细胞骨架与神经退行性疾病

张 蕊，苑玉和，赵 明，陈乃宏

(1.中国医学科学院北京协和医学院药物研究所，北京 100050;2.天津中医药大学，天津 300193)

神经退行性疾病主要包括阿尔采末病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、Huntington舞蹈病(Huntington disease)、不同类型脊髓小脑共济失调(spinal cerebella ataxias)、肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis)及脊髓肌萎缩症(spinal muscular atrophy)等。

研究发现神经退行性疾病是由多种原因导致的，包括神经元营养供应不足，轴突传递功能受损、谷氨酸受体活性过高、活性氧水平过高、代谢通路受损、线粒体功能障碍、错误折叠蛋白质聚集、炎症、病毒感染、细胞核或线粒体DNA突变等因素。虽然诱发这些疾病的病因和病变部位不尽相同，但都有一个共同特征，即发生神经元退行性病变和凋亡。

1 细胞骨架概述

在真核细胞中，细胞骨架是位于真核细胞胞核和细胞膜内侧面的一种纤维状蛋白基质，这些纤维状结构在细胞内呈网状、束状或带状等不同形态。细胞骨架由微丝(microfilament)、微管(microtubule)和中间纤维(intermediate filament)构成。三者高度协调分布，与胞核、质膜、细胞器相连，构成了细胞骨架形态和运动协调系统。微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。微管确定膜性细胞器(membraneenclosed organelle)的位置和作为囊泡膜泡运输的导轨。中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力［1］。微丝系统除肌动蛋白纤维外，还包括许多微丝结合蛋白，它参与形成微丝纤维高级结构，对肌动蛋白纤维的动态装配具有调节作用，以行使特定的功能。

微管除微管蛋白外，组成微管的化学成分还包括一些其它蛋白质，通常称为微管相关蛋白。它们对细胞骨架空间构建及细胞形态形成具有重要作用。

中间纤维(intermediate filaments，IFs)是最稳定的细胞骨架成分，在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连接，主要起支撑作用。

2 细胞骨架与神经退行性疾病

2.1细胞骨架与阿尔采末病(Alzheimer’s disease，AD)阿尔采末病是以老年斑、神经纤维缠结(neurofibrillary tangles)、突触密度减少和神经元丢失为主要病理改变的神经退行性疾病。

神经元纤维缠结中的主要成分是大量异常磷酸化的纤维状tau蛋白。Tau蛋白作为一个促使微管装配的微管相关蛋白，主要分布在神经元轴突中。其主要功能包括两个方面:一是促进微管的形成。tau蛋白结合的微管蛋白可作为微管组装早期的核心，进而促进其他微管蛋白在此核心上延伸聚集形成微管。二是保持微管的稳定性［2］。

Tau蛋白是可以磷酸化的蛋白，过度磷酸化可降低其稳定性及其与微管结合的能力。在病理状态下，tau蛋白与微管结合的平衡被破坏。而且tau蛋白过度磷酸化，可从轴突微管上解离下来，形成聚集，异常的tau蛋白最终沉积并聚集在神经细胞的微丝中形成神经纤维缠结NFTs。

另外，tau纤维丝可以选择性抑制驱动蛋白介导的顺向快速轴突转运(fast axonal transport FAT)，并引起驱动蛋白与囊泡的解离［3］。药理学实验表明tau纤维丝对于FAT的这种作用是由蛋白磷酸酶1(protein phosphatase 1，PP1)和糖原合酶激酶3(glycogensynthase kinase 3，GSK3)介导的。Trimmer等［4］用杂交细胞制成AD的模型，实验观察到神经元突触末端囊泡缺失，而胞体囊泡堆积，线粒体运输速度减慢或停滞，这些现象都证明微管依赖的囊泡转运发生了障碍。

由以上研究发现，在AD患者脑中，tau蛋白不再与微管结合，而是在神经元中缠结成双螺旋细丝，tau蛋白丧失其促微管组装的生物学功能，导致细胞骨架的破坏、丝状物形成和神经缠结;由于神经元的微管、马达蛋白的异常改变，轴突运输发生了障碍，使重要物质无法运输到轴突末梢，影响轴突末梢与胞体的交流，使突触功能失调，导致神经元死亡，细胞间通讯中断，最终导致认知功能发生障碍。这可能是AD的发病原因之一。

