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淀粉样蛋白沉积疾病与天然产物小分子关系的研究进展

作者:mac 来源:赛文期刊 日期:2021-06-03 10:44人气:
  摘    要:淀粉样蛋白沉积疾病是错误折叠的蛋白在细胞内外聚集而引起的一类蛋白质构象类疾病。天然药物取材天然,来源广泛,作用平稳,毒副作用相对较小,是药物先导物的最佳来源之一。近年来基于我国传统中药的抗淀粉样疾病天然药物的发掘工作取得了一些成果。随着科技的进步和分离纯化手段的不断革新,天然产物小分子已成为发现和改造淀粉样蛋白沉积疾病药物的主要源泉。该文回顾了在抗淀粉样蛋白疾病天然产物小分子筛选和发掘工作中的一些进展,归纳了几个主要的干预疾病的介入点,包括抑制酶的作用、激活降解途径、稳定蛋白结构等。通过对淀粉样蛋白疾病致病机制的深入了解和天然小分子研究进展的总结,以期为淀粉样疾病的预防和治疗奠定基础。
  
  关键词:淀粉样蛋白沉积疾病; 天然产物小分子; 淀粉样纤维;
  
  A Review of Research Progress of Relations between Amyloid Deposition Diseases and Small Molecules of Natural Products
  
  WU Chenyu LIU Junqing WANG Rui ZHANG Shiyao NIU Tingting HE Jianwei
  
  School of Life Science, Liaoning University
  
  Abstract:Amyloid deposition diseases are a type of protein conformational diseases caused by the accumulation of misfolded proteins inside and outside cells. Natural medicines are made of natural materials, with a wide range of sources, stable effects, and relatively small toxic and side effects. They are one of the best sources of lead compounds. In recent years, some achievements have been made in the discovery of natural drugs against amyloid disease based on traditional Chinese medicine. With the progress of science and technology and the continuous innovation of separation and purification methods, small molecules of natural products have become the main source of drug discovery and modification for amyloid deposition diseases. This review shows some advances in the screening and discovery of small molecules of natural products against amyloid disease, and summarizes several major intervention points for disease, including inhibition of enzymes, activation of degradation pathways, stabilization of protein structure, etc. The summary of the relevant researches on pathogenesis of amyloid disease and natural small molecule will shed light on preventive and therapeutic strategies of amyloid disease.
  
  Keyword:Amyloid deposition diseases; Natural drugs; Fibrillogenesis;
  
  淀粉样蛋白疾病包含大多数的神经退行性疾病,如阿尔茨海默症(Alzheimer's disease,AD)、帕金森症和亨廷顿病等。神经退行性疾病会导致患者神经元结构和功能逐渐丧失,最终诱发痴呆等认知障碍和震颤等行动能力异常。目前,针对淀粉样蛋白疾病的有效治疗方法仍然未见报道。
  
  1 淀粉样蛋白沉积疾病
  
  淀粉样蛋白相关疾病的病因与蛋白质正常构象改变后发生错误折叠有关,故该类疾病经常被称为“蛋白质错误折叠疾病”(protein misfolding diseases)或构象类疾病(conformational diseases)。在AD、帕金森症等许多神经性疾病中,都可以观察到神经系统中出现大量淀粉样物质的累积沉淀。而人体对蛋白聚集体的清除能力通常会因为疾病和衰老而降低,这也就导致了错误折叠或组装的蛋白质数量会随病理或生理条件的改变而增加,因此淀粉样蛋白相关疾病的发生概率也有所增加。
  
  与人类淀粉样蛋白疾病有关的胞外成纤维蛋白多达30余种,主要分为家族型、传染型和偶发型等。几种主要的淀粉样蛋白包括:在AD的病程进展中发挥着主要作用的Aβ(β-amyloid)和tau蛋白,可导致帕金森症的无序蛋白α-突触核蛋白,遗传性非神经性全身淀粉样疾病的致病蛋白溶菌酶等。这些淀粉样蛋白形成的纤维均会导致神经系统受损,进而引起淀粉样疾病。
  
  2 淀粉样纤维
  
  淀粉样纤维是由正常的可溶性蛋白质经过构象变化和聚集形成的高度稳定的、有序的、不溶性的和难以被降解的蛋白质沉积物的总称。淀粉样纤维的形成过程包括成核期和延伸期。淀粉样纤维的氨基酸序列可以存在显著性的差异,但是其四级结构有相似之处,即存在众多的β折叠片[1]。
  
  淀粉样变性是由多种原因导致的,变性后的淀粉样纤维沉积于某些部位而导致病变。沉积的蛋白聚集体主要是某一特定蛋白质,但同时可能有其他类蛋白质或糖类的参与。淀粉样蛋白纤维大多形态规则,直而无分叉,直径为2~20 nm,长度可达数千纳米。淀粉样纤维由多条原纤维丝以一条对称轴螺旋缠绕结合而成,其螺旋缠绕方式多以左手螺旋为主。
  
