α‑突触核蛋白寡聚化在认知障碍中的研究进展

【综述】

α‑突触核蛋白（α‑synuclein, α‑Syn）是一种由140个氨基酸残基组成的广泛表达在突触前末梢的可溶性神经元蛋白，在生理情况下调节神经元细胞膜的稳态、控制突触囊泡运输以及多巴胺的合成调控。可溶性N‑乙基马来酰胺敏感因子附着蛋白受体（soluble N‑ethylmaleimide‑sensitive factor attachment protein receptors, SNARE）蛋白复合物是细胞膜融合的关键组分，能够介导胞内物质的定向运输，维持机体各项生命活动的正常运行。α‑Syn在突触前膜与SNARE相互作用，促进SNARE复合体的形成，维持正常的突触功能 。

炎症、氧化应激、特异性的损害（兴奋性毒性、1‑甲基‑4‑苯基‑1, 2, 3, 6‑四氢吡啶）等刺激，可引起α‑Syn基因激活，使α‑Syn表达水平升高并发生异常聚集，形成低聚状态的α‑Syn进一步聚集，发展成不可溶性的α‑Syn纤维。“寡聚化”是指α‑Syn发生聚集，但尚未形成纤维体的中间形式。其中毒性最强的α‑Syn类型是可溶性的寡聚体。

α‑Syn存在于帕金森病（Parkinson's disease, PD）患者或转基因鼠的脑退化区，具有毒性作用。α‑Syn寡聚体诱导神经退化的机制可能涉及多种致病过程。

1.1　线粒体损伤

线粒体是细胞的“能量站”，并能调控基因表达和细胞凋亡等过程。2014年Plotegher等 发现α‑Syn寡聚体刺激SH‑SY5Y细胞后，线粒体形态破坏，细胞器破碎。在过表达人A53T α‑Syn的PD小鼠模型中显示，线粒体复合体Ⅰ功能异常，在PD患者尸检的大脑中也发现线粒体复合体Ⅰ活性明显降低 。线粒体‑内质网耦联结构与线粒体发生、线粒体动力学和Ca2+稳态有重要的关系。在α‑Syn的转基因小鼠中发现神经元的线粒体‑内质网耦联结构距离增加，进而影响内质网Ca2+释放，ATP产生 。α‑Syn寡聚体能够引发线粒体毒性，降低外源性Ca2+的留存时间，促进Ca2+诱导的线粒体肿胀和去极化，加速细胞色素C的释放 。这些研究提示，α‑Syn寡聚体与线粒体功能障碍有关，可能与PD的发病有关。

1.2　内质网（endoplasmic reticulum, ER）应激（endoplasmic reticulum stress, ERS）

ER是蛋白质修饰、折叠和Ca2+贮存的场所，ER内稳态失衡时就会发生ERS。在过表达A53T转基因鼠和PD患者的脑组织中均发现α‑Syn寡聚体的聚集现象，引起慢性ERS反应和ER蛋白功能受损 。葡萄糖调节蛋白78（glucose‑regulated protein 78, Grp78）属于应激蛋白家族，当细胞发生ERS，Grp78表达上调，提高ER对蛋白质的折叠能力，减轻ER负担。动物实验中发现，抑制A30P α‑Syn转基因小鼠体内寡聚体的合成，Grp78上调作用会得到抑制 。Colla等 在PD小鼠模型和PD患者的脑组织中都发现，α‑Syn寡聚体与ER膜不完整性有关，而且脑干中寡聚体的积聚比皮质更明显。这些研究都强调，α‑Syn寡聚体可能导致ERS进而引起神经毒性作用。

1.3　细胞膜完整性受损

膜的完整性对于任何类型细胞维持正常功能都是必不可少的。α‑Syn寡聚体可以导致膜缺陷，加速膜损伤和改变膜的性质  。α‑Syn与线粒体外膜尤其是内膜上的心磷脂有高度亲和性，α‑Syn寡聚体可以迅速与线粒体膜结合破坏线粒体形态。细胞膜完整性对维持Ca2+水平稳定有重要影响，某些类型的寡聚物可能通过在细胞膜形成孔隙而破坏细胞内稳态。外层脂质双分子层的破坏能够增加细胞渗透性，促进细胞外离子内流 。抑制胞外Ca2+内流可以减少α‑Syn寡聚体引起的神经元细胞死亡 。α‑Syn与磷脂膜泡共同孵育细胞时，可以加快其在细胞膜上的聚集，这种膜促进的异常聚集可能与α‑Syn的中心疏水区域和膜之间的相互作用遭到破坏、暴露疏水区引起α‑Syn的自我重组有关，而阻止α‑Syn寡聚体作用于细胞膜可以产生有益的效果 。这些结果提示，保持膜的完整性至关重要，而α‑Syn寡聚体作用于细胞膜会导致有害的影响，适当地干预可逆转此有害现象。

