可溶性β淀粉样蛋白寡聚体对神经突触可塑性及学习记忆的影响＊

张 玮(综述)，石京山(审校)

(遵义医学院药理学教研室暨贵州省基础药理重点实验室，贵州 遵义 563099)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一种常见于老年前期和老年期的进行性中枢神经系统退行性疾病，以进行性记忆障碍和认知损伤为主要临床表现，典型的病理特征为神经细胞外淀粉样斑块聚集和细胞内神经纤维缠结［1］。AD病因及发病机制至今尚不清楚，可能涉及到遗传及环境等综合因素。研究发现神经突触功能异常在AD中最先发生，这可能是疾病早期记忆缺失的基础［2］。在细胞外β淀粉样蛋白(amyloid－beta，Aβ)沉积形成AD特征性病变—老年斑之前，突触环路结构的完整性和功能已经遭到严重破坏。目前，造成突触结构和功能破坏的因素及其在AD发病中的危害已做了大量研究，但仍未予以阐明。因此，探索这些损害的机制可能为AD早期、痴呆前期提供更有效的诊断和干预方法。本文主要围绕Aβ寡聚体对神经突触可塑性及对学习记忆的损害作一综述。

1 Aβ寡聚体的形成

1.1 Aβ的产生 淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)经由两条途径分解，正常人体内APP主要经过α/γ分泌酶代谢途径，在Aβ结构内裂解APP，产生可溶性α－APPs，具有维持突触可塑性和神经细胞存活的作用。少量APP经淀粉样蛋白形成途径裂解，通过β/γ分泌酶相继分解产生完整的Aβ片段［3］。机体内具有Aβ清除体系，主要通过脑实质内的蛋白水解酶降解或转运到脑脊液和血浆中再降解从而清除Aβ，使体内Aβ水平处于稳定状态。如体内APP基因突变或降解Aβ的酶数量和功能异常时，Aβ产生和清除之间的动态平衡被打破，继而引起Aβ数量增加、构象改变(由α螺旋变为β叠折)，并聚集成具有毒性作用的不同状态，诱发AD。

1.2 Aβ寡聚体的形成 对AD病人大脑研究发现，细胞外老年斑主要由纤维状的Aβ组成，不仅为AD的淀粉样蛋白级联假说奠定了基础，也引起了不同状态的Aβ在记忆功能和相关神经疾病进程中毒性作用的研究［4］。Aβ产生后经过各种装配形式，由单体聚集成寡聚体，后续形成原纤维和纤维，其不同的形式在AD发病中所起的作用也不同。其中Aβ寡聚体由Aβ蛋白聚集而自发形成，按分子量大小将寡聚体分为低寡体(如:二聚体、三聚体、四聚体)和高分子寡聚体(如:球形、球状、链状结构寡聚体)，不同类型的寡聚体稳定性及组分也不尽相同。虽然AD的病理性特征之一老年斑主要由纤维状的Aβ沉积形成，但可溶性的Aβ寡聚体却是导致AD发生发展的主要毒性因素，其在疾病早期破坏突触功能，导致神经变性，引起认知障碍［5］。AD病人的认知状态与脑内可溶性Aβ寡聚体的浓度密切相关，而不是斑块沉积的密度［6］。

2 Aβ寡聚体对神经突触可塑性的损伤

2.1 突触可塑性和学习记忆形成 神经突触指神经元之间、神经元与神经胶质细胞之间信息传递的结构。在突触水平上的信息储存，是学习记忆的结构基础。突触可塑性在神经系统发育成熟、损伤修复、学习记忆、疾病应答等方面具有很重要的作用。

突触可塑性包括与信息储存有关的树突棘形态变化的结构可塑性以及与传递效能相关的功能可塑性。突触可能经由突触后致密物(postsynaptic density，PSD)与棘状突起的膨大和萎缩，或棘的消失和新棘的形成完成信息的贮存并改变信息的传递效率，达到从外部获取信息、保持信息的目的［7］。突触传递效能的可塑性包括长时程增强(long－term potentiation，LTP)和长时程抑制(long－term depression，LTD)。LTP指突触连接的加强，试验中以高频刺激产生，而LTD是由低频刺激产生的突触连接减弱。在LTP、LTD中，突触受到修饰，以增强或减弱突触间的连接，使大量信息得以储存，该过程被看做学习记忆的神经基础。在许多不同脑区的突触里发现了LTP和LTD的存在［8］，这些突触可塑性持久的形式有着相似的诱导、表达和维持机制［9］。其中，海马是大脑中最容易观察到LTP出现的区域，也是脑内涉及长时记忆形成的关键区域［10］。因此，海马LTP被看作研究学习记忆的经典分子模型。

