Humanin及其衍生物與認(rèn)知障礙

張馨娜 王濤 李洪軍 孫寶民 張新萍

隨著人口老齡化的進(jìn)展，阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)和血管性癡呆(Vascular dementia，VD)的發(fā)病率呈逐年增加的趨勢，已成為嚴(yán)重影響老年人身心健康的重要疾病，迄今尚無特異性的臨床防治措施。因此，積極探索新的有效防治途徑和方法是目前亟待解決的重要課題。Humanin(HN)是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種神經(jīng)多肽，能對β淀粉樣蛋白(amyloid beta,Aβ)毒性和缺血導(dǎo)致的細(xì)胞損傷發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，但對于其生理功能、病理作用及機(jī)制等方面目前仍不明確。

一、概述

Humanin是從AD患者未受損的枕葉分離出來的由24個氨基酸組成的具有信號肽序列的神經(jīng)多肽[1]。最初是由日本東京Keio大學(xué)病理學(xué)及神經(jīng)科學(xué)教授Hashimoto領(lǐng)導(dǎo)的研究小組所發(fā)現(xiàn)，目前認(rèn)為，HN是由細(xì)胞產(chǎn)生，然后分泌到細(xì)胞外，并與相應(yīng)的受體相結(jié)合。它可以有效抑制3種突變(淀粉樣前體蛋白突變，早老蛋白-1和早老蛋白-2突變)，對AD病相關(guān)致病因素有廣泛的拮抗作用[2,3]。因此在發(fā)現(xiàn)之初，HN被認(rèn)為是AD的特異性神經(jīng)保護(hù)肽。然而近期的研究發(fā)現(xiàn)，HN不僅能改善AD模型小鼠的學(xué)習(xí)和記憶障礙[4,5]，還能保護(hù)細(xì)胞免于氧化性應(yīng)激、低氧等所致的損傷[6]，并且減慢動脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)展[7]等。甚至在腦缺血再灌注損傷中，HN也能起到一定的保護(hù)作用[8]，提示HN可能具有廣泛的神經(jīng)保護(hù)作用[9]。HN的發(fā)現(xiàn)為AD和VD的有效防治提供了有力的依據(jù)。

二、Humanin結(jié)構(gòu)與體內(nèi)表達(dá)

目前對于HN的來源尚未明確。研究[10]表明，HN的cDNA堿基序列與線粒體DNA有99%的同源性。因此，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，HN是一種新的具有生物學(xué)活性的線粒體來源多肽[11]。分子生物學(xué)研究顯示，HN的結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系密切。其功能核心區(qū)域為Pro3-Pro19，是發(fā)揮保護(hù)活性所必要的，在這個區(qū)域進(jìn)行氨基酸替換則形成衍生物，其活性也會發(fā)生改變。如Gly取代HN第14位的Ser則形成一種衍生物-[Gly14]-humanin(HNG)，其活性較HN增高了1000倍[12]，且其作用強(qiáng)度更是遠(yuǎn)高于HN。HN雖在微克分子水平可表現(xiàn)出神經(jīng)保護(hù)作用，而HNG在納克分子水平即有相同的作用[13]。

HN在正常情況下表達(dá)量很少，除在AD患者枕部未受損的神經(jīng)元中表達(dá)外，在一些海馬神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中也有表達(dá)，尤其在海馬部位。另外，在腦脊髓液，精液和血漿中也可檢測到。HN是一種分泌性蛋白，需分泌至胞外發(fā)揮作用，這也是其發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的前提[14]。

三、生理功能

AD是一種神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其主要病理特征為細(xì)胞外老年斑、細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)元纖維纏結(jié)以及神經(jīng)元的進(jìn)行性缺失。Aβ為老年斑的主要成分，在腦內(nèi)，可以沉積在腦血管平滑肌細(xì)胞表面，引起平滑肌細(xì)胞內(nèi)α-肌動蛋白的降解及細(xì)胞死亡。Jung等[15]研究發(fā)現(xiàn)，HN能拮抗Aβ對腦血管平滑肌細(xì)胞的毒性作用，保護(hù)細(xì)胞免于Aβ1-43誘導(dǎo)的凋亡。從2001年開始，已經(jīng)陸續(xù)進(jìn)行一些在體試驗來驗證HN是否能改善AD模型小鼠的學(xué)習(xí)和記憶功能障礙。2001年，Mamiya等[16]在小鼠腦室內(nèi)注射HNG改善了小鼠因注射東莨菪堿導(dǎo)致的短期記憶障礙。2005年，Tajima等[17]的試驗得到相同結(jié)論，證明HNG可以改善因Aβ25-35注射誘導(dǎo)的小鼠記憶障礙。2012年，Yuan等[18]利用Morris水迷宮試驗也認(rèn)為HNG可以拮抗雙側(cè)海馬內(nèi)注射Aβ31-35引起的大鼠空間學(xué)習(xí)和記憶功能障礙，并且效果呈現(xiàn)劑量依賴性。