2.2细胞骨架与帕金森病(Parkinson＇s disease，PD)PD是人类常见的神经退行性疾病之一，又称震颤麻痹，其主要病理特征为黑质多巴胺能神经元选择性变性死亡，临床主要表现为静止性震颤、肌僵直、运动迟缓等症状。PD的病因和发病机制十分复杂，可能是环境因素和遗传因素等多种因素共同作用的结果。遗传因素是其发病的内因，环境及毒素是诱发外因，内外因共同作用导致了DA神经元的选择性死亡。

2.2.1微管:遗传和环境因素共同作用的靶点近年来的研究发现表明:微管及微管蛋白可以作为遗传和环境因素共同作用的一个靶点［5］。

在动物模型中，长期接触一种广泛使用的杀虫剂鱼藤酮等毒素类物质，可以使多巴胺能神经元选择性的死亡并产生类似PD的运动障碍［6］。鱼藤酮在细胞中直接作用的靶点有两个:一是抑制了线粒体呼吸链的复合物I［7］，二是促使微管解聚。前者并不能解释多巴胺能神经元的选择性死亡。Floor等［8］研究发现:微管解聚扰乱了小囊泡的运输，导致囊泡在胞体中的聚集。使神经递质大量渗漏，在多巴胺能神经元中，外渗的多巴胺从小泡到细胞溶质极大的增加了由多巴胺氧化引起的氧化应激，进一步可导致细胞死亡［9］。这种作用在黑质多巴胺能神经元中表现的更加明显。

黑质多巴胺能神经元有很多投射至纹状体的长轴突，轴突约占细胞体积的95%，含有大量的微管。微管解聚对神经元轴突的损害大于对胞体的损害，因为在胞体中，微管蛋白的合成可以快速的弥补缺失的微管，但是在轴突末端不具备此功能。

Parkin基因突变是1998年在日本常染色体隐性遗传青少年型PD患者中发现的，此后的研究发现约50%的早发性PD存在parkin基因突变，包括多种点突变和缺失突变。Parkin是一个由465个氨基酸残基组成的蛋白，其氨基端有泛素样结构域(UBL)、羧基端有两个环指模序(Ring figure motif)。迄今为止发现的大多数点突变发生在环指模序中，提示这是重要的功能域。

Parkin具有泛素连接酶(E3)功能，研究发现，它能与泛素结合酶(E2)UbcH7和UbcH8相互作用，促进底物泛素化。Parkin蛋白可能在维持多巴胺能神经元的正常功能中发挥重要作用，而Parkin蛋白功能障碍可能与帕金森病的发病有关。研究表明parkin可以泛素化微管蛋白并加速它们的降解，Parkin基因发生突变后便会丧失这个功能［10］。

微管蛋白的合成需要经过一系列的折叠反应，这是一个非常复杂的过程，在这个过程中微管蛋白可能会发生错误折叠，具有E3连接酶功能的Parkin蛋白可以泛素化这些发生错误折叠的蛋白质类，进而加速它们被蛋白酶体的降解［11］。

另外，微管蛋白的折叠过程依赖于ATP和GTP的水解作用［12］。鱼藤酮等毒素类物质可以抑制复合物I的产生，减少ATP的生成，进而影响微管蛋白的折叠过程，导致错误蛋白的产生，增加需要泛素化和降解的微管蛋白。因此，Parkin基因发生突变便会失去E3连接酶的作用导致错误微管蛋白大量产生，对细胞产生毒性［13］。

2.2.2Tau蛋白与帕金森氏病新近研究还发现［14］，PD患者的脑脊液中tau蛋白水平是增加的，tau蛋白参与了原发性PD的病理过程，tau蛋白的转化影响PD患者认知缺损和痴呆的发展。学者对tau基因的研究发现有两种不同类型的突变:一种是 9，10，11，12，13外显子的错义突变降低了tau蛋白与微管蛋白的结合能力;另一种是内含子和10号外显子中的编码突变导致tau异构体中3R型与4R型比率的变化，而研究证实4R型比3R型更能促进微管的集聚和稳定。其可能机制有两种学说:tau蛋白正常功能丢失使得微管细胞骨架稳定性的调节机制受损;受损tau蛋白的获得性细胞毒性作用，这两种学说具有互补性。

2.3细胞骨架与亨廷顿舞蹈病(Huntington disease)亨廷顿舞蹈病(Huntington disease)是一种发生在中枢神经系统的疾病，引发的神经损伤会导致患者运动疾病，神经抑郁以及认知能力下降，患者会表现出不自觉的手舞足蹈。近些年研究表明，HD与一种称为Huntingtin的蛋白质(简称Htt)的突变有密切关系。在细胞骨架系统中与HD有关的是微管相关蛋白中的胞质动力蛋白(dynein)。

