CREB與阿爾茨海默病

張超潔，商亞珍

(承德醫(yī)學(xué)院中藥研究所/河北省中藥研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗室/河北省中醫(yī)藥抗癡呆重點(diǎn)研究室，河北承德 067000)

CREB（cAMP response element binding protein）是一種真核細(xì)胞生物核內(nèi)蛋白質(zhì)，具有調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄、增強(qiáng)突觸可塑性和改善記憶障礙的功能，對阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）發(fā)生發(fā)展過程中存在的學(xué)習(xí)記憶能力減退起著重要的作用。AD是多發(fā)生于老年及老年前期的一種癡呆類型，是伴隨有進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙的一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其主要臨床表現(xiàn)為學(xué)習(xí)記憶障礙不斷加重、智能低下、呆傻愚笨等[1]。研究表明，AD的發(fā)病機(jī)制為β-淀粉樣斑塊異常沉積、Tau蛋白過度磷酸化而導(dǎo)致的神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles, NFTs）、神經(jīng)炎癥反應(yīng)、突觸轉(zhuǎn)導(dǎo)功能發(fā)生異常、線粒體功能障礙等[2]。另外，CREB結(jié)構(gòu)和功能的異常變化也與AD的病理生理發(fā)生改變密切相關(guān)。CREB作為長期記憶形成所必需的轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于各種動物中，研究表明，在AD患者發(fā)生學(xué)習(xí)記憶障礙的過程中，其對中樞神經(jīng)有改善作用，且對長時程記憶的增加作用得到普遍認(rèn)可[3]。CREB磷酸化水平降低，導(dǎo)致其下游與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的神經(jīng)生長因子的活性降低。因此，CREB磷酸化水平高低決定了AD患者在發(fā)生認(rèn)知障礙過程中記憶能力受損的強(qiáng)弱。

1 AD與CREB

CREB可調(diào)節(jié)、刺激基因轉(zhuǎn)錄，被稱為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的核因子，又被稱為轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)因子。已有大量研究表明，在中樞神經(jīng)系統(tǒng),CREB能調(diào)控神經(jīng)生長因子的轉(zhuǎn)錄活性及調(diào)節(jié)突觸可塑性，影響與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的多種神經(jīng)退行性疾病[4]。神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能異常，能夠引起神經(jīng)退行性改變，而神經(jīng)突觸可塑性改變是AD認(rèn)知障礙的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)。大量研究證明，AD患者海馬組織中CREB及其發(fā)生磷酸化形成p-CREB的表達(dá)量下降能夠誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[5]。因此，CREB可能與 AD患者學(xué)習(xí)記憶障礙的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。

2 CREB的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制

CREB必須在被磷酸化形成p-CREB后才能發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄激活功能。CREB的二級結(jié)構(gòu)有兩個功能區(qū)，其中，C端為富含堿性氨基酸的DNA結(jié)合區(qū)，含亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)（bZIP），也稱為DNA結(jié)合域；N端是富含酸性氨基酸的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)區(qū)，該區(qū)域包括含大量脯氨酸PRO區(qū)（協(xié)助發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用）和KID區(qū)（多激酶誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)域）等。PRO區(qū)能將CREB與啟動子的結(jié)合部位和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄部位分為bZIP區(qū)與KID區(qū)，在增加分子柔性的同時，使兩個區(qū)能夠更好地發(fā)揮作用[6]。CREB分子結(jié)構(gòu)中KID的Ser133位點(diǎn)是最主要的磷酸化位點(diǎn)，也是發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵位點(diǎn)。研究表明，CREB-Ser133位點(diǎn)的磷酸化不足以激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，CREB發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用尚需兩個重要的輔助因子參與其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能的機(jī)制。