2.2 可溶性Aβ聚集体引起的突触可塑性改变 Aβ的沉积可引发一系列的神经毒性反应，Aβ聚积形成老年斑的核心并激活小胶质细胞，引发炎性反应;且Aβ损害线粒体从而引起能量代谢障碍，导致氧化应激损害。此外，Aβ还可激活蛋白激酶，促进tau蛋白高度磷酸化形成神经元纤维的缠结。这些病理改变伴随着突触大量丢失，神经细胞凋亡，引发认知功能障碍和行为能力的异常。

海马不仅是事件记忆的关键性区域，也是高度易受淀粉样蛋白影响的区域之一。体外研究运用外源性合成的Aβ肽可抑制海马齿状回细胞或CA1区神经元LTP的诱导［11］。相似的结果在体内研究中也被发现，从表达APP突变基因的细胞中收集自然分泌的Aβ注入海马CA1区可阻止稳定的LTP的维持［12］。此外，注射不同形式合成的Aβ能够促进体内低频刺激诱导LTD［13］。进一步研究证实，合成的、细胞培养的以及AD病人脑提取的Aβ都能增强低频刺激诱导的LTD［14］。另外，有报道AD转基因小鼠早期老年斑逐渐形成但还未出现学习记忆缺失时，其LTP已经受到了损害［15］，推测在AD早期细胞淀粉样蛋白逐渐积聚形成斑块时已经有突触损害的发生。

值得注意的是，正常水平的Aβ可能是神经元必须的，因为加入β/γ分泌酶抑制剂在培养的神经元细胞中阻止Aβ的产生可引起细胞死亡，这一现象可由在培养基中加入合成的 Aβ得到缓解［16］。此外，Aβ在极低浓度(皮摩尔浓度范围)可促进海马的LTP和记忆的形成，并充当兴奋性突触传导的负反馈调节器，在维持内环境稳态上起作用［17］。因此，出现 Aβ聚集并不能完全预示神经元的死亡，而可能是神经损害的一种保护性反应［18］。基于这些报道推测尽管过量的Aβ的产物是有突触毒性的，但正常神经元分泌的极低浓度的Aβ实际上可能作为生理分子调节正常的突触可塑性和学习记忆。

2.3 离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptors，iGluRs)介导突触可塑性的变化 以N－甲基－D－天冬氨酸受体(N－methyl－D－aspartate receptors，NMDARs)、a－氨基－3－羟基 －5－甲基－4－异恶唑－丙酸受体(a－amino－3－hydroxy－5－methyl－4－isoxa－zolep－ propionate receptor，AMPARs)为代表的活动依赖的兴奋性iGluRs的突触转运在突触可塑性及学习记忆中起关键作用［19］。NMDARs的激活诱发 Ca2+内流，Ca2+作为第二信使激活突触后神经元下游效应器，从而产生LTP［20］。但 Aβ 寡聚体引起 NMDARs介导异常的神经元Ca2+内流进入树突棘，抑制钙离子依赖的蛋白激酶 II(Ca2+－dependent protein kinase II，CaMKII)、细胞外信号调节激酶(extracellular signal－regulated kinase，ERK)和 AMPAR 磷酸化，抑制LTP的形成，同时能够诱导CaMKII依赖的树突棘减少。Quiroz－Baez等报道涉及到突触丢失的Aβ寡聚体在培养的神经元中引起内质网应激，激活内质网应激相关的传感器［21］。Aβ寡聚体诱导还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶介导NMDARs的2型受体 B亚单位(NMDA receptor 2B，GluN2B)下游的超氧化物产物，进而损害内质网和细胞质基质的Ca2+内稳态。此外，Aβ诱导的内质网应激和海马功能障碍能够被GluN2B亚基拮抗剂艾芬地尔所阻止［22］。

AMPARs插入到突触后膜能诱发和维持LTP，促进学习记忆行为。AMPARs从突触后膜的移除是LTD的重要环节。研究发现Aβ抑制APP转基因小鼠AMPARs亚基谷氨酸受体1(glutamate receptor type 1，GluR1)在Ser831位点的磷酸化，使AMPAR插入突触后膜出现障碍［23］。此外，Aβ促进半胱氨酸天冬氨酸蛋－3(cysteinyl aspartate specific proteinases，caspase－3)介导的 AMPAR 裂解并促使LTD中AMPARs亚基谷氨酸受体2(glutamate receptor type 2，GluR2)在 Ser880 位磷酸化，加速AMPAR的胞吞［24］。这些过程促使突触后膜AMPAR缺失，不仅造成LTP的诱发和维持出现障碍，也导致树突棘减少和NMDAR缺失。

