1、钙与神经退行性变?156?国外医学医学地理分册 2007 年 12 月第 28 卷第 4 期钙与神经退行性变王洪权(介评)胡海涛(审校)(西安交通大学医学院人体解剖学与组织胚胎学系,陕西西安 710061)摘要:适当控制细胞膜和细胞区室间的钙流量,对神经元发挥基本功能起决定性作用,包括对轴突生长和突触发生的调节,突触传递与可塑性以及细胞存活.在人的衰老过程中尤其是在神经变性的疾病,细胞内钙调节系统受累而导致突触机能障碍,神经可塑性受损和神经元变性.氧化应激扰乱能量代谢和疾病相关蛋白的聚集(如淀粉状蛋白等),反过来影响钙稳态.细胞膜,内质网和线粒体钙调蛋白改变与年龄相关的神经元机能障碍和疾病相关
2、.衰老对神经元钙调节的有害作用引起或影响神经退行性疾病危险的遗传与环境因素双重调节.更好的阐明促进或阻止衰老过程中钙稳态的细胞和分子机制,或许能帮助人们找到治疗干预诸如阿尔茨海默病,帕金森病和中风等神经性疾病的新方法.关键词:阿尔茨海默病;淀粉样蛋白;细胞凋亡;内质网;帕金森病;N 一甲基一 D 一天冬氨酸;早老素中图分类号:Q582;11741.02 文献标识码:B 文章编号:1001 8883(2007)o4 0156O51 钙与神经元凋亡神经元是能够以受控的时空方式来快速传递电化学信号的一类可兴奋性细胞.钙是调节神经元对化学与电刺激的许多生理反应的胞内信使分子.通过细胞膜上电压依赖性和配
3、体依赖性而内流的钙是突触前端释放神经递质和突触后神经元反应的重要信号.直接激活 a 一氨基 3 一羟 5 一甲基恶唑丙酸(AMPA)与 N 一甲基一 D 一天门冬氨酸(NMDA)受体通道和电压依赖性钙通道(VDCC),可以引起细胞质内主要的中枢神经系统兴奋性神经递质谷氨酸浓度的升高.同时,有报道 AMPA,NMDA 或 VDCC 的拮抗剂可以保护中枢神经系统神经元免受谷氨酸介导的神经元凋亡.另外,与 GTP 结合蛋白(即 Gql1)相偶联的亲代谢性谷氨酸受体的激活能够刺激在内质网内激活钙通道的肌醇三磷酸(IP3)的释放.Ca2+经细胞膜的 Na/Ca+转运体,细胞膜和内质网的 Ca 抖一 AT
4、P 酶和钙结合蛋白(如钙结合蛋白 calbindin 和小白蛋白等 )的激活从细胞浆内释放出.诸如 calbindin 这样的钙结合蛋白通过缓冲细胞内的 ca+负荷来行使其作为内源性的对抗兴奋性蛋白.正常生理状态下细胞内 Ca+浓度仅仅瞬时性收稿日期:2007 一 O9 一 O7作者简介:王洪权(1979 一),男,内蒙古兴安盟人,在读硕士研究生,主要从事中枢神经系统退行性疾病发病机制及防治研究.审校者:胡海涛,教授,博士生导师,主要从事神经发育与衰老神经生物学研究.升高对神经元没有副作用.但在病理状态下(正常老化过程中更隐袭),神经元缺乏控制 Ca+流量的能力以及从 Ca+负荷中恢复的能力
5、.氧化应激是参与神经元钙稳态失调和神经元凋亡的重要因素.氧化应激的来源包括氧化磷酸化过程中产生的超氧负离子自由基,由超氧化物歧化酶催化的超氧化反应中产生的过氧化氢,由 Fe+与 Cu+催化的氢氧化反应中产生的羟基和氧化亚氮与超氧化物相互作用而产生的过氧化亚硝酸盐.独特的钙稳态失调是膜结合性氧化应激(MAoS),其典型包括由羟基和过氧化亚硝酸盐脂质过氧化.MAOS 破坏离子激动型 ATP 酶,谷氨酸和葡萄糖运载体的功能,从而通过 NMDA 受体和 VDCC 来促进膜去极化与 Ca+内流.因此,氧化应激使神经元对兴奋性中毒的 Ca 介导的细胞凋亡更为敏感,此过程中谷氨酸受体过分激活,虽然细胞内钙浓
6、度升高超过限度.一项以 2 种不同类型的内质网 Ca.+通道,IP3 受体和兰尼碱受体阻滞剂可以保护神经元免于兴奋性损伤的研究显示了兴奋性中毒过程中从内质网释放的 ca+的作用.另外,线粒体对神经元钙稳态的调节起重要作用,遗传和药理上处理增加线粒体内 Ca 抖螯合可以保护神经元免于兴奋性损伤.研究者已经在内质网和线粒体内定位了几种可以保护神经元免于 Ca2+介导的细胞凋亡的蛋白,包括内质网内的葡萄糖调节蛋白 78,Bcl 一 2 和疱疹蛋白以及位于线粒体的锰超氧化物歧医学医学地理分册 2007 年 l2 月筮墨鲞筮化酶(MnSOD)Bcl 一 2 和解偶联蛋白.Ca+是怎样杀死神经元的 ?相当