  通过电镜检测等实验已经证明淀粉样蛋白疾病的主要致病原因并不是延伸期的淀粉样纤维,而是蛋白质寡聚体。它的核心是由数个出现错误折叠的蛋白质组成的,它们可以是成纤维各阶段的产物,也可以是降解等步骤的产物。
  
  3 针对淀粉样疾病的天然产物提取物
  
  天然药物取材天然,来源广泛,作用平稳,毒副作用相对较小,代谢产物结构复杂,是药物先导物的最佳来源之一。天然小分子化合物多属于多酚类化合物,其中尤其以植源性黄酮类化合物为主,一般具有抗氧化、抑癌等功效。然而,由于针对淀粉样蛋白疾病的有效治疗方法亟待开发,近年来科研人员开始将目光聚焦于这些已知的应用于其他疾病预防与治疗的多酚类化合物,以寻找新的治疗途径。目前科研人员已经筛选并发掘了一些颇具潜力的抗淀粉样疾病天然产物小分子。国内相关研究取得了可喜进展,如独活和独活提取物对痴呆及神经系统变性疾病的神经元均具有保护作用[2];姜黄素能够促进神经修复,对AD具有显著的疗效[3];柿叶提取物能降低AD细胞模型的氧化应激的水平[4];银杏叶提取物EGb761可以改善神经退行性病变和衰老引起的认知能力下降,保护神经细胞免受损伤[5,6]。同样,许多动物实验也证明了天然产物有抑制淀粉样疾病的作用:番红花和二色胡枝子提取物可以减少Aβ对小鼠认知功能产生的影响[7,8];海枣仁和大蒜提取物对大鼠的认知功能障碍和神经炎症具有一定的保护作用[9,10];龟板水煎液对PD模型大鼠有治疗作用[11];无果枸杞芽茶提取物对AD模型小鼠具有神经保护的作用[12]。有研究发现,香青兰、刺山柑、咖啡、紫娟普洱、蚕丝和多种莓类提取物具有保护神经免受AD相关淀粉样蛋白毒性的作用[13,14,15,16,17,18];橄榄中提取的生物酚可以有效对抗AD[19]。
  
  4 抗淀粉样疾病天然小分子的开发策略
  
  迄今发现的这些天然产物提取物均有一定程度的缓解或治疗淀粉样疾病的功能。按照干预疾病的介入点的不同,抗淀粉样疾病天然小分子的开发策略可主要分为以下几类。
  
  4.1 抑制酶的作用
  
  神经元内的Aβ沉积及Aβ的神经毒性是导致AD的重要因素。在大部分AD患者中都表现出Aβ前体蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1,BACE1)的水平升高。有研究发现,BACE1不仅可以促进新的Aβ生成,还能抑制细胞中蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)的产生。PKA在记忆生成中起到重要作用,BACE1水平的升高会导致记忆丧失。因此,可以将抑制BACE1的作用作为治疗AD的一种重要策略之一[20]。近期有报道显示,假俭草提取物在PC12细胞中对Aβ的聚集和Aβ介导的细胞死亡有保护作用,并推测它是通过干预Aβ低聚体的形成和降低BACE1活性来减轻神经细胞损伤,从而延缓AD进程[21]。与AD相关的另一种酶是γ-分泌酶, 它能介导淀粉样蛋白前体蛋白的水解。目前,临床中用于AD治疗的有γ-分泌酶抑制剂(gamma secretase inhibitor,GSI)和γ-分泌酶调节剂(gamma secretase modulator,GSM)。虽然GSI和GSM可以抑制Aβ的形成,但其疗效低,血脑屏障渗透差及具有严重的不良反应,使得它们未能取得最佳的治疗效果。因此,寻找一种具有类似作用的新化合物也就成为当务之急。研究发现双氢麦角汀(DHEC)在细胞和非细胞环境中对γ-分泌酶均具有抑制作用[22]。
  
  4.2 激活降解途径
  
  随着人们年龄的增加,机体清除 Aβ效率逐渐降低,人的大脑中Aβ水平不断提高并逐渐堆积形成淀粉样斑块。过量的Aβ会损伤神经细胞,从而诱导AD的发生。因此,寻找可以激活或者促进Aβ降解途径的药物便成为一种可行的治疗AD的策略。
  
