帕金森病（PD）是一种常见的与年龄相关的神经退行性疾病,主要表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态异常等运动症状。黑质致密部多巴胺能神经元大量丢失、存活神经元中存在包涵体路易小体（LB）是PD的主要病理学特征。异常聚集的α-突触核蛋白（α-Syn）、泛素及热休克蛋白是组成LB的主要成分。目前PD的诊断主要靠临床表现,早期诊断比较困难,在治疗上亦尚无治愈方法,因此寻找PD早期诊断、判断预后的新型标志物和新型治疗方法已成为神经科学领域的研究热点之一。越来越多研究表明,鞘脂是与年龄有关的神经退行性疾病发病的重要调节剂[1]。此外,有关神经退行性疾病的研究还显示了血液及一些组织中存在异常活性的酸性鞘磷脂酶（ASMase）——一种重要的鞘脂代谢酶[1]。ASMase缺乏会引发尼曼-匹克病（NPD）,这是一种溶酶体贮积病,在细胞水平上以鞘磷脂在内溶酶体区室中蓄积为特征。NPD分为经典型A型急性神经型（NPA）、B型非神经型（NPB）及C型慢性神经型（NPC）。NPA于1914年首次被确定为严重的婴儿神经退行性疾病,此外,NPA、NPB和NPC患者均曾被报道出现PD症状。例如,1例9个月大的NPA女性患儿出现舌头和一侧身体的震颤;1例55岁的晚发性NPB女性患者表现为PD表型;1例10岁的NPC男性患儿出现帕金森综合征并伴有僵硬无力综合征;1例75岁的1p.G992R突变的NPC女性患者出现帕金森震颤,她的3个兄弟均出现了帕金森震颤[2,3]。在多项研究中,编码该酶的鞘磷脂磷酸二酯酶1（SMPD1）基因突变被证实为PD发病的危险因素之一,近期更有学者提出,ASMase的活性降低与PD的早期发病有关[4]。此外,在人类细胞模型中,SMPD1突变及ASMase缺乏可导致α-Syn积聚。上述发现为ASMase对PD的潜在作用提供了证据,在此,我们对SMPD1基因、ASMase的结构以及ASMase与PD的研究进展进行介绍,以供同行参考。
一、SMPD1基因及ASMase概述
1. SMPD1基因
2. ASMase
2.1 ASMase的生物合成、N-糖基化及巯基修饰
ASMase在几乎所有类型的细胞中表达,根据定位不同分为细胞内溶酶体形式和细胞外分泌形式。在正常情况下ASMase位于内小体/溶酶体间隔内,在细胞应激和疾病期间,ASMase可以优先转运到细胞膜的外叶,并分泌到细胞外间隙[1]。
2.2 ASMase的溶酶体转运
2.3 SMPD1基因的突变与ASMase的活性
SMPD1基因的突变会降低ASMase活性甚至使其活性消失,Alcalay等[4]在HeLa细胞中采用CRISPR/Cas9介导的基因组编辑技术进行SMPD1基因敲除,获得了12个敲除克隆并将其与野生型细胞进行了比较,蛋白免疫印迹结果表明,所有克隆中的ASMase表达几乎完全丧失。此外,他们为了研究SMPD1变体如何影响ASMase活性,将ASMase在亚细胞中的定位与野生型ASMase的3个变体（p.L302P、 p.fsP330与p.A487V突变）进行了比较,发现具有p.L302P或p.fsP330突变的ASMase未能到达溶酶体区室,并且几乎完全位于内质网中。p.A487V突变则不受影响,说明ASMase溶酶体定位受特定SMPD1变体影响。他们还进行计算机分析,表明SMPD1基因的突变对ASMase的结构和功能具有有害影响。因此,SMPD1基因的突变可能通过影响ASMase活性进一步在相关疾病的发生及发展中起作用。
二、ASMase与PD
一项有关NPA神经退行性病程病理机制的研究显示,在ASMase敲除小鼠（ASMko）的模型中,ASMase缺乏会引起脂质改变及鞘磷脂积累,进一步引发大脑一系列的病理反应,包括神经元细胞质内膨胀溶酶体的积累和浦肯野细胞神经节细胞层的完全丧失,信号传导途径异常,钙稳态失衡,轴突极性改变和内吞功能受损,星形胶质细胞释放的微粒受损等[12]。ASMase参与PD病理过程的确切机制仍存在争议。一项研究显示,与正常样品的干血斑相比,PD样品中ASMase的活性并无改变[13]。然而另有研究者指出,降低ASMase活性会增加PD的发病风险,ASMase活性降低与PD发病时间提前3.5 ~ 5.8年有关[4]。目前,ASMase与年龄相关的神经退行性疾病的研究越来越多,但与PD关系的研究仍较少,ASMase与PD的发生发展是否存在直接相关性尚需要进行更多的研究。有研究者发现编码ASMase的基因SMPD1基因及ASMase下游代谢物神经酰胺与PD发生风险增高相关,另外,ASMase还会影响细胞外囊泡的分泌和生成,这与PD的α-Syn的传播相关。而且,ASMase活性下降或会进一步引起α-Syn升高。
1. SMPD1基因与PD
