蛋白的酪氨酸磷酸化信号通路与阿尔茨海默病的关系

李雅娟,孙姣姣,刘广益*,于 洋*

(1.重庆医科大学附属永川医院,重庆 永川 402160;2.西南医科大学基础医学院组织胚胎学教研室,四川 泸州 646000)

1 蛋白酪氨酸磷酸化与阿尔茨海默病概述

酪氨酸激酶使蛋白酪氨酸磷酸化,催化磷酸基团从ATP转移到蛋白底物酪氨酸残基上使其磷酸化,酪氨酸激酶分两个亚组:受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases,RTK)和非受体酪氨酸激酶(nonreceptor tyrosine kinases,NRTK),分别在细胞的不同位置,受体酪氨酸激酶是一种跨膜蛋白,而非受体酪氨酸激酶在细胞内,包括胞质酪氨酸激酶与核内酪氨酸激酶[1]。目前已发现有50多种不同的RTKs,主要类型包括表皮生长因子(epithelial growth factor,EGF)受体、血小板生长因子(plateletderived growth factor,PDGF)受体、胰岛素和胰岛素样生长因子-1(insulin like growth factor-1,IGF-1)受体、神经生长因子(nerve growth factor,NGF)受体、Eph受体家族等。RTK的结构基本相似,胞外一段糖基化肽链是与配体结合的结构域,通过疏水性的跨膜区与胞内含有的酪氨酸激酶活性端结合,这些膜结合受体被生长因子、细胞因子、激素等激活。RTK激活后主要通过PI3K/Akt,Ras/Raf/ERK1/2,STAT途径将细胞外信号转导至胞质并进入细胞核,从而对各种生物过程进行调控,例如细胞增殖分化、存活和细胞周期调节。非受体酪氨酸激酶(NRTK)有Src家族、Tec家族、JAK家族、Abl家族等[2]。其中Abl和Src激酶具有十分重要的意义。Abl蛋白激酶家族(Abl1,Abl2)将多种细胞外刺激与调控细胞生长、存活、侵袭、粘附和迁移的信号传导途径相联系[3]。Src的一些家族成员普遍表达,例如Src、Fyn,而其他家族成员更具组织特异性,例如Lyn在造血细胞表达,Lck存在于免疫系统的特定细胞内,最常见于T细胞中[4]。酪氨酸激酶广泛分布在体内,其中一些对特定器官具有特异性,例如EphA4在海马组织中,c-Abl在颞皮层结构中高度表达[5]。

图1 蛋白酪氨酸磷酸化信号通路Figure 1 Protein tyrosine phosphorylation signaling pathways

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种神经系统退行性疾病,具有隐匿发病、进行性发展的特点。年龄是AD的最大风险因素,随着年龄的增长,患有老年痴呆症的可能性也会增加。在临床上,它的特征是广泛的痴呆,例如记忆力减退,认知丧失,失语,判断力、执行功能障碍和行为改变,其病因尚不确定。疾病进程与Aβ聚集和Tau蛋白的异常磷酸化有关。它们与蛋白酪氨酸磷酸化信号通路密切相关,酪氨酸磷酸化信号通路在AD的特征性病理改变中起着重要作用。研究多数集中在PDGF受体、IGF-1受体、神经生长因子受体家族、Eph家族等受体酪氨酸激酶和胞质酪氨酸激酶中的JAK家族、Src家族的激酶Fyn,以及核内的Abl激酶等非受体酪氨激酶。所以,在此对以上主要的蛋白酪氨酸磷酸化相关的信号通路与AD的关系作简要综述。

