α―Syn寡聚体在帕金森症中的毒性及潜在生物标识物的功能分析

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摘要：中枢神经系统的蛋白聚集被认为是引起神经退行性疾病的重要特征。许多神经退行性疾病，包括帕金森症（PD），阿尔兹海默症（AD），都与特殊病原蛋白错折叠形成寡聚体相关，这些小分子蛋白的聚集体，可能是导致神经退行性疾病的潜在原因，α-synuclein（α-突触白，简称α-syn）蛋白被认为是导致PD的发病机理，然而，α-syn同样会形成特定的对细胞具有毒性的寡聚体结构，这些蛋白寡聚体对细胞的毒性作用，可能成为研究PD及相关混乱的新的临床诊断和处理策略。本文将讨论α-syn寡聚体在PD中的毒性机制，并且讨论其成为PD中生物标识物的可能性。

关键词：α-synuclein；寡聚体；生物标识物；毒性

"突触白"这一名词是在1988年首次被提出来的，它是一类新的含有140个氨基酸的膜蛋白，主要是从神经组织的突触前末端和神经元细胞核中分离出来的。突触白家族包括α-syn、β-syn和γ-syn三类高度同源的蛋白质，其中α-syn异常的聚集行为与帕金森病（PD）有一定的关系。当前，临床上对PD患者的诊断和治疗依赖于患者的基本运动面貌：休息性震颤，僵硬，运动徐缓，并且丧失姿势反射。该方法在疾病的早期阶段是有限的诊断方法中最好的，其准确率是可以达到90%。更重要的限制是与PD相关的神经退行性过程之前的约70%的神经元在腹侧中脑黑质在电机的特点是电机症状开始出现了。越来越多的认识确定非运动性的特征可以先于运动性特征，这可以为PD的治疗提供早期的诊断[1]。

在生理条件下，α-syn富集在突触前端被认为对神经传递素的弃放起重要作用，还具有保护神经终端不受伤害的功能[2]。在临床诊断之前，α-syn寡聚体可以作为个人PD鉴定的风险性因子。α-syn寡聚体的检查也可以监控疾病级数，并且对治疗作回应的标识。如果α-syn寡聚体毒性可以引起PD中神经元的死亡，那么，这些寡聚体在临床症状出现以前就已经呈现出来，这些呈现出来的特点就可以为PD患者的诊断提供重要的暗示。也就是说，α-syn蛋白寡聚体可能潜在生物标识物的功能。本文将讨论α-syn寡聚体潜在的毒性机制，并且在此基础上讨论PD病中α-syn蛋白寡聚体作为生物标识物的可能性，这将为PD早期阶段的诊断和治疗提供一定的参考。

1 α-Syn蛋白寡聚体

脑中α-syn主要的生理形式是未折叠的单体，α-syn在天然构象中却会呈α-螺旋的折叠四聚体结构，这种病源的α-syn蛋白从单体到包涵体，需要经过多级的过程，这与阿尔兹海默病中的β-淀粉样蛋白相似，起初都是因为蛋白的错折叠，导致寡聚体的形成并且最终形成纤维和包涵体。

N-端重复区域由氨基酸残基1-60组成，此区域为高度保守区，它包括6个两性的含11个氨基酸的重复序列，即KXKEGV。此区域为α-螺旋结构，由于区域里的赖氨酸分子之间存在静电吸引力，它能结合带负电的磷脂。所以，此区域也是α-syn与膜结合发生相互作用的重要区域。此外，N-端重复区域里还存在两个突变位点，它们分别是A30P和A53T，研究表明，这两个突变型使α-syn更容易发生聚集，形成寡聚体。处于α-syn中心区域的为非Aβ复合物区（NAC），这个区域也是α-syn区别于β-syn和γ-syn的特征区域，它由非极性链组成，主要与α-syn发生聚集和产生细胞毒性有关，研究发现，β-syn由于缺失NAC区域而不易发生聚集。此区域能促进α-syn发生聚集，形成β-片层结构，从而形成类似于Aβ的纤维。酸性C-端区域（残基96-140）包含15个羧化物，显酸性。在残基125-140这一小段区域里，包括4个磷酰化位点，它们分别是Tyr-125、-133、-136和Ser-129，这些位点有的可以被Src家族蛋白激酶磷酰化，有的也可以被G蛋白耦联受体磷酰化。研究表明，这写磷酰化位点可能与α-syn伴侣蛋白的行为有关[3]。

