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阿爾茨海默病突觸損傷的新機(jī)制,S-亞硝基化級(jí)聯(lián)反應(yīng)在神經(jīng)病理中可能具有重要意義在神經(jīng)系統(tǒng)中,一氧化氮(NO)過量可以產(chǎn)生亞硝化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致神經(jīng)退行性損傷【1】。在阿爾茨海默病(AD), β-淀粉樣肽(Aβ)的低聚化、過度神經(jīng)興奮、神經(jīng)炎癥等都會(huì)導(dǎo)致NO的產(chǎn)生,繼而發(fā)生S-亞硝基化【2】。 Uch-L1,全稱泛素羧基末端水解酶L1,是一種去泛素化酶,水解泛素羧基末端加合成分,產(chǎn)生泛素單體【7】。為了方便,UCH-L1的S-亞硝基化,或S-亞硝基化的Uch-L1,統(tǒng)簡(jiǎn)稱為SNO-Uch-L1。生物素轉(zhuǎn)換方法(biotin-switch assay)是一種可以用來直接檢測(cè)細(xì)胞或組織中蛋白質(zhì)巰基亞硝基化(S-Nitrosylation)的生物素標(biāo)記方法【5,8】。首先作者通過生物素轉(zhuǎn)換方法在SH-SY5Y和HEK細(xì)胞模型證實(shí)了SNO-Uch-L1的存在,在AD小鼠中,SNO-Uch-L1的水平明顯上升。質(zhì)譜結(jié)果顯示Uch-L1的第152位點(diǎn)半胱氨酸的點(diǎn)突變(簡(jiǎn)稱C152S)則會(huì)顯著減弱這種S-亞硝基化。而且在Tg2576和hAPP-J20兩種AD小鼠、以及AD人腦組織中,SNO-Uch-L1導(dǎo)致Uch-L1酶活性降低,而過表達(dá)Uch-L1則會(huì)改善突觸功能和記憶性能。這些結(jié)果提示了Uch-L1活性在AD發(fā)病機(jī)制中的重要性。 圖1 Aβ低聚物誘導(dǎo)SNO-Uch-L1的形成,進(jìn)而引起突觸的缺失 緊接著,作者注意到,在大鼠原代皮層神經(jīng)元中,過表達(dá)Aβ1-42低聚物會(huì)有SNO-Uch-L1的形成和突觸的丟失(圖1A-C)。那么,問題來了,突觸的丟失是由Aβ1-42低聚物所引起,還是由SNO-Uch-L1所引起,亦或是由兩者共同所致?在過表達(dá)Aβ低聚物的AD小鼠的齒狀回中注射Uch-L1,免疫組化結(jié)果證實(shí)SNO-Uch-L1會(huì)導(dǎo)致突觸的殘缺(圖1D-E)。這也暗示了人類AD中突觸丟失與認(rèn)知能力下降有密切的神經(jīng)病理學(xué)關(guān)系。 圖2 NO基團(tuán)的連續(xù)轉(zhuǎn)移反應(yīng): 從Uch-L1轉(zhuǎn)移到Cdk5(SNOC為亞硝基半胱氨酸,提供NO基團(tuán)) (T. Nakamura et al., Science 2020; aaw0843) 那么,在Uch-L1、Cdk5和Drp1三者之間,NO的轉(zhuǎn)移有什么順序關(guān)系?或從誰到誰再到誰(圖2A)?之前有研究顯示NO可以從SNO-Cdk5轉(zhuǎn)移到Drp1,但是Cdk5上游的NO轉(zhuǎn)移機(jī)制,特別是由Aβ介導(dǎo)的SNO機(jī)制,我們并不清楚。通過免疫印跡、生物素轉(zhuǎn)變方法、SNO蛋白形成相對(duì)速率比較等一系列實(shí)驗(yàn),作者觀察到:在HEK細(xì)胞模型細(xì)胞模型內(nèi)敲低Uch-L1則會(huì)明顯觀察到Cdk5和Drp1、以及SNO-Cdk5和SNO-Drp1的先(10分鐘)后(25分鐘)下降(圖2-3);而在神經(jīng)元細(xì)胞模型SH-SY5Y中,相比較野生型Uch-L1,表達(dá)突變體Uch-L1,即C152S(前文結(jié)果可知其可顯著抑制Uch-L1的SNO)后,SNO-Cdk5和SNO-Drp1明顯較少(圖3A-E)。這些結(jié)果說明了NO轉(zhuǎn)移順序或SNO先后順序,即從Uch-L1到Cdk5再到Drp1。 