李雅娟,孫姣姣,劉廣益*,于 洋*

(1.重慶醫(yī)科大學附屬永川醫(yī)院,重慶 永川 402160;2.西南醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院組織胚胎學教研室,四川 瀘州 646000)

1 蛋白酪氨酸磷酸化與阿爾茨海默病概述

酪氨酸激酶使蛋白酪氨酸磷酸化,催化磷酸基團從ATP轉移到蛋白底物酪氨酸殘基上使其磷酸化,酪氨酸激酶分兩個亞組:受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases,RTK)和非受體酪氨酸激酶(nonreceptor tyrosine kinases,NRTK),分別在細胞的不同位置,受體酪氨酸激酶是一種跨膜蛋白,而非受體酪氨酸激酶在細胞內,包括胞質酪氨酸激酶與核內酪氨酸激酶[1]。目前已發(fā)現(xiàn)有50多種不同的RTKs,主要類型包括表皮生長因子(epithelial growth factor,EGF)受體、血小板生長因子(plateletderived growth factor,PDGF)受體、胰島素和胰島素樣生長因子-1(insulin like growth factor-1,IGF-1)受體、神經生長因子(nerve growth factor,NGF)受體、Eph受體家族等。RTK的結構基本相似,胞外一段糖基化肽鏈是與配體結合的結構域,通過疏水性的跨膜區(qū)與胞內含有的酪氨酸激酶活性端結合,這些膜結合受體被生長因子、細胞因子、激素等激活。RTK激活后主要通過PI3K/Akt,Ras/Raf/ERK1/2,STAT途徑將細胞外信號轉導至胞質并進入細胞核,從而對各種生物過程進行調控,例如細胞增殖分化、存活和細胞周期調節(jié)。非受體酪氨酸激酶(NRTK)有Src家族、Tec家族、JAK家族、Abl家族等[2]。其中Abl和Src激酶具有十分重要的意義。Abl蛋白激酶家族(Abl1,Abl2)將多種細胞外刺激與調控細胞生長、存活、侵襲、粘附和遷移的信號傳導途徑相聯(lián)系[3]。Src的一些家族成員普遍表達,例如Src、Fyn,而其他家族成員更具組織特異性,例如Lyn在造血細胞表達,Lck存在于免疫系統(tǒng)的特定細胞內,最常見于T細胞中[4]。酪氨酸激酶廣泛分布在體內,其中一些對特定器官具有特異性,例如EphA4在海馬組織中,c-Abl在顳皮層結構中高度表達[5]。

圖1 蛋白酪氨酸磷酸化信號通路Figure 1 Protein tyrosine phosphorylation signaling pathways

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種神經系統(tǒng)退行性疾病,具有隱匿發(fā)病、進行性發(fā)展的特點。年齡是AD的最大風險因素,隨著年齡的增長,患有老年癡呆癥的可能性也會增加。在臨床上,它的特征是廣泛的癡呆,例如記憶力減退,認知喪失,失語,判斷力、執(zhí)行功能障礙和行為改變,其病因尚不確定。疾病進程與Aβ聚集和Tau蛋白的異常磷酸化有關。它們與蛋白酪氨酸磷酸化信號通路密切相關,酪氨酸磷酸化信號通路在AD的特征性病理改變中起著重要作用。研究多數(shù)集中在PDGF受體、IGF-1受體、神經生長因子受體家族、Eph家族等受體酪氨酸激酶和胞質酪氨酸激酶中的JAK家族、Src家族的激酶Fyn,以及核內的Abl激酶等非受體酪氨激酶。所以,在此對以上主要的蛋白酪氨酸磷酸化相關的信號通路與AD的關系作簡要綜述。

