壞死性凋亡與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的研究進展

楊海玉 劉勇

壞死性凋亡與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的研究進展

楊海玉 劉勇

壞死性凋亡(necroptosis)是最新發(fā)現(xiàn)的一種程序性細胞壞死途徑，在死亡受體信號激活后由受體交互作用蛋白1(RIP1)和RIP3調(diào)控，該途徑并可被化合物5-(1H-吲哚-3-基甲基)-3-甲基-2-硫酮-4-咪唑烷酮(necrostatin-1)特異性抑制。目前研究表明壞死性凋亡可能參與了包括阿爾茨海默病、帕金森病和肌萎縮側(cè)索硬化等多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)生機制。深入闡明壞死性凋亡信號通路與神經(jīng)退行性疾病發(fā)生之間的關(guān)系，有望為其治療藥物開發(fā)提供潛在的新靶點。基于此，本文對壞死性凋亡與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的相關(guān)性研究進行綜述。

壞死性凋亡；神經(jīng)退行性疾??；中樞神經(jīng)系統(tǒng)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病是指一組以神經(jīng)功能退行性改變?yōu)樘卣鞯募膊〉目偡Q，包括阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)和肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)等，多呈慢性進行性病程，其病因和發(fā)病機制尚不明確，主要病理表現(xiàn)為具有特定功能的神經(jīng)核團萎縮和神經(jīng)元丟失。目前公認的細胞死亡類型有3種，包括壞死、凋亡和自噬。其中，凋亡和自噬均為細胞自我調(diào)控的主動過程，因此被稱為“程序性死亡”，而壞死通常被認為是不可調(diào)控的過程。最近研究發(fā)現(xiàn)了一種新的可調(diào)控壞死方式，該壞死方式被命名為壞死性凋亡(necroptosis)。壞死性凋亡日益得到關(guān)注，該途徑不同于傳統(tǒng)的凋亡和壞死，但發(fā)生機制卻與二者密切相關(guān)[1-3]?，F(xiàn)有研究表明壞死性凋亡涉及多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)生機制，有望為治療這些疾病的藥物開發(fā)提供潛在新靶點[4-5]。因此，深入闡明壞死性凋亡信號通路與神經(jīng)退行性疾病之間的關(guān)系具有一定的臨床指導(dǎo)意義。

1 壞死性凋亡信號通路的分子調(diào)控機制

壞死性凋亡是指由死亡受體配基啟動、通過死亡受體介導(dǎo)的在凋亡通路受到抑制的情況下發(fā)生的一類細胞壞死，該途徑可被小分子化合物5-(1H-吲哚-3-基甲基)-3-甲基-2-硫酮-4-咪唑烷酮(necrostatin-1，Nec-1)特異性阻斷。在形態(tài)學(xué)上，壞死性凋亡具有以下特點：(1)具有明顯的壞死特征，其細胞形態(tài)改變與傳統(tǒng)的細胞壞死相似，表現(xiàn)為細胞膜、溶酶體和線粒體崩解、線粒體膜電位喪失；(2)常伴隨大量炎性細胞浸潤；(3)常伴有自噬小體形成。研究表明受體交互作用蛋白(receptor interaction protein，RIP)，包括RIP1和RIP3在壞死性凋亡信號通路中起到關(guān)鍵作用，兩者均屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶[5]。RIP1由包括羧基端死亡決定簇(death domain，DD)、RIP家族相互作用序列(RIP family homotypic interaction motifs，RHM)和氨基端激酶結(jié)構(gòu)域(kinase domain，KD)三部分構(gòu)成。RIP3僅包括RHM和KD兩部分。RIP1通過DD部分與活化的死亡受體結(jié)合，形成復(fù)合物Ⅰ。隨后復(fù)合物Ⅰ經(jīng)歷受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，形成有被小泡進入細胞，當(dāng)其與胞內(nèi)體的小囊泡結(jié)合后，受體從其中解離出來進入再循環(huán)，而胞質(zhì)中的RIP3通過RHM部分與RIP1結(jié)合，形成復(fù)合物Ⅱ。RIP1和RIP3結(jié)合后可通過其KD部分相互磷酸化，這是壞死性凋亡發(fā)生的關(guān)鍵步驟?，F(xiàn)有研究證實RIP1和RIP3磷酸化導(dǎo)致其構(gòu)型發(fā)生變化，從而促進復(fù)合物Ⅱ的穩(wěn)定；而當(dāng)RIP3發(fā)生磷酸化后即被活化，可將信號向下游傳遞[6-7]。RIP3活化后可在胞漿中進一步募集、活化其他蛋白，這一過程依賴于RIP3的激酶功能，其主要的功能是激活能量代謝相關(guān)酶。RIP3的作用蛋白包括如糖原磷酸化酶、谷氨酸氨基連接酶和谷氨酸脫氫酶1等，可使三羧酸循環(huán)和呼吸鏈(主要是呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ)過度激活，導(dǎo)致氧自由基大量產(chǎn)生[8]。細胞內(nèi)過量的氧自由基可直接損毀細胞膜或造成線粒體和溶酶體膜損傷，從而使細胞發(fā)生崩解、壞死[9]。