2.4 糖原合酶激酶－3(glycogen synthase kinase－3，GSK3)促进突触可塑性的损伤 GSK3被公认为参与许多细胞过程的关键性组成部分。GSK3由于基础活性升高而出现异常，而上游激酶包括丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Serine/threonine protein kinase，Akt)和 Wnt的磷酸化(GSK3β的丝氨酸9位，GSK3α的丝氨酸21位)均可降低其活性［25］。在散发型和家族型AD病例中已观察到GSK3活性调节异常。许多证据都发现GSK3在AD病理特征包括淀粉样蛋白和由过度磷酸化的tau蛋白组成的神经元纤维缠结发展过程中具重要作用［26］。高GSK3活性可能通过调节分泌酶的功能妨碍正常APP分解过程，从而导致Aβ的聚集。通过药物抑制剂或基因调控的方法抑制GSK3的活性可导致AD转基因小鼠脑Aβ产物的消除并减少病理性斑块的产生。Aβ通过去磷酸化激活GSK3，这与 PI3K/Akt信号通路的下调相关［27］。

GSK3在突触可塑性损伤中可能也起到了关键性的作用。AD转基因小鼠海马LTP损害可能被GSK3拮抗剂所缓解［14］。用特定的GSK3抑制剂预处理的脑片能够阻止 Aβ诱导的 LTP失效［28］。

2.5 线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)损伤突触可塑性 ROS在突触可塑性和记忆中具有两方面作用［29］。一方面，ROS具有生理作用，其产物是维持正常突触可塑性所必须的，这一过程可能通过激活某一关键性信号分子，例如蛋白激酶C和丝裂原活化蛋白激酶［28］。另一方面，在 AD动物模型和AD病人体内都发现了高水平的ROS，其介导与AD相关的氧化损伤［30］。ROS与突触病理相关的衰老和神经变性疾病相联系。关于临床前AD病人脑的调查表明氧化应激是AD发病机制中早期改变之一［31，32］。研究发现，降低线粒体超氧化剂歧化酶－2(superoxide dismutase－2，SOD－2)表达的AD突变小鼠，脑Aβ水平升高，认知功能障碍出现时间提前［33］。相反，研究显示两种不同AD模型小鼠过表达SOD－2能够减少脑Aβ沉积，防止记忆缺失［34］。使用基因方法能够阻止AD相关的突触可塑性损害，而且受到来自线粒体的ROS的翻转，而不是NADPH氧化酶［35］。ROS在突触可塑性中起到了不同的作用，这取决于它们的亚细胞定位或实验动物的年龄［36］。ROS在神经系统中如此复杂的作用以及其在突触活动中不同的作用可能也解释了如今临床试验观察到的结果，即在使用维生素E等的抗氧化剂改善AD病人认知能力方面或者有少量效果或者无效。总之，病理水平的Aβ能扰乱ROS的平衡，并由于自由基的产生引起神经毒性，干扰突触前和突触后功能，推测是影响了NMDARs、突触前的 P/QCa2+通道，从而中断Ca2+信号通路导致突触功能改变。

2.6 Ca2+可通透的离子通道α7－烟碱型受体(α 7 － nicotine receptor，α7 －nAChR)对突触可塑性的影响 α7－nAChR在海马和大脑皮层高度表达，其可能是 Aβ的另一个靶标。Aβ对 α7－nAChR有高度亲和力，Aβ在低浓度时可激活α7－nAChR，但当Aβ增加到一定浓度时可抑制α7－nAChR信号［37］。这种Aβ浓度依赖的作用表明在正常浓度(皮摩尔)下，Aβ调节海马突触的突触前释放并通过激活α7－nAChRs促进CA1的LTP和记忆形成，但当Aβ的水平过高或过低时，Aβ通过与α7－nAChRs相互作用引起突触前功能的缺失或海马LTP和记忆的消除［38］。

3 展望

Aβ异常积累和聚集形成可溶性的寡聚体，Aβ寡聚体激活小胶质细胞和星型胶质细胞等多种神经细胞，启动了复杂的细胞、分子级联改变，导致广泛的神经元突触功能失调、突触数目的改变，最终诱发神经元凋亡并逐渐形成学习记忆减退、认知功能障碍等。因此突触可塑性的损伤可被看作AD各种病理和临床的始发因素，更多的了解Aβ寡聚体与突触可塑性间作用的一系列过程可能为AD的有效防治提供更多的依据。

AD的发病机制尚未完全明了，仍无满意药物可达到理想疗效。虽然有研究证实正常生理剂量Aβ的存在可能在维持适当的神经活性和大脑功能上是必需的，但考虑Aβ作为AD病理过程中的核心，针对阻断Aβ产生、聚集的AD治疗方式仍然备受关注，寻找部分抑制而不是完全阻滞Aβ产生的药物可能对于AD的预防、治疗更有效。

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