于明慧 薛傲 徐紅丹 王巖 林雪 楊波 孫慧峰 張寧

阿爾茨海默?。ˋD）是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，也是最常見的癡呆類型，其標(biāo)志性病理特征包括細(xì)胞外淀粉樣β 蛋白沉積形成的老年斑，細(xì)胞內(nèi)Tau 蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)，乙酰膽堿含量降低，神經(jīng)元凋亡和突觸丟失［1］。AD 常見臨床表現(xiàn)有失憶、認(rèn)知缺陷，如失語、性格和行為改變等［2］。

在大腦中，突觸神經(jīng)元在生理功能中起著關(guān)鍵作用，對記憶的形成至關(guān)重要，而神經(jīng)元的正常功能很大程度上依賴于沿軸突的有效“貨物”運輸。軸漿運輸對維持神經(jīng)元正?；顒悠鹬匾饔?，軸漿運輸障礙會導(dǎo)致軸突腫脹，影響軸突末梢與細(xì)胞體的溝通，使突觸功能發(fā)生障礙，加速神經(jīng)元死亡，中斷細(xì)胞間的溝通，最終產(chǎn)生認(rèn)知功能障礙。新近的研究表明，AD 在早期會出現(xiàn)軸突腫脹，這一改變是由軸漿運輸障礙引起的。Guo 等［3］及Sleigh 等［4］指出，軸漿運輸缺陷與多種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)，對突觸有很大影響，影響記憶，導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙［5］。而突觸是神經(jīng)元發(fā)揮生理功能的關(guān)鍵部位，這為進(jìn)一步明確AD 的發(fā)病機制和治療靶點提供了參考。

一、軸漿運輸

與其他類型的細(xì)胞相比，神經(jīng)元最獨特的形態(tài)學(xué)特征是其極端極性和長軸突，神經(jīng)元體的直徑在5～100 μm，軸突可達(dá)1 m，以便與細(xì)胞體和軸突末端接觸。軸漿運輸也稱軸突運輸或軸漿流，其循著細(xì)胞骨架（由微管蛋白組成）進(jìn)行“貨物”的運輸、信息的交流以及能量的轉(zhuǎn)運，負(fù)責(zé)將線粒體、脂質(zhì)、突觸小泡、蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞器從一個神經(jīng)元的細(xì)胞體運送至軸突及末梢，以維持神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)［6-7］。

軸漿運輸是影響正常軸突和突觸功能的關(guān)鍵細(xì)胞過程。軸漿運輸分為順行運輸和逆行運輸，根據(jù)軸漿運輸速率的不同還可以分為快速軸漿運輸和慢速軸漿運輸［6］。慢速軸漿運輸以0.1～6 mm/d的速度移動細(xì)胞質(zhì)蛋白和細(xì)胞骨架蛋白（微管和神經(jīng)絲）；快速軸漿運輸以50～400 mm/d 的速度運輸脂肪。軸漿運輸物質(zhì)和神經(jīng)微管之間交聯(lián)的Kinesin 和Dynein，水解ATP 產(chǎn)生能量。軸漿運輸所需的能量由線粒體提供，馬達(dá)蛋白為神經(jīng)元細(xì)胞體和軸突功能提供了必需的營養(yǎng)保障。

AD 的臨床特征是失語、失憶和進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙，其發(fā)病和進(jìn)展機制尚未明確。在轉(zhuǎn)基因AD 動物模型中，突觸功能障礙和軸突病理發(fā)生在淀粉樣斑塊沉積和Tau 蛋白聚集之前，在受AD 影響的腦區(qū)觀察到髓鞘化顯著減少，提示軸突功能障礙和變性是AD 發(fā)病機制的重要組成部分。軸突和突觸的功能維持依賴于軸漿運輸，軸漿運輸使軸突和神經(jīng)末梢能夠提供蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和能量，并清除可循環(huán)或錯誤折疊的蛋白質(zhì)，以避免有毒聚集物的形成。近期研究者們已普遍提出軸漿運輸損傷或是AD 的發(fā)病原因。