現(xiàn)有研究表明壞死性凋亡與凋亡、自噬之間形態(tài)學(xué)具有明顯區(qū)別，三者的特征可以通過光、電鏡觀察及碘化丙啶(propidium iodide，PI)染色得到明確區(qū)分，但是它們之間具有一些共同的調(diào)控機制[2-3]。半胱天冬酶-8(caspase-8)是細胞凋亡發(fā)生的執(zhí)行者和中心環(huán)節(jié)， caspase-8聚集可導(dǎo)致自我活化并激活外源性凋亡通路，同時促進RIP1和RIP3降解，導(dǎo)致壞死性凋亡信號通路關(guān)閉[10]。Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(Fas associated death domain，F(xiàn)ADD)是死亡受體介導(dǎo)外源性凋亡通路的關(guān)鍵因子，研究表明在RIP1和RIP3形成的壞死復(fù)合物中含有可募集caspase-8的FADD，在caspase抑制條件下FADD可能參與了壞死復(fù)合體形成的調(diào)控過程[11]。另有研究探討了Nec-1對腦損傷的作用及其與細胞死亡途徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Nec-1不僅能阻斷壞死性凋亡發(fā)生，還可明顯抑制凋亡相關(guān)蛋白caspase-3和B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl-2)及自噬相關(guān)蛋白Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域蛋白(Beclin-1)表達，提示Nec-1可能通過抑制壞死性凋亡、凋亡及自噬相關(guān)蛋白表達而發(fā)揮神經(jīng)保護作用[12]。

2 壞死性凋亡與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的相關(guān)研究

2.1 AD AD是一種以進行性癡呆為主要特征的神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為學(xué)習(xí)記憶功能改變，嚴重影響了人類健康。隨著全球人口老齡化，AD發(fā)病率持續(xù)增高。目前對癥治療是AD的主要治療方法，但尚不能完全控制其病程進展，尋求安全有效的新藥成為AD治療的迫切需要。有研究證實雷帕霉素(rapamycin)對于阻斷AD發(fā)生具有一定作用，其機制與調(diào)控壞死性凋亡信號通路相關(guān)[4，13]。β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)斑塊沉積是AD的特征性病理表現(xiàn)，研究證實Aβ聚集后具有神經(jīng)毒性，可破壞細胞穩(wěn)態(tài)平衡及引起神經(jīng)元死亡，最終損害大腦認知功能[14]。24S-羥基膽固醇(24S-OHC)是膽固醇24-羥化酶的產(chǎn)物，主要在腦組織中生成并參與維持腦代謝平衡。研究證實24S-OHC可誘導(dǎo)神經(jīng)元發(fā)生壞死性凋亡，并且參與了神經(jīng)元細胞中Aβ的生成過程，提示調(diào)控腦組織中24S-OHC水平可能是預(yù)防AD發(fā)生的新策略[15-16]。

