α-突触核蛋白病类朊蛋白样发病机制研究进展

赵程 于会艳 秦斌

α-突触核蛋白病类朊蛋白样发病机制研究进展

赵程 于会艳 秦斌

突触核蛋白病是具有α-突触核蛋白病理特征的疾病，包括帕金森病、路易体痴呆、路易体变异型阿尔茨海默病、多系统萎缩、单纯性自主神经功能障碍以及脑内铁沉积神经变性病-1型，其共同病理特征是α-突触核蛋白选择性地在易损的神经元和神经胶质细胞中积聚，形成包涵体。近年来多项研究表明错误折叠的α-突触核蛋白是引起这一类疾病的主要原因，而且其具有与朊蛋白相似的作用方式，在细胞内和细胞间发生转移从而在神经系统内播散，导致多种神经变性疾病的发生和进展。本文就α-突触核蛋白病类朊蛋白样发病机制研究进展进行综述。

α-突触核蛋白；错误折叠；朊蛋白

α-突触核蛋白(α-synuclein，α-syn)可在脑内聚集，形成路易小体，具有α-syn病理特征的疾病包括帕金森病(PD)、路易体痴呆(DLB)、路易体变异型阿尔茨海默病(LBVAD)、多系统萎缩(MSA)、单纯性自主神经功能障碍(pure autonomic failure)以及脑内铁沉积神经变性病-1型(NBIA-1，或称Hallervorden-Spatz病)。这些临床表现不同但有共同病理损害的多种神经变性病统称为α-突触核蛋白病，其共同病理特征是α-syn选择性地在易损的神经元和神经胶质细胞中积聚，形成包涵体[1]。近年来多项研究表明错误折叠的α-syn是引起这一类疾病的主要原因，而且其具有与朊蛋白(prion)相似的作用方式，在细胞内和细胞间发生转移从而在神经系统内播散，导致多种神经变性疾病的发生和进展。本文就α-突触核蛋白病类朊蛋白样发病机制研究进展进行综述。

1 突触核蛋白

突触核蛋白(synuclein)最初是从太平洋电鳐的带电器官(电叶)中分离发现，因其主要位于突触前终端和细胞核膜上, 故而得名[2]。随后，Jakes等[3]从人类大脑皮层中分离出两种形式的突触核蛋白，分别为140个和134个氨基酸长度，分别命名为“α-突触核蛋白”和“β-突触核蛋白”。整个突触核蛋白家族包括α-syn、β-突触核蛋白和结构相对差异较大的γ-突触核蛋白[4]。

突触核蛋白的氨基酸序列高度保守，都有一个可以与脂质双分子层结合的两性结构域。α-syn和β-突触核蛋白在神经组织中广泛表达，以新皮质、海马、嗅球、纹状体和丘脑含量较高。γ-突触核蛋白在周围神经系统嗅上皮，卵巢肿瘤及乳腺肿瘤中表达。在突触核蛋白家族中，α-syn因参与多种神经退行性疾病的发生而备受关注。

α-syn是位于第4号染色体长臂4q21～22SNCA基因编码的一个小分子酸性蛋白质，相对分子质量为14 500，由140个氨基酸构成，包括三个部分[5]：氨基端(N末端，第1-60个氨基酸)、非淀粉样成分结构域(NAC，第 61-95个氨基酸)区以及羧基端(C末端，第96-140个氨基酸)。

氨基端包括高度保守的11个氨基酸组成的KTKEGV7模体重复序列，并且具有5个在家族性PD患者中发现的基因突变位点，即A30P、E46K、A53T、H50Q以及G51D。该部分易于形成α螺旋样结构，是介导α-syn与脂质膜结合从而引起α-syn错误折叠和聚集的区域。该区域内的SNCA基因多态性决定了α-syn的表达水平和稳定性。

NAC区包括2个模体重复序列，为35个氨基酸长度的疏水区。该区域可发生构象的变化，由随机卷曲结构变成β片层，形成圆柱状的β片层和类β淀粉样蛋白纤维，可促进α-syn的聚集。羧基端富含酸性氨基酸和脯氨酸，容易发生泛素化和磷酸化。该区域在α-syn聚集和纤维形成的过程中也发挥了调节作用[6]，此外，该区域还可非特异性与多巴胺结合，影响多巴胺代谢[7]。

α-syn的生理功能目前尚不完全清楚，已有研究表明，α-syn至少具有以下几种功能[8-10]：(1)调节突触可塑性；(2)整合突触前信号，促进囊泡形成，参与突触前神经元跨膜转运；(3)调节突触间多巴胺含量；(4)调节小胶质细胞活性；(5)热休克蛋白样活性，可保护细胞免于温度和氧化应激的影响；(6)参与脂质代谢的调节。

