α-突触核蛋白在帕金森病发病机制中的研究进展

毛婷婷 综述 陈煜森审校

1.广东医科大学研究生学院，广东 湛江 524000；2.广东医科大学附属医院神经内科，广东 湛江 524000

α-突触核蛋白(α-synuclein，SNCA)是位于4号常染色体上长臂q21-23 上的SNCA 基因所编码形成的蛋白，是一种由14 个氨基酸残基组成分子量为19 kDa的单体小分子可溶性蛋白，呈囊泡结合型或膜结合型状态，主要存在于突触前神经末梢[1]。α-突触核蛋白(α-synuclein，SNCA)是一种结构高度保守且具有一定神经特异性的蛋白质家族。α-突触核蛋白是最先报道的与家族性帕金森病(Parkinson's disease，PD)有关的基因，大量表达于PD患者脑内的黑质、丘脑、海马、杏仁核、胼胝体和尾状核中，占脑内可溶性蛋白的0.05%；SNCA 基因的翻译产物α-突触核蛋白结构是一种天然的非折叠蛋白，在正常生理状况下可形成稳定的α-螺旋结构，具有特定的生理功能，参与了突触的发育形成、突触功能、突触可塑性及突触囊泡的分泌，在多巴胺能神经元中参与多巴胺神经递质的调节。而在病理条件下，可选择性在神经元的胞体中形成路易小体，进一步损害一些神经元，但在其附近的神经元并未显示出有包涵体形成的迹象[2]。目前认为帕金森病的发病率是与年龄存在明显相关性的疾病，而病理上的α-突触核蛋白包涵体可能是由一组易损害的神经元长期积累形成的，从而进一步导致神经元死亡。本文将从α-突触核蛋白在人类传播证据、细胞和动物传递模型以及α-突触核蛋白扩散机制等方面进行阐述。

1 帕金森病

PD是由英国医师James Parkinson于1817 年首次发现的常见的神经退行性疾病，PD 临床症状除非运动性症状(包括快速眼动睡眠障碍、便秘和营养不良)外，主要以运动症状障碍为主，临床表现出一系列运动迟缓、僵硬、姿势不稳和震颤；病理学上发现这是由于黑质多巴胺能神经元的丢失后导致多巴胺能系统和胆碱能系统神经性功能失衡[3]。目前我国现有的最大流行病学调查显示：PD 的患病率为0.19%，发病率为0.36%，而年龄在65 岁以上的患病率更是高达1.7%[4]。据统计，目前全球约上千万老年人遭受PD的影响，每年用于该病的护理和治疗费用更是高达570亿美元，而这一数值还在逐年持续上升，成为继肿瘤和心血管疾病之后威胁老年人身心健康的第三大杀手，严重影响着中老年人的生活质量和寿命[5]。

随着PD运动症状的有效治疗，逐渐出现认知能力下降的患者可高达80%，并进一步发展为帕金森氏病痴呆(PDD)[6]。在神经病理学上，PD、PDD的共同特点是路易小体(Lewy body，LBS)，即存活神经元中出现的嗜酸性包涵体，一种富含多种蛋白质，包括α-突触核蛋白、Parkin 蛋白和泛素等，其中α-突触核蛋白是其主要成分，最先由 Friedrich Lewy 在 1912 年描述[7]；随着组织化学和生物化学技术的发展，Lewy body 的主要蛋白成分是α-突触核蛋白，而在家族性帕金森病中发现主要是存在α-突触核蛋白基因复制[8]、三倍体[9]和点突变[10]的改变；这些发现更加支持了α-突触核蛋白在疾病发病机制中起直接作用的假设。

近20 年研究者主要关注α-突触核蛋白是如何在神经元中聚集并如何进一步导致神经元功能障碍和死亡的。越来越多的研究表明，单个神经元中形成的α-突触核蛋白并不能完全解释帕金森病的病理模式和症状进展。反而，据最新的研究表明错误折叠的α-突触核蛋白可类似于朊病毒的方式在细胞间传递，即一个神经元释放的错误折叠的α-突触核蛋白，可以被吸收并作为受体神经元α-突触核蛋白折叠的模板，进而形成错误折叠的α-突触核蛋白的复制与传递。但病理性的α-突触核蛋白不同于朊病毒之处是，目前无明显证据表明其具有传染性[11]。