7、多的证据显示,几个不同的交叉放大的级联来解释作用.首先,Ca2+直接或间接激活被称为钙蛋白酶的半胱氨酸蛋白酶(caspase),从而降解一系列底物,包括细胞骨架蛋白质,膜受体和代谢酶.钙蛋白酶因其具有激活 caspase 能力而或许在触发凋亡级联反应发挥重要作用.其次,Ca 介导氧化应激,此过程通过几种不同机制来实现,包括激活如花生四烯酸级联中的加氧酶,干扰线粒体内 Ca 与能量代谢和诱导MAOS.谷氨酸介导的 Ca 内流反应过程中产生的活性氧簇(ROS)包括超氧阴离子基团,过氧化氢,羟自由基,氧化亚氮和过氧化亚硝酸盐.第三,Ca+触发程序性细胞死亡 ,即细胞凋亡.此机制可能是因为 Ca2+介
8、导的诸如 gax,Par 一 4 和 p53 凋亡前蛋白的诱导或激活而导致线粒体膜的通透性改变,释放出细胞色素 C,最终导致 caspase 激活.2 衰老与神经元钙稳态紊乱与其他大多数组织一样,神经系统的自然老化程序与持续增加的氧化应激和损坏线粒体功能的细胞内能量代谢紊乱有关.通过对不同年龄的动物脑细胞的氧化应激和线粒体功能的检测显示,动物老化过程中蛋白质,脂质和 DNA 的氧化修饰增加的同时,线粒体功能降低.患者,动物和细胞培养模型的研究数据证实,氧化应激的枢纽性作用可在阿尔茨海默病(AD),帕金森病(PD),亨廷顿病(HD), 中风和相关神经退行性疾病的发病过程中损坏能量代谢.不同的疾病
9、具有不同的由氧化应激引起的特异性分子改变,例如 AD 中产生淀粉样蛋白改变,PD中线粒体功能改变,HD 中的突变的亨廷顿蛋白中风中发生局部缺血.而不同的疾病 ROS 的产生以及他们对神经元的功能和活力的影响后果则是相同的.超氧化物,过氧化氢,羟基,氧化亚氮,过氧化亚硝酸盐都参与所有主要的神经退行性疾病.ROS能够直接损害蛋白质和核酸,从而导致钙稳态失调.相应的例子包括过氧化亚硝酸盐介导 VDCC 与NMDA 受体修饰和对线粒体 DNA 的氧化损伤.神经元消耗相当大部分能量来维持跨膜离子梯度:细胞膜的 Na+/K+和 Ca 一 ATP 酶以及内质网膜上的 Ca 抖一 ATP 酶是主要的 ATP
10、库.中枢神经系统正常老化过程中线粒体产生 ATP 的效率有所降低.氧化应激和谷氨酸受体的激活以及膜去极化的延长都可以耗尽神经元的 ATP,因而消减离子激动的 ATP 酶活动和促进钙超载.局部缺血脑损伤可能是钙超载的机制的典型代表,钙超载在中风导?157?致的神经元损伤的过程中发挥重要作用.谷氨酸受体拮抗剂,VDCC 阻滞剂和细胞内 Ca+螯合剂在实验性中风模型中可以保护神经元.因为线粒体是神经元 ATP 和 ROS 的主要来源,代表了在神经元老化过程中是否能经受住损伤或疾病而发挥中枢性作用的细胞器.研究者已经研究了线粒体能量多相过程中 ROS 和 Ca 代谢.几种调节或保护神经元免于 ca.+
11、介导细胞凋亡的线粒体蛋白包括细胞凋亡前蛋白(Bax 和 Bad),调节细胞通透性的抗凋亡蛋白(Bcl 一 2 和 BclxL)和降低线粒体产生 ROS 的解偶联蛋白.膜的去极化和通透性,Ca 抖超载以及释放诸如细胞色素 C 和凋亡诱导因子的凋亡蛋白的线粒体改变,这些都是 AD,PD,HD,肌萎缩性脊髓侧索硬化(ALS)和中风的发病机理.内质网改变与神经元衰老相关性机能失调以及变性相关.以错误折叠蛋白聚集和不可控性 Ca释放为特征的内质网应激参与衰老相关性变性条件下的神经元机能障碍和凋亡.神经元 Ca 抖失调,氧化应激和代谢损害促进内质网机能失调.已经明确在特定神经变性的条件下,内质网机能失调促