2 蛋白酪氨酸磷酸化信號通路與AD

2.1 NRG1/ErbB4信號通路

神經調節(jié)蛋白1(neuregulin-1,NRG1)及其受體ErbB2/ErbB3和ErbB2/ErbB4異二聚體或ErbB4同源二聚體介導神經發(fā)育的多種信號通路[6]。一些研究表明,通過調節(jié)NRG1/ErbB4信號可以減輕AD的病理生理學特征,改善AD動物模型中的認知缺陷,NRG1/ErbB4信號傳導與空間學習和空間記憶有關[7]。用NRG1處理APP/PS1轉基因小鼠,通過激活ErbB4依賴性PI3K/Akt途徑抑制APP/PS1轉基因小鼠的神經細胞凋亡[6],并通過激活ErbB4防止可溶性Aβ1-42誘導的突觸的長時程增強(longterm potentiation,LTP)損傷[4]。慢病毒載體過表達全長I型或III型NRG1于AD小鼠的海馬中,結果都改善了Morris水迷宮行為任務的缺陷,神經病理學也得到了顯著改善,Aβ肽和斑塊的水平顯著降低。此外,還發(fā)現(xiàn)I型和III型NRG1的可溶性胞外域顯著增加了神經元培養(yǎng)物中Aβ降解酶腦啡肽酶(neutral endopeptidase,NEP)的表達[8]。還有報道在腦室內注射NRG1減輕了13個月大的Tg2576小鼠(一種AD動物模型)的認知障礙,NRG1減輕了Tg2576小鼠腦中樹突棘數(shù)量的減少,這一結果在Aβ1-42誘導的大鼠原代海馬神經元同樣得到了證實[9]。NRG1還可以保護神經元免受低氧損傷[10]。這些結果表明NRG1通過減輕AD腦中樹突棘密度和神經發(fā)生的減少,從而具有治療AD的潛力。

2.2 IR/IGF-1信號通路

胰島素和胰島素樣生長因子受體1型為四聚體糖蛋白,兩個α和兩個β亞基構成,是跨膜酪氨酸激酶受體家族成員[11]。在大腦中,胰島素樣生長因子信號傳導對于神經元生長,突觸維持和神經保護是至關重要的[12]。生理條件下,胰島素與其受體結合會觸發(fā)胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)的磷酸化,從而激活PI3K/Akt通路,促進神經元生長,神經元存活,突觸可塑性,學習和記憶等。此外,活化的受體酪氨酸激酶使銜接蛋白Shc聚集,隨后通過級聯(lián)反應激活ERK1/2,ERK信號也參與學習和記憶[13]。在AD中,(1)IR和IGF-1直接參與Aβ的代謝和清除,IR可增加Aβ分泌,Aβ寡聚體誘導JNK活化,導致銜接蛋白IRS-1的磷酸化和降解,IRS缺乏導致胰島素抵抗。(2)胰島素抵抗降低Aβ降解胰島素降解酶(insulin degradation enzyme,IDE)的表達,降低的IDE進一步降低了IDE對Aβ降解,使Aβ累積增多。(3)IRS-1(Ser 312和316)的磷酸化抑制胰島素對糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)活性的調節(jié),這導致Tau的過度磷酸化進一步增加,增加了異常的Tau磷酸化[14]。最近研究表明,IGF-1還可通過調節(jié)脈絡叢血-腦界面的轉運或產生Aβ載體來增強腦Aβ的清除[15]。

2.3 PDGF/PDFGR信號通路

PDGF是半胱氨酸結合型生長因子家族,在神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞中合成[16]。PDGF家族包含五個功能性亞基,它們是A-、B-、C-和D-多肽鏈的二硫鍵連接的同源或異源二聚體,即PDGF-AA、PDGF-AB、PDGF-BB、PDGF-CC和PDGFDD[17]。這些生長因子通過受體酪氨酸激酶與其同源受體PDGFR-α和PDGFR-β結合,促進其在細胞上的生物學功能。PDGF的結合刺激PDGFR二聚化,進一步啟動細胞內信號傳導。有研究報道,AD患者血漿和腦脊液中PDGF-BB和可溶性PDGFR-β水平均升高,反映了PDGF-BB/PDGFR-β軸功能障礙[18]。PDGF-BB在調節(jié)神經祖細胞的增殖和分化中起著重要作用,而神經祖細胞在神經退行性疾病,例如AD的細胞替代治療中具有巨大潛力[19]。近年來,PDGF-CC也參與各種神經退行性疾病如AD、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)和肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)的治療[20]。