2 人类传播的证据

根据人类模型系统的最新研究表明，α-突触核蛋白可以通过大脑的病理性传播来促进疾病的进展，即α-突触核蛋白可以从神经元中释放，并可被突触连接区域的神经元摄取，导致这些神经元的病理性α-突触核蛋白可在大脑内不同组织传播，因此在PD 患者大脑内的黑质、脑干和其他黑质外部位亦可发现路易小体。而这与在21世纪初BRAAK等[12]发现的路易小体的病理演变过程和疾病严重程度之间关系的研究结论不谋而合。BRAAK 等[12]通过选取约170 例PD 患者、有LBS 但未被诊断为PD 的患者以及没有LBS 或任何神经学诊断的患者。该实验是基于不同疾病发展程度来进行假设，在病程的早期，帕金森病患者表现出运动功能障碍，并发现这个阶段的α-突触核蛋白病理主要存在在控制运动功能的区域。在疾病的后期，随着患者认知功能的恶化，进一步在负责高级认知处理的皮质结构中发现了病理α-突触核蛋白的存在。随着时间的推移，α-突触核蛋白病理在大脑中的典型进展提示可能存在病理性α-突触核蛋白从大脑的一个区域到另一个区域的物理传输。

IRWIN 等[11]研究发现PD 疾病分期系统从最初的只影响嗅球逐渐出现两个不同的阶段，分别以脑干占优势或以边缘占优势为主，后期可出现脑干和边缘区域都累及，并伴随新皮质区域影响。临床表现为以限制性病理改变为主所导致的早期认知障碍，及以脑干病理改变为主所导致的PD 的运动症状；值得重视的是，实验组中患者的神经元丢失的病理分期同认知和运动症状的出现顺序具有明确的相关性[13]，这表明在这些疾病中的病理性扩散预测着疾病临床症状进展过程。KORDOWER 等[14]的研究表明，致病性α-突触核蛋白可在PD患者脑内的神经元进行相互传递。LI等[15]通过在PD 患者的纹状体中移植了胚胎腹侧中脑神经元，来替代在疾病期间所丢失的神经元。短期内PD患者的临床运动症状可以得到显著的改善，但经过11～22 年的研究观察，移植的神经元逐渐出现了路易小体。从某种程度上，研究者们考虑由于植入神经元内时间较短，更加提示神经元不是自己产生的病理性路易小体，极有可能是通过从移植的神经元周围含有路易小体的神经元间接或者直接摄取错误折叠的α-突触核蛋白，更加揭示了在帕金森病脑内环境诱导下可进一步促进形成病理性α-突触核蛋白。

近年来研究发现SNCA三倍体患者有帕金森病的相关症状，并在该患者中发现野生型α-突触核蛋白的过度表达，另一方面，从SNCA三倍体中提取的iPSCs神经元也被用于药物筛选和再利用，B-肾上腺素受体（P2AR）激动剂是SNCA 的调控因子。利用携带SNCA 三倍体的患者诱导的多能干细胞证实了p2AR激动剂可以使SNCA 表达正常化，减少a-synuclein 的产生，改善线粒体功能[5]。

到目前为止，大量的人类神经病理学的研究更加支持了病理性α-突触核蛋白可以作为疾病进展的调节器在细胞间传递，进而衍生出一个病理性α-突触核蛋白在病变的神经元中形成并释放，沿着解剖学上神经传导通路传播的模型。

3 细胞和动物传递模型

当然，也有不少研究者尝试在细胞培养和动物模型中演示这一过程，即验证细胞外α-突触核蛋白能被周围的细胞所摄取，并启动内源性α-突触核蛋白的募集和进一步形成错误折叠的病理性α-突触核蛋白。VOLPICELLI-DALEY 等[16]通过选取在大肠杆菌中高效表达的α-突触核蛋白，并通过凝胶过滤和离子交换纯化，将α-突触核蛋白迅速诱导出错误折叠成富β片状的纤维，并用超声处理成纤维(PFF)。这些PFF提供了一个错误折叠的α-突触核蛋白的实验池。这是第一个测试外源α-突触核蛋白PFF 是否可以诱导细胞内α-突触核蛋白错误折叠的实验，并促使α-突触核蛋白在非神经细胞过度表达，另外可通过一种亲脂性试剂来增强PFF 向胞浆的转移。外源PFFs 诱导细胞内α-突触核蛋白错误折叠成路易小体样结构，最后形成具有α-突触核蛋白和泛素中S129 的磷酸化的路易小体[17]。