12、进中风后神经元的凋亡.3 钙稳态失调参与神经退行性疾病对患者,动物和细胞培养的研究数据充分证实,Ca 调节改变参与了中风和慢性神经退行性疾病的发生.中风是世界范围内老年致残和凋亡的主要原因.细胞内 Ca+稳态失调对中风后神经元的凋亡发挥枢纽性作用证据确凿.中风动物模型的受累脑区神经元表现出 Ca+依赖性蛋白酶的活性增高 ,而钙蛋白酶抑制剂可以保护神经元免于局部缺血性损伤.动物和细胞培养模型的研究明确显示,局部缺血的神经元发生 Ca 十超载.谷氨酸受体 VD(的激活以及 Na/Ca+转运体和和离子激动的 ATP酶的损害参与中风后的神经元 Ca+超载和细胞凋亡.对来自神经退行性疾病患者的组织的分析
13、显示,Ca 抖稳态失调参与神经变性的进程.例如与AD 患者脑组织内不含有神经原纤维缠结的神经元相比,含有神经原纤维缠结的神经元游离 ca+和与蛋白质相结合的 ca 十的数量增加以及 Ca+依赖性蛋白酶的活动增强.AD 实验模型的研究显示,谷氨酸受体的过度激活可以诱导与在神经原纤维缠结看到的相同的细胞骨架改变.AD 中 B 淀粉样前蛋白(APP)的代谢发生改变:B 一和/或丫分泌酶的切割作用增强可以增加具有神经毒性的 8 一淀粉样前体蛋白(AI3)的产生增多 .在大多数晚发性的 AD?158?中,随着年龄的增长,氧化应激,代谢损害和炎症反应促进 Ap 产生的增多.A 通过由 Cu+和 Fe+催化
14、而产生的 ROS 来破坏神经元的 Ca+稳态.AB聚集在细胞膜表面,由 AB 寡聚物产生的 ROS 诱导MAOS,后者损害膜 Na+/K+一和 Ca 抖一 ATP 酶以及葡萄糖和谷氨酸转运蛋白的功能.AB 的后者活动可以增加细胞基础 Ca+水平,增强神经元对兴奋性中毒和凋亡的敏感性.A0 诱导脂质过氧化,此过程中通过产生 4 一羟一 2,3 一壬酸(HNE) 的机制来干扰 Ca 抖稳态,而 HNE 在半胱氨酸,赖氨酸和组氨酸残基位点来共价修饰蛋白.HNE 可以修饰和损害离子激动的 ATP 酶,葡萄糖转运蛋白 GLUT3 和星形胶质细胞谷氨酸转运蛋白 GLT 一 1 功能.在 AD患者组织标本中
15、变性的神经元中检测到了持续增高的 HNE 水平,甚至脑脊液中也持续增高.除了诱导氧化应激外,A0 寡聚物也可以通过在细胞表面形成 ca+传导性孔道来破坏 ca+稳态.对来自 PD,HD 和 ALS 患者的中枢神经系统组织的分析表明,细胞 Ca+超载在这些疾病易损的神经元凋亡中发挥作用.兴奋性中毒和 Ca+诱导的氧化亚氮过度产生促进 PD 多巴胺能神经元凋亡.在 PD,表达相对比较高水平的钙结合蛋白和钙视网膜蛋白的多巴胺能神经元显示出对变性退化有抵抗力.HD 中受累的中间棘状神经元表达低水平的 Bel 一 2 和小清蛋白(parvalbumin),与纹状体的神经元相比,其对兴奋性中毒的敏感性更高
16、.与对照鼠相比,表达突变亨廷顿蛋白转基因小鼠的中间棘状神经元当暴露于谷氨酸时线粒体的 Ca+超载增强.Ca+稳态失调有助 ALS 运动神经元的凋亡的证据包括脊髓组织切片的激光活化显微探针质量分析和文献表明的 ALS 对照受试者运动神经元的Ca+含量明显增高,对 ALS 有抵抗的运动神经元高表达 Ca+结合蛋白,运动神经元可以因为兴奋性中毒机制而凋亡,以及利鲁唑是唯一有效的减缓 ALS靶向性兴奋性中毒进程的药物.另外,MAOS 通过以上的机制也可以发生在 PD,HD 和 ALS 受累的神经元,而且有可能都破坏三者的 Ca.+稳态.神经退行性病变的显着特征是细胞内外异常蛋白的聚集,他们参与其发病进