1.4　突触功能障碍

神经元通过突触才能发挥其生物学功能。α‑Syn寡聚体能够结合突触囊泡融合所必需的SNARE复合体的组成部分小突触泡蛋白，阻止SNARE复合体的组成，进而导致神经递质释放减少，神经元功能障碍和死亡 。α‑Syn寡聚体还可通过降低微管的稳定性，破坏肌动蛋白和微管之间的相互作用减少轴突运输，破坏突触小泡的转运功能以及抑制微管蛋白的聚合作用 。还有研究者猜测，α‑Syn可能为一种新型的微管动力酶，能促进微管蛋白的成核或微管突变 。Danzer等 发现，α‑Syn寡聚物可能破坏突触小泡功能，再次导致神经递质释放减少以及细胞膜的通透性增加，引起Ca2+内流和兴奋性毒性。这些研究表明，α‑Syn寡聚体可能通过损坏中枢神经系统突触囊泡的功能来介导早期突触相关的病理过程。

1.5　胶质细胞和炎症反应

星形胶质细胞和小胶质细胞对维持神经元的稳态，参与清除病理性蛋白聚集发挥重要作用。α‑Syn寡聚体通过激活Toll样受体2通路激活胶质细胞，引发中枢炎症反应，破坏突触功能和促进神经元死亡导致记忆障碍 。星形胶质细胞能够摄取α‑Syn寡聚体，并通过蛋白酶体途径降解。但是当星形胶质细胞摄取α‑Syn的量超过溶酶体降解的量时，星形胶质细胞内形成新的寡聚物和纤维，反而会加剧病理过程，促进神经元死亡 。另外，从成年小鼠或老年患者中分离出的小胶质细胞较青年小鼠或青年患者中分离出的小胶质细胞对α‑Syn寡聚体的吞噬能力明显降低，且它们在受到α‑Syn寡聚体的损伤时会分泌更多的TNF‑α 。因而，进一步研究胶质细胞对α‑Syn寡聚体的作用，对于开发其对突触核蛋白病治疗的潜在作用具有重要意义。

术后谵妄（postoperative delirium, POD）是围手术期神经认知障碍的一种主要类型，其发病机制有多种假说 。有临床研究观察到，在发生POD的胃大部切除患者的组织标本中，神经丛α‑Syn阳性表达率及其磷酸化的程度都明显高于未发生POD的手术患者，提示α‑Syn可能是引起POD的原因 。该组研究人员还发现，术前存在PD非运动系统症状（如快速动眼睡眠障碍、嗅觉障碍、白天嗜睡和失眠等）的老年患者在接受脊柱手术后，其POD的发病率更高，PD非运动系统症状与α‑Syn沉积密切相关，研究者推测具有PD非运动系统症状是POD的风险因素 。另外，POD与α‑Syn异常相关的认知障碍［如帕金森病痴呆（Parkinson's disease dementia, PDD）和路易体痴呆（dementia with lewy bodies, DLB）］有相似的临床特点，如注意力不集中、幻觉、思想混乱和睡眠觉醒周期改变 。上述研究与POD小鼠模型的结果相一致，剖腹探查术后出现谵妄样神经行为学表现的小鼠，手术麻醉12 h后小鼠皮质α‑Syn的表达显著上调，且早于其行为学异常的出现 。这些证据均提示，α‑Syn的异常表达或病理性改变可能与术后认知功能的改变有关。