2.1 輔助因子CBP/p300

輔助因子CBP（CREB binding protein）與CREB的相互作用，能夠驅(qū)動長期記憶所必需的 CREB轉(zhuǎn)錄。CBP參與促進(jìn)CREB的磷酸化，并與CREB結(jié)合為復(fù)合物，實(shí)現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)功能。CBP的特殊結(jié)構(gòu)域KIX能夠特異性識別磷酸化后CREB的KID結(jié)構(gòu)域，KID結(jié)構(gòu)域能夠特異地識別磷酸化后的Ser133位點(diǎn), 促使CBP與CREB相結(jié)合[7]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)功能。先前對AD大鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠海馬CBP活性水平的降低伴隨著CREB活化的降低，即p-CREB-Ser133水平[8]，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)CBP在轉(zhuǎn)錄和記憶中的作用。

2.2 輔助因子TORC/CRTC1

除CBP通過誘導(dǎo)擬合機(jī)制使CREB本身發(fā)生磷酸化外，還存在其他輔助激活因子共同參與對CREB下游基因的轉(zhuǎn)錄起始和維持。因此，研究者們發(fā)現(xiàn)了cAMP 反應(yīng)元件（CRE）驅(qū)動的基因轉(zhuǎn)錄的有效調(diào)節(jié)劑，cAMP調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄共激活因子(cAMP-regulated transcriptional coactivator,CRTC)或CREB調(diào)控轉(zhuǎn)導(dǎo)子(transducer of regulated CREB,TORC)。與CBP不同的是，CRTC與CREB的bZIP結(jié)構(gòu)域結(jié)合[9]，該部位與DNA親和力高，為CREB與啟動子CRE位點(diǎn)結(jié)合的部位，發(fā)生結(jié)合后，促使下游基因的轉(zhuǎn)錄活性，增加相關(guān)基因的表達(dá)。

3 CREB磷酸化激活機(jī)制

CREB的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能受到磷酸化和去磷酸化的一系列調(diào)控[10]。研究證明，CREB可以通過NMDA受體的激活而發(fā)生磷酸化[11]，NMDA受體的蛋白質(zhì)水平及其磷酸化狀態(tài)與認(rèn)知功能有著密切的關(guān)系[12]，AD病人海馬神經(jīng)元的NMDA受體亞基水平降低。通過激活突觸上的NMDA受體誘發(fā)CREB的持續(xù)磷酸化，磷酸化的CERB誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)而起到神經(jīng)保護(hù)作用。有研究表明，小鼠海馬中NMDA受體激活表達(dá)增加能激活CREB磷酸化[13]，在長期空間學(xué)習(xí)和記憶障礙的小鼠中觀察到NMDAR復(fù)合物顯著減少[14]。此外，CREB分子是多種蛋白激酶的磷酸化底物，其活化的中心環(huán)節(jié)是Ser133位點(diǎn)的磷酸化，PKA、Rsk、Akt等蛋白激酶都可促使CREBSer133磷酸化。在這些激酶中, 最早被確認(rèn)的是蛋白激酶A，即PKA。PKA將Ser133位點(diǎn)磷酸化后引起分子構(gòu)象的變化, 釋放活性，催化亞基并磷酸化其底物，從而刺激了CREB調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的活性。除PKA之外, 使CREB磷酸化的蛋白激酶還有鈣離子依賴的蛋白激酶鈣-鈣調(diào)素酶CaMK，其對CREB快速激活和ERK介導(dǎo)的核糖體蛋白S6激酶（RSK）的緩慢激活[15,16]。盡管CREB-Ser133位點(diǎn)的磷酸化是啟動轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵，但許多實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，CREB被稱為記憶存儲的核心，能夠整合多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[17]，但僅該位點(diǎn)的磷酸化不足以激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，CREB磷酸化的激活同樣也是需要多位點(diǎn)、多通路共同發(fā)揮作用。

