锰导致中枢神经系统损伤机制的研究进展

曹玉民，范奇元

(1遵义医学院公共卫生学院，贵州遵义 563003；2遵义医学院第三附属医院；3遵义医药高等专科学校)

锰导致中枢神经系统损伤机制的研究进展

曹玉民1,2，范奇元3

(1遵义医学院公共卫生学院，贵州遵义 563003；2遵义医学院第三附属医院；3遵义医药高等专科学校)

随着锰在生活和工作环境中暴露水平的增加，人类接触锰的机会不断增多，过量锰接触会使其在人脑部蓄积，引起中枢神经系统损伤，表现为锥体外系神经受损。锰所致中枢神经系统损伤与环境和遗传因素有关。锰可下调抑制性氨基酸神经递质和上调兴奋性氨基酸神经递质，亦可降低SNAP25基因从而降低可溶性NSF附着蛋白受体合成，其与铁离子竞争二价金属离子转运蛋白1转运体从而增加细胞内的锰水平，损伤溶酶体使α-突触核蛋白过量聚集，大量蓄积于线粒体从而对线粒体造成损伤。

锰；中枢神经系统损伤；帕金森氏病

锰是人体中不可或缺的微量元素之一，也是一种普遍存在于环境中的污染物。锰缺乏会通过影响糖代谢、脂代谢而损伤细胞功能，可能导致骨骼发育和大脑功能异常等。随着锰铁和锰合金、电焊条、干电池的去极剂、锰的采矿场及冶炼厂等锰相关工业的发展，锰在环境中暴露水平增加。此外，随着轿车数量与日俱增，新型有机锰(三羧基甲基环戊二烯合锰)替代四乙基铅作为汽油抗爆剂使用，导致人类生活环境中锰水平快速增加，非职业人群接触锰的机会迅速增加。过量的锰进入人体内会对生殖系统、免疫系统等多个系统造成影响，其中以对中枢神经系统损害为最为突出[1]。现就锰导致中枢神经系统损伤机制的研究进展情况综述如下。

1 锰影响脑内氨基酸递质水平

氨基酸神经递质包括谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、甘氨酸、γ-氨基丁酸(GABA)，在大脑内广泛存在，是依靠中枢神经系统膜电位的变化而进行内吞外排。Glu和Asp是中枢神经系统内的兴奋性神经递质，而GABA则是抑制性神经递质，具有镇静、催眠、抗惊厥、降血压作用。GABA减少将会导致中枢神经系统紊乱，严重时可能引起癫痫发作[2]。有实验证明，长期锰暴露会使脑内锰水平明显上升、GABA水平下降，但Glu和Asp均随着染锰剂量的增加而增加[3]。研究[4,5]证实，过量锰沉积在基底核将会通过刺激Glu受体导致突触后Glu受体敏感性增强，这是由于苍白球神经元受到非正常刺激而导致机体的运动障碍。除此之外，慢性锰暴露还会导致谷氨酸能神经元失衡。因此，推测锰破坏了脑内氨基酸神经递质的动态平衡，这可能是锰接触导致PD发病率增加的机制之一。PD主要病理表现为黑质纹状体中GABA的缺失，GABA水平的降低直接导致中枢神经系统紊乱。谷氨酸脱羧酶可以作用于Glu，使其脱掉羧基转换成GABA。通过抑制Glu和Asp的摄取，又可以使脑脊液中GABA水平下降。谷氨酸盐又在谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下生成Glu，而锰在调控GS活性中扮演了重要角色。GS活性的下降会使Glu转运增加，从而导致突触的Glu沉积，造成过度兴奋。除此之外，Glu一旦由突触前膜释放后，无酶能对其水解，因此调控突触前膜与突触后膜间Glu水平只能通过控制谷氨酸转运蛋白活性来对其进行清除。Glu释放和蓄积过多导致的过度兴奋性可能参与了PD的发生和发展。锰打破了脑内神经元的动态平衡，其兴奋性与抑制失调从而导致机体运动障碍[6]。因此，推测脑内神经元动态平衡的破坏可能与PD的发病有密切关系。