二、神經(jīng)元軸漿運輸障礙與AD 之間的聯(lián)系

由于神經(jīng)元的極端極性，軸漿運輸?shù)倪m當(dāng)調(diào)節(jié)對其正常的生理功能至關(guān)重要。軸漿運輸系統(tǒng)包含微管、“貨物”、運動蛋白及其適配器，微管沿著軸突延伸，并在整個運輸過程中承擔(dān)“軌道”的作用。馬達(dá)蛋白包括Kinesin 和Dynein，沿著微管移動“貨物”，分別介導(dǎo)順行轉(zhuǎn)運和逆行轉(zhuǎn)運。

Kinesin、Dynein、微管、神經(jīng)絲和“貨物”都與神經(jīng)退行性疾病中導(dǎo)致軸突運輸缺陷的基因突變相關(guān)。這通常會導(dǎo)致運動蛋白結(jié)合的缺失或功能異常、微管失穩(wěn)、適配器蛋白募集受損或“貨物”附著。以下總結(jié)了目前發(fā)現(xiàn)的參與神經(jīng)退行性疾病中軸漿運輸障礙的3 個方面。

1. Kinesin 蛋白超家族（KIF）

在KIF 中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)14 個蛋白，它們編碼的蛋白質(zhì)所含的序列均能分別與微管和ATP 結(jié)合，其中KIF5 是參與物質(zhì)順行運輸?shù)淖钪匾鸟R達(dá)蛋白，大多數(shù)功能性KIF5 是包含2 個KIF5 重鏈和2個KIF5 輕鏈的異源四聚體，其中KIF5 輕鏈在傳統(tǒng)驅(qū)動蛋白結(jié)合和靶向各種膜結(jié)合細(xì)胞器（MBO）中發(fā)揮作用［8］。神經(jīng)元的存活和維持需要信號復(fù)合物和攜帶降解產(chǎn)物的MBO 從突觸末端和軸突返回到神經(jīng)元細(xì)胞體。許多膜結(jié)構(gòu)，如突觸小泡前體、線粒體和淀粉樣前體蛋白（APP），均通過KIF5轉(zhuǎn)運到突觸末端。KIF5 包括KIF5A、KIF5B 和KIF5C 3 個亞型，其中KIF5B 在多種組織中表達(dá)，而KIF5A 和KIF5C 是神經(jīng)組織所特有的，與線粒體轉(zhuǎn)運有關(guān)。

海馬神經(jīng)元的退行性變能夠引起AD，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些基因突變，如編碼的APP 和早老素1（PSEN1）的突變，在某些情況下，這些基因編碼的蛋白質(zhì)與軸漿運輸缺陷有關(guān)。APP 囊泡的運輸被認(rèn)為是通過APP 控制KIF5 的募集，以及通過c-JUN 氨基末端蛋白激酶（JNK）相互作用蛋白與KIF5 結(jié)合發(fā)生的。APP 和KIF5 之間的聯(lián)系可以解釋在過表達(dá)突變的轉(zhuǎn)基因小鼠中觀察到順行轉(zhuǎn)運減少的現(xiàn)象［9］。其中鈣聯(lián)蛋白導(dǎo)致的軸突運輸中斷可能是AD 的發(fā)病機制。突變的PSEN1 與KIF5介導(dǎo)的囊泡和細(xì)胞器軸突運輸?shù)膿p傷有關(guān)，這是KIF5 磷酸化的結(jié)果［10］。KIF5A 是參與細(xì)胞內(nèi)基于微管運輸?shù)尿?qū)動蛋白，廣泛表達(dá)于神經(jīng)元中，其對于維持軸漿運輸及線粒體轉(zhuǎn)運具有重要作用，敲除KIF5A 或KIF5B 會不同程度地影響海馬神經(jīng)元的興奮性和軸突轉(zhuǎn)運［11］。KIF5A 突變（SPG10）導(dǎo)致KIF5 中KHC 亞基的ATP 活性和功能異常，最終影響“貨物”沿微管的順行轉(zhuǎn)運［12］。作為軸漿運輸中重要的馬達(dá)蛋白，KIF5 起著至關(guān)重要的作用，KIF5 參與多種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運，KIF5 發(fā)生磷酸化勢必會造成軸漿運輸中斷，進(jìn)而使軸突腫脹，影響細(xì)胞間交流，造成神經(jīng)元死亡，導(dǎo)致記憶和認(rèn)知功能障礙。

