首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 临床医学论文 > 阿尔兹海默症论文 > 缝隙连接蛋白43在阿尔茨海默病中的研究进展

缝隙连接蛋白43在阿尔茨海默病中的研究进展

2024-04-23 143 上传者：管理员

摘要：星型胶质细胞的功能异常与多种神经退行性疾病的发生发展关系密切，缝隙连接的异常是其中重要的机制之一。缝隙连接主要是由缝隙连接蛋白（connexin,Cx）构成，是相邻细胞间代谢和离子耦合以及电传递的主要结构。Cx43和Cx30是在脑中含量最多的Cx亚型，其中又以Cx43为主。Cx43在脑中含量或分布与阿尔兹海默病的发生发展关系密切。本文就以Cx43与阿尔兹海默病的关系进行综述。

关键词：
中枢神经系统
星形胶质细胞
缝隙连接
缝隙连接蛋白43
阿尔兹海默病
加入收藏

星形胶质细胞作为中枢神经系统中含量最丰富的胶质细胞，对于突触传递和脑稳态维持至关重要。星形胶质细胞功能异常在抑郁症、癫痫、阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）等中枢神经系统疾病的发生发展起关键作用，缝隙连接在其中发挥了重要的作用。一般来说，连接蛋白（connexin,Cx）在内质网中表达，运输到高尔基体后6个连接蛋白相互靠近形成六聚体连接子（connexon），即半通道而后被运输到细胞膜表面。也有研究表明，泛连接蛋白（pannexin,Px）也可形成半通道。相邻细胞膜表面的半通道又可相互靠近形成缝隙连接通道，缝隙连接通道大量聚集又形成缝隙连接，见图1。在脑中缝隙连接又以连接蛋白43(Cx43）表达为主。Cx43、Cx30和Cx26形成的缝隙连接提供星形胶质细胞-星形胶质细胞间的连接，而Cx30、Cx32、Cx43和Cx47连接星形胶质细胞和少突胶质细胞。连接蛋白、半通道和缝隙连接在神经退行性疾病的各种神经病理中都发挥重要作用。临床研究表明，神经退行性疾病，如AD和帕金森病（Parkinson’s disease,PD）的发生，均与Cx43的分布或功能异常有关[1]。本综述将星形胶质细胞Cx43组成的半通道及缝隙连接在AD中的研究进展及Cx43介导的记忆损伤可能导致AD的机制进行阐述。

1、半通道和缝隙连接

1.1半通道

每个半通道由称为Cx的6个蛋白质亚基组成。每个亚基具有4个α-螺旋跨膜结构域，由2个细胞外环和1个细胞内环连接，具有细胞质羧基和胺末端，见图1。目前已在人类基因组中鉴定出21个具有相同结构拓扑的连接蛋白家族成员，并且人体中的所有细胞都表达至少1种类型的连接蛋白亚型。越来越多的证据表明，半通道在生理和病理条件下都可以打开，但是在生理条件下半通道开放的概率很低，大多处于关闭状态。半通道的开放受多种因素影响：炎症、Ca2+浓度、氧化应激、低PH值、机械刺激等变化都可显著增加半通道的开放概率，如果半通道不受控制的开放会导致细胞损伤和稳态失衡[2]。有研究发现，半通道几乎在所有的器官和细胞中都有表达且在病理条件下更加活跃。因此可以认为开放的半通道广泛地参与了病理过程。