目前研究證實氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙在AD發(fā)病過程中發(fā)揮了重要作用。聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(poly-ADP-ribose polymerase，PARP)是其重要調(diào)控分子[17]。有學(xué)者證實除Nec-1外，PARP特異性抑制劑PJ34鹽酸鹽(PJ34)可抑制谷氨酸鹽誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)元細胞系(HT22)發(fā)生壞死性凋亡，提示PARP活化在谷氨酸鹽誘導(dǎo)的壞死性凋亡過程中起到關(guān)鍵作用[17]。該研究進一步分析了Nec-1與PARP之間的作用關(guān)系，證實Nec-1可抑制PARP及其下游信號分子的活性，但是不能阻斷PARP活化劑誘導(dǎo)的細胞死亡，因此推測Nec-1對PARP并無直接抑制作用，其作用靶點位于PARP上游[18]。作為神經(jīng)退行性病變的一種惡化因素，鋁被認為是其病因?qū)W中的風(fēng)險因子。有學(xué)者采用新生小鼠原代培養(yǎng)的大腦皮層細胞進行研究，證實Nec-1可阻斷鋁誘導(dǎo)的細胞死亡并呈劑量依賴性；體內(nèi)實驗進一步證實Nec-1可改善鋁誘導(dǎo)的小鼠學(xué)習(xí)記憶功能損傷、減少神經(jīng)元死亡和抑制相關(guān)蛋白的表達[19]。由此可見，鋁誘導(dǎo)發(fā)生的神經(jīng)退行性病變可能與壞死性凋亡相關(guān)，而Nec-1對于預(yù)防和治療AD發(fā)生可能具有潛在的作用。

2.2 PD PD是中老年人常見的一種神經(jīng)退行性疾病，其主要病理特征表現(xiàn)為黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元大量丟失和殘存神經(jīng)元細胞內(nèi)形成路易小體(一種以α-synuclein為主要成分的嗜酸性包涵體)。PD 的臨床表現(xiàn)包括運動遲緩、震顫和強直等，目前應(yīng)用的治療手段主要是改善其癥狀，尚不能完全阻止病情進展?，F(xiàn)有研究表明代謝型谷氨酸受體Ⅱ/Ⅲ(mGluR Ⅱ/Ⅲ)可能是對癥治療PD的潛在靶點[20]，該研究中采用人神經(jīng)母細胞瘤細胞株SH-SY5Y細胞和線粒體神經(jīng)毒性試劑1-甲基-4-苯基-吡啶離子(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)建立PD體外模型，證實mGluR Ⅱ/Ⅲ活化劑對MPP+誘導(dǎo)的細胞死亡具有保護作用，而且Nec-1可阻斷其作用[20]。該研究提示mGluR Ⅱ/Ⅲ活化劑可通過調(diào)控壞死性凋亡信號通路而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。另外，已有研究表明慢性神經(jīng)炎性反應(yīng)是誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡的主要誘因[21-22]。腫瘤壞死因子-α(TNF-α)是參與調(diào)控神經(jīng)炎性反應(yīng)的關(guān)鍵因子，有研究證實TNF-α水平增高與PD發(fā)生密切相關(guān)[21]。還有研究發(fā)現(xiàn)腦室內(nèi)注射TNF-α后可激活小鼠海馬壞死性凋亡信號通路并誘導(dǎo)神經(jīng)元丟失，而RIP3基因敲除可抑制該現(xiàn)象[22]，該研究表明RIP3可能是TNF-α誘導(dǎo)神經(jīng)元發(fā)生壞死性凋亡的關(guān)鍵調(diào)控分子。

2.3 ALS ALS是一種以脊髓、腦干及運動皮質(zhì)的運動神經(jīng)元發(fā)生進行性退變?yōu)樘卣鞯募膊?，臨床表現(xiàn)為進行性四肢無力、肌肉痙攣和肌萎縮。大部分ALS是散發(fā)性病變，其病因尚不清楚。氧化應(yīng)激損傷、神經(jīng)炎性反應(yīng)及線粒體功能障礙均為ALS的致病因素[23]。有研究采用來源于散發(fā)性ALS患者的原代培養(yǎng)星形膠質(zhì)細胞與人胚胎干細胞來源的運動神經(jīng)元建立共培養(yǎng)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞可分泌神經(jīng)毒性因子，并通過壞死性凋亡途徑選擇性殺死運動神經(jīng)元，并且該過程主要由RIP1調(diào)控[24]。另有研究表明約有5%～10%的ALS是家族性病變，家族性ALS中約20%的疾病發(fā)生與人類超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)基因錯義突變相關(guān)[25]。目前應(yīng)用于ALS研究的體外模型之一是可表達SOD1突變體(SOD1G93A)的星形膠質(zhì)細胞，該細胞模型可誘發(fā)神經(jīng)炎性反應(yīng)，并且能模擬ALS發(fā)病進程。已有研究證實在運動神經(jīng)元和SOD1G93A星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)的ALS離體模型中，重復(fù)加入ATP或P2X7激動劑能夠過度興奮星形膠質(zhì)細胞并誘導(dǎo)運動神經(jīng)元發(fā)生壞死性凋亡，并且該過程可被Nec-1阻斷[26]。以上研究提示，壞死性凋亡涉及ALS發(fā)生機制并且可能為ALS治療提供新的線索。