正常情况下，α-syn在细胞质中主要以非折叠的结构形式存在，为可溶性的蛋白质；当其氨基端结构域与细胞膜发生结合，就形成了α-螺旋结构[11]，该结构进一步在细胞膜上发生错误折叠和聚集，NAC结构域由无规卷曲结构形成β-片层结构，形成寡聚体和不可溶性的纤维[12]，在PD和其他路易体病中构成路易小体。超过90%的α-syn在129位氨基酸位点上丝氨酸发生了磷酸化，进一步促进纤维的形成。α-syn的降解主要依靠体内的溶酶体自噬途径。

2 α-syn的致病机制

2.1 朊蛋白与α-syn的相似性 近年来多项研究表明，异常聚集的α-syn具有与朊蛋白相似的作用方式，即能够在细胞内和细胞间发生转移从而在神经系统内播散[13-15]，导致多种神经变性疾病的发生和进展。

朊蛋白是导致朊蛋白病的病原体，1982年由Stanley提出，并将其定义为“一种小型蛋白质性的感染性颗粒，在多数情况下不容易失活”[16]。朊蛋白病，又称为传染性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathy, TSE)，是一种人畜共患的神经系统退行性疾病。朊蛋白与已知的感染性病原体具有很多方面的不同[17]。首先，朊蛋白不含有可供复制和转录的核酸；其次，可以发生构象的变化。正常细胞存在的朊蛋白为PrPC，由PRNP基因编码，是一种位于细胞表面的糖蛋白；而致病性的朊蛋白发生了构象的变化，由PrPC转变为PrPSc，后者为不可溶性的蛋白质，很难被蛋白酶水解。PrPSc可在细胞内和细胞间进行传播，并使正常的PrPC转变为PrPSc。脑组织中增多的PrPSc不断沉积，使神经细胞退行性变，进而导致中枢系统变性病，即朊蛋白病[18]。

2009年Desplats等[19]将小鼠皮层神经元干细胞移植到能够表达α-syn的小鼠海马中，4周后研究人员发现在移植的神经元干细胞中有15%的干细胞α-syn呈阳性，这表明α-syn可从宿主的神经元转移到移植的神经元内。2011年Hansen等[20]将野生型小鼠的多巴胺能神经元移植到可表达α-syn的小鼠纹状体中，半年后研究人员发现这些多巴胺能神经元中也出现了异常聚集的α-syn。

通过比较发现，朊蛋白与α-syn在致病机制上十分类似：错误折叠的蛋白能够作为模板继而引导更多的正常构象的α-syn发生异常聚集，而且错误折叠的蛋白质通过各种传播途径能够在细胞间进行转移。朊蛋白与α-syn在生化特性和作用方式方面也存在很多的共同点[21](表1)。

2.2 错误折叠的α-syn的传播途径 α-syn在神经系统内主要通过朊蛋白样作用机制来进行播散，Braak等[22]发现在PD患者的不同病程阶段，错误折叠的α-syn在神经系统内会按照一定的顺序进行播散：在PD患者的临床前期，α-syn主要出现在肠神经系统、迷走神经背核和嗅球；在前驱期，错误折叠的α-syn主要出现在黑质、中脑和基底节区；在临床期错误折叠的α-syn在PD患者的整个大脑皮层都呈弥散分布。

现有研究发现，错误折叠的α-syn在细胞间传播可能有几种机制，包括：(1)胞外分泌/内吞作用(exocytosis/endocytosis)：正常情况下，细胞可以通过胞外分泌的方式将少量的α-syn分泌到细胞外[23]。已有研究表明SH-SY5Y细胞可释放α-syn，以其突变型A53T和A30P进入细胞外间隙，这表明α-syn是通过胞外分泌的方式释放到细胞外间隙[23]。同理，Hansen等[20]发现在老鼠原代皮质神经元和已分化的人神经元胚胎干细胞培养基中可以检测到α-syn；El-Agnaf等[24]同样也在人的脑脊液和血浆中检测到了α-syn。此外，α-syn的胞外分泌方式不能被经典的分泌抑制酶所抑制，表明其分泌途径可能不同于常规的细胞外分泌方式[25]。另有研究显示，在人类多巴胺能神经元细胞系中加入α-syn后，这些细胞内可形成泛素染色阳性的包涵体[19]；采用抑制剂抑制细胞内吞囊泡形成后，可显著减少α-syn的摄取，这表明细胞可通过内吞作用摄取α-syn，而应用内吞抑制剂后，受体细胞摄取α-syn的程度会减弱[20]。

表1 朊蛋白与α-syn在生化特性和作用方式方面的比较

(2)外泌体(exosomes)途径：外泌体是由细胞产生的直径为30～100 nm的小囊泡，可介导蛋白质和RNA的转运。α-syn可以被整合到分泌囊泡内，由胞外分泌释放或通过外泌体直接释放到细胞外[26-27]。Danzer等[28]的研究表明在神经元和非神经元细胞系的外泌体中均存在α-syn寡聚体，并且外泌体相关的α-syn寡聚体更容易被细胞所摄取，而产生更为严重的毒性作用。外泌体的分泌和钙离子的刺激有关[29]。另一项研究显示，外泌体内α-syn的降解依赖于溶酶体功能，正常情况溶酶体可以清除错误折叠的α-syn；当溶酶体功能障碍时则会加速外泌体α-syn的释放，并促进临近细胞间的传播，而含有错误折叠的α-syn的外泌体可以将所含的异常α-syn转移到正常神经细胞内，在正常细胞中形成包涵体继续以上述途径传播[26]。

