突觸核蛋白

簡介

組成

α-突觸核蛋白是一種在中樞神經系統突觸前及核周表達的可溶性蛋白質，它與帕金森病的發病機制和相關功能障礙密切相關，是路易小體的主要成分。

特性

它的結構很大程度上依賴於其所處的細胞內環境，並且會表現出不同的結構如單體、寡聚體、原纖維和纖維等，病理狀態下的突觸核蛋白容易聚集形成不溶性的纖維蛋白沉澱，最終導致神經細胞死亡。人類基因學的研究證明了α-突觸核蛋白基因突變在家族性的帕金森病中的主要致病地位，並且α-突觸核蛋白的聚集有類似朊蛋白樣的在細胞間傳播的特點。

發現

突觸核蛋白最初於1988年由Maroteaux等利用純化的抗膽鹼能囊泡抗體在電鱘體內發現，並且確定其分布在神經突觸前末梢和核周，同樣突觸核蛋白也在阿爾滋海默病的老年斑塊內發現，但沒有β-澱粉樣蛋白含量高，突觸核蛋白的中間部分（aa61-65）被命名為非β-澱粉樣結構（NAC）。至今人們共發現三種突觸核蛋白分別命名為α、β、γ，其中只有α-突觸核蛋白含有NAC結構域並參與路易小體的形成，α-突觸核蛋白的基因點突變和擴增都可以造成家族性帕金森病的發生，迄今人們已經發現五個位點分別為A53T、A30P、E46K、G51D和H50Q。

功能

α-突觸核蛋白的功能多樣，可能參與到突觸結構的維持、神經的可塑性、學習、記憶、發生、細胞粘附、磷酸化、細胞分化以及多巴胺的攝取調控等許多方面。

主要研究目的

病理狀態下的α-突觸核蛋白形成β片層樣結構加速聚集，並且抵抗泛素化蛋白酶體的降解，因此對α-突觸核蛋白的結構和功能的研究對理解帕金森等神經突觸核蛋白病的發病機制將會有很大的幫助。

結構

總體結構

α-突觸核蛋白是位於4q21-22SNCA基因編碼的一個小分子蛋白質，分子量為19kDa,，由140個胺基酸構成，可以分成三個部分：

氨基端

(aa1~60)包含了5個家族性帕金森病的突變位點以及高度保守的11個胺基酸中組成的KTKEGV7模體重複序列，易形成兩性α螺鏇類似載脂蛋白的脂質結合區域，是介導α-突觸核蛋白與脂質膜結合的區域;

中部

NAC區(aa61~95)的疏水區域易形成β片層結構，在體外極易聚集且可促進全長α-突觸核蛋白的聚集;

羧基末端(aa96~140)

富含酸性胺基酸和脯氨酸，帶有大量負電荷，具有較強的親水性，其中有三個保守的酪氨酸殘基被認為是α、β突觸核蛋白的標誌。
生理狀態下的α-突觸核蛋白通常被認為是舒展的可溶性結構，Burre等發現重組的和小鼠腦中分離出的α-突觸核蛋白為無固定結構的單體，並且有自發聚集的傾向；而Bartels發現在非變性條件下從神經和非神經細胞中分離出來的內源性α-突觸核蛋白大部分為大約58kDa的四聚體摺疊結構。

生理功能

抑制磷脂酶D2的活性：

Jenco等在體外研究發現牛腦中含有一種熱穩定因子能夠抑制磷脂酶D2的活性，最後證明該因子為與α、β突觸核蛋白混合結構的同系物；磷脂酶D2能夠催化卵磷脂的水解並且表現出調節細胞骨架的重組和質膜的內吞，因此α-突觸核蛋白可以影響細胞膜的結構和穩定性。

抑制多巴胺神經遞質的釋放：

Abeliovich等證實α-突觸核蛋白基因敲除的小鼠黑質在成對電刺激條件下多巴胺釋放量增加，而小鼠的生理活動不受影響，並且大腦的神經元結構保持完整，但α-突觸核蛋白可能在病理條件下發揮保護作用。

與synphilin-1蛋白結合：

Engelender等運用酵母雙雜交技術發現synphilin-1蛋白能作為調節分子將α-突觸核蛋白錨釘在參與囊泡轉運和細胞骨架功能的蛋白分子上面；synphilin-1蛋白是一個90kDa的胞內蛋白質，含有ANKYRIN樣重複單位、一個螺鏇結構域和可能的ATP/GTP結合位點；Kawamata等利用螢光共振能量轉移（FRET）技術證明α-突觸核蛋白的C末端與synphilin-1的C末端緊密連線，而它們的N末端之間的連線作用較弱。