  远志(polygala)为我国常用的中草药,具有增强记忆和学习能力及神经保护功能。有研究结果表明,经远志提取物(polygala tenuifolia extract,PTE)处理后的神经细胞自噬增强。进一步研究表明,PTE是通过增强AMPK/Raptor通路加速诱导自噬,从而增强了细胞清除Aβ的能力[23]。雷帕霉素(rapamycin,rpm)可调节众多细胞内过程,具有抗真菌、抗肿瘤和免疫抑制活性。它可以与FKBP12相互作用形成复合体,通过与mTOR结合导致mTOR失活,引起细胞自噬,从而清除淀粉样沉积物中的相关蛋白[24]。海藻糖可以与亨廷顿舞蹈症的致病蛋白polyQ结合并降低ployQ形成的聚集体和细胞毒性,并诱导细胞自噬的产生,清除淀粉样蛋白,同时阻止随后发生的细胞凋亡[25]。
  
  4.3 稳定蛋白结构
  
  研究发现,大多数多肽和蛋白质都具有从其天然构象状态转化为淀粉样聚集体的内在倾向。因此,通过某些小分子与淀粉样蛋白的结合从而稳定蛋白的结构,从初始阶段抑制蛋白的成纤维过程应是最具前景的治疗淀粉样蛋白疾病的策略。
  
  近年来,研究人员发现人参提取物显着抑制了乙醇水溶液中PMS-胰蛋白酶的淀粉样蛋白原纤维的形成,并有助于维持蛋白质的天然结构[26]。对于其他的一些小分子,研究人员通过采用荧光检测和透射电子显微镜直接观察的方法明确了杨梅素、桑色素等小分子针对于导致遗传性非神经性系统性淀粉样疾病的溶菌酶成纤维的抑制效果,发现抑制能力具有浓度依赖性。结合运用分子动力学模拟和分子对接从原子水平研究了成纤维过程中溶菌酶结构的变化及小分子与蛋白质相互作用,尝试阐明小分子的抑制成纤维机制[27]。李改涛等[28]的研究表明,表没食子儿茶素(EGC)能够抑制溶菌酶的淀粉样纤维化,并破坏成熟的淀粉样纤维结构,使纤维的淀粉样特性降低。另外的几项研究也同样从稳定蛋白结构的角度说明了小分子抑制淀粉样蛋白成纤维的有效性:从蛇藤树枝中分离出的二十四烷能有效地抑制β-淀粉样蛋白的聚集[29];葡萄皮和葡萄籽提取物白藜芦醇对Aβ聚合具有显著的抑制作用[30],并用固体脂质纳米粒子将有效成分运输到大脑中发挥作用;芹菜籽提取物左旋芹菜甲素能显著改善AD患者的认知功能[31]。
  
  4.4 解聚淀粉样蛋白纤维
  
  淀粉样纤维有一些共同的特征:不论蛋白质来源多么缺乏同源性,它们都有从其固有的状态转化成淀粉样纤维的趋势。既然这种形成纤维的进程难以抑制,那么促使已形成的淀粉样纤维解聚则是一种新的思路。但是淀粉样纤维一旦形成就很稳定,并且淀粉样纤维的解聚产物通常也具有一定的毒性。朊蛋白Sup35NM淀粉样纤维加热20 min后的解聚产物对NIH3T3细胞和Vero细胞都产生了与聚集中的寡聚体相似的毒性效应。因此,寻找一种可以解聚淀粉样蛋白而不产生有毒性产物的小分子药物至关重要。
  
  茶中富含的多酚类物质有抗病毒、抗氧化、抗菌、抗辐射等多重功效。有实验证明茶多酚能够与解折叠的多肽结合,进而阻止其向淀粉样纤维转变[32]。多酚类物质中又以表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)的水平最高。EGCG能使已经成熟的蛋白纤维转变成较小的无定型的蛋白聚集体,如将成熟的α-突触核蛋白和Aβ的淀粉样纤维转变成对哺乳动物细胞无毒性的小的无定型蛋白聚集体。宋秀环等[33]的研究表明,EGCG能显著抑制溶菌酶的纤维化,并破坏成熟的淀粉样纤维结构,将溶菌酶纤维转变为无定形聚集体。
  
  总之,导致淀粉样蛋白沉积疾病的因素有多种,因此防治淀粉样疾病也应当对特定疾病的情况选取具有针对性的治疗策略,合理进行天然产物小分子的筛选和挖掘工作。
  
  5小结
  
  绝大多数偶发型淀粉样蛋白疾病的一个主要致病原因是衰老。伴随着细胞内维持蛋白质稳态的能力开始衰减,多种致病性的淀粉样纤维以无法察觉到的程度产生,这也是这些疾病的早期特征。食物中含有多种具有抑制淀粉样纤维形成的天然小分子,能够在人无意识的状态下抑制这些疾病的发生,或者至少起到延缓作用。因此,可以将研究发现的效果良好的小分子作为药物或者营养补充剂进行应用,找到安全可降解的递送介质及具有靶向性的缓释递送方法。关于具有这样能力的天然小分子的研究不但能在设计针对淀粉样纤维疾病的药物方面提供新的途径,而且能也能促进人们有意识地调整饮食习惯,合理选择那些含有这类天然小分子较多的食物进行摄取。
  
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