圖3 NO基團(tuán)的連續(xù)轉(zhuǎn)移反應(yīng): 從Uch-L1到Cdk5再到Drp1 (T. Nakamura et al., Science 2020; aaw0843) 能斯特方程(Nernst equation)是指用以定量描述某種離子在兩種不同體系間形成的擴(kuò)散電位的方程表達(dá)式【6,9】。在電化學(xué)中,能斯特方程用來計(jì)算電極上相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)而言的指定氧化還原對(duì)的平衡電壓【6,9】。簡(jiǎn)言之,能斯特方程能夠表征離子濃度改變時(shí)電極電勢(shì)的變化。因此作者設(shè)計(jì)了一種能斯特方程,定量分析了S-亞硝基化反應(yīng)(SNO)的熱力學(xué)特征。結(jié)果也再一次肯定了上述關(guān)于NO基團(tuán)連續(xù)轉(zhuǎn)移的結(jié)論。 這些研究結(jié)果與人類AD的神經(jīng)病理生理學(xué)的相關(guān)性如何?因此,文章,研究人員應(yīng)用AD患者死后腦組織進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn):在AD疾病晚期SNO-UchL1的量顯著增加,而對(duì)照組SNO-Uch-L1的量極低(圖4A-B),這與Uch-L1的S-亞硝基化反應(yīng)只有在疾病狀態(tài)下的出現(xiàn)異常的先前觀點(diǎn)是一致的;而且SNO-Uch-L1與總UchL1的比值明顯增加,突觸缺失也更為嚴(yán)重(圖4A-B),這表明了在人AD腦內(nèi)中SNO-Uch-L1的異常增加,具有(或表現(xiàn)出)突觸病理生理意義(或特征),可能會(huì)加重AD。此外AD小鼠明顯中也有這些類似現(xiàn)象(圖4B)。 圖4 AD患者大腦和小鼠中Uch-L1的SNO及比較,以及S-亞硝基化(NO轉(zhuǎn)移)模型 (T. Nakamura et al., Science 2020; aaw0843) 結(jié)論與討論、觀點(diǎn)與展望 總的來說,首先,這項(xiàng)研究表明,盡管Aβ具有神經(jīng)毒性,然而去泛素化酶Uch-L1的S-亞硝基化也具有神經(jīng)毒性,表現(xiàn)為突觸損傷,而Uch-L1突變體(C152S)則具有神經(jīng)保護(hù)作用。 其次,作者證實(shí)了NO的連續(xù)轉(zhuǎn)移反應(yīng):首先Aβ誘導(dǎo)產(chǎn)生NO,并與Uch-L1發(fā)生S-亞硝基化反應(yīng),形成SNO-Uch-L1;然后SNO-Cdk5發(fā)生S-去亞硝基化反應(yīng),產(chǎn)生新NO基團(tuán),并轉(zhuǎn)移到Cdk5上,形成SNO-Cdk5;同理,NO基團(tuán)從SNO-Cdk5轉(zhuǎn)移到Drp1,形成SNO-Drp1(圖4C)。這一級(jí)聯(lián)反應(yīng)可能影響AD的進(jìn)展。 研究也提示我們,揭示泛素水解酶、激酶和GTPase等酶在AD等疾病條件下的亞硝基化反應(yīng)機(jī)制可能是理解這些疾病病理過程的一類新思維,靶向這些酶的亞硝基化活性或去亞硝基化活可能是AD的治療靶點(diǎn)。 ,仔細(xì)看來,這篇文章的證據(jù)并不那么強(qiáng)有力,且還有很多未解之謎,但是研究者所提出的“非經(jīng)典亞硝基化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”、“去亞硝基化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)”,或許為我們將來理解神經(jīng)退行性疾病(包括AD等)的復(fù)雜病理過程開辟了新思維、新方向。這種不同酶之間的亞硝基化級(jí)聯(lián)反應(yīng),與經(jīng)典的AD病理假設(shè)(Aβ,tau)、或其他非經(jīng)典AD病理假設(shè)之間的邏輯關(guān)系如何?答案未知。 |