 Ca2 +稳态， 改变 PKA、 MAPK 和 SAPK 等蛋白激酶的活性， 选择性下调与 记忆有关的突触部位， 主要是突触后某些特殊蛋白 基因的表达， 而有些机制在细节上目前尚不清楚。 因此， 有效地防止或逆转 A 对 LTP 乃至认知功能 的伤害， 除了需要进一步阐明 A 作用的各种机制 外， 尚需阐明它们之间的内在联系。目前

27、， 根据已知 的 A 损害 LTP 的作用机制， 通过设计有效的药物 和采取多途径进行联合干预， 以保护细胞膜和细胞 内各种信号转导途径免受 A 的伤害， 有可能成为 改善 AD 患者认知功能和防治 AD 的一个新突破 口。当然， 减少脑内 A 的来源， 封闭 A 发挥毒性 作用的活性中心， 仍然是解决问题的关键。可以肯 定， 人类对 AD 发病机制， 特别是 A 影响突触可塑 性和认知功能的深入研究， 其意义已经不仅仅局限 于防治 AD 本身， 其研究成果也将有助于揭示人脑 高级功能的奥秘。 参考文献 1 Wang Q，Walsh DM，Rowan MJ，et al. Block of lo

28、ng-term potentiation by naturally secreted and synthetic amyloid beta- peptide in hippocampal slices is mediated via activation of the kinases c-Jun N-terminal kinase，cyclin-dependent ki- nase 5，and p38 mitogen-activated protein kinase as well as metabotropic glutamate receptor type 5. J Neurosci，20

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