钙信号与阿尔茨海默病研究进展

卢北玲 李闻文 周 军

(中南大学湘雅医学院医学检验系临床免疫与微生物学教研室，湖南 长沙 410000)

钙信号与阿尔茨海默病研究进展

卢北玲 李闻文 周 军1

(中南大学湘雅医学院医学检验系临床免疫与微生物学教研室，湖南 长沙 410000)

阿尔茨海默病；钙信号；β-淀粉样蛋白；钙超载

阿尔茨海默病(AD)按有无家族史可分为散发型(SAD)和家族遗传型(FAD)两种类型，临床以记忆障碍、语言障碍、失认、失用、淡漠及性格改变等为主要特征，目前越来越多的研究〔1〕发现钙信号在AD病理进展中发挥重要作用，钙信号主要表现为钙平衡失调及钙超载。已知具有神经毒性的β淀粉样蛋白(Aβ)导致了神经元内钙离子(Ca2+)上调，诱发神经元凋亡导致记忆下降。Aβ促进细胞外Ca2+内流或内质网(ES)钙释放，使细胞内钙超载，导致神经元代谢异常。其他因素如早老素蛋白(PS)、兰尼碱受体(RYRs)、星形胶质细胞(AS)、线粒体、谷氨酸受体(GLUR)等也参与神经元钙调节，是促进神经元功能丧失的关键因素。Aβ级联假说和钙假说之间是紧密关联的，但目前具体机制并不清楚。钙信号参与细胞的多种生理活动，例如对细胞增殖、凋亡和分化均具有重要调控作用，因此平衡早期钙信号紊乱延缓AD病情进展值得研究。

1 钙信号与神经元

钙信号产生主要有两个来源：一是细胞外钙内流增加，二是细胞内钙库钙释放(CICR)增加。钙内流通道报道较多是电压门控钙通道(VOCS)、受体门控钙通道(ROCS)、储存开放性钙通道(SOCs)。最近发现非选择性阳离子通道蛋白6(TRPC6)在细胞内钙升高过程中具有重要作用，TRPC6介导细胞外钙内流及钙瞬变过程，也介导突触的可塑性，其机制可能是TRPC6介导的钙升高激活另外的细胞内膜受体络氨酸蛋白激酶信号传递途径(Ras/MAPK)、磷脂酰肌醇肌酶3/蛋白激酶B(PI3/Akt)、Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶(CAMK)Ⅳ通路，导致腺苷3′-5′环化磷酸(CAMP)反应元件结合蛋白(CREB)磷酸化引起下游基因转录及脑源性的神经营养因子(BDNF)和抗凋亡蛋白Bcl-2生成增多，因而对脑神经元起到了保护的作用〔2〕。细胞内CICR是许多受体起主要作用，如三磷酸肌醇受体(IP3R)、RYRs和烟酸酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAADP)受体，结合IP3、环腺苷二磷酸核糖(cAMPR)和NAADP蛋白的作用，调控细胞内钙释放。而二孔通道(TPCs)可能是NAADP受体的家族成员，NAADP可通过TPCs促进溶酶体中钙释放〔3〕。

1.1 钙信号与Aβ Ca2+浓度升高可引发下游信号分子表达异常，比如钙蛋白酶(calpain)、Akt、大鼠内瘤蛋白(Ras)/Ras相关的C3病毒底物(Rac)等，引发钙信号紊乱，钙信号也与STAT3信号通路及Aβ间有密切的关系。 由于神经元内高Ca2+激活了calpain，使相应激酶周期依赖性蛋白激酶(P25/cdk5)的活性增强，信号转录与转录激活因子(STAT)3磷酸化进入细胞核，核内STAT3上调β-分泌酶的表达，直接或间接使Aβ生成增多，而Aβ升高进一步促进钙信号紊乱〔4〕。据报道周期依赖性蛋白激酶(P25/cdk5)分子还参与了DNA损伤引起的神经元死亡，在AD的病理形成过程中起关键性作用〔5〕。Aβ是一种疏水性多肽，包含39～42个氨基酸，主要以Aβ40和Aβ42两种形式出现，其中以Aβ42毒性最强〔6〕。在小鼠皮质神经元的原代培养中发现钠-钙交换体介导Aβ的神经毒性，Aβ还使细胞膜脂质双层形成膜孔从而加强了钙内流〔7〕。Pret等〔8〕证实AD脑内神经元退化分阶段，早期Aβ诱导钙内流引起部分钙超载，晚期激活了钙调神经磷酸酶(CaN)，CaN活性升高导致神经突触降解及严重的钙超载，可引发树突-棘突信号的紊乱。但也有研究者〔9〕认为迟发型AD患者是Aβ清除障碍，而没有证据显示是Aβ产生增加。低密度脂蛋白相关受体(LRP)1参与了Aβ的清除过程，起着抑制Aβ降解的作用，具体机制并不清楚。