1.2缝隙连接

星形胶质细胞表达高密度的同源细胞缝隙连接，主要是由Cx43构成，其次是Cx30和Cx26。Cx43是星形胶质细胞主要的连接蛋白，表达于整个中枢；Cx30主要在丘脑和软脑膜表达。Cx26表达于皮质下区域的星形胶质细胞，如下丘脑、网状丘脑和丘脑底核。Cx43和Cx30可以作为异构体组装缝隙连接，而Cx26只被发现同质组装的缝隙连接存在。缝隙连接不仅在星形胶质细胞之间形成，而且还可连接单个星形胶质细胞的不同部分，形成所谓的“自反性”缝隙连接。星形胶质细胞缝隙连接是连接蛋白的轴向排列的六角体，它可以连接相邻的细胞数以千计的缝隙连接通道聚集成缝隙连接，可进一步与相邻细胞膜上成对连接蛋白的特异性蛋白结合亚基结合，形成超分子缝隙连接网络。缝隙连接是电传递和相邻细胞之间代谢和离子耦合的主要结构[3]。与半通道不同，缝隙连接在生理条件下总是开放的，允许细胞间的通讯。它们允许1200 kd以下的亲水小分子扩散，包括三磷酸腺苷（adenosine triphosphate,ATP）、三磷酸肌醇和离子（如K+、Na+和Ca2+）、环核苷酸、寡核苷酸和小肽，促进星形胶质细胞、神经元和少突胶质细胞之间的代谢物交换和信息交流，维持细胞内和细胞外的稳态。更重要的是，星形细胞缝隙连接通道还在胶质细胞之间传递化学信号和代谢物（葡萄糖和乳酸），促进神经元、胶质和血管组织的功能[4]。

图1缝隙连接及其半通道

1.3 Cx在AD中的作用

如上所述，星形胶质细胞Cx43既可以在星形胶质细胞的细胞膜上形成半通道，也可以在相邻的星形胶质细胞上与Cx43或其他缝隙连接通道形成缝隙连接。首先，星形胶质细胞可以通过Cx43缝隙连接耦合形成合胞体结构，使细胞群对刺激做出同步反应。偶联的星形胶质细胞在发育过程中可以共同分化[5]。它们还参与各种生理过程，包括胞外清除K+、合成神经递质、传播钙波、平衡谷氨酸和γ-氨基丁酸以及免疫应答[6]。除星形胶质细胞-星形胶质细胞偶联外，星形胶质细胞还可通过Cx43与神经元和少突胶质细胞偶联。最近有研究表明星形胶质细胞-少突胶质细胞缝隙连接对中枢神经系统髓鞘形成和内稳态必不可少[7]。星形胶质细胞可以通过缝隙连接向少突胶质细胞输送葡萄糖和乳酸，这是神经元轴突生存所必需的[8]。研究表明，半通道在AD的病理过程的发生发展起主要作用。

AD是进行性痴呆症最常见的形式，表现为进行性记忆丧失、行为障碍和显著的人格变化[9]，其特征是细胞外Aβ沉积、细胞内神经原纤维缠结和神经炎症的积累[10]。在AD患者和AD模型中，均发现在Aβ周围的反应性星型胶质细胞中Cx43的表达增加。在20年前，研究就首次证明了星形胶质细胞Cx43（特别在Aβ斑块周围）蛋白在AD患者的脑组织中增加，最近多项研究也进一步证实[11]。但最近的一项研究表明，5xFAD小鼠中尽管Cx43的蛋白水平增加，但Cx43 mRNA的转录水平降低[12]。用Aβ25-35对原代星形胶质细胞的处理也导致Cx43 mRNA和蛋白水平之间类似的负相关。这些证据表明，Cx43蛋白在AD病理中的表达或转化可能另有机制。此外，星形胶质细胞原代培养的结果表明，Aβ25-35不改变新合成的Cx43膜的正向转运，但增加Cx43的内化，这可能是导致缝隙连接偶联减少和半通道活动增加的原因。Aβ斑块可以在AD患者和小鼠AD模型中诱导反应性星形胶质细胞增生并增加半通道的开放，我们认为AD中Cx43半通道开放的增加可能与神经元功能障碍有关[13]。而Cx43半通道在神经炎症的启动过程中起着突出的作用[14]，当致病性刺激驱动Cx43半通道的打开，ATP、谷氨酸、Ca2+可经半通道释放到胞外激活炎症通路，并在细胞外环境中释放IL-1β并影响其他炎性介质的产生。在培养的星形胶质细胞和海马脑片中，用Aβ肽处理都能诱导半通道开放，释放谷氨酸和ATP，诱发Ca2+超载，进而导致神经元死亡。同样，在APP/ps1小鼠中，Aβ斑块周围的反应性星形胶质细胞中Cx43和Cx30的表达不仅增加，Cx43半通道的活性也增加。此外，在APP/PS1小鼠中，选择性地敲除星形胶质细胞Cx43可以阻断半通道激活。我们发现突触数量增加，Aβ沉积没有明显变化。但也有其他研究发现，长期服用冰片碱（一种选择性抑制半通道的抑制剂）阻断Cx43半通道，可以减少星形胶质细胞和小胶质细胞的激活，阻止了星型胶质细胞Ca2+信号的改变，减少胶质递质释放（如ATP、谷氨酸等）可减轻海马区神经元损伤从而改善认知功能。这些研究证实了星形胶质细胞Cx43半通道在AD模型神经元损伤中的重要作用。但越来越多的证据表明，缝隙连接和半通道在许多疾病的发病机制中起相反的作用[15]。