4 CREB信號通路與AD

CREB調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞生長發(fā)育，參與神經(jīng)細(xì)胞突觸可塑性和長時程記憶的建立，CREB的表達(dá)及活性參與了多種神經(jīng)退行性疾病的病理生理過程。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，通過信號通路刺激CREB磷酸化對AD的發(fā)生具有重要影響。CREB的磷酸化可使β淀粉樣蛋白前體蛋白（β-amyloid precursor protein, APP）水平降低，細(xì)胞增殖加快，減緩細(xì)胞老化[18]。AD中過量Aβ由APP經(jīng)分泌酶代謝紊亂生成，通過Aβ干擾CREB的磷酸化，抑制其與cAMP反應(yīng)元件（CRE）結(jié)合，進(jìn)而降低腦源性神經(jīng)生長因子（brain derived neurotrophic factor, BDNF）的轉(zhuǎn)錄與合成[19]。如：BDNF降低使Akt磷酸化下降，Tau蛋白與TrkB結(jié)合，進(jìn)一步下調(diào)BDNF-TrkB信號通路，使神經(jīng)元內(nèi)Aβ產(chǎn)生，造成神經(jīng)元凋亡[20]。動物行為學(xué)同樣提示，學(xué)習(xí)記憶能力下降，表現(xiàn)出AD的病理變化[21]。在大腦神經(jīng)系統(tǒng)中，已經(jīng)被鑒別出來CREB磷酸化的經(jīng)典通路包括：G蛋白偶聯(lián)受體誘導(dǎo)的(PKA-CREB)通路、通過電壓敏感型鈣離子通道(VSCC)增加胞內(nèi)鈣/鈣調(diào)蛋白濃度并刺激鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性的蛋白激酶(CaMK)通路、受體酪氨酸激酶誘導(dǎo)的(Rsk-CREB)通路以及應(yīng)激或炎性細(xì)胞因子(PI3K-Akt)通路等。

4.1 cAMP-PKA-CREB信號通路與AD

cAMP-PKA-CREB信號通路能夠調(diào)控突觸生成并影響長時記憶[22]，其作用機(jī)制為細(xì)胞膜上G蛋白偶聯(lián)受體與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合后激活腺苷酸環(huán)化酶(AC)。研究表明，缺乏AC的小鼠明顯存在長期記憶能力和神經(jīng)功能障礙[23]。AC被激活后，細(xì)胞內(nèi)cAMP水平升高導(dǎo)致PKA活性提高，進(jìn)一步作用于CREB，將Ser133位點(diǎn)磷酸化，形成p-CREBSer133。CREB的磷酸化依賴于PKA的活性，即當(dāng)cAMP水平降低、PKA活性下降時，CREB磷酸化受到抑制。同時，PKA活性也應(yīng)用于tau蛋白磷酸化，加速NFTs生成，導(dǎo)致AD的發(fā)生。

4.2 Ca2+-CaMK-CREB信號通路與AD

神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)τ诮饘匐x子的研究表明，腦內(nèi)的金屬離子水平發(fā)生紊亂會導(dǎo)致多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生[24]，Ca2+的失衡與AD病理特點(diǎn)密切相關(guān)[25]。cAMP-PKACREB這條信號通路也能引起腦內(nèi)Ca2+濃度的增加[26]，通過Ca2+依賴性的形式所存在的Ca2+-CaMK-CREB信號通路是長時程增強(qiáng)（Long-term potentiation，LTP）的重要信號通路之一。Ca2+信號通路改善AD小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力的研究表明[27]，CaMK的磷酸化蛋白水平提高，促進(jìn)CREB磷酸化，能夠有效改善AD學(xué)習(xí)記憶障礙，促進(jìn)長時程記憶增加。胞外信號使Ca2+結(jié)合游離的CAM，形成有活性的鈣-鈣調(diào)蛋白復(fù)合物（Ca2+-CaM），進(jìn)一步活化鈣調(diào)蛋白激酶CaMK(CaMKII、CaMKIV)，CREB分子中的Ser133位點(diǎn)能夠被CaMKII、CaMKIV磷酸化，激活下游因子（如Ferritin），能夠減輕AD患者腦內(nèi)鐵沉積誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)氧化損傷[28]，抑制Aβ的聚集，促進(jìn)AD的神經(jīng)再生和突觸可塑性。