两个或多个单体的聚集会形成可溶性的寡聚体，也被称为原纤维，因为它是纤维形式的中间体，α-syn寡聚体最初的特点描述来自体外实验，α-syn自发形成聚集体，并且高浓度的α-syn更加容易发生聚集，原子力显微镜可以直接观察4～24 nm的寡聚体，各种各样的寡聚体形态被观察到，包括球状的、链状的、环形的、以及管状的寡聚体结构。在体外形成纤维后这些寡聚体消失，α-syn寡聚体形成过程与形态相似于体外形成的其它寡聚体，包括β-淀粉质蛋白及突变的亨廷顿蛋白，支持它们共同的聚集过程[4]。

2 α-syn寡聚体潜在的毒性机制及处理策略

2.1 α-Syn寡聚体的生理功能 生理条件下，α-syn可以通过与SNARE家族成员相互作用从而响突触小泡的释放；在病理条件下，α-syn会发生进行性聚集形成寡聚体，这种寡聚体具有细胞毒性，会导致神经元衰退或死亡，从而导致PD及其他神经元变性疾病。

在牛脑中，α-syn和β-syn组成了磷脂酶D2的抑制剂，而这种酶可以催化磷脂酰胆碱水解为磷脂酸，并促进运输分泌囊泡的生成。研究表明，在高浓度的磷脂酸的条件下，α-syn可与分泌囊泡结合，通过与囊泡结合的这种方式，α-syn能对膜的运输进行调节。被敲除α-syn基因的老鼠，与野生型的老鼠相比较，其表现性并未发生改变。但是对敲除α-syn基因的老鼠进行细胞培养，却发现老鼠的多巴胺释放水平发生了改变，且突触小泡的数量也发生了改变。所以，α-syn可调节多巴胺的释放和突触小泡的运输[5]。

2.2 α-Syn寡聚体的毒性机制 α-syn寡聚体如何调节细胞的死亡，尚未完全阐明，可能涉及到许多不同的细胞内和细胞外的机制。①在细胞质中，蛋白平衡通过细胞分裂错折叠的蛋白质，或者降解那些难以折叠的蛋白，蛋白降解主要是通过溶酶体和分子伴侣系统来维持平衡。α-Syn寡聚体可能通过抑制这些调节系统和破坏蛋白平衡来促进细胞的死亡；②过量表达α-syn同样可以抑制溶酶体酶葡糖脑苷脂酶，α-syn调节的细胞毒性与内质网的慢性应激存在一定的联系，最近使用转基因老鼠研究表明，α-syn寡聚体可以在ER的腔内产生，并且聚集在ER内，使神经元对于慢性应激非常敏感；③PD患者的尸检显示，α-syn寡聚体在ER分隔内聚集，暗示，毒性的α-syn寡聚体在细胞空间内聚体，可能会调节神经退化是通过ER的慢性应激作用。④α-Syn寡聚体在细胞外空间展示不同的细胞毒性，依靠他们的形态学，环形的寡聚体具有形成孔道的活力。使用环形构象的α-Syn寡聚体处理多巴胺能的细胞系或培养的神经元原代细胞，结果发现在细胞内出现钙离子而α-Syn单体没有效果；⑤通过改变谷氨酸盐受体，细胞外对培养的海马神经元采用这些寡聚体，会增加AMPA受体调节的兴奋性后突触电流的幅度；⑥在PD中α-syn种子和prion-like的过程通过多组健康的多巴胺能神经元转入PD脑中并且最终形成LBs；⑦α-syn从细胞内的空间释放进入细胞外，可以通过被动的方式释放，例如，膜的分裂及泄漏同时伴随着细胞的死亡，活性过程包括，胞吐作用和钙依赖的包涵体分泌机制，同样可以调节细胞内α-syn的释放[5]。邻近的细胞吸收细胞外的α-syn主要是通过内吞作用来完成，总之，这些发现表明，α-syn寡聚体种类在朊蛋白样在PD神经退行中存在。

