铜稳态失调在肌萎缩侧索硬化发病机制中的研究进展

2024-06-10 10:41瑶综述姜宏佺审校
中风与神经疾病杂志 2024年4期
关键词:运动神经元退行性稳态

张 莹, 色 瑶综述, 姜宏佺审校

铜作为人体所必需的微量元素,主要分布在肝脏、血液和脑组织中,并以亚铜离子(Cu+)和铜离子(Cu2+)的形式分别参与细胞内多种生理功能,包括参与细胞呼吸、神经肽加工和铁运输等氧代谢、维持铁稳态、合成胶原蛋白等[1,2];在中枢神经系统中,铜又对调节突触功能、参与髓鞘形成以及淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)运输等发挥作用[3]。然而,细胞内过量的铜会导致自由基产生增多,引起蛋白质构象改变或使酶活性受损[4]。因此,铜的稳态对于维持机体正常生命活动十分重要。研究表明,铜稳态是由铜转运ATP 酶α、β(ATP7A、ATP7B)、铜转运蛋白(copper transporter 1,CTR1)和多种胞质铜伴侣共同介导的[1]。

铜稳态的失调已被证明参与了肝豆状核变性(hepatolenticular degeneration, HD)、帕金森病(Parkinson disease, PD)等多种神经退行性疾病的发病过程[5]。肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)也是一种神经退行性疾病,其病理特征为上、下运动神经元的变性损害[6]。ALS 的发病机制尚不明确,近年来的研究主要集中在错误蛋白异常沉积、细胞器功能障碍、兴奋性氨基酸毒性等方面[7]。目前有研究发现,细胞内铜的异常聚集,可能参与ALS 疾病的发病机制,损害了运动神经元功能和形态[8]。本文通过综述铜稳态失调在ALS 发病机制的研究进展,提出了维持铜稳态可能为ALS 治疗提供新靶点的展望。

1 细胞外的铜稳态

食物中的铜主要以Cu2+的形式存在,被还原为Cu+后,在CTR1 的作用下被肠道吸收,进入血液循环[4,9]。在血液中,铜与铜蓝蛋白(ceruloplasmin,CER)等转运蛋白相结合,经铜转运ATP 酶α(ATP7A)释放入门静脉循环,由此进入肝脏[10]。储存在肝细胞中的铜可以被分配到相应组织,其中,ATP7A 起到促进铜通过血脑屏障进入脑实质的作用,而过量的铜主要在铜转运ATP 酶β(ATP7B)的作用下,被运输到胆汁进行排泄[5,11]。因此,肝脏是人体内维持铜稳态的核心。

2 细胞内的铜稳态

铜在细胞内的流动过程复杂而又精妙,由铜伴侣蛋白及铜转运蛋白等共同介导[12]。铜离子经CTR1转运进入细胞后,与铜伴侣蛋白结合,抗氧化剂1 铜伴侣蛋白(antioxidant 1 copper chaperone,ATOX1)和细胞色素氧化酶17(cytochrome-coxidase17,COX17),分别负责将铜离子转运至高尔基体和线粒体[12]。此后,ATP7A/ATP7B、细胞色素c 氧化酶 (cytochrome c oxidase, CCO)等进一步发挥作用[13]。

2.1 ATP7A 铜转运ATP 酶α(ATP7A),又名Menkes 蛋白(MNK),是一种多跨膜蛋白,在该蛋白的氨基末端具有6 个金属结合结构域(N-末端金属结合域,NMBD)[12,14],可与Cu+进行结合,通过ATP水解释放的能量来完成铜的跨膜转运。Atp7a为X染色体连锁基因,研究证明,该基因的缺陷会导致多种具有神经系统和神经肌肉症状的疾病,如门克斯病(Menkes disease,MD)、枕角综合征(occipital horn syndrom,OHS)、X 连锁远端脊肌萎缩症-3(SMAX3)等[5,11]。

