α-突觸核蛋白與帕金森氏癥

帕金森氏癥 (PD) 是一種神經(jīng)衰退疾病，該疾病患者的大腦中可見α-突觸核蛋白聚集形成路易體。α-突觸核蛋白是由SNCA基因表達(dá)的一種分子量為 14-kDa 的蛋白。目前已知的α-突觸核蛋白的自然狀態(tài)可有很多種：可能是沒有折疊的單體、折疊的四聚體、或者是處于和其他寡聚體動(dòng)態(tài)共存的形式。在帕金森疾病中，這些分子量小的α-突觸核蛋白會(huì)聚集形成原纖維、纖維以及路易體，從而導(dǎo)致神經(jīng)元的病變和死亡。也有其他研究表明寡聚體和原纖維具有神經(jīng)毒性3-6而路易小體可能有神經(jīng)保護(hù)功能。

α-突觸核蛋白由三個(gè)主要區(qū)域：羧基末端區(qū)域、NAC區(qū)域、以及氨基末端區(qū)域。A53T 突變位于氨基末端區(qū)域。

什么是 A53T 突變?

A53T 是錯(cuò)義點(diǎn)突變, 也就是導(dǎo)致了氨基酸的改變：第53 個(gè)氨基酸由丙氨酸突變?yōu)樘K氨酸。該突變是由于SNCA基因 209位置的鳥嘌呤變成了腺嘌呤 (G209A)。

A53T 突變在帕金森疾病中的影響?

A53T 突變與一種常染色體顯性遺傳的早發(fā)型 PD 相關(guān)，這種 PD 最先發(fā)現(xiàn)于意大利和希臘裔家族，也見于一個(gè)韓國裔家族。 A53T 變異導(dǎo)致該疾病的發(fā)病年齡比較早。雖然大部分的 PD 病例是散發(fā)型的，并非遺傳病，而且也不涉及 A53T 突變, 但是研究 A53T 突變可以幫助科研學(xué)者們更好的了解α-突觸核蛋白的聚集和發(fā)展機(jī)制，從而研發(fā)出更好的疾病模型和治療方案。

A53T 聚集

A53T 突變型α-突觸核蛋白在溶液中聚集速度要比野生型 (WT) 要快。該突變對于α-突觸核蛋白纖維原形成速率的影響比對纖維增長的影響要大。A53T 和 A30P 突變都與早發(fā)型 PD 相關(guān)并且促進(jìn)纖維原的形成，說明纖維原促進(jìn)了PD 中所見的神經(jīng)衰退。

為什么 A53T 突變型 α-突觸核蛋白的聚集纖維原化要比 WT 的 α-突觸核蛋白快?

丙氨酸和蘇氨酸有相似的結(jié)構(gòu)，但是α-突觸核蛋白中的丙氨酸替換成蘇氨酸對α突觸核蛋白的纖維原聚集有很大的作用。

A53T 變異只涉及到單一氨基酸改變，而且丙氨酸和蘇氨酸結(jié)構(gòu)上非常相近，那么為什么A53T突變型有這么強(qiáng)的聚集效果呢？A53T 和其他致病突變都發(fā)生在α-突觸核蛋白的氨基末端。理論模型顯示 A53T 突變會(huì)使α-突觸核蛋白的 NAC 區(qū)域和氨基或羧基區(qū)域的長程相互作用消失，導(dǎo)致 beta折疊的加速形成。NMR 測量數(shù)據(jù)顯示 A53T 突變可以延長并穩(wěn)定在寡聚化和纖維化中起著重要作用的 beta折疊結(jié)構(gòu)。

α-突觸核蛋白的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)顯示致病基因突變位于兩個(gè)纖維原絲的交界面。圖片來源： doi.org/10.7554/eLife.36402.001 ? 2018, Guerrero-Ferreira et al

冷凍電鏡分析顯示α-突觸核蛋白纖維由兩個(gè)纖維原絲左旋螺旋而成。A53T 突變和其他四種早老型 PD 突變都位于兩個(gè)纖維原絲的交界面。帶有親水基的蘇氨酸的加入打破了這種“立體拉鏈?zhǔn)浇唤缑妗敝率估w維結(jié)構(gòu)的改變。

A53T 突變的影響

不論A53T 突變型 α-突觸核蛋白的聚集機(jī)制是怎樣的，它都造成了毀滅性的下游效應(yīng)。A53T 突變型α-突觸核蛋白在小鼠中的表達(dá)導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)缺陷，麻痹和死亡。A53T 突變型 α-突觸核蛋白比 WT α-突觸核蛋白更傾向于形成環(huán)形的和管狀的纖維原，并且A53T 突變型α-突觸核蛋白纖維原與磷脂膜泡緊密結(jié)合，從而使通透性增加。這些脂質(zhì)膜泡可以通過促進(jìn)單體的集結(jié)成核作用來誘導(dǎo)纖維的生成。A53T 突變被認(rèn)為是通過改變小泡孔的結(jié)構(gòu)或者是通過促進(jìn)通透化纖維原形成來促進(jìn)了纖維的形成。