HN對一些非AD疾病也能發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。HN能夠保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞免于氧化應(yīng)激性損傷[19]，Xu等[20]對小鼠局部腦缺血再灌注模型進(jìn)行HN注射處理后發(fā)現(xiàn)，小鼠的腦梗死體積顯著減小，神經(jīng)細(xì)胞凋亡受到抑制，神經(jīng)系統(tǒng)功能得到改善。因此，HN對于VD來說，也具有一定的保護(hù)作用。Colivelin是由Chiba于2005年首次報道的一種新的由26個氨基酸組成的HN衍生物[13]，它可以保護(hù)家族性肌萎縮性側(cè)索硬化(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS)模型G93A-SOD1轉(zhuǎn)基因小鼠的脊髓前角運(yùn)動神經(jīng)元，延長小鼠的生存期[21]。另外，國外研究發(fā)現(xiàn)，HN對胰島細(xì)胞的生存也有保護(hù)作用，其衍生物HNGF6A可以增強(qiáng)葡萄糖依賴的胰島素分泌、改善胰島素的敏感性[22]，增強(qiáng)糖尿病模型小鼠的糖耐量[23]，維持血糖的穩(wěn)定。

隨著近幾年對HN的研究越來越深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)HN具有廣泛的細(xì)胞保護(hù)作用。應(yīng)用HN處理左冠狀動脈閉塞的心肌缺血損傷模型小鼠，能減少其心肌梗死面積，改善其心臟功能[24]；對睪丸生殖細(xì)胞的凋亡，HN也有拮抗作用[25]。2013年，Zhao等[26]通過試驗表明HN能夠通過降低脂多糖誘導(dǎo)的促炎性細(xì)胞因子IL-6、IL-8、TNF-α的水平達(dá)到部分抑制脂多糖誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，且這種保護(hù)作用呈現(xiàn)濃度依賴性。最新研究[27,28]顯示，HN及其衍生物還可以降低硼替佐米等化療藥物的副作用，保證其抗腫瘤效果。

四、作用機(jī)制

HN作為一種新近發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)保護(hù)多肽，具有包括神經(jīng)保護(hù)作用在內(nèi)的多種生物活性，但其作用機(jī)制仍不明確。目前關(guān)于HN及其衍生物對AD和VD的作用機(jī)制主要有以下幾點：

1.通過酪氨酸激酶受體途徑介導(dǎo)抗AD相關(guān)損傷的細(xì)胞保護(hù)作用。Matsuoka M等[29]研究AD大鼠模型發(fā)現(xiàn)，HN衍生物可以通過結(jié)合神經(jīng)細(xì)胞膜上特定受體，激活Jak2/STAT3通路，抑制Aβ淀粉樣蛋白的神經(jīng)毒性。Hashimoto等[30]的研究亦得到相同結(jié)論，認(rèn)為HN的神經(jīng)保護(hù)作用可能涉及某些酪氨酸酶的激活和轉(zhuǎn)錄過程中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子，尤其是STAT-3的激活。

2.通過人類G蛋白耦聯(lián)類甲基肽受體-1(FPRL1)和大鼠的甲酰肽受體-2(FPR2)誘導(dǎo)HN對單核巨噬細(xì)胞的趨化，競爭性的抑制FPRL1，阻斷Aβ在細(xì)胞內(nèi)的聚集和纖維化，降低Aβ的神經(jīng)毒性作用，抑制其誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[31]。HN可以通過刺激自身受體激活信號級聯(lián)系統(tǒng)G蛋白受體，形成FPRL1和FPR2，誘發(fā)鈣離子流出增加和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)激活，從而發(fā)揮抗AD相關(guān)損傷的神經(jīng)保護(hù)作用[32-34]。