4.3 RSK-ERK-CREB信號通路與AD

RSK-ERK-CREB信號通路參與調(diào)節(jié)多種細(xì)胞生長過程,包括生存、增殖和新陳代謝，且與AD病理機(jī)制的發(fā)展密切相關(guān)。在RSK系統(tǒng)中，其上游分子Ras可與Raf的N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合并磷酸化MAP2K上的Ser/ Thr位點(diǎn)。MEK屬于MAP2K家族成員，其作用是磷酸化并激活下游底物ERK，ERK的激活和發(fā)育過程中，與成人大腦中神經(jīng)元的分化、存活和適應(yīng)性反應(yīng)密切相關(guān)，且參與Aβ和異常磷酸化的Tau蛋白的形成，活化的ERK能夠激活下游CREB，調(diào)節(jié)突觸可塑性，改善大腦學(xué)習(xí)記憶能力[29]。ERK下游主要是核糖體S6激酶（90 kD ribosomal S6 kinase, RSK）,它可以獨(dú)立地轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核，并磷酸化一系列底物，激活下游CREB，促進(jìn)有利于細(xì)胞生長的mRNA翻譯，促進(jìn)細(xì)胞增殖，改善AD記憶障礙。

4.4 PI3K-Akt-CREB信號通路與AD

PI3K-Akt-CREB信號通路對細(xì)胞存活、增殖和分化等起著關(guān)鍵的作用。在該信號通路中，TRKB是細(xì)胞內(nèi)外信號刺激傳遞啟動開關(guān)，與BDNF結(jié)合可激活胞內(nèi)PI3KAKT信號傳導(dǎo)通路，逆轉(zhuǎn)突觸的丟失，促進(jìn)神經(jīng)元再生，從而改善學(xué)習(xí)記憶障礙[30]。PI3K是磷脂激酶家族成員，與自身受體結(jié)合后產(chǎn)生第二信使，第二信使激活下游靶蛋白激酶Akt。P-Akt使CREB在絲氨酸的133位點(diǎn)磷酸化，并誘導(dǎo)其下游包括IGF2、NGF、BDNF和其它神經(jīng)元相關(guān)分子的mRNA及蛋白表達(dá)。PI3K-AKT信號通路的激活可以上調(diào) CREB 活性，并進(jìn)而能夠維持多巴胺能神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能的完整性[31]，促進(jìn)突觸可塑性，抑制AD的發(fā)生。研究表明，有些藥物可以通過其抗氧化和消炎作用，增強(qiáng)小鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力，通過PI3K-AKT信號通路的激活，從而抑制氧化應(yīng)激，減少tau蛋白的形成，在AD中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)效用[32，33]。

5 小結(jié)

目前，人們對AD的病因及發(fā)病機(jī)制尚不能完全闡述清楚。越來越多的研究表明，做為細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的CREB在諸多細(xì)胞傳導(dǎo)通路的激活下，能夠起到增強(qiáng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄水平、調(diào)控突觸可塑性及增強(qiáng)細(xì)胞興奮性的作用。因此，增強(qiáng)CREB活性的策略可能對于治療AD在內(nèi)的多種神經(jīng)退行性疾病有效果。本文通過綜述CREB磷酸化與AD的關(guān)系，CREB及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的傳導(dǎo)作用機(jī)制，可以得出CREB的轉(zhuǎn)錄功能被抑制是誘發(fā)AD的前提。但是，在目前的研究中，關(guān)于CREB對AD治療作用機(jī)制尚未完全闡明，因此，仍具有進(jìn)一步探討的意義和價值，希望本文可以為AD治療方向以及AD動物模型的建立提供新的思路和方案。