2.微 管

微管是軸漿運輸?shù)墓羌懿⑶覅⑴c多種細(xì)胞活動，可以讓承載不同物質(zhì)的馬達(dá)蛋白在其中不同軌道上運行，微管參與了神經(jīng)元功能的建立和維持以及軸突的生長。微管是由α/β-微管蛋白異二聚體的聚合物組成的，每個異二聚體聚合物都與GTP 分子結(jié)合。固有的GTP 酶活性誘導(dǎo)GTP 水解，這是微管動態(tài)不穩(wěn)定性和雙向聚合所必需的。GTP與游離微管蛋白異質(zhì)二聚體的β 亞基結(jié)合，可使微管蛋白二聚體聚合成直的微管晶格［13］。任何扭曲都會導(dǎo)致微管失穩(wěn)解體，這種扭曲和微管組裝的缺陷已經(jīng)在AD患者和老年大鼠的大腦中被發(fā)現(xiàn)［11］。微管蛋白在空間平行網(wǎng)絡(luò)中組織和穩(wěn)定微管，并且可以調(diào)節(jié)軸漿運輸。微管蛋白為微管提供穩(wěn)定性，當(dāng)過度磷酸化、脫離微管時，形成不溶性聚集體，導(dǎo)致微管失穩(wěn)，改變線粒體軸漿運輸并導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。微管蛋白還可以保護(hù)微管不受微管分裂蛋白Katanin 的影響，AD 患者尸檢結(jié)果顯示其腦組織中未見微管，過度磷酸化、微管結(jié)合位點的突變或C 端截斷，微管蛋白與微管的結(jié)合能力大大降低。這些發(fā)現(xiàn)促成了一個觀點，即微管蛋白的過度磷酸化促進(jìn)了其與微管的分離，降低了微管的穩(wěn)定性［14］。

微管蛋白修飾的擾動可能導(dǎo)致微管功能障礙，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性變。其中多聚谷氨?；谏窠?jīng)退行性變中起關(guān)鍵作用。微管相關(guān)蛋白（MAP）與微管相互作用以控制微管的動力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。所謂的“結(jié)構(gòu)MAP”被認(rèn)為可以穩(wěn)定微管。在神經(jīng)元中主要的MAP 是Tau 蛋白，是AD發(fā)病的關(guān)鍵蛋白，另外還有MAP1A、MAP1B 和MAP2。另一組微管相互作用蛋白是微管切斷酶Spastin、Katanin 和Fidgetin，它們調(diào)節(jié)細(xì)胞中的微管質(zhì)量和動力學(xué)性質(zhì)。在神經(jīng)元中，這些酶在軸突生長和可塑性中發(fā)揮重要作用。微管對于維持軸突的結(jié)構(gòu)和完整性至關(guān)重要，微管的穩(wěn)定作用改善了AD 模型小鼠的軸突轉(zhuǎn)運［15］。當(dāng)微管失穩(wěn)、破裂時，軸漿運輸無法正常運行，微管依賴性運輸?shù)臏p少可能導(dǎo)致老年斑和AD 的發(fā)生。

微管是Kinesin 和Dynein 等的“跑道”。在神經(jīng)元中，這些蛋白在將“貨物”運輸?shù)讲煌膩喖?xì)胞中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從而確保神經(jīng)元的存活和功能。鑒于許多神經(jīng)元的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元運輸缺陷是人類神經(jīng)退行性疾病的共同特征也就不足為奇了。事實上，在神經(jīng)退行性疾病中，軸漿運輸缺陷和微管功能障礙可能在致病事件的上游起作用。

3.線粒體

在軸漿運輸過程中線粒體是唯一能夠產(chǎn)生ATP 的細(xì)胞器，保持線粒體的形態(tài)和動力學(xué)正常是發(fā)揮其生理功能的前提。研究表明，線粒體動力學(xué)缺陷可以引發(fā)AD、帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化和亨廷頓病等，包括阻礙代謝狀態(tài)、減少ATP生成和增強氧化應(yīng)激反應(yīng)。在創(chuàng)傷性腦損傷中，改善線粒體軸漿運輸功能障礙可能是一個新的研究方向［16］。