1.2 钙信号与PS 研究发现人体大脑中的PS含量随着年龄的增长而增加，大约75%的家族遗传性AD(FAD)与突变型PS有密切关系，PS作为γ-分泌酶的催化亚单位参与Aβ肽的生成，决定生成的Aβ肽的长度〔10〕。PS1发生突变使Aβ42生成增多更易于聚集，并作为一种被动型ES Ca2+漏通道发挥作用，这种作用不依赖γ-分泌酶的活性〔11〕。PS可导致Ca2+漏通道的功能缺失及ES钙超载，但并不是所有的PS突变都会导致钙超载和ES Ca2+通道功能缺失〔12〕。PS基因突变对钙稳态的效应在转基因小鼠和人类细胞研究中已经得到证实〔13〕。因此，PS在钙信号中发挥的关键作用，影响了许多ES Ca2+信号蛋白质的表达和活性〔14〕。

1.3 钙信号与线粒体 AD脑细胞内Ca2+升高损害了线粒体，促使活性氧(ROS)产生增多，降低了细胞色素C氧化酶的活性，从而减少了三磷酸腺苷(ATP)的产生，导致AD脑细胞能量供应失调。此外线粒体在钙缓冲和细胞内Ca2+瞬变过程中发挥重要作用〔15〕。在Ca2+升高的早期，线粒体膜通过钠-钙交换体加强钙的释放〔16〕。高Ca2+诱导线粒体渗透性转换孔开放，Aβ则抑制了线粒体的呼吸功能，两者引起线粒体内钙稳态失调而诱导细胞死亡〔17〕，Aβ如何进入线粒体目前尚不清楚，一种可能是γ-分泌酶定位于ES或线粒体表面〔18〕。PS突变使钙稳态和线粒体转运受到影响〔19〕，另外ES Ca2+释放也升高了线粒体Ca2+浓度，随后改变了线粒体的功能包括细胞凋亡、酮戊二酸脱氢酶(KGDHC)活性和ROS的产生，而KGDHC的缺乏也导致ES钙储存异常。线粒体是一种动态细胞器，钙信号参与了线粒体分裂与融合，主要影响融合过程中线粒体融合蛋白(Mfn)1和线粒体分裂蛋白(OPA)1的调节及分裂过程中DLP1的作用〔20〕。

2 钙信号与受体

2.1 钙信号与兰尼碱受体 RYRs的表达对维持突触结构的稳态起重要作用，主要定位于神经元胞体、树突近端和棘突末梢〔21〕。RYRs表达增加导致ES CICR增加，首先直接通过钙诱导促进钙释放，然后由ES ATP泵再填充枯竭的ES钙〔22〕。RYRs也可通过CICR促进神经递质的释放，产生突触后电位并引起突触后膜的暂时性去极化引起细胞内钙升高，阻断RYRs即可消除长时程抑制(LTD)和长时程增强(LTP)。此外RYRs激活低电导钾通道(SK)通道，影响局部电流的产生〔23〕，在3XTg-AD 动物模型中，RYRs介导的钙释放促进了突触传递和突触可塑性形成，效应信号在Aβ形成、Tau沉积或记忆缺失之前就已出现，表明RYRs功能改变在AD早期阶段就已出现。异氟烷引起小鼠原代培养神经元ES应激反应，并通过RYRs升高内质网应激诱导的转录因子CCAAT/增强子结合蛋白(CHOP)和半胱天冬酶(Caspase)12的水平，促进Caspase3的活化和神经元凋亡〔24〕，神经元钙信号紊乱对ES也是应激反应。也有观点表示PS突变通过升高RYRs表达增强了钙释放，但相反的观点认为PS突变改变了IP3R门控特性或ES漏通道功能，对RYRs的效应不是很明显，并且在不同的神经元内RYRs诱发钙升高的程度不同〔25〕。RYRs可与存在于细胞质中的S100A1(一种钙结合蛋白)形成复合物，其形成需要Ca2+参与，RYRs作为S100A1的靶蛋白发挥作用〔26〕。因此对RYRs阻断剂药物的开发是治疗AD的一个有效选择。