調節突觸膜的囊泡釋放：

Murphy等利用反義寡核苷酸技術干擾體外培養的原代小鼠海馬神經元α-突觸核蛋白基因的表達，發現神經突觸末端釋放池內的囊泡數量減少，表明α-突觸核蛋白可以影響突觸囊泡的釋放。

脂肪酸連線蛋白樣作用:

Sharon等發現α-突觸核蛋白能夠轉運自由脂肪酸往返於神經元的水相和膜磷脂成分之間，因此推測α-突觸核蛋白可能是脂肪酸連線蛋白家族的一個成員。

伴侶蛋白樣作用：

Kim等發現α-突觸核蛋白能夠表現出類似伴侶蛋白樣作用防止谷胱甘肽硫轉移酶（GST）和醛縮酶在受熱的條件下發生沉澱，並且還能防止二硫蘇糖醇（DTT）誘導α-乳白蛋白和小牛血清蛋白的沉澱，這可能與α-突觸核蛋白能夠與發沉降過程中的蛋白質的親水性結構域結合併穩定其結構不被破壞。

抗細胞凋亡作用：

AlvesdaCosta等發現與模擬轉染的TSM1型神經元對照，野生型的α-突觸核蛋白能夠顯著地減弱三種不同的細胞凋亡誘導劑星孢菌素、依託泊苷和神經醯胺C2對胞內半胱天冬酶（caspase）的激活，同樣這可能與α-突觸核蛋白的伴侶樣蛋白作用有關；Ostrerova等也發現α-突觸核蛋白的結構和功能同14-3-3蛋白類似，具有與PKC、BAD、ErK等參與細胞凋亡控制的蛋白相互作用。

協助SNARE複合體：

SNARE複合體在囊泡與細胞膜的融合的過程中起著重要的作用，它包括兩個成分v-SNARE（VAMP）位於囊泡上，t-SNARE(syntaxin,SNAP-25)位於突觸前膜,兩者相互配對並形成穩定的SNARE複合體，在複合體的形成過程中，釋放出來的能量將囊泡與突觸前膜拉近，而半胱氨酸鉸鏈蛋白-α（CSPα）對協助SNARE複合體的聚合起著關鍵的作用，Chandra等發現提高α-突觸核蛋白的表達可以減輕CSPα缺乏小鼠的神經末梢突觸前膜的退變；Burré等隨後也證實了α-突觸核蛋白能夠通過囊泡相關膜蛋白2（VAMP2）與SNARE複合體直接結合併促進其聚合。

參與學習記憶：

Kokhan等證實α-突觸核蛋白基因敲除的小鼠在主動和被動迴避試驗、Morris水迷宮試驗當中的得分均比正常對照組要低，鑒於α-突觸核蛋白也在海馬回內高表達，因此α-突觸核蛋白可能通過調節突觸的可塑性方面影響動物的學習記憶能力。

發病機制

錯誤摺疊

研究發現α-突觸核蛋白正常、錯誤摺疊及其寡聚化之間存在動態平衡，當這種平衡被打破後原纖維迅速聚集成大分子、不溶性的細纖維；α-突觸核蛋白在不同的影響因素下會表現出許多種形態，包括舒展態、溶解前球型態、α-螺鏇態（膜結合），β-片層態、二聚體態、寡聚體態、以及不可溶的無定型態和纖維態；α-突觸核蛋白的點突變導致的結構改變、胞內含量的增加、大量蛋白分子的堆積、結構序列的截短、胞內陰離子及鹽類的濃度（PH值的改變）、神經毒性分子（重金屬，有機溶劑，一氧化碳，MPTP,殺蟲劑和除草劑）、翻譯後的修飾（氧化，磷酸化和硝基化）等等都可以促進α-突觸核蛋白聚集形成難溶纖維；當前認為寡聚態的α-突觸核蛋白最具有細胞毒性。