2.4 BDNF/TrkB信號通路

腦 源性神經營養(yǎng)因子 (brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是神經營養(yǎng)家族成員,屬于支持神經元存活和發(fā)育的蛋白質家族[21]。該家族還包括神經生長因子(nerve growth factor,NGF)、神經營養(yǎng)因子-3(neurotrophin-3,NT-3)和神經營養(yǎng)因子-4/5(neurotrophin-4/5,NT-4/5)[22]。BDNF和TrkB受體通常在成年哺乳動物大腦中表達,其中TrkB主要在大腦皮層、嗅球、海馬、丘腦、黑質、下丘腦、齒狀回、紋狀體中表達,海馬和皮層含量很高。有研究報道BDNF在AD大腦中減少,而BDNF在調節(jié)認知和記憶方面起著重要作用,可以增強突觸的神經發(fā)生和神經傳遞,促進突觸生長,并調節(jié)突觸的可塑性,BDNF還誘導海馬長時程增強,這對記憶形成很重要[23]。BDNF的受體包括低親和力的p75和高親和力的TrkB受體。BDNF與TrkB受體特異性結合,一條路徑通過激活細胞外ERK1/2信號通路,激活PLC-γ,產生DAG和IP3,激活ERK,從而導致Rsk2或Msk1激酶活化,進一步使CREB磷酸化。另一路徑激活PI3K/AKT信號通路,發(fā)揮其對神經細胞的保護作用[24-25]。抑制BDNF/TrkB通路會增加炎癥細胞因子表達,并激活JAK2/STAT3通路,導致轉錄因子C/EBPβ上調。這會導致δ-分泌酶表達增加,導致APP和Tau被δ-分泌酶斷裂和神經元丟失[26]。因此,BDNF/TrkB通路受到了研發(fā)人員的廣泛關注,成為探索治療AD的新希望。目前成功篩選出了靶向TrkB受體的候選藥BrAD-R13,相關研究證實,BrAD-R13可以激活腦內TrkB及其下游信號通路,提高學習、記憶能力,有望成為延緩AD發(fā)病發(fā)展進程的新型藥物。還有研發(fā)人員生成了淀粉樣蛋白β-蛋白特異的CD4 T細胞(Aβ-T細胞),經過基因工程處理表達BDNF,然后將其注射到AD的5×FAD小鼠模型中。結果發(fā)現(xiàn)分泌BDNF的Aβ-T細胞有效遷移到淀粉樣斑塊,從而使皮質中的斑塊顯著降低,降低神經毒性炎癥[27]。BDNF缺乏與AD的進展有關,所以腦內遞送BDNF是一種有前途的治療方法。

2.5 Eph信號通路

Eph受體是脊椎動物最大的酪氨酸激酶家族,分為兩個亞組:由9個成員組成的EphA受體(Aphrin A1-8和EphA10)和5個EphB受體(EphB1-4和EphB6),在成熟哺乳動物腦內大量表達,對成熟的神經元具有重要的調節(jié)作用[28-30]。研究表明,Aβ可能會誘導Eph受體減少,重新獲得Eph受體功能可以防止Aβ寡聚體引起的神經毒性,在AD發(fā)病機理中作為潛在的治療靶標[31]。目前的研究主要集中在EphA4和EphB2,突觸喪失是AD的主要病理標志之一。酪氨酸激酶受體EphA4參與了樹突棘形態(tài)發(fā)生,突觸形成和成熟,對于突觸功能至關重要[32]。Vargas等[33]研究發(fā)現(xiàn),暴露于Aβ寡聚體的神經元在培養(yǎng)中,EphA4被過度激活并通過c-Abl激酶相關信號途徑,使樹突棘丟失和突觸受損。EphB2通過增加海馬神經元的突觸NMDA受體水平和下游p38 MAPK和CREB信號傳導,保護海馬神經元免受Aβ1-42寡聚物的毒性[31]。而敲低海馬星形膠質細胞中EphB2可通過抑制APP/PS1小鼠中絲氨酸的分泌來改善突觸功能[34]?？扇苄訟β寡聚體通過從神經元表面消耗NMDA型谷氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)來干擾突觸功能,而受體酪氨酸激酶EphB2的過表達可以抵消該過程[35]。EphB受體已被研究證實與阿爾茨海默病等神經系統(tǒng)疾病相關,因此可能會成為臨床干預性的潛在治療。