2 锰降低SNARE复合物形成

可溶性NSF附着蛋白受体(SNARE)对于神经递质的释放有重要作用。SNARE蛋白复合物由Synataxin 1A、SNAP25、突触小泡蛋白(VAMP2)的4个α螺旋的结合而组成的三聚体，三种蛋白以1∶1∶1比例聚合而成，但功能各不相同。SNARE复合物可以促进突触囊泡相互靠近、融合，是一种核心复合体，参与了突触前膜对突触囊泡的靠近及融合过程，从而影响神经递质在突触间的传递[7]。对复合体形成调节主要是在SNAP25和Syntaxin 1A形成异二聚体的过程中，细胞内囊泡膜与质膜融合的过程由VAMP2参加[8]。徐斌等发现FM1-43这一荧光染料能特异性结合有囊泡释放的突触这一特性，认为FM1-43阳性颗粒及荧光信号强度随着染锰水平的增加而逐渐下降，证实锰确实会降低SNAP25基因和蛋白表达，SNAP蛋白作为SNARE复合体的成分之一，其表达下降导致神经元细胞内SNARE复合物的形成减少，从导致活动性突触囊泡减少，造成神经递质释放紊乱[9]，这也许是锰导致神经毒性的另一个机制。

3 锰对二价金属离子转运蛋白(DMT1)转运功能的影响

接触锰(>5 mg/m3)与破坏性神经功能障碍相关，临床上称为“锰血症”，一种与特发性PD相似但可部分区分的运动综合征。脑组织对锰的优先摄取可能是锰致神经毒性的原因[10]。在人体中，锰主要存在于两种氧化态，即Mn2+和Mn3+。几乎100%的Mn3+物质与转铁蛋白结合，形成更稳定的复合物[11]。DMT1在基底神经节的水平很高，其通过对金属离子的跨膜转运，对维持脑中细胞外液中必需元素的稳定十分重要，由于其主要运输Mn2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+、Fe2+等阳离子而被称为二价阳离子转运蛋白[12]。目前，DMT1机制的理论有两种解释，即转铁蛋白受体(TfR)-独立途径和TfR依赖途径。在独立TfR的途径中，DMT1可以作为耦合泵浦质子的对称体系Mn2+被摄取[13]。锰和铁在元素周期表位置接近，相似的化学特性使锰在体内吸收、与血浆蛋白结合及细胞膜转运方面和铁相互竞争，然而铁要转运进入大脑也要依赖于铁锰竞争与TfR结合的方式来实现。慢性的锰职业暴露导致体内锰水平逐渐升高，锰可以通过DMT1增加细胞内水平，而铁转出蛋白通过在微绒毛运输金属离子进入脑脊液[14]，组织内锰水平增加会促进TfR表达，从而协同运输锰到脑脊液中。在血浆中，锰和铁会对Tf上的结合位点进行竞争，进一步造成转运入大脑的锰大大增加。在PD患者脑黑质，DMT1表达明显升高，因此推测DMT1的高表达与锰增加PD发病率有关。