17、程.慢性抑制线粒体复合体一 I 可以导致与神经元细胞的凋亡相关的 a 一突触核蛋白的聚集.表达引起 PD 的突变型 a 一突触核蛋白的转基因小鼠许多脑区表现出细胞内 a 一突触核蛋白的聚集以及神经元变性.同样,当突变型 a 一突触核蛋白在大鼠黑质的细胞中时,多巴胺能神经元内有 a 一突触核蛋白包涵体出现 ,神经元变性国夕医学医学地理分册 2007 年 12 月第 28 卷第 4 期和细胞凋亡.a 一突触核蛋白和亨廷顿蛋白的突变或许可以通过蛋白聚集加速细胞凋亡以及通过蛋白酶体的清除受损.与 AB 相反,研究者才刚刚起步研究哪种聚集的蛋白以哪种机制破坏 Ca+稳态,现在人们还很少了解 a 一突触核
18、蛋白 ,帕金蛋白,DJ 一 1和亨廷顿蛋白的突变是怎样影响神经元 Ca 调节系统的.然而,氧化应激的诱导和膜整合性的破坏或许参与其中.4 遗传因素,Ca 抖失调和神经退行性变遗传学家的工作对于阐明年龄相关性神经退行性疾病的神经元机能障碍和凋亡的机制是非常宝贵的.细胞培养和表达引起相关疾病的突变的小鼠的研究数据支持神经元 Ca+稳态失调在神经元的凋亡中的作用.一些遗传性早发性 AD(FAD)的病例是由 APP 和早老素一 1 或早老素一 2 的突变引起.APP 突变可以增加具有神经毒性的 B 一淀粉样前蛋(AB)的产生增多,通过诱导 MAOS 来破坏神经元Ca+稳态.引发 AD 的早老素突变导致
19、内质网Ca+调节异常,此过程以内质网对 IP3 反应而释放Ca+和通过质膜通道 Ca+内流的能力增强为特征.Stutzmann 等的研究提供了令人信服的证据表明,早老素一 1 突变引起兰尼碱受体水平增高和 Ca+内流或由 IP3 储存释放,后一种异常的结果包括增加神经元对兴奋性中毒,代谢和氧化损伤的脆弱性.也有报道说引发额颞叶痴呆的 Tau 突变通过经VDCC 增强 Ca+内流的机制来破坏 Ca+稳态.与携带有载脂蛋白 E2 或 E3 相比,携带有载脂蛋白 E 一 4(ApoEP 一 4)的个体增加了患 AD 的危险性.哪种 ApoEs 修饰 AD 神经变性进程的机制,部分涉及影响 Ca+稳态
20、.ApoE 一 4 可以直接放大Ca+信号.ApoE 一 4 清除 4 一羟基壬酸(4 一hydroxynonena1)的效率较 E 一 2 和 E 一 3 低表明,携带有 ApoE 一 4 的个体保护细胞免于年龄和疾病相关性的 MAOS 的能力受到损害.几种基因的突变与早发 PD 有关,它们包括 a 一突触核蛋白,帕金蛋白和 DJ 一 1.在培养的神经元中已经显示,PDa 一突触核蛋白通的突变可以通过增加膜离子的通透性来破坏 Caz+稳态 .帕金蛋白突变与突触囊泡相关蛋白的突触结合蛋白 xI 相互作用,表明帕金蛋白突变有潜在的损伤突触信号转导的机制.HD 是因亨廷顿蛋白基因三核苷酸(CAG)
21、重复扩展而发病,聚谷氨酰胺重复扩展(repeatexpansions)对 HD 患者细胞,培养细胞和表达突变亨廷顿蛋白转基因小鼠的研究支持 Ca+稳态失调在 HD 神经元变性过程中发挥作用.HD 患者淋巴母细胞和 HD 小鼠的线国外医学医学地理分册 2007 年 12 月第 28 卷第 4 期粒体 Ca+调节发生异常.突变亨廷顿蛋白加强HD 鼠中间棘状纹状的神经元的 NMDA 受体活动.另外,突变亨廷顿蛋白与 IP3 受体结合,从而增强内质网内 Ca+的释放.ALS 脊髓运动神经元的选择性易损性部分是由于他们具有大的体积和 AMPA受体和 VDCC 独特的代偿作用.Simpson 等的研究提供了重要的证据表明,细胞 Ca+超载在没有ALS 的运动神经元的凋亡中发挥中枢性的作用.Cu/ZnS()D 的突变是一些遗传性 ALS 的病因.培养的神经元和转基因小鼠表达 Cu/ZnSOD 突变时,致使神经元更易受氧化应激和兴奋性中毒的损伤.ALSCu/ZnS0D 突变破坏突触葡萄糖和谷氨酸的转运,致使神经元更易受局部缺血损伤.钙结合蛋白小清蛋白的过度表达可以保护运动神经元,并延缓 ALSCu/ZnSOD 突变小鼠的发病.通过 AMPA 受体通道内流的钙参与 ALS 运动神经元的损伤,并通过 Cu/ZnSOD 的错误折叠和集聚来损伤神经元.5 饮食,生活方式与神经元的易损性