2.3可以减少α-syn寡聚体毒性以减缓和阻止神经退化的潜在处理策略 蛋白聚集过程中会有许多步骤，这些策略就是针对各个步骤产生的，包括细胞内和细胞外的α-syn寡聚体池。最主要的目标是直接或间接地减少毒性α-syn寡聚体的含量，并且破坏已经形成的寡聚体，促进寡聚体的降解，或者使毒性的寡聚体转变为非毒性的寡聚体形式，还可以通过抗体或基于细胞机制去隔离或清除这些寡聚体，以阻止细胞与细胞之间的传递。总之有以下可行的办法：①α-syn的翻译后修饰可以影响形成低聚物的倾向，可能会导致降低寡聚物药物的产生；②使用小分子或者合成肽来直接阻碍或破坏α-syn寡聚体的形成是减少寡聚体导致神经退化的另一种策略，小分子酚类化合物姜黄素，一种在香料姜黄中发现的多酚复合物，最近被证明对α-syn单体具有高亲和力；③不同于小分子和合成肽可以特异性地识别氨基酸或蛋白的短序列，抗体却可以针对蛋白的构象并且有助于发展寡聚体特异性的耙治疗；④一种间接的以降低有毒α-syn寡聚体为策略的办法是，上调细胞内和细胞外负责调节低聚物含量的系统。特异性的分子伴侣包括Hsp70可以减少α-syn寡聚体很可能是多种机制[6]。

3 α-syn寡聚体可能作为PD生物标识物

如果α-syn寡聚体毒性真的可以引起PD中神经元的死亡，这些寡聚体在临床症状出现以前就已经呈现出来，那么这些呈现出来的特点就可以为PD患者的诊断提供重要的暗示。当前临床上对PD患者的治疗依赖于患者的基本的运动面貌：休息性震颤，僵硬的，运动徐缓，并且丧失姿势反射。该方法在疾病的早期阶段是有限的诊断方法中最好的，其准确率是可以达到90%。α-syn寡聚体可以充当一个生物标志物，在临床诊断之前，可以作为个人PD鉴定的风险性因子。α-syn寡聚体的检查也可以监控疾病级数，并且对治疗作回应的标识。

4 α-syn寡聚体作为PD生物标识物可行性分析

α-syn寡聚体作为一个有用的生物标识物，可靠地检测患者脑中寡聚体的含量必须做到可靠，便宜，没有侵害性。确定血浆和/或脑脊液中的α-syn寡聚体是不是真正作为生物标识物用于诊断PD在早期阶段或作为预期无临床症状的潜在性的PD患者，还需要大量的具有很好控制的研究。其它的对于流动的生物标记还没有开始研究，包括一些研究测试唾液和尿液中α-syn寡聚体的浓度。但是α-syn寡聚体在体内含量的测试可能会受到限制，因为它们在体外会随着时间和浓度发生改变。在体内，还需要更多的充分的有用的技术可以用来直接测量α-syn寡聚体浓度，放射配体结合脑成像技术，例如PET和SPECT技术，对于患者脑中的α-syn寡聚体可能提供一个非侵害性的方法[7]。

5结论

蛋白质聚集在神经退行性疾病中普遍存在，致病蛋白与神经退行性疾病的聚集体之间的关系认识的不断发展，目前研究的α-syn寡聚体在PD的发病机制中的作用，在PD等神经退行性疾病的蛋白质包涵体，不代表唯一的神经毒性蛋白实体，寡聚体作为毒性实体，可能在神经退行性疾病的起到重要的作用，如果α-syn寡聚体的假说是正确的，它将有可能作为生物标识物，在神经保护疗法中，实现对PD和其他神经退行性疾病进行保护性治疗。

参考文献：

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[3]J. Ignacio Gallea，M. Soledad Celej， et al. Structural insights into amyloid oligomers of the Parkinson disease related protein α-synuclein[J].J. Biol. Chem，2014，289： 26733-26742.

[4]Sonia George， Nolwen L. Rey. a-Synuclein： The Long Distance Runner[J].Brain Pathology ，2013，23：350-357.

[5]Toru Yasuda，Yasuto Nakata， Hideki.Mochizuki α-Synuclein and Neuronal Cell Death[J]. Mol Neurobiol，2013，47：466-483.

[6]Lashuel HA， Petre BM， Wall J， et al. Alpha-synuclein， especially the Parkinson's diseaseassociated mutants， forms pore-like annular and tubular protofibrils[J].J Mol Biol，2002，322：1089-1102.

[7]Outeiro TF， Putcha P， Tetzlaff JE， et al. Formation of toxic oligomeric alpha-synuclein species in living cells[J].PLoS One，2008，3：e1867. 编辑/肖慧