2.6 Aβ-PrPC-mGluR5-Fyn信號通路

可溶性淀粉樣蛋白-β寡聚體(Aβo)引發(fā)阿爾茨海默氏病,Aβ寡聚體可通過與細胞表面朊病毒蛋白(prion protein,PrPC)結合,PrPC在神經元突觸后富集,只有共表達代謝型谷氨酸受體mGluR5,才能使PrPC結合的Aβ激活Fyn。Fyn信號引起mGluR5的NR2B亞基的酪氨酸磷酸化,然后表面NMDAR損失,Pyk2和eEF2持續(xù)激活。通過Aβo-PrPC-mGluR5復合物的信號轉導導致樹突棘損失,急性暴露于Aβo激活依賴PrPC、mGluR5和Fyn的神經元信號通路,破壞神經元功能[36-38]。Fyn還可以促進Tau過度磷酸化,之前研究報道AD患者腦組織中Fyn蛋白水平升高,尤其是小腦和海馬體中[39]。而Fyn激酶活性的抑制可使小鼠突觸功能和記憶力的改善[40]。AZD0530能有效抑制Fyn并阻止Aβ誘導的Fyn信號傳導,靶向Fyn可以逆轉AD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)的記憶缺陷,并挽救突觸密度的喪失[41]。因此,AZD0530是一種有希望的候選藥物,可能是治療AD病理學的可行靶標。

2.7 JAK-STAT信號通路

JAK-STAT信號通路是細胞因子刺激的信號傳導通路,參與許多重要的生物學過程,例如細胞增殖,分化,凋亡和免疫調節(jié)[42]。與其它信號通路相比,傳遞過程相對簡單,主要由三個部分組成:酪氨酸激酶相關受體、酪氨酸激酶JAK和轉錄因子STAT。JAK是非跨膜的酪氨酸激酶,其家族由4個成員組成:JAK1、JAK2、JAK3和Tyk2。STAT在信號轉導和轉錄激活上起著重要作用。當前,已經發(fā)現(xiàn)STAT家族的六個成員,即STAT1-STAT6。STAT蛋白可以在結構上分為以下功能區(qū)段:N-端保守序列、DNA結合區(qū)、SH3結構域、SH2結構域及C-端的轉錄激活區(qū)[43]。結合臨床數(shù)據,通過全基因組關聯(lián)研究(Genome-Wide Association Studies,GWAS),最新研究表明AD的程度與JAK-STAT途徑中的分子參與遺傳關聯(lián)的強度相關。使用四個獨立的RNA表達數(shù)據集,找到了AD中JAK-STAT途徑基因調節(jié)改變的證據[44]。還有研究發(fā)現(xiàn)在5xFAD小鼠腦中Aβ斑塊沉積之前,小膠質細胞中有明顯的炎性激活,細胞因子水平發(fā)生改變,并且JAK-STAT通路相關蛋白質上調,可溶性Aβ水平顯著增加[45]。這些結果表明JAK-STAT信號通路與AD有密切聯(lián)系。

2.8 calpain-2-PTPN13/c-Abl信號通路

calpain-2-PTPN13/c-Abl途徑,鈣蛋白酶-2(calpain-2)激活通過PTPN13/c-Abl途徑增加Tau磷酸化,最近發(fā)現(xiàn)大腦中的兩種主要鈣蛋白酶同種型,證據表明鈣蛋白酶-1(calpain-1)和鈣蛋白酶-2(calpain-2)在生理和病理條件下發(fā)揮相反的功能,這可能與它們不同的C末端PDZ結合序列有關。calpain-1是誘導海馬LTP和某些形式的學習記憶所必需的,而calpain-2激活限制了LTP和學習記憶[46-47]。有研究發(fā)現(xiàn),反復腦震蕩或TBI后促進纏結形成并加速AD病理學的發(fā)展。TBI后,calpain-2切割PTPN13,激活c-Abl并觸發(fā)Tau酪氨酸磷酸化和Tau寡聚體形成,TBI后施用鈣蛋白酶-2選擇性抑制劑減少TBI誘導的鈣蛋白酶-2激活,Tau酪氨酸磷酸化和Tau寡聚體形成,最終減少Tau蛋白聚集和AD發(fā)病[48]。

3 小結與展望

AD作為一種以認知學習障礙為主要臨床特征的慢性神經退行性疾病,是老年癡呆的最主要病因,迄今為止沒有有效的治愈方法。蛋白酪氨酸磷酸化信號通路作為調節(jié)神經元細胞丟失和凋亡的重要信號轉導途徑,可能是AD治療的新方向。大量實驗研究表明,異常的酪氨酸磷酸化信號通路在AD中造成的神經細胞損傷機制中起著重要作用。酪氨酸激酶抑制劑如達沙替尼阻斷Src和Lyn和馬賽替尼阻斷c-kit,可對AD所造成的細胞損傷進行修復并具有直接的神經保護作用,為治療阿爾茨海默病提供了新的希望與方向[49-50]。