综上所述，缝隙连接有助于维持细胞内稳态，因此被认为是“生理通道”，而缝隙连接半通道可能在很大程度上充当“病理通道”。因此，我们推测Cx43所形成的半通道会加速AD病理过程，而Cx43形成的缝隙连接会减缓这一过程。也有许多研究发现，在生理状态下缝隙连接和半通道在记忆形成及巩固的过程中也发挥了至关重要的作用[16]，然而这种连接蛋白在记忆中的双重作用还有待进一步研究。

2、Cx43介导AD发生可能的机制

2.1嘌呤能途径

ATP被认为是一种维持机体代谢的能量载体，但同时也是一种重要的神经递质。嘌呤能受体（purinoceptor）是以ATP为配体的一类受体，被分为P1和P2受体2大类型。又根据其药理学基础，将P1受体分为A1、A2、A3和A4共4个亚型，均为G蛋白偶联型受体；P2受体分为P2X（配体门控离子通道）和P2Y(G蛋白偶联受体）。目前，其中P2X亚基共发现7种（P2X1-7),P2Y亚基共发现8种（P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6、P2Y11-14）。研究表明ATP和嘌呤能受体在AD中起关键作用，并且将Cx43过表达后其与嘌呤能受体，尤其是P2Y1相互作用，导致APP/PS1小鼠认知功能下降[17,18]。用P2受体拮抗剂、P2Y1受体阻滞剂和Cx43阻滞剂治疗APP/PS1小鼠可以通过减少过度活跃的星形胶质细胞比例来改善认知功能[19]。已有充分证据证明，星形胶质细胞上Cx43的表达增加可能会增加星形胶质细胞的活性[20]。也有研究指出，APP/PS1小鼠的星形胶质细胞过度活动和相关的认知能力下降。这一现象可能是由于在神经炎症过程中，Cx43半通道上调增加了星型胶质细胞的活性且导致ATP释放增多从而过度激活P2Y1受体最终导致神经元损伤[21]。

2.2谷氨酸

谷氨酸是一种兴奋性神经递质，它的过量释放被发现会导致神经退化和认知障碍[22]。在大脑中，星形胶质细胞在维持谷氨酸稳态方面起着重要作用[23]。另外，星形胶质细胞的连接蛋白和半通道控制谷氨酸的释放到胞外也已经被报道，而通过星形胶质细胞Cx43半通道释放谷氨酸被证明介导神经元死亡[24]。Cx43半通道在一些炎性介质如TNF-α的刺激下，谷氨酸的释放可能进一步增强，后者已被证明通过自分泌方式增加激活的小胶质细胞和少突胶质细胞的谷氨酸释放而引起神经毒性[25]。因此，可以推测在AD时，星形胶质细胞中连接蛋白的表达增加可能导致谷氨酸通过Cx43半通道过度释放，从而诱导神经变性和认知能力下降。有研究表明，谷氨酸受体和转运体与Cx43缝隙连接通道结合，使星形胶质细胞能够感知和降低细胞外谷氨酸的升高水平，并促进AD神经元的存活。