在细胞内,ATP7A 通常存在于反式高尔基体(trans-golgi network,TGN),在TGN中,ATP7A将铜离子转运至铜酶,如成纤维细胞中的赖氨酸氧化酶中,发挥生物合成作用[15];而当细胞内铜水平升高时,ATP7A 将铜从TGN 中转运至质膜,剩余的铜离子在胞吐作用下被排出细胞,从而维持细胞内的铜稳态[11]。

2.2 ATP7B 铜转运ATP 酶β(ATP7B)同样属于跨膜蛋白,与ATP7A 结构相似,但研究表明,与ATP7A 相比,ATP7B 的金属结构域对铜具有更高的亲和力[16]。Atp7β位于人第13 号染色体,目前Atp7β突变相关研究主要以错义突变为主,肝豆状核变性由Atp7β基因突变引起[17]。

在细胞内,ATP7B 与ATP7A 虽然均定位于反式高尔基体,但ATP7B于肝细胞中高度表达,可以将过量的铜离子转运进胆汁排泄,有助于维持铜稳态[18]。

在同时表达以上两种铜转运蛋白的细胞中,ATP7A 和ATP7B 的作用机制有所不同。研究表明,在极化细胞中,ATP7A携带铜离子向基底膜转运,而ATP7B则将铜离子从顶膜排出[11]。

2.3 CTR1 CTR1 作为一种高亲和力的铜跨膜转运蛋白,与ATP7A/ATP7B 不同,其跨膜转运过程不依赖ATP。CTR1 由190 个氨基酸组成,N 端位于细胞外,C 端位于细胞内,以同源三聚体的形式存在于哺乳动物细胞的质膜上,形成了铜的运输通道,在铜转运过程中具有重要的作用[19]。在人类中,CTR1 由SLC31A1基因编码,该基因位于人类染色体臂9q32 上,由5 个外显子组成[20]。目前虽然并未明确CTR1 表达异常会导致某种疾病,但研究表明,CTR1-/-小鼠在胚胎第10.5 d 时即在子宫内死亡,CTR1在胚胎发育及细胞代谢中具有重要作用[19]。

在细胞内,CTR1 主要位于细胞膜,也可定位于细胞内囊泡。铜通过CTR1转运进细胞内,并通过胞质囊泡的运输增加胞内铜的水平[21]。

此外,在细胞内存在着铜分子的伴侣蛋白,将铜运送到不同的细胞器,例如,COX17 可将Cu 运输到线粒体外膜间隙的CCO;ATOX1将Cu运输到反式高尔基体[13]。

3 铜稳态失调的致病机制

游离铜离子易与氧发生级联化学反应,从而导致氧自由基(ROS)的生成[22]。研究表明,铜可通过如下几方面导致ROS 的蓄积:(1)Cu 主要参与形成超氧化物歧化酶(SOD),SOD 对于清除ROS 具有重要的作用,当铜稳态失调时,SOD 生成异常会导致ROS 过量[23];(2)细胞内铜含量过少会使CCO 的活性降低,线粒体功能受损,从而导致ROS 产生[24]。总之,大量ROS 蓄积,会引发氧化应激反应,脂质氧化、蛋白质变性等损伤随之发生,进而使细胞发生炎症反应甚至死亡。

4 肌萎缩侧索硬化中的铜稳态失调

ALS 是最常见的运动神经退行性疾病之一,发病率为2/100 000,主要病理特征为上、下运动神经元的退行性损害,患者常表现为进行性肌肉无力萎缩、吞咽困难等。该病往往进展迅速,患者多数生存期短,最终可因累及呼吸肌导致的呼吸衰竭而死亡,平均病程只有3~5 年[25]。该病致残率高,死亡率高,发病机制尚不明确[7]。铜稳态失调已被证明参与了多种神经退行性疾病,如肝豆状核变性、门克斯病等的发病机制[16,26]。在ALS 发病机制中,铜稳态是否发挥同样重要的作用,有待进一步探究。