2 蛋白酪氨酸磷酸化信号通路与AD

2.1 NRG1/ErbB4信号通路

神经调节蛋白1(neuregulin-1,NRG1)及其受体ErbB2/ErbB3和ErbB2/ErbB4异二聚体或ErbB4同源二聚体介导神经发育的多种信号通路[6]。一些研究表明,通过调节NRG1/ErbB4信号可以减轻AD的病理生理学特征,改善AD动物模型中的认知缺陷,NRG1/ErbB4信号传导与空间学习和空间记忆有关[7]。用NRG1处理APP/PS1转基因小鼠,通过激活ErbB4依赖性PI3K/Akt途径抑制APP/PS1转基因小鼠的神经细胞凋亡[6],并通过激活ErbB4防止可溶性Aβ1-42诱导的突触的长时程增强(longterm potentiation,LTP)损伤[4]。慢病毒载体过表达全长I型或III型NRG1于AD小鼠的海马中,结果都改善了Morris水迷宫行为任务的缺陷,神经病理学也得到了显著改善,Aβ肽和斑块的水平显著降低。此外,还发现I型和III型NRG1的可溶性胞外域显著增加了神经元培养物中Aβ降解酶脑啡肽酶(neutral endopeptidase,NEP)的表达[8]。还有报道在脑室内注射NRG1减轻了13个月大的Tg2576小鼠(一种AD动物模型)的认知障碍,NRG1减轻了Tg2576小鼠脑中树突棘数量的减少,这一结果在Aβ1-42诱导的大鼠原代海马神经元同样得到了证实[9]。NRG1还可以保护神经元免受低氧损伤[10]。这些结果表明NRG1通过减轻AD脑中树突棘密度和神经发生的减少,从而具有治疗AD的潜力。

2.2 IR/IGF-1信号通路

胰岛素和胰岛素样生长因子受体1型为四聚体糖蛋白,两个α和两个β亚基构成,是跨膜酪氨酸激酶受体家族成员[11]。在大脑中,胰岛素样生长因子信号传导对于神经元生长,突触维持和神经保护是至关重要的[12]。生理条件下,胰岛素与其受体结合会触发胰岛素受体底物-1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)的磷酸化,从而激活PI3K/Akt通路,促进神经元生长,神经元存活,突触可塑性,学习和记忆等。此外,活化的受体酪氨酸激酶使衔接蛋白Shc聚集,随后通过级联反应激活ERK1/2,ERK信号也参与学习和记忆[13]。在AD中,(1)IR和IGF-1直接参与Aβ的代谢和清除,IR可增加Aβ分泌,Aβ寡聚体诱导JNK活化,导致衔接蛋白IRS-1的磷酸化和降解,IRS缺乏导致胰岛素抵抗。(2)胰岛素抵抗降低Aβ降解胰岛素降解酶(insulin degradation enzyme,IDE)的表达,降低的IDE进一步降低了IDE对Aβ降解,使Aβ累积增多。(3)IRS-1(Ser 312和316)的磷酸化抑制胰岛素对糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)活性的调节,这导致Tau的过度磷酸化进一步增加,增加了异常的Tau磷酸化[14]。最近研究表明,IGF-1还可通过调节脉络丛血-脑界面的转运或产生Aβ载体来增强脑Aβ的清除[15]。

2.3 PDGF/PDFGR信号通路

PDGF是半胱氨酸结合型生长因子家族,在神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中合成[16]。PDGF家族包含五个功能性亚基,它们是A-、B-、C-和D-多肽链的二硫键连接的同源或异源二聚体,即PDGF-AA、PDGF-AB、PDGF-BB、PDGF-CC和PDGFDD[17]。这些生长因子通过受体酪氨酸激酶与其同源受体PDGFR-α和PDGFR-β结合,促进其在细胞上的生物学功能。PDGF的结合刺激PDGFR二聚化,进一步启动细胞内信号传导。有研究报道,AD患者血浆和脑脊液中PDGF-BB和可溶性PDGFR-β水平均升高,反映了PDGF-BB/PDGFR-β轴功能障碍[18]。PDGF-BB在调节神经祖细胞的增殖和分化中起着重要作用,而神经祖细胞在神经退行性疾病,例如AD的细胞替代治疗中具有巨大潜力[19]。近年来,PDGF-CC也参与各种神经退行性疾病如AD、帕金森病(Parkinson’s disease,PD)和肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)的治疗[20]。