3 壞死性凋亡的抑制劑

目前針對壞死性凋亡的抑制劑在不同疾病動物模型中均已取得一定療效[27]，這表明以壞死性凋亡信號通路為靶點的治療藥物有望運用于神經(jīng)退行性疾病的臨床治療。除了特異性抑制劑Nec-1外，學(xué)者們正試圖找到其他有效的抑制劑。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)兩種抗癌化合物帕納替尼(ponatinib)和帕唑帕尼(pazopanib)具有抑制壞死性凋亡的作用，均可抑制在人源性細胞中由死亡配體誘導(dǎo)發(fā)生的壞死性凋亡[27]。另外，研究認為RIP1和RIP3是壞死性凋亡發(fā)生的關(guān)鍵分子，而HSP90抑制劑可通過影響RIP3和RIP1蛋白穩(wěn)定性，進而干擾壞死性凋亡的發(fā)生過程[28]。由此可見，針對HSP90蛋白功能調(diào)控也可能是涉及壞死性凋亡抑制劑的一種新的策略。

綜上可見，壞死性凋亡涉及多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，包括AD、PD、ALS等的發(fā)生機制，但是其具體的分子調(diào)控機制仍不十分清楚。深入研究壞死性凋亡對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的調(diào)控及其與相關(guān)信號通路的關(guān)系，將有助于進一步闡明中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病機制，而以壞死性凋亡信號通路為靶點的治療藥物有望運用于神經(jīng)退行性疾病的臨床治療。

[1][1]Fayaz SM, Suvanish Kumar VS, Rajanikant GK. Necroptosis: who knew there were so many interesting ways to die? [J] .CNS Neurol Disord Drug Targets, 2014, 13(1): 42-51.

[2]Walsh CM. Grand challenges in cell death and survival: apoptosisvs. necroptosis[J]. Front Cell Dev Biol, 2014, 2(2): 3.

[3]Wang YQ, Wang L, Zhang MY, et al. Necrostatin-1 suppresses autophagy and apoptosis in mice traumatic brain injury model[J]. Neurochem Res, 2012, 37(9): 1849-1858.

[4]Maiese K. Taking aim at Alzheimer's disease through the mammalian target of rapamycin[J]. Ann Med, 2014, 46(8): 587-596.

[5]Zhang YY, Liu H. Connections between various trigger factors and the RIP1/ RIP3 signaling pathway involved in necroptosis[J]. Asian Pac J Cancer Prev, 2013, 14(12): 7069-7074.

[6]Degterev A, Zhou W, Maki JL, et al. Assays for necroptosis and activity of RIP kinases[J].Enzymol, 2014, 545(1): 1-33.

[7]McQuade T, Cho Y, Chan FK. Positive and negative phosphorylation regulates RIP1- and RIP3-induced programmed necrosis[J]. Biochem J, 2013, 456(3): 409-415.

[8]Zhang DW, Shao J, Lin J, et al. RIP3, an energy metabolism regulator that switches TNF -induced cell death from apoptosis to necrosis[J]. Science, 2009, 325(5938): 332-336.

[9]Ray PD, Huang BW, Tsuji Y. Reactive oxygen species (ROS) homeostasis and redox regulation in cellular signaling[J]. Cell Signal, 2012, 24(5): 981-990.

[10]Günther C, Martini E, Wittkopf N, et al. Caspase-8 regulates TNF-α-induced epithelial necroptosis and terminal ileitis[J]. Nature, 2011, 477(7364): 335-339.

[11]Lee EW, Kim JH, Ahn YH, et al. Ubiquitination and degradation of the FADD adaptor protein regulate death receptor-mediated apoptosis and necroptosis[J]. Nat Commun, 2012, 3(5): 978.