2.3肥大细胞

肥大细胞在AD中引发神经炎症和导致认知功能减退的作用已有报道[26]。肥大细胞是脑内炎症介质的重要来源，它与胶质细胞和神经元的相互作用被激活后通过Ca2+内流，然后向细胞外释放包括细胞因子、蛋白酶和活性氧在内的介质。肥大细胞激活释放的炎症介质在神经炎症中发挥重要作用[27]。神经胶质细胞活化、炎性介质释放和神经炎性反应诱发认知障碍、神经退行性变与AD[28]。肥大细胞现在被认为是神经系统损伤第一反应的主要细胞[29]。在研究APPswe/PS1dE9小鼠模型AD的进展过程中，大脑皮质和海马区的肥大细胞数量提前增加。这可能表明肥大细胞可能是Aβ的早期感受器，并导致其他炎症细胞的募集，从而启动AD的神经炎性反应。在小鼠的脑切片中Cx43半通道是Aβ25-35诱导的肥大细胞激活及组胺释放的通道。在Aβ存在的情况下，APPswe/PS1dE9小鼠的脑肥大细胞抑制Cx43半通道的活性[30]。因此，脑肥大细胞神经系统损伤反应似乎早于小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元。所以，肥大细胞可能是在AD的发生和发展中起关键作用的脑细胞，它通过早期感知Aβ、释放促炎分子和招募其他细胞参与神经炎症反应而在AD的发生和发展中发挥关键作用。

2.4钙水平的增加

许多研究指出，Ca2+水平的增加在AD的发病机制中至关重要[31]。生理条件下，细胞外环境中Ca2+的浓度是保持连接蛋白半通道处于封闭状态的重要因素。在APP/PS1小鼠中，Cx43半通道开放的主要原因是星形胶质细胞内Ca2+水平的增加[32]。而在星型胶质细胞中胞内高Ca2+水平会导致Cx43半通道的开放，而开放的半通道反过来又可以允许Ca2+内流，有助于维持Ca2+水平的增高，导致肥大细胞脱颗粒的发生，进一步加剧恶性循环。经Cx43半通道释放的ATP和谷氨酸还可以通过自分泌的方式刺激嘌呤能和谷氨酸能代谢性受体维持APP/PS1小鼠的星型胶质细胞中的Ca2+的高水平来放大这一循环。也有研究指出，在APP/PS1星形胶质细胞中，抑制Cx43可以使Ca2+及细胞外ATP和谷氨酸水平降低到野生型水平，这高度表明Cx43半通道的开放维持了星形胶质细胞的这种恶性循环[33]。Ca2+水平的升高还会导致内质网应激的发生[34]。Cx43半通道作为Ca2+内流的重要通道，因此，Cx43半通道与钙水平的升高和内质网应激的诱导之间存在相互关系。在注射链脲佐菌素诱导的AD模型中，Ca2+水平的增加、内质网应激的发展（如GRP78、GADD等内质网应激标志物的表达增加）、星形胶质细胞的激活和Cx43的表达增加之间存在相关性[35]。还有其他研究表明，在不同的疾病中，内质网应激的发生和Cx43的表达增加之间存在相关性[36]。所以，星形胶质胞内Ca2+水平的升高可能诱导内质网应激并增加Cx43的表达并进一步升高细胞内的Ca2+，从而改变AD的认知功能。

3、展望

Cx43对神经退行性疾病尤其是AD的研究具有重要意义。然而还有许多方面的具体机制仍未研究透彻。目前的研究结果显示，Cx43半通道在AD的发生发展中起着重要的作用，但目前缺乏选择性抑制半通道的药物来治疗AD，针对Cx43半通道作为AD等神经退行性疾病的治疗靶点具有很大潜力。

基金资助:国家自然科学基金(SCOP介导的“睡眠-觉醒”节律偏移在老年POCD中的作用及机制研究,No.81730033; M1型小胶质细胞外泌体携载LncRNA-X IST靶向miR-146a调控围术期神经认知障碍的作用机制研究,No.82001132; Dp71/SNTA调控AQP4去极化介导类淋巴系统功能损伤在术后认知功能障碍中的作用及机制研究,No.82171193);十三五强卫工程-重点人才项目(RbAp48介导的组蛋白乙酰化在老年POCD中作用的基础和临床研究,No.ZDRCA2016069);南京大学医学院研究生科研与实践创新计划项目(类淋巴系统炎症蛋白清除障碍在围术期神经认知障碍中的作用及机制研究,2021);

文章来源:王子沫,董瑞,韩玉强,等.缝隙连接蛋白43在阿尔茨海默病中的研究进展[J].神经损伤与功能重建,2024,19(04):235-238.