降解異常

泛素蛋白酶體系統（UPS）和自嗜溶酶體系統（ALP）是細胞內最重要的兩個清除異常摺疊或老化的蛋白質的機制；其中UPS選擇性降解胞內短半衰期、胞膜蛋白、異常摺疊以及受損的蛋白質，帕金森病的兩個家族性基因突變Parkin和UCHL1均為影響UPS的功能導致異常α-突觸核蛋白的不到有效降解而堆積形成路易小體，而ALP途徑為UPS受損後的一個代償降解方式；Cuervo等發現病理性突變的A53T和A30Pα-突觸核蛋白能夠抑制溶酶體的攝取，干擾自身和其他蛋白的降解。
阻斷內質網到高爾基體的囊泡轉運：
內質網相關降解（ERAD）為胞內蛋白質質量控制系統，它能保證異常蛋白質不能通過細胞分泌途徑，主要通過內質網選擇性將錯誤摺疊或者變性的蛋白質運送到胞質中的蛋白酶體進行降解；當蛋白酶體功能障礙時α-突觸核蛋白的聚集同樣可以影響到內質網，造成內質網壓力；Cooper等發現表達α-突觸核蛋白基因的酵母菌早期會出現內質網到高爾基體囊泡轉運的障礙，而提高Rab1的表達可以抵抗α-突觸核蛋白在PD動物模型中造成的多巴胺能神經損傷。

損害線粒體

Nakamura等發現在哺乳動物的多種細胞中過量表達α-突觸核蛋白可以造成線粒體的裂解，而在胞內的其他細胞器的形態變化很小（如高爾基複合體），α-突觸核蛋白不抑制線粒體的融合而表現出促進其分裂，並且不依靠線粒體分裂時需要的主要分裂蛋白Drp1；另外過量表達的α-突觸核蛋白能夠與線粒體的內膜結合，抑制線粒體複合體Ⅰ、Ⅸ的功能並增加自由基的釋放，而突變型的A53Tα-突觸核蛋白比野生型的作用更強。

擾亂細胞骨架

α-突觸核蛋白能夠通過激活糖原合成酶-3β（GSK-3β）或其他激酶使微管穩定蛋白（tau蛋白）過度磷酸化，同時α-突觸核蛋白也能直接結合完整的多聚化微管或者它的α、β單體，這樣的相互作用擾亂了細胞骨架並且進一步導致更多的寡聚態α-突觸核蛋白形成，造成惡性循環；與α-突觸核蛋白相似，富含亮氨酸重複激酶2（LRRK2）另一個帕金森病家族基因，也能通過GSK-3β或Ste20激酶磷酸化tau蛋白，或者直接使β-微管亞單位磷酸化影響微管的穩定。

朊蛋白樣傳播

：α-突觸核蛋白能夠通過非經典的途徑分泌到細胞外，該途徑不依靠內質網和高爾基體，但是需要囊泡的轉運；在體液（腦脊液、血液、唾液）和細胞外液中均能檢測到α-突觸核蛋白的存在。排入到細胞外的α-突觸核蛋白能夠促使小膠質細胞和星形膠質細胞的內吞發生炎症反應，Luk等發現在野生型小鼠的一側紋狀體內注入纖維態的α-突觸核蛋白能夠導致解剖上相鄰的區域內細胞間病理性α-突觸核蛋白和路易小體樣內含物的形成，最終導致黑質緻密部多巴胺神經元的喪失和運動障礙的出現；Kordower等將胎兒的多巴胺能神經元移植到帕金森病人的紋狀體內，過一二十年後經神經病理檢查可以發現路易體病變的形成。

結語

成為焦點

自從1997年人們發現α-突觸核蛋白與家族性帕金森病基因（SCNA）突變和路易小體的主要成分有關以來，它在帕金森病中的分子發病機制中就成為了焦點，隨後關於α-突觸核蛋白的結構、功能、致病機制的研究越來越全面和深入；

不足之處

而對帕金森病的治療手段相當有限，只能改善症狀而不能阻止疾病的進展；鑒於α-突觸核蛋白為帕金森病發病中的中心環節，開發出針對減少其合成、分泌、聚集以及增加清除致病性寡聚體的治療方式成為當前攻克帕金森病的最具前景的手段，比如運用小干擾RNA（miRNA）減弱SNCA基因的表達、抑制SNCA基因的啟動子、增強自嗜和蛋白酶體的功能、促進α-突觸核蛋白與伴侶蛋白的結合、減少轉錄後的修飾、穩定自由狀態下的α-突觸核蛋白等等；

前景

當然，對α-突觸核蛋白的致病機制更詳細的了解將會提供更多的治療方向和前景。