随后研究发现即使在没有任何其他试剂的情况下，α-突触核蛋白PFF仍然可以被带入野生型初级神经元，并进一步诱导内源性α-突触核蛋白的错误折叠。这些神经元中的LB样包涵体聚集体进一步加剧神经元功能障碍和死亡[18-19]。初级神经元包裹体包含pS129α-突触核蛋白、泛素和p62，这些包裹体的蛋白质组学目前已经被用来鉴定早期LB样包涵体形成的新成分[20]。α-突触核蛋白PFF在初级多巴胺能神经元中可以被诱导成类似的LB样包涵体结构以及促使线粒体氧化应激反应，这被认为是帕金森病发病机制之一。这一实验模型进一步证明在α-突触核病中看到的病理性包涵体有能力将构象特异LB样包涵体转移到正常的α-突触核蛋白。

α-突触核蛋白PFF 还能够在活体中以α-突触核蛋白的错误折叠为模板在易损害的神经元中进一步形成LB样包涵体。LUK等[21]将α-突触核蛋白PFF注射到过表达带有家族Ala53Thr 突变的人α-突触核蛋白的转基因小鼠的大脑中，同样证明可以诱导出LB样包涵体，这些包涵体在小鼠的大脑中以特定的时空方式进行传播[22]。人体研究还表明，皮质神经元中的包涵体会导致这些神经元的死亡[23]。除非这些神经元的同时死亡，大的LB 样包涵体将不会从神经元中彻底被清除。这揭示了帕金森病主要的病理特征，并为帕金森病治疗提供了一个有价值的工具。

4 α-突触核蛋白扩散机制

4.1 吸收 神经元对错误折叠的α-突触核蛋白的摄取似乎没有明显的障碍。研究者选取HEK 和SH-SY5Y 细胞系、少突胶质细胞、星形胶质细胞和活体神经元等不同细胞株系，并将不同细胞株系放在存有错误折叠的α-突触核蛋白的体外环境后，在短短几分钟内可发现α-突触核蛋白被摄取的现象[24-26]。目前已经提出了不少的摄取方法，包括微管吞饮和受体介导的内吞[27-28]。一旦内吞，错误折叠的α-突触核蛋白就通过内切溶酶体途径运输，并聚集成成熟的溶酶体。

4.2 分布 神经元摄取大部分的α-突触核蛋白在溶酶体中至少可以保留一周。大部分α-突触核蛋白可能被溶酶体蛋白质水解处理并进一步断裂[29]，最后只有极少数错误折叠的α-突触核蛋白可以进入细胞质。而溶酶体的完整性及功能与年龄呈负相关，可促使错误折叠的α-突触核蛋白释放增加，这是导致致病性α-突触核蛋白积聚的机制之一[30]。目前还不完全清楚α-突触核蛋白是如何逃脱细胞的，但研究发现氯喹对溶酶体的干扰足以增加细胞质中错误折叠的α-突触核蛋白的数量，这可促使内源性α-突触核蛋白的募集进一步增加。而内源性α-突触核蛋白聚集在神经元细胞包涵体中，进一步修饰形成LB样包涵体，每一个新形成的包涵体都可能是一个新的致病α-突触核蛋白池，并且研究发现大的包涵体在大鼠体内数月不被清除，且可能从神经元中释放出来，这种方式无疑更加促使疾病的发生发展。

4.3 释放 在脑脊液中存在少量错误折叠α-突触核蛋白是可以被检测出的。通过细胞培养研究发现，细胞一方面将错误折叠α-突触核蛋白释放以防止对单个细胞短期的损害，另一方面可能这也是导致病理性α-突触核蛋白传播的主要机制。老化神经元由于蛋白质降解机制受损可导致溶酶体酶的释放增多，这类细胞为了延长自己的功能而释放有毒的α-突触核蛋白到细胞间液中，从而使附近神经元处于危险之中。而其中通过突触结果来相互连接的神经元可能存在特别高的风险。突触前神经末梢可通过快速的外吞和内吞循环以释放神经递质，并回收多余的神经递质[31]，这种快速的膜循环可能使突触前神经末梢更加容易摄取由突触后神经元释放的致病性α-突触核蛋白。

5 展望

广泛的研究表明，α-突触核蛋白在患者大脑中的不同分期揭示了一种与疾病症状相关的进行性病理模式。而目前PD 主要通过多巴胺替代疗法，这种疗法不能改变疾病的进展。错误折叠的α-突触核蛋白的细胞外扩散模式对治疗途径提供了更多的方向，基于传递假说的细胞和动物模型已经证明，病理性的α-突触核蛋白不仅可以从细胞间传递，而且这种病理可以导致神经元功能障碍和变性。α-突触核蛋白传递假说对帕金森病的治疗干预点具有深远的意义。