SMPD1基因p.L302P突变在德系犹太NPA患者中很常见,据报道该变异使德系犹太人PD的发病风险增加9倍[14]。Foo等[15]对198例中国PD患者SMPD1基因的所有外显子进行了测序,确定了SMPD1基因中的4种罕见变体（p.P332R、p.Y500H、p.P533L与p.R591C突变）仅在患者中存在,而在对照受试者中不存在。随着时间的推移,在不同的队列中观察到了许多与PD发病风险增加相关的突变[16,17,18]。后来,宋娜等[19]报道3.64%的中国PD患者存在SMPD1基因突变,这些突变或会对ASMase酶的结构和功能产生破坏作用。据报道,SMPD1基因的Leu-Ala（Val）重复变异与中国汉族散发性PD存在相关性[20]。目前,对整个外显子组测序数据集的系统分析进一步证实了SMPD1基因突变与发生PD的较高易感性之间的关联[21]。
2. ASMase的下游代谢物神经酰胺
ASMase是溶酶体酶家族成员,该酶可通过裂解磷酸胆碱键来催化鞘磷脂的分解,从而产生神经酰胺。鞘磷脂是所有哺乳动物膜的主要脂质成分,也是膜外小叶中最普遍的脂质,由与神经酰胺骨架连接的磷酸胆碱部分组成。神经酰胺可进一步转化为鞘氨醇-1-磷酸（S1P）、 鞘氨醇等一系列描述神经系统细胞的抗逆性、增殖、分化和成熟表型的生物活性鞘脂,它们通过脂质成分的改变促进细胞膜特性变化而触发信号传导事件[22,23]。越来越多研究显示神经酰胺和S1P作为信号分子中的主要鞘脂控制多种细胞活动,包括血管生成、炎症、细胞增殖、细胞凋亡、细胞衰老、自噬、转移等,特别是参与大脑衰老和神经退行性疾病的发生[24]。脂质组学分析显示,与对照样品相比,PD死亡患者脑组织中的神经酰胺和鞘磷脂的水平发生改变[25]。在血浆中,PD患者的几种饱和神经酰胺水平更高[26]。此外,痴呆的PD患者中的某些血液神经酰胺水平高于非痴呆的PD患者,包括与PD相关的精神病并发症有关的几种饱和神经酰胺[27]。在PD患者中检测到的血浆神经酰胺代谢异常的证据支持了ASMase/神经酰胺代谢途径参与PD发病机制的假说[26]。
3. ASMase与细胞外囊泡
细胞外囊泡包括外泌体、微囊泡（微粒）及凋亡小体,它们作为体液中一种稳定存在的载体,包裹生物活性蛋白、糖类、脂质和广泛核酸,在多种中枢神经系统疾病的发生发展过程中起信息传递作用[28]。有研究表明,神经酰胺的合成参与多泡体腔内囊泡形成中的不依赖内吞体分选转运复合体（ESCRT）的生物发生途径,多泡体与质膜融合后,囊泡以外泌体的形式释放[23]。Bianco等[29]确定ASMase为负责神经胶质细胞（小胶质细胞和星形胶质细胞）表面ATP受体P2X7依赖的微囊泡生物发生的关键酶。在鞘磷脂转化为神经酰胺的过程中,神经酰胺进入质膜的内部小叶,其倒锥结构可以扰乱膜曲率和流动性,有利于微囊泡的萌芽和释放[30]。此外,Wang等[31]通过选择性抑制剂或短干扰RNA（siRNA）抑制ASMase表达或活性,减弱了ATP诱导的鞘磷脂水解,而且减弱了具有促凝血活性的组织因子阳性微囊泡的释放。细胞外囊泡参与神经退行性疾病中错误折叠蛋白质（例如PD的α-Syn）的传播和扩散,还能促进其异常聚集,随后将这些毒性聚集体扩散到神经系统内的无病变区域,神经元通过内吞的方式处理这些“毒性”蛋白,因此加速了神经元退化,形成恶性循环[32]。ASMase活性的改变可能通过影响神经酰胺的生成进一步影响细胞外囊泡内容物或数量的改变,从而影响神经退行性疾病的发展,ASMase活性及细胞外囊泡数目及内容物含量变化或可作为诊断PD的生物学标志物。
4. ASMase与α-Syn
Alcalay等[4]敲除小鼠SMPD1基因,发现12个敲除SMPD1基因的小鼠体内几乎完全丧失ASMase表达,这与其中10个小鼠中α-Syn水平升高相关,且证实无论使用何种siRNA,ASMase的表达均会降低,这导致α-Syn水平平均升高约3倍。ASMase如何引起α-Syn水平升高的机制尚未明确,钙动态平衡不良可能起重要作用[3]。细胞产生的α-Syn以钙依赖的方式通过外泌体分泌并影响神经元存活,持续进入的钙离子可以加速内质网和线粒体衰老,这是钙稳态的2个主要细胞器[33,34,35]。此外,一项体外研究显示胞质钙的增加似乎在1-甲基-4-苯基吡啶离子诱导的多巴胺能神经元细胞凋亡中起关键作用,这暗示钙稳态在PD中的可能作用[36]。有研究者在敲除SMPD1基因小鼠的大脑中检测到了钙稳态的改变,这可能会影响多巴胺能神经元对遗传和环境因素的脆弱性,从而在PD发生发展中起作用[12]。
三、小结与展望
综上所述,编码ASMase的SMPD1基因突变与PD有关,SMPD1基因突变会影响ASMase溶酶体定位导致ASMase活性的降低甚至消失,ASMase的降低还会引起下游物质神经酰胺水平的降低及PD病理蛋白α-Syn水平的增高。神经酰胺和S1P作为信号分子参与神经退行性疾病的发展,PD死亡患者脑中的神经酰胺水平异常。因此可以猜想,PD患者血浆或脑脊液等体液中ASMase含量或活性可能会发生改变,ASMase及神经酰胺有望成为诊断PD的生物学标志物。此外,越来越多研究者认为ASMase具有作为衰老和各种与年龄有关的神经退行性疾病的药物靶标的潜力[1]。在PD中,ASMase可以影响细胞外囊泡的生成和释放从而可能参与PD的病理蛋白α-Syn的传播和扩散,这为PD的治疗提供了新靶点和新方向。