在正常情况下，Htt中存在一段重复的谷氨酸残基(6～35)，然而在HD患者中，重复的谷氨酸残基的数目大大增加，Htt发生突变。当htt突变后，枪乌贼、果蝇和哺乳类均会出现轴突的运输障碍［15－16］。这暗示Htt在轴突运输过程中发挥作用。当注射Htt抗体时囊泡在运输过程中与微管解离，进一步表明Htt对于囊泡的轴突运输也起着重要作用。在微管表面，动力蛋白(dynein)和动力蛋白激活蛋白(dynactin)组成复合物，介导沿微管向负极的运动。Htt直接同动力蛋白(dynein)相连，并且与Htt相关蛋白1(Htt associated protein 1，HAP1)和动力蛋白激活蛋白组成复合物，促进囊泡转运［17］。

另外，Colin等［18］发现，Htt的磷酸化可以作为神经元轴突顺向/逆向转运的分子开关(molecular switch)。Htt的磷酸化引起了驱动蛋白1在囊泡和微管处的聚集，进而增加了囊泡沿轴突的顺向转运。当Htt去磷酸化后，驱动蛋白1从微管和囊泡表面释放，因此囊泡继续在Htt驱动蛋白动力蛋白激活蛋白复合物的介导下向微管负极运动，即沿轴突的逆向转运。

HD患者神经元内Htt的突变，造成神经元内沿微管运输的囊泡转运发生紊乱，破坏了神经元胞体和轴突之间的物质循环，进而可能导致神经元的死亡，发生神经退行性病变。

HD的发病原因是清楚的，但Htt通过怎样的通路导致发病尚且不明，只是知道dynein在这一通路中扮演了重要的角色。Dynein的功能缺陷是来自本身还是自htt突变后的干扰作用还有待进一步的研究。

2.4细胞骨架与运动神经元病运动神经元病(motor neuron disease，MND)是一类以运动神经元退行性病变为特征的神经性疾病。这类疾病包括肌萎缩性脊髓侧索硬化(amyo trophic lateral sclerosis，ALS)、脊髓延髓肌肉萎缩症(spinal bulbar muscular atrophy，SBMA)和脊髓性肌萎缩(spinal muscular atrophy，SMA)等。

ALS是一种以运动神经元退化和肌肉麻痹为典型特征的致命的神经退化状态。在ALS患者的脊髓运动神经元中发现富集神经纤维的内涵体。

研究发现［19］，神经丝蛋白质异常磷酸化及在神经元核周及近端轴索的异常聚集是ALS早期的病理特征，其发生机制及对神经元的影响目前仍不清楚。神经丝是运动神经元的重要细胞骨架成分，在维持细胞结构完整性，保持轴索直径和轴浆运输方面具有重要的作用。由于运动神经元及大的有髓纤维含有大量的神经丝，因此研究神经丝异常聚集的机制将对ALS的发病机制和治疗具有重要的意义。

另外，细胞骨架蛋白调节囊泡转运也与运动神经元病有关联。研究显示运动神经元的退化与动力蛋白复合物功能异常和轴突逆向转运受损有关。而dynein负责神经微丝的逆向运输，这使得我们推测ALS的发病可能与受阻的轴突运输密切相关。动力蛋白(dynein)重链的错义点突变使轴突内囊泡的逆向转运受损，并导致了小鼠运动神经元的退化，镜下观察发现退化的神经元中存在包涵体，这与人体病理中的关键特征相类似。Laird等［20］研究发现，动力蛋白激活蛋白(dynactin)的错义点突变与ALS的发病有关。通过对转基因小鼠的研究发现，突变的动力蛋白激活蛋白P150Glued特异地引起了运动神经元轴突内囊泡的逆向转运受损，轴突肿胀、退化，并最终导致了小鼠的运动神经元病。

3 展望

综上所述，细胞骨架与多种神经退行性疾病关系密切。细胞骨架稳定性的破坏、丝状物和神经缠结的形成，轴突运输损害，进而导致突触蛋白失去功能发生和神经退行性病变。已经证明抑制神经元或胶质细胞骨架蛋白的解聚可以有效阻止神经退行性病变的发生发展。目前，随着分子生物学的发展，细胞骨架的研究将会更加深入，例如通过开发稳定微管的药物，可以增强微管的活性，防止微管解聚。可以这样认为，对细胞骨架及其相关蛋白研究的越透彻，越有助于理解退行性神经病变，同时有助于该类疾病的治疗。所以针对细胞骨架作为药物靶点对退行性神经病变的针对性治疗可能具有重要意义。

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