4.1 铜/锌超氧化物歧化酶(SOD1) SOD1是细胞内一种主要的铜结合蛋白,存在于线粒体膜间隙和细胞质中,需要铜和锌作为辅助因子,调节细胞内铜的稳态。ALS 分为家族性(FALS)和散发性(SALS),约1/5 的FALS 是由于SOD1基因突变引起的[27]。研究证实,在表达突变SOD1(mSOD1)的ALS小鼠模型中,Cu 水平降低可延长动物的寿命[28]。因此,突变的SOD1 的毒性可能源于铜稳态的破坏[29,30]。ATP7A 铜转运ATP 酶α(ATP7A),如上文所述是一种多跨膜蛋白,在细胞内可与Cu+进行结合,通过ATP 水解释放的能量来完成铜的跨膜转运[15]。最近在Bakkar 等[3]的研究中,发现1 例诊断为ALS 的65 岁男患,其ATP7A 中含有M1311V 突变体。ATP7A 的M1311V 突变会导致ATP7A 的亚细胞分布和功能改变,影响铜在细胞中的转运,使细胞内铜异常聚集;通过该研究,也证明了ATP7A 突变可使诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)衍生的运动神经元的树突复杂性、功能和活力降低[3]。此外,有相关研究表明,编码铜转运ATP 酶的Atp7β在ALS小鼠的脊髓中表达下调[31],进一步证明铜稳态调节可作为ALS疾病的发病机制。

4.2 金属硫蛋白(metallothionein proteins,MTs) MTs 是铜和锌结合蛋白,在细胞中参与广泛的生理作用,包括解毒、维持细胞内铜和锌的稳态、清除活性氧等[32]。MTs 存在多种亚型,其中MT1 和MT2 是神经胶质亚型,但MT3 存在于神经元中[33]。相关研究表明,在SOD1 G93A 小鼠的脊髓中,MT1/2表达上调可以降低脂质过氧化物水平,证明MT1/2与氧化损伤相关[34]。而Hashimoto等[35]的研究,证明了MT3在脊髓运动神经元中的表达对ALS模型小鼠的运动神经元具有保护作用,延长了ALS 模型小鼠的寿命。综上,MT1/2 和MT3 与ALS 的病理机制密切相关。

此外,铜离子代谢结构域包含体1(copper metabolism MURR1 domain-containing 1,COMMD1)通过调控ATP7A 和ATP7B 的表达的方式可参与细胞内铜离子代谢过程[36]。同时作为一种错误折叠蛋白质聚集的调节因子,COMMD1 已被证明可以与ALS中突变的SOD1(mSOD1)相互作用,促进了mSOD1复合体的形成[36];而铜螯合剂如D-青霉胺、曲恩汀和四硫代钼酸盐的相关研究表明,铜螯合剂可使ALS 小鼠脊髓中异常增加的铜离子浓度恢复到正常水平,延长SOD1 G93A 小鼠的存活率[37]。以上研究均证实了铜稳态在ALS发病机制中的重要作用。

5 小 结

铜稳态对于中枢神经系统的正常发育具有十分重要的作用,人类大脑中铜含量约为全身的7%~10%,铜稳态失调已被证实会诱发多种神经退行性疾病[12]。ALS 作为神经退行性疾病的一种,发病机制尚不明确。在铜死亡相关研究飞速发展的今天,铜稳态及相关通路的调节机制正处于不断完善的阶段,铜稳态与ALS的相关研究,为ALS的发病机制研究提供了崭新思路,并证实了通过不同靶点维持铜稳态,可能具有治疗运动神经元疾病的潜力,但仍需进一步的探究。

利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明:张莹负责文献收集、撰写论文;色瑶负责论文修改;姜宏佺负责拟定写作思路、指导撰写论文并最后定稿。

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