2.4 BDNF/TrkB信号通路

脑 源性神经营养因子 (brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是神经营养家族成员,属于支持神经元存活和发育的蛋白质家族[21]。该家族还包括神经生长因子(nerve growth factor,NGF)、神经营养因子-3(neurotrophin-3,NT-3)和神经营养因子-4/5(neurotrophin-4/5,NT-4/5)[22]。BDNF和TrkB受体通常在成年哺乳动物大脑中表达,其中TrkB主要在大脑皮层、嗅球、海马、丘脑、黑质、下丘脑、齿状回、纹状体中表达,海马和皮层含量很高。有研究报道BDNF在AD大脑中减少,而BDNF在调节认知和记忆方面起着重要作用,可以增强突触的神经发生和神经传递,促进突触生长,并调节突触的可塑性,BDNF还诱导海马长时程增强,这对记忆形成很重要[23]。BDNF的受体包括低亲和力的p75和高亲和力的TrkB受体。BDNF与TrkB受体特异性结合,一条路径通过激活细胞外ERK1/2信号通路,激活PLC-γ,产生DAG和IP3,激活ERK,从而导致Rsk2或Msk1激酶活化,进一步使CREB磷酸化。另一路径激活PI3K/AKT信号通路,发挥其对神经细胞的保护作用[24-25]。抑制BDNF/TrkB通路会增加炎症细胞因子表达,并激活JAK2/STAT3通路,导致转录因子C/EBPβ上调。这会导致δ-分泌酶表达增加,导致APP和Tau被δ-分泌酶断裂和神经元丢失[26]。因此,BDNF/TrkB通路受到了研发人员的广泛关注,成为探索治疗AD的新希望。目前成功筛选出了靶向TrkB受体的候选药BrAD-R13,相关研究证实,BrAD-R13可以激活脑内TrkB及其下游信号通路,提高学习、记忆能力,有望成为延缓AD发病发展进程的新型药物。还有研发人员生成了淀粉样蛋白β-蛋白特异的CD4 T细胞(Aβ-T细胞),经过基因工程处理表达BDNF,然后将其注射到AD的5×FAD小鼠模型中。结果发现分泌BDNF的Aβ-T细胞有效迁移到淀粉样斑块,从而使皮质中的斑块显著降低,降低神经毒性炎症[27]。BDNF缺乏与AD的进展有关,所以脑内递送BDNF是一种有前途的治疗方法。

2.5 Eph信号通路

Eph受体是脊椎动物最大的酪氨酸激酶家族,分为两个亚组:由9个成员组成的EphA受体(Aphrin A1-8和EphA10)和5个EphB受体(EphB1-4和EphB6),在成熟哺乳动物脑内大量表达,对成熟的神经元具有重要的调节作用[28-30]。研究表明,Aβ可能会诱导Eph受体减少,重新获得Eph受体功能可以防止Aβ寡聚体引起的神经毒性,在AD发病机理中作为潜在的治疗靶标[31]。目前的研究主要集中在EphA4和EphB2,突触丧失是AD的主要病理标志之一。酪氨酸激酶受体EphA4参与了树突棘形态发生,突触形成和成熟,对于突触功能至关重要[32]。Vargas等[33]研究发现,暴露于Aβ寡聚体的神经元在培养中,EphA4被过度激活并通过c-Abl激酶相关信号途径,使树突棘丢失和突触受损。EphB2通过增加海马神经元的突触NMDA受体水平和下游p38 MAPK和CREB信号传导,保护海马神经元免受Aβ1-42寡聚物的毒性[31]。而敲低海马星形胶质细胞中EphB2可通过抑制APP/PS1小鼠中丝氨酸的分泌来改善突触功能[34]。可溶性Aβ寡聚体通过从神经元表面消耗NMDA型谷氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)来干扰突触功能,而受体酪氨酸激酶EphB2的过表达可以抵消该过程[35]。EphB受体已被研究证实与阿尔茨海默病等神经系统疾病相关,因此可能会成为临床干预性的潜在治疗。