[12]Chang P, Dong W, Zhang M, et al. Anti-necroptosis chemical necrostatin-1 can also suppress apoptotic and autophagic pathway to exert neuroprotective effect in mice intracerebral hemorrhage model[J]. J Mol Neurosci, 2014, 52(2): 242-249.

[13]Liu Q, Qiu J, Liang M, et al. Akt and mTOR mediate programmed necrosis in neurons[J]. Cell Death Dis, 2014, 5(2): e1084.

[14]Han SH, Park JC, Mook-Jung I. Amyloid β-interacting partners in Alzheimer's disease: From accomplices to possible therapeutic targets[J]. Prog Neurobiol, 2015, 137(2): 17-38.

[15]Vo DK, Urano Y, Takabe W, et al. 24(S)-hydroxycholesterol induces RIPK1-dependent but MLKL-independent cell death in the absence of caspase-8[J]. Steroids, 2015, 99(Pt B): 230-237.

[16]Noguchi N, Saito Y, Urano Y. Diverse functions of 24(S)-hydroxycholesterol in the brain[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2014, 446(3): 692-696.

[17]Verdile G, Keane KN, Cruzat VF, et al. Inflammation and oxidative stress: The molecular connectivity between insulin resistance, obesity, and Alzheimer’s disease[J]. Mediators Inflamm, 2015, 2015(11): 105828.

[18]Xu X, Chua CC, Zhang M, et al. The role of PARP activation in glutamate-induced necroptosis in HT-22 cells[J]. Brain Res, 2010, 1343(7): 206-212.

[19]Qinli Z, Meiqing L, Xia J, et al. Necrostatin-1 inhibits the degeneration of neural cells induced by aluminum exposure[J]. Restor Neurol Neurosci, 2013, 31(5): 543-555.

[20]Jantas D, Greda A, Golda S, et al. Neuroprotective effects of metabotropic glutamate receptor group Ⅱ and Ⅲ activators against MPP(+)-induced cell death in human neuroblastoma SH-SY5Y cells: the impact of cell differentiation state[J]. Neuropharmacology, 2014, 83(8): 36-53.

[21]Fischer R, Maier O. Interrelation of oxidative stress and inflammation in neurodegenerative disease: role of TNF[J]. Oxid Med Cell Longev, 2015, 2015(3): 610813.

[22]Liu S, Wang X, Li Y, et al. Necroptosis mediates TNF-induced toxicity of hippocampal neurons[J]. Biomed Res Int, 2014, 2014(7): 290182.

[23]Komine O, Yamanaka K. Neuroinflammation in motor neuron disease[J]. Nagoya J Med Sci, 2015, 77(4): 537-549.

[24]Re DB, Le Verche V, Yu C, et al. Necroptosis drives motor neuron death in models of both sporadic and familial ALS[J]. Neuron, 2014, 81(5): 1001-1008.

[25]Kaur SJ, McKeown SR, Rashid S. Mutant SOD1 mediated pathogenesis of amyotrophic lateral sclerosis[J]. Gene, 2016, 577(2):109-118.

[26]Pirooznia SK, Dawson VL, Dawson TM. Motor neuron death in ALS: programmed by astrocytes[J]? Neuron, 2014, 81(5): 961-963.

[27]Fauster A, Rebsamen M, Huber KV, et al. A cellular screen identifies ponatinib and pazopanib as inhibitors of necroptosis[J]. Cell Death Dis, 2015, 6(5): e1767.

[28]Park SY, Shim JH, Chae JI, et al. Heat shock protein 90 inhibitor regulates necroptotic cell death via down-regulation of receptor interacting proteins[J]. Pharmazie, 2015, 70(3):193-198.

(本文編輯：鄒晨雙)

10.3969/j.issn.1006-2963.2017.02.016

國家自然科學(xué)基金資助項目(81060111)；江西省衛(wèi)計委中醫(yī)藥科研基金重點資助項目(2013Z005)；江西省杰出青年人才資助計劃(20162BCB23056)作者單位：330006江西省人民醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究所

劉勇，Email：jxpathology@126.com

R741.02

A

1006-2963(2017)02-0143-04

2016-01-20)