3.通過白介素-6受體(IL-6)發(fā)揮作用。近來發(fā)現(xiàn)一種位于細(xì)胞膜表面的HN受體，可介導(dǎo)HN的神經(jīng)保護(hù)作用。該受體屬于IL-6受體家族，由睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子受體CNTFR/WSX-1和gp130組成[35]。gp130是IL-6受體家族的共同組成成分，可以激活JAK/STATs和ERK介導(dǎo)的信號通路。HN可以通過與兩個細(xì)胞因子受體二聚體，包括gp130/WSX-1、gp130/CNTFR或CNTFR/WSX-1相結(jié)合的方式，抑制AD相關(guān)的神經(jīng)元凋亡[36]。

4.調(diào)節(jié)膽堿能系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)傳遞：研究[37]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因AD小鼠鼻吸入colivelin后，其與AD有關(guān)的記憶缺損得到顯著改善。作用機(jī)制可能與HN能夠上調(diào)神經(jīng)傳遞過程中乙酰膽堿的傳遞性相關(guān)。這一過程主要是通過調(diào)節(jié)神經(jīng)突觸前的乙酰膽堿濃度以及調(diào)節(jié)突觸前的毒蕈堿M1受體教導(dǎo)的信號傳遞來完成，最終抑制了神經(jīng)細(xì)胞中乙酰膽堿傳遞功能所誘導(dǎo)的認(rèn)知功能障礙。

5.其他。HN能抑制Bcl-2家族蛋白的致凋亡作用[38]。Zou等通過試驗證明，HN可抑制Aβ1-40在溶液中的聚集及其誘導(dǎo)的神經(jīng)元內(nèi)Ca2+的升高，從而抑制神經(jīng)元的凋亡。Aβ的前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)在生理情況下經(jīng)α-分泌酶裂解，并不產(chǎn)生Aβ，但在病理情況下，APP會經(jīng)β-分泌酶、γ-分泌酶的裂解而導(dǎo)致Aβ的產(chǎn)生，且APP與其抗體結(jié)合后亦可導(dǎo)致神經(jīng)元的凋亡。而HN可阻斷APP介導(dǎo)的ASK/JNK系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，保護(hù)神經(jīng)元免于APP抗體的神經(jīng)毒性作用[39]。在離體條件下，HN能與胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白-3(insulin-like growth factor-binding protein-3,IGFBP-3)在細(xì)胞凋亡過程中協(xié)同作用，保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞免受Aβ?lián)p傷[40]。缺氧導(dǎo)致的鉀外流及細(xì)胞內(nèi)鉀缺乏可引起中樞神經(jīng)元凋亡，而HN可以通過減弱缺氧所致的海馬神經(jīng)元電壓依賴性鉀電流的變化從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[38]。還有研究認(rèn)為HN可能通過提高神經(jīng)元的代謝率及ATP水平，從而拮抗Aβ誘發(fā)的由線粒體功能障礙導(dǎo)致的能量危機(jī)，維護(hù)細(xì)胞活動穩(wěn)態(tài)[41]。

AD與VD具有相同的血管因素和重疊的病理生理及臨床特點[42,43]。HN在VD中的作用機(jī)制不止局限于AD相關(guān)的神經(jīng)毒性，還可拮抗N-甲基-D-天冬氨酸引起的鈣離子超載及神經(jīng)興奮性，抑制細(xì)胞凋亡因子caspase-8介導(dǎo)的NO造成的神經(jīng)損傷等，同時可緩解ox-LDL誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低血小板高反應(yīng)性，縮小動脈硬化粥樣斑塊[44]。

五、應(yīng)用前景及展望

AD、VD是嚴(yán)重威脅老人健康和生存質(zhì)量的神經(jīng)退行性疾病，目前臨床尚無有效治療措施。而HN是目前發(fā)現(xiàn)能抑制Aβ和APP抗體誘發(fā)的神經(jīng)毒性作用的多肽，且其衍生物HNG能夠跨越血腦屏障，激活HN受體還能夠同時抑制由AD誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)細(xì)胞功能障礙，因此對于AD和VD的治療提供了更好的應(yīng)用前景。目前HN及衍生物對神經(jīng)系統(tǒng)疾病作用機(jī)制研究尚屬于起步階段，目前的文獻(xiàn)報道結(jié)論多為離體試驗或動物試驗所得，以后，還要繼續(xù)加強(qiáng)臨床方面的研究，并且進(jìn)一步加強(qiáng)對HN的生理功能、病理作用及機(jī)制等方面的研究，為AD、VD等疾病的防止開辟新的途徑。