2.2 钙信号与GLUR GLUR可分为两类：谷氨酸离子型受体(iGLUR)，包括N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸受体(AMPAR)、红藻氨酸盐受体(KAR)三种亚型，均属于配体门控离子通道受体，其中NMDAR与兴奋性神经毒性、突触可塑性、学习记忆密切相关。谷氨酸是中枢神经系统(CNS)最为丰富的神经递质，首先激活离子通道型受体NMDAR、AMPAR、KARs引起突触兴奋，允许离子快速进入突触后终端使其引起了一系列膜的改变，Na+流入引起突触后极化，Ca2+流入引起钙瞬变，NMDAR过表达引起Ca2+内流增加导致细胞内钙超载〔27〕。在年幼小鼠的神经元内，NMDAR持续激活或去极化在一定程度上减少了L-型Ca2+内流，保护神经元免受兴奋性细胞死亡。NMDAR介导钙离子的内流加强了年幼小鼠树突中异常RYRs受体的活性，故阻断AD神经元内RYRs，将阻止NMDAR依赖性钙反应，并且能使Ca2+恢复到正常水平，表明细胞内钙升高一部分来自NMDAR介导的CICR，而这种由NMDAR介导的CICR在 NonTg小鼠中并没有发现，说明RYRs升高的CICR并不是直接通过NMDA加强钙内流的，这与AD后期认知能力损害有一定的关系〔28〕。在AD患者内嗅皮层神经元脂质双层AMPARGLUR2亚型表达减少，而GLUR亚型的激活增强了细胞内Ca2+浓度〔29〕。第二类为谷氨酸代谢型受体(mGLURs)，GLU能激活磷脂酶C(PLC)及脑内第二信使甘油二酯(DG)和IP3的生成，后者与内质网上IP3R结合来释放Ca2+使其进入细胞质，打破细胞内钙信号。

3 钙信号与AS

AS是CNS内神经支持、营养和保护作用的重要细胞，并参与突触的形成、消除Aβ 、炎症反应、分泌神经营养因子等作用。近年来发现AD发病早期活化AS的出现促进疾病的病理进程，并与钙稳态失调密切相关〔30〕。AD脑内异常的Ca2+信号加剧了AS增殖与炎症反应，引起神经元Ca2+稳态失调及大脑功能异常〔31〕。在AS纯化培养中，较低浓度Aβ能直接诱导细胞内钙瞬变及瞬时性钙波，其主要机制是通过升高细胞内钙瞬变的频率和增加AS活化数量来实现，并且Aβ诱导的AS钙瞬变具有时间延迟性，这可能是大脑存在一种对Aβ破坏的补偿机制，这一机制也使得一些脑部出现Aβ的患者出现AD症状的时间推迟，并且AS源性蛋白如GFAP和 S100β表达上升，加强了脑Aβ沉积和神经损伤，其升高水平与细胞内Ca2+水平有一定相关性〔32〕。AS细胞内钙瞬变导致神经元中钙依赖性谷胱甘肽消耗和反应性氧簇形成，直接诱导神经元死亡〔33〕。

综上，钙信号紊乱通过各种机制参与早期AD病理形成过程，是引起神经元死亡的关键因素〔34〕，目前美金刚已被批准是治疗中度到重度AD的唯一药物，它是一种非竞争型的NMDA受体拮抗剂，阻止过多钙流入和细胞死亡〔35〕。由于各种原因导致细胞内钙超载，进而引起钙信号的紊乱，使得相关蛋白质表达异常，产生毒性效应使神经元受损，即将死亡的神经元会引发神经变性障碍和病人认知能力损伤及记忆丧失，为了更好地诊断和治疗这些神经变性疾病，需要更好地理解钙信号失调引发神经元死亡的原因和机制以控制AD病情的发展。

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〔2015-12-17修回〕

(编辑 苑云杰/杜 娟)

国家自然科学基金(81571382)；湖南省科技厅项目(2015WK3010)

李闻文(1956-)，男，教授，硕士生导师，主要从事临床免疫及微生物教学研究。

卢北玲(1989-)，女，在读硕士，主要从事神经系统疾病研究。

R741.02

A

1005-9202(2017)10-2567-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.10.098

1 中南大学湘雅医院医学科学研究中心