Miro（ mitochondrial Rho GTPases）是一種線粒體外膜蛋白，在基于微管的線粒體軸漿運輸、線粒體動力學(xué)（融合和分裂）和鈣離子穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。Miro 與Milton（一種接頭蛋白）、Kinesin 和Dynein 形成主要的蛋白復(fù)合物，對基于微管的線粒體軸漿雙向運輸有促進(jìn)作用，滿足神經(jīng)元的能量需求，維持線粒體穩(wěn)態(tài)和確保神經(jīng)元存活。改變線粒體的生物發(fā)生會導(dǎo)致線粒體軸漿運輸不當(dāng)，Miro 是唯一與線粒體軸突轉(zhuǎn)運過程相關(guān)的線粒體外膜蛋白，是AD 等多種神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵參與者之一，其可提高神經(jīng)元的存活率并充當(dāng)能量供應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。

在順行線粒體軸突轉(zhuǎn)運中，線粒體在Kinesin的幫助下從細(xì)胞體向軸突行進(jìn)，在突觸處提供ATP，這是啟動神經(jīng)傳遞、神經(jīng)元可塑性和神經(jīng)元存活所必需的［17］。鏈脲佐菌素鏈糖尿病大鼠海馬神經(jīng)元KIF5B mRNA 上調(diào)是參與異常軸漿運輸、導(dǎo)致線粒體功能受損的一個因素［18］。而在逆行轉(zhuǎn)運的情況下，線粒體運動是在Dynein 的幫助下從軸突向細(xì)胞體進(jìn)行的，目的是通過細(xì)胞體內(nèi)的溶酶體自噬清除受損的線粒體。

Dynein 可以調(diào)控軸漿運輸，對于從雙向逆行到高度單向逆行的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。在軸突中，Dynein 將信號分子TrkA 和TrkB、腦源性神經(jīng)生長因子及其受體復(fù)合物囊泡在突觸中沿軸突轉(zhuǎn)運回細(xì)胞，完成信號傳遞。Dynein 也參與突觸末端線粒體逆向運輸至胞體的過程，同時在神經(jīng)元生長發(fā)育、信號傳遞以及遷移等方面起著重要作用［19］。Dynein 是細(xì)胞運輸中必不可少的運輸?shù)鞍字?，其功能的改變可能?dǎo)致細(xì)胞生理活動的紊亂，尤其是在神經(jīng)元軸漿運輸中。線粒體Miro 和軸漿運輸中相關(guān)的蛋白之間有著不可分割的關(guān)系，線粒體受損、Kinesin 和Dynein 不能與Miro 正常結(jié)合均會引起ATP 供應(yīng)減少或不能產(chǎn)生ATP，造成“貨物”運輸堆積，導(dǎo)致軸突堵塞最終引起軸漿運輸障礙［20］。

三、結(jié) 語

綜上所述，軸漿運輸障礙可能是AD 發(fā)病前期的重要因素。神經(jīng)元興奮性突觸傳遞的改變是AD早期的重要標(biāo)志之一。軸漿運輸涉及多種神經(jīng)退行性疾病，AD 早期產(chǎn)生了軸突腫脹的病理特征，這支持了軸突運輸是治療AD 疾病進(jìn)展的潛在靶點的觀點。

從軸漿運輸?shù)臋C制出發(fā)，通過運輸關(guān)鍵蛋白Kinesin 和Dynein、運輸通道微管、運輸供能者線粒體3 個方面闡述引起軸漿運輸障礙可能的原因。微管作為軸漿運輸?shù)摹肮羌堋?，保證運輸正常運行，運輸通路上的關(guān)鍵蛋白維持運輸穩(wěn)態(tài)，而線粒體為軸漿運輸提供能量保障。軸突運輸障礙會導(dǎo)致軸突腫脹，進(jìn)一步影響軸突與細(xì)胞的聯(lián)系，引起突觸功能障礙，誘發(fā)神經(jīng)元死亡，最終導(dǎo)致記憶和認(rèn)知功能障礙。因此，對神經(jīng)元細(xì)胞軸漿運輸機制的深入研究可為防治AD 提供新思路。