AD是一种常见的神经退行性疾病，是痴呆（dementia）最常见的类型，其主要的病理改变是细胞内神经元纤维缠结形成以及细胞外β淀粉样蛋白（amyloid β‑protein, Aβ）沉积的老年斑。但有30%~40%的AD患者表现出其他蛋白病变症状，即细胞内α‑Syn沉积形成的路易体（lewy bodies, LB）和路易神经突 。LB型AD的患者比单纯AD的患者认知功能衰退速度更快、程度更严重 。研究者在小鼠中也发现了相同的现象，观察不同周龄非转基因鼠、3×Tg‑AD鼠、A53T α‑Syn转基因鼠和DLB‑AD转基因鼠，发现2月龄和4月龄时的3×Tg‑AD和DLB‑AD鼠的认知功能都明显降低，但降低水平差异无统计学意义；6月龄DLB‑AD鼠的认知能力损害较3×Tg‑AD鼠更严重，9月龄时严重程度差异更明显 。临床研究84例老年患者中，还未形成LB病理改变的AD患者，其大脑皮质组织细胞内可溶性α‑Syn蛋白表达水平比非认知障碍（no cognitive impairment, NCI）和患有中度认知障碍的患者分别上调约2.24倍和1.69倍，与α‑Syn水平变化一致，AD组患者SNCA基因的表达水平比NCI组上调约1.67倍 。在基础研究中也发现，过表达野生型可溶性α‑Syn的转基因小鼠，在巴恩斯圆形迷宫行为学检测中与AD转基因小鼠（J20）表现出相同的认知障碍水平，较普通的相同周龄的野生型小鼠认知功能明显下降 。该研究团队还发现，可溶性的α‑Syn单体在异常情况下会过度表达，聚集成可溶性的有毒寡聚体形式，抑制转录因子cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element binding, CREB）和核相关受体因子1（nuclear receptor related factor 1, Nurr1）活性，使其失去控制突触素基因启动子的活性，使SYN相关蛋白（SYN1和SYN2）表达降低，SYN参与突触传递效能的调控，与突触重塑和认知关系密切，从而导致记忆障碍 。另外越来越多的研究发现，α‑Syn、Tau和Aβ分子之间可互相作用，影响彼此表达水平 。这些研究均显示，α‑Syn寡聚体可能与AD相关认知功能损伤有关。

DLB和PDD是以PD症状和dementia为主要临床表现的突触核蛋白病，目前被认为是仅次于AD、第二常见的神经变性性痴呆 。遗憾的是，PDD和DLB目前没有有效的治疗方式。突触核蛋白病相关性dementia与α‑Syn在皮质和海马部位异常聚集有关。Adamowicz等 研究了95例DLB患者，发现α‑Syn病理改变主要是在海马的CA2区和内嗅皮质区，CA1区病理改变最轻，但CA1区与记忆的相关性最好。α‑氨基‑3‑羟基‑5‑甲基‑4‑异恶唑丙酸受体（amino‑3‑hydroxy‑5‑methylisoxazole‑4‑propionic acid receptor, AMPAR）是离子型谷氨酸受体的亚型，介导中枢神经系统兴奋性递质的传递，由GluR（receptor of glutamic acid）1~4四个亚单位的一种或多种以不同的方式组合成四聚体结构，其中GluR 2亚单位是参与构成AMPAR的重要组成部分。AMPAR与突触可塑性的诱导与维持发挥着重要的作用。AMPAR的异常可以使突触可塑性发生异常，引起认知功能损伤。A53T α‑Syn转基因鼠依赖于tau磷酸化，使GluR 2亚单位下调，Ca2+通透性增强，突触后功能障碍和突触可塑性异常，导致记忆和认知功能障碍 。有研究发现，α‑Syn的酸性C‑端能够与Tau的基本中心区域发挥作用，抑制其稳定微管的功能，Tau过度表达发生异常聚集，导致神经元功能紊乱 。最新研究还发现，纤维形式α‑Syn（preformed fibrils, PFF）注射到小鼠富含迷走神经丰富的幽门部和十二指肠的肌层，致病性α‑Syn经过肠‑脑轴传播到大脑；水迷宫等行为学检测发现PFF注射7个月后小鼠的认知功能较单纯注射PBS组明显下降，且海马神经核蛋白表达明显降低，α‑Syn丝氨酸129位点磷酸化明显上调，而切断迷走神经后PFF注射组与PBS注射组小鼠认知功能等其他症状都没有明显差异，说明病理性α‑Syn可能通过肠‑脑轴传播导致相关的神经退行性变和行为学缺陷 。通过以上研究均说明病理性α‑Syn可能与DLB和PDD的发病机制有关。

综上所述，α‑Syn寡聚体对许多细胞过程有明显的损害作用，包括细胞膜、线粒体、内质网功能、神经炎症和突触传递等。另外，越来越多的证据支持α‑Syn寡聚化在神经退行性病变相关dementia和术后认知功能障碍的多因素原因中起着重要作用。未来的研究需要充分阐明结构多样的寡聚体对特定通路的作用，检测和分化不同类型α‑Syn寡聚体的技术也将是关键，可能为治疗病理性α‑Syn相关的神经退行性疾病和术后认知功能损伤提供新的思路。