(3)细胞膜直接透入(membrane penetration)：研究表明错误折叠的α-syn可直接与细胞膜接触而进入细胞内，其中α-syn氨基端含有11个氨基酸的重复序列在跨膜转运过程中发挥了重要作用。Tsigelny等[30]的研究表明N末端与细胞表面接触后发生二级结构的变化，使异常α-syn易于通过细胞膜。A53T突变型的α-syn比野生型(WT)的α-syn穿透细胞膜的速度快20%。

(4)隧道纳米管(tunnelingnanotube，TNT)：TNT是一种含有肌动蛋白的细胞间跨膜桥梁，可以连接到细胞质内、细胞膜结合的分子以及细胞器的交换。PrPSc在细胞间的传播机制可能涉及TNT，已有研究表明TNT中存在α-syn，推测α-syn可通过此种方式在细胞间进行转移[31]。

(5)死亡细胞释放：由死亡细胞分解后直接释放的错误折叠的α-syn可进入细胞间隙内，增加细胞间隙内α-syn纤维含量，并通过其他方式在细胞间进行传播。

2.3 错误折叠的α-syn的毒性作用机制 在病理状态下，错误折叠的α-syn进行性聚集，形成有毒性的寡聚体，并以上述传播途径扩散到脑内而致病。在PD和其他神经变性病中发挥重要作用。Volpicelli-Daley等[32]将纯化的错误折叠的α-syn加入人工培养的原代海马神经元细胞中，导致α-syn聚集形成类似路易小体的包涵体，从而引起神经元死亡；随后Volpicelli-Daley等将该α-syn注射到小鼠纹状体中，发现在与纹状体相邻的多个脑结构中都发现了类似路易小体的包涵体。Recasens等[13]用自PD患者黑质神经元内路易小体的提取物注入小鼠和猴的纹状体内，同样也引起宿主体内α-syn聚集和多巴胺能神经元变性。

α-syn的异常聚集的主要原因是错误折叠的α-syn作用于正常的α-syn，进而导致正常的α-syn发生错误折叠、聚集、传播、扩散。错误折叠的α-syn毒性作用机制可能包括如下几点：(1)蛋白酶体系作用：一项研究表明A53T型α-syn的表达可抑制糜蛋白酶、胰蛋白酶以及蛋白酶体系的活性；而蛋白酶体系的损害又会进一步加剧α-syn错误折叠和聚集[33]。(2)破坏细胞膜并形成小孔：研究表明α-syn寡聚体可干扰正常细胞膜的功能，并形成小孔样结构，引起异常的钙离子和其他离子内流，导致神经元死亡[30]。(3)线粒体功能作用障碍：Parihar等[34]的一项研究显示，A53T和WT型的α-syn可增加线粒体的细胞色素C的释放，进一步导致半胱天冬酶-3和9的增加，促进细胞的凋亡。(4)促进氧化应激反应：A53T型α-syn可增加细胞内氧自由基的水平，加重细胞的氧化应激损伤[33]。(5)内质网应激作用：错误折叠的α-syn在细胞内聚集，导致慢性内质网应激(ERS)反应，持续的ERS会导致细胞凋亡级联通路的激活[35]。

3 未来治疗靶点的展望

α-syn朊蛋白样作用的机制至今尚不完全清楚，针对已知的α-syn作用通路已有许多潜在的疾病修饰治疗方法[36]，可能有助于预防或治疗α-突触核蛋白病。许多研究可通过干扰RNA或microRNA表达的方法干扰α-syn的合成；通过抗氧化剂、翻译后修饰作用抑制α-syn的聚集，通过特异性的抗体中和已经聚集的α-syn；激活溶酶体自噬途径和热休克蛋白加速错误折叠的α-syn的清除，还可以维持α-syn正常构象防止其发生错误折叠，研发α-syn抗体减少错误折叠的α-syn在神经系统内和细胞间的转移。在最新的研究中，α-syn抗体PRX002在安全性、患者耐受性、药代动力学和药效学作用上取得了突破性的进展[37]。上述方法为未来PD等变性疾病的预防和治疗已奠定了坚固的基础，提供了有力的证据及一定的新思路。

综上可见，α-突触核蛋白病中α-syn具有与朊蛋白相似的作用方式，其机制尚不完全清楚，对该机制进一步深入研究可能为PD等变性疾病的防治开拓新的思路。

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(本文编辑：邹晨双)

10.3969/j.issn.1006-2963.2017.04.011

100730北京医院神经内科 国家老年医学中心

秦斌，Email：bin_chin@163.com

R742

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1006-2963(2017)04-0285-05

2017-05-16)