4 锰导致α-突触核蛋白蓄积

PD是一种年龄依赖性神经退行性疾病，主要以淀粉样蛋白原纤维的形式在路易体和神经系统神经突内积累突触蛋白α-突触核蛋白(α-syn)[15]，属于突触核蛋白病。PD的病理生理学包括黑质中的多巴胺能神经元的选择性丧失，纹状体多巴胺的逐渐消耗，以及称为路易体的神经元胞质内含物在胞质中的出现。α-syn的三种突变体分别是E46K、A30P和A53T，三种突变体均可导致PD；其突变体在细胞内聚集后形成不溶性淀粉样纤维，是路易小体的主要成分。在正常情况下，α-syn可以增加突触活性，有助于神经递质完成突触前的摄取、贮存及囊泡胞吐、囊泡胞吞和再循环三个过程。此外α-syn一旦错误折叠聚集后会通过破坏水解酶的运输，降低中脑多巴胺中溶酶体的降解能力。根据徐斌等实验证实，随着氯化锰在大鼠脑内剂量的增加，会导致大鼠脑中α-syn表达增加[16]，细胞体中α-syn的积累破坏了rab1a的内质网-高尔基体定位，rab1a是囊泡运输的关键介质[17]。鸟苷三磷酸酶rab1a的表达恢复了转运机制，提高了溶酶体功能，进一步表明水解酶的减少代表了突触核蛋白病中溶酶体功能改变的主要机制[18]。α-syn形成的路易小体可以使囊泡膜穿孔，导致多巴胺从囊泡中泄露，并聚集于胞质内，最终将会导致神经细胞退行性改变[19]。最近研究[20～22]显示了溶酶体储存障碍、戈谢病和突触核蛋白病之间的联系，表明溶酶体功能障碍有助于α-syn聚集和PD发病[23]。突变型α-syn会在早期分泌途径中损害关键的水泡运输组分，导致水解酶运输受损和溶酶体功能降低。推测锰所致的PD是可以通过增强的溶酶体水解酶的转运机制为重点来进行治疗。

5 锰所致线粒体损伤

锰在脑组织的纹状体中蓄积最多，大脑白质和小脑皮质次之，过量锰大量破坏纹状体中多巴胺能神经元，从而导致出现帕金森样症状，机制可能与锰对线粒体有很高的亲和力有关，会在富含线粒体的组织中大量蓄积，抑制三磷酸腺苷(ATP)合成，从而阻断能量代谢途径。研究[24]发现，锰会抑制顺势乌头酸酶活性，顺势乌头酸酶参与线粒体内的三羧酸循环，其活性的抑制将会导致ATP合成障碍。此外，锰还会易导致线粒体复合体1活性下降，而线粒体复合体1作为呼吸链的入口，其活性下降也会导致细胞能量代谢障碍，使ATP合成降低。此外，锰导致的内质网应激会引起细胞凋亡。其次，过量锰还可导致大量自由基的释放，造成氧化损伤[25]。自由基的化学性质非常不稳定，不仅可以与其他的物质发生反应生成新自由基外，还会发生连锁反应。锰的氧化还原能力还取决于其所带电荷，体内锰由Mn2+被氧化成Mn4+是一个增毒过程。离体实验发现，Mn3+和Mn2+在生成活性氧(ROS)的过程中均存在剂量依存关系，但是相同剂量下Mn3+生成ROS的能力是Mn2+的十倍，具有强氧化性的锰离子参与多巴胺的自氧化过程，在这一氧化过程中生成ROS和醌类化合物，均易对线粒体造成损伤。除此之外，锰还会使超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及谷胱甘肽过氧化物酶的活性下降，导致自由基清除障碍，从而加重自由基带来的损伤。因此推测锰损伤线粒体导致ATP合成障碍及氧化损伤产生的神经毒性物质可能与PD的发病有联系。

综上所述，近年锰致中枢神经系统损伤的研究取得了很大的进展。锰在脑内的排出十分缓慢，一旦过量蓄积便会对神经系统造成严重的损害，以PD等慢性神经退行性疾病为主要变现，因此研究锰致机体中枢神经系统的损害有很重要的意义。既往研究多集中于探讨锰对氨基酸神经递质、α-syn的影响和线粒体损伤，但少有研究探讨锰如何通过改变α-syn引起的神经系统损害及锰激活线粒体自噬的具体机制。脑是人体最大的耗氧器官，需要大量的线粒体提供能量，过量锰蓄积会致线粒体损伤，在今后的研究中，可以把焦点转移到锰致线粒体的氧化损伤及线粒体自噬上，这也许会是一个锰致神经毒性的新方向，可能为今后在预防锰致神经系统损伤上提供一定的依据。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.47.034

R114

A

1002-266X(2017)47-0107-03

国家自然科学基金资助项目(81260420)。

范奇元(E-mail： qiyuan_fan@yahoo.cn)

2017-08-29)