2.6 Aβ-PrPC-mGluR5-Fyn信号通路

可溶性淀粉样蛋白-β寡聚体(Aβo)引发阿尔茨海默氏病,Aβ寡聚体可通过与细胞表面朊病毒蛋白(prion protein,PrPC)结合,PrPC在神经元突触后富集,只有共表达代谢型谷氨酸受体mGluR5,才能使PrPC结合的Aβ激活Fyn。Fyn信号引起mGluR5的NR2B亚基的酪氨酸磷酸化,然后表面NMDAR损失,Pyk2和eEF2持续激活。通过Aβo-PrPC-mGluR5复合物的信号转导导致树突棘损失,急性暴露于Aβo激活依赖PrPC、mGluR5和Fyn的神经元信号通路,破坏神经元功能[36-38]。Fyn还可以促进Tau过度磷酸化,之前研究报道AD患者脑组织中Fyn蛋白水平升高,尤其是小脑和海马体中[39]。而Fyn激酶活性的抑制可使小鼠突触功能和记忆力的改善[40]。AZD0530能有效抑制Fyn并阻止Aβ诱导的Fyn信号传导,靶向Fyn可以逆转AD小鼠模型中发现的记忆缺陷,并挽救突触密度的丧失[41]。因此,AZD0530是一种有希望的候选药物,可能是治疗AD病理学的可行靶标。

2.7 JAK-STAT信号通路

JAK-STAT信号通路是细胞因子刺激的信号传导通路,参与许多重要的生物学过程,例如细胞增殖,分化,凋亡和免疫调节[42]。与其它信号通路相比,传递过程相对简单,主要由三个部分组成:酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸激酶JAK和转录因子STAT。JAK是非跨膜的酪氨酸激酶,其家族由4个成员组成:JAK1、JAK2、JAK3和Tyk2。STAT在信号转导和转录激活上起着重要作用。当前,已经发现STAT家族的六个成员,即STAT1-STAT6。STAT蛋白可以在结构上分为以下功能区段:N-端保守序列、DNA结合区、SH3结构域、SH2结构域及C-端的转录激活区[43]。结合临床数据,通过全基因组关联研究(Genome-Wide Association Studies,GWAS),最新研究表明AD的程度与JAK-STAT途径中的分子参与遗传关联的强度相关。使用四个独立的RNA表达数据集,找到了AD中JAK-STAT途径基因调节改变的证据[44]。还有研究发现在5xFAD小鼠脑中Aβ斑块沉积之前,小胶质细胞中有明显的炎性激活,细胞因子水平发生改变,并且JAK-STAT通路相关蛋白质上调,可溶性Aβ水平显著增加[45]。这些结果表明JAK-STAT信号通路与AD有密切联系。

2.8 calpain-2-PTPN13/c-Abl信号通路

calpain-2-PTPN13/c-Abl途径,钙蛋白酶-2(calpain-2)激活通过PTPN13/c-Abl途径增加Tau磷酸化,最近发现大脑中的两种主要钙蛋白酶同种型,证据表明钙蛋白酶-1(calpain-1)和钙蛋白酶-2(calpain-2)在生理和病理条件下发挥相反的功能,这可能与它们不同的C末端PDZ结合序列有关。calpain-1是诱导海马LTP和某些形式的学习记忆所必需的,而calpain-2激活限制了LTP和学习记忆[46-47]。有研究发现,反复脑震荡或TBI后促进缠结形成并加速AD病理学的发展。TBI后,calpain-2切割PTPN13,激活c-Abl并触发Tau酪氨酸磷酸化和Tau寡聚体形成,TBI后施用钙蛋白酶-2选择性抑制剂减少TBI诱导的钙蛋白酶-2激活,Tau酪氨酸磷酸化和Tau寡聚体形成,最终减少Tau蛋白聚集和AD发病[48]。

3 小结与展望

AD作为一种以认知学习障碍为主要临床特征的慢性神经退行性疾病,是老年痴呆的最主要病因,迄今为止没有有效的治愈方法。蛋白酪氨酸磷酸化信号通路作为调节神经元细胞丢失和凋亡的重要信号转导途径,可能是AD治疗的新方向。大量实验研究表明,异常的酪氨酸磷酸化信号通路在AD中造成的神经细胞损伤机制中起着重要作用。酪氨酸激酶抑制剂如达沙替尼阻断Src和Lyn和马赛替尼阻断c-kit,可对AD所造成的细胞损伤进行修复并具有直接的神经保护作用,为治疗阿尔茨海默病提供了新的希望与方向[49-50]。