神经细胞凋亡与血管性痴呆疾病关系的研究进展

辛晶晶 综述,杨 阳 审校

0 引 言

血管性痴呆(vascular dementia,VaD)是一种以大脑认知、记忆功能受损为主要症状的临床综合征。许多危险因素,包括一系列心血管或脑血管功能障碍,会导致缺血性、脑灌注不足或出血性脑损伤,也导致了VaD的发生发展[1]。近几年,我国心脑血管疾病发病率逐渐升高,而VaD患病率也随之升高。VaD发病机制目前尚不完全明确,还无批准的VaD标准治疗方法,用于VaD的药物仅适用于对症治疗,不能预防或延迟VaD的病程[2]。多项研究发现神经细胞凋亡与VaD的发生发展密切相关,因此抑制神经细胞凋亡有望成为防治VaD的重要手段[3-4]。本文就神经细胞凋亡与VaD关系的研究进展作一综述。

1 神经细胞凋亡的概述

神经细胞凋亡是一个受基因调控的程序性细胞死亡的过程,指在某些病理和生理因素共同作用下激活细胞膜信号传导系统,促使相关凋亡调控因子启动,从而造成神经细胞死亡。神经细胞凋亡主要由三种途径触发:内在线粒体途径、外在死亡受体途径以及内质网应激途径。

2 神经细胞凋亡途径对VaD影响研究

2.1 caspase家族成员介导的神经细胞凋亡作用目前,国内外众多研究表明,caspase家族中多种成员参与了神经细胞凋亡过程[5-6]。通过抑制caspase激活的表达,能减轻因其介导的神经元损害。Wang等[7]研究证实,血管性痴呆模型通常在大脑中表现出裂解的caspase,作者认为可将抑制caspase作为今后VaD的治疗靶点。介导神经细胞凋亡的信号通路主要有caspase-8介导的死亡受体(外部)途径、caspase-9介导的线粒体(内部)途径和caspase-12介导的内质网应激途径[8]。PARP-1/AIF介导的非依赖caspase的途径是独立于caspase依赖途径的细胞凋亡通路[9]。由上可知,caspase在启动神经细胞凋亡中发挥着重要作用,且其启动途径多样,这为深入探索VaD发病机制提供了新思路。

2.2死亡受体介导的凋亡通路死亡受体介导的凋亡通路为胞外信号所诱导的细胞凋亡通路,即外源性凋亡途径。外源性凋亡途径由细胞表面肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)家族死亡受体的连接触发[10]。受体连接可导致Fas相关死亡结构域蛋白(Fas-associated death domain, FADD)的募集,FADD又与caspase-8分子结合,从而允许发生caspase-8的自蛋白降解处理和激活。一旦激活,caspase-8又可通过直接蛋白水解裂解或间接通过BH3蛋白Bid的裂解激活下游效应器caspase,以产生tBid,tBid易位到线粒体以诱导Bax活化和线粒体外膜通透性。TNF-Fas配体可在炎症过程中诱导某些神经元凋亡,在那些表达TNF-α受体的神经元中,TNF-β可通过激活caspase-8诱导细胞凋亡,如果caspase-8失活,则导致细胞坏死。Fricker等[10]通过在神经元细胞中缺乏caspase-8特异性表达的小鼠实验中发现神经元特异性caspase-8缺失使神经元对TNF-α诱导的细胞凋亡具有抵抗能力。因此,抑制外源性途径可让VaD获益,这为今后临床治疗该病提供了一定参考依据。

2.3线粒体介导的凋亡通路内在凋亡途径集中于Bcl-2家族蛋白对线粒体外膜通透性的调节。抗凋亡蛋白Bcl-2,具有非活性Bax和BH3-only结构域蛋白。凋亡的内部(线粒体)途径在细胞内触发,导致BH3-only结构域蛋白的表达或激活,BH3-only蛋白主要通过抑制BCL-2抗凋亡蛋白的表达或促进促凋亡蛋白Bax的表达来调节神经细胞凋亡。这些蛋白激活Bax以在线粒体外膜中形成孔,释放细胞色素c以结合APAF-1,激活caspase-9以切割和激活下游caspase-3,从而降解细胞蛋白[11]。促凋亡成员Bax被认为几乎完全是通过内在途径执行凋亡所必需的因子,神经元内在凋亡的诱导完全依赖于Bax的表达和激活,Bax的缺失和抑制在许多神经变性的体外和体内模型中防止了异常神经元细胞的死亡。因此,神经元内在凋亡的调节几乎以Bax激活的控制为中心[12]。而且,在线粒体介导的凋亡途径中,细胞色素C的释放是脑缺血后血管性痴呆中海马CA1区神经细胞发生凋亡关键的步骤。刘雨霞等[13]发现VaD模型大鼠海马神经元胞浆蛋白中Cyt C表达显著升高;Chen等[14]在VaD模型的沙鼠实验中发现,模型组沙鼠的促凋亡因子Bax增加,番茄红素治疗组促凋亡因子Bax相对减少,证明了VaD的发生发展与促凋亡因子Bax密切相关。以上研究证明线粒体介导的凋亡通路参与了VaD的发生及发展,今后可将此通路的相关因子作为治疗该病的潜在靶点。