多巴胺

多巴胺是一種調(diào)節(jié)語言和運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)遞質(zhì)。帕金森氏癥的運(yùn)動(dòng)缺陷是由于分泌多巴胺的神經(jīng)元缺失引起的。Mice overexpressing 過度表達(dá) A53T 突變型 α-突觸核蛋白的小鼠在發(fā)生神經(jīng)衰退前經(jīng)歷了多巴胺信號(hào)傳導(dǎo)受損，表達(dá) A53T 突變型 α-突觸核蛋白的大鼠比表達(dá) WT α-突觸核蛋白的對照組大鼠展現(xiàn)出了更嚴(yán)重的多巴胺分泌神經(jīng)缺失。A53T 突變型α-突觸核蛋白的表達(dá)也被認(rèn)為會(huì)使細(xì)胞更容易受到多巴胺毒性的攻擊。

突觸

突觸是是神經(jīng)元的構(gòu)成部分，通過突觸小泡在神經(jīng)元間傳遞信號(hào)。 A53T 突變型和 WT 型 α-突觸核蛋白都可以通過耗盡突觸小泡的回收池來抑制突觸前體的信號(hào)傳導(dǎo)。A53T α-突觸核蛋白的表達(dá)也會(huì)造成突觸后赤字（突觸后信號(hào)缺失）。這種突觸后赤字是由tau的高度磷酸化和它在樹突棘的錯(cuò)誤分布引起的。

小膠質(zhì)細(xì)胞

小膠質(zhì)細(xì)胞負(fù)責(zé)突觸修剪還負(fù)責(zé)通過產(chǎn)生炎癥介質(zhì)來對損傷做出反應(yīng)。被激活的小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)改變形態(tài)，產(chǎn)生活性氧 (ROS), 并釋放炎癥細(xì)胞因子。在帕金森疾病中，小膠質(zhì)細(xì)胞可能會(huì)被過度激活并導(dǎo)致多巴胺分泌神經(jīng)的缺失。A53T α-突觸核蛋白激活小膠質(zhì)細(xì)胞的能力比 WT 型和其他突變型都要強(qiáng)，引起小膠質(zhì)細(xì)胞增生以及接下來的炎癥反應(yīng)。A53T α-突觸核蛋白的表達(dá)也是細(xì)胞更容易受到氧化應(yīng)激的損害。

星形膠質(zhì)細(xì)胞

當(dāng)A53T 突變型α-突觸核蛋白在小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中選擇性表達(dá)時(shí)，迅速導(dǎo)致了麻痹。這被認(rèn)為是由于該A53T突變型在星形膠質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)減少了谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)而且導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞的激活。

線粒體功能障礙以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

A53T 突變型 α-突觸核蛋白誘發(fā)的炎癥和氧化應(yīng)激既影響線粒體也影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (ER)。A53T 突變型的表達(dá)引起的線粒體功能障礙涉及到受損的線粒體膜電位和呼吸機(jī)能。這接下來就導(dǎo)致線粒體的自噬31。過度激活的自噬反應(yīng)可能引起線粒體缺失從而導(dǎo)致神經(jīng)衰退。然而自噬反應(yīng)會(huì)清除一些聚集的蛋白從而起到一定程度的保護(hù)作用。A53T 突變型神經(jīng)元顯示出線粒體移動(dòng)性的受損，可以使用雷帕霉素（一種自噬誘導(dǎo)劑）來逆向恢復(fù)。

在分化的 PC12 細(xì)胞中, A53T 突變型 α-突觸核蛋白表達(dá)的增加可導(dǎo)致細(xì)胞死亡率升高 40%，這主要是由于細(xì)胞內(nèi)的ROS水平升高而且蛋白酶體活性又降低。在這種情況下，ER應(yīng)激和線粒體功能的障礙（包括釋放線粒體細(xì)胞色素C以及caspase-3, -9, 和 -12的活性增強(qiáng)），導(dǎo)致了細(xì)胞死亡。

潛在治療方案

預(yù)防與 A53T 突變相關(guān)的神經(jīng)衰退可能是潛在的 PD 治療方案。一種COX-1 抑制劑延長了表達(dá)A53T 突變型 α-突觸核蛋白的小鼠的壽命，環(huán)孢菌素A, Z-Vad, 和 Caspase-3 以及 -9 抑制劑減少了ER和線粒體應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞死亡。雖然 A53T 突變只占 PD 病例中的少數(shù)，WT α-突觸核蛋白可能依然有類似的較低程度的纖維化機(jī)制和神經(jīng)衰退進(jìn)程。A53T 突變型α-突觸核蛋白比 WT 型更容易在大鼠中建立早發(fā)型 PD 模型。更多的了解 A53T α-突觸核蛋白纖維聚集并抑制發(fā)病機(jī)制可以幫助推進(jìn) A53T 突變型 PD的疾病治療方案，同時(shí)對其他類型的 PD 也有參考作用。

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