2.4内质网应激介导的细胞凋亡通路内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)介导的的通路包括折叠未成功、折叠错误的蛋白质大量聚集在内质网内,并引起未折叠蛋白质反应(unfolded protein response,UPR),造成内质网功能异常,触发内质网应激,从而导致神经细胞死亡。Shi等[15]研究发现内质网应激几乎与所有神经系统疾病有关。牛小莉等[16]研究发现,ERS能抑制海马神经元凋亡,使VaD大鼠学习和记忆能力得到显著改善。UPR有3条重要通路:PERK、ATF6以及IRE-1α。长时间剧烈的ERS则会促使这3条信号通路激活下游的促凋亡信号通路CHOP/GADD153、caspase-12、JNK以及GSK-3/3β,引起细胞凋亡[17]。可见,ERS参与了VaD病理机制过程,且ERS与UPR途径被激活存在密切关联,临床可将其作为切入点,为VaD临床干预提供理论依据。

2.4.1CHOP通路CHOP通路是转录因子CHOP的激活。CHOP通路是调节ERS诱导凋亡的主要通路,ERS的发生,诱导CHOP的高表达,CHOP可下调Bcl-2的表达,上调Bax表达,Bax寡聚后,寡聚物通过线粒体通透性导致细胞色素c(Cyt-c)和凋亡诱导因子(AIF)等凋亡因子的释放,最终导致神经元凋亡[18]。多项研究表明CHOP介导的ER应激在脑缺血、阿尔茨海默病、帕金森病神经退行性疾病的发病机制中起重要作用。Zhang等[19]研究发现CHOP的诱导可能引发ERS应激诱导的细胞凋亡,CHOP介导的凋亡参与了神经退行性疾病、脑缺血等疾病。

2.4.2caspase-12通路ERS介导凋亡的另一个关键因子是caspase-12,其作为ER外膜上ERS特异性凋亡因子,在线粒体凋亡途径及死亡受体凋亡途径中可不被活化[20]。当caspase-12的前体在内质网应激状态下被切割后激活,活性caspase-12从内质网进入到细胞液中作用于caspase-9,激活caspase-3引起细胞凋亡[21]。Xu等[22]研究发现17β-雌二醇(E2)可以显著降低VaD大鼠海马CA1区caspase-12的活性,并增加了神经元核蛋白(NeuN)阳性细胞的数量。

2.4.3JNK通路JNK信号通路被认为是除CHOP和caspase-12之外的另一条促凋亡途径[23]。JNK信号通路是内质网应激介导细胞凋亡的一条重要通路,与脑组织缺血缺氧所导致的血管性痴呆有密切联系[22]。Wang等[24]研究表明调节的JNK磷酸化途径在全脑缺血神经元凋亡过程中发挥重要作用。武泽惠[25]研究发现VaD 模型大鼠海马组织JNK表达升高,证明JNK通路参与介导了VaD模型大鼠海马神经元凋亡过程。综上,JNK通路激活以及JNK过量表达均参与了VaD病理过程。

2.4.4GSK-3/3β介导的凋亡通路糖原合成酶激酶-3 ( GSK-3)主要为GSK-3α和GSK-3β两种亚型,其中GSK-3β高度表达于中枢神经系统并具有神经系统特异性。GSK-3β诱导凋亡途径主要包括:抑制促存活转录因子,促进促凋亡转录因子、激活凋亡相关蛋白激酶等。Wang等[26]研究发现血管性痴呆模型大鼠大脑皮层和海马组织中的GSK-3β水平明显增高。Guo等[27]研究结果显示,和厚朴酚(HKL)可以抑制GSK-3β的活性从而对VaD大鼠的神经元起到保护作用。以上研究表明GSK-3/3β与VaD大鼠海马神经元凋亡密切相关。

2.5PARP-1/AIF介导的凋亡通路PARP-1/AIF通路是非Caspase依赖性凋亡通路。Caspase非依赖性途径,主要是由凋亡诱导因子来诱导下游蛋白的活化,促进凋亡的发生。PARP-1大部分位于细胞核中,还有一部分位于线粒体,PARP-1被过度激活时直接引起线粒体损伤,导致能量耗竭进而导致细胞死亡。与此同时,大量被激活的PARP-1诱发促凋亡蛋白AIF的释放,AIF通过促进线粒体释放 Cytochrome c而增强凋亡信号,并最终进入细胞核引起DNA的破坏,导致细胞凋亡[28-29]。Long等[30]研究发现多糖通过PARP-1/AIF信号通路可以减轻脑缺血损伤导致的神经细胞凋亡。以上研究发现,PARP-1/AIF通路介导的非caspase依赖性细胞凋亡可见于缺血缺氧引起的神经细胞死亡,PARP-1/AIF与血管性痴呆疾病的发生发展之间的关系有待进一步研究。

3 结语与展望

VaD发病的主要因素是由于脑缺血损伤后神经细胞凋亡所导致,脑缺血导致的神经细胞凋亡是一个多途径多因素的复杂病理过程,其发病机制尚未完全明确,目前国内外对缺血性血管性痴呆病的研究很多,但临床上其治疗药物及治疗方法却很少,通过不断总结前人经验发现调控死亡受体介导、线粒体介导、内质网应激介导、PARP-1/AIF介导的凋亡通路可以抑制神经细胞凋亡,从而延缓VaD的发生发展。介导神经细胞凋亡通路相关研究逐渐增多,寻找其抑制剂或抑制其活性的方法及药物,有望成为防治VaD的新方向。