鋁神經毒性：鋁致認知功能障礙與tau蛋白的聯繫

第一篇 鋁致認知功能障礙的研究
第1 章 鋁致輕度認知功能障礙的研究進展 002
1.1 鋁在體內的過程及神經毒性 002
1.2 輕度認知功能障礙 004
1.3 鋁致輕度認知功能障礙的生物學機制 006
參考文獻 008

第2 章 輕度認知功能障礙的研究進展 011
2.1 MCI 概念的提出與形成 012
2.2 輕度認知障礙的流行病學特點 013
2.3 輕度認知障礙的臨床症狀 015
2.4 輕度認知障礙的診斷 016
2.5 輕度認知障礙的生物監測指標 017
2.6 輕度認知障礙的異質性及轉歸 019
參考文獻 020

第3 章 鋁對工人認知功能的影響 023
3.1 退休鋁電解工人認知功能 024
3.2 在崗鋁電解工人認知功能 028
3.3 鋁作業工人認知功能因數分析 032
3.4 鋁作業工人 MCI 亞型特點 037
參考文獻 041

第4 章 鋁致小鼠學習記憶功能的影響 044
4.1 染鋁小鼠的學習記憶能力 045
4.2 染鋁小鼠的腦組織形態學 056
參考文獻 062

第二篇 tau 蛋白與鋁致認知功能障礙
第5 章 tau 蛋白在認知功能障礙中的作用 066
5.1 tau 蛋白 066
5.2 認知功能障礙及其發病機制 067
5.3 tau 蛋白與認知功能障礙的關聯性 069
5.4 展望 070
參考文獻 071

第6 章 蛋白激酶及蛋白酯酶與 tau 蛋白的合成 073
6.1 tau 蛋白的生理功能 073
6.2 tau 蛋白磷酸化 074
6.3 蛋白激酶 075
6.4 蛋白磷酸酯酶 079
6.5 小結 080
參考文獻 081

第7 章 泛素-蛋白酶體途徑與 tau 蛋白 083
7.1 CHIP 在泛素-蛋白酶體途徑中的作用 083
7.2 泛素-蛋白酶體途徑與 tau 蛋白降解 087
參考文獻 091

第8 章 鋁作業工人 tau 蛋白表達 094
8.1 退休鋁電解工人 tau 蛋白表達 094
8.2 在崗鋁電解工人 tau 蛋白表達 099
參考文獻 102

第9 章 長期染鋁對小鼠腦組織 tau 蛋白表達的影響105
9.1 材料與方法 106
9.2 結果 107
9.3 討論 112
參考文獻 113

第10 章 鋁對細胞 tau 蛋白表達的影響 115
10.1 鋁對 SH-SY5Y 細胞 tau 蛋白表達的影響 115
10.2 鋁對 N2a 細胞 tau 蛋白表達的影響 119
參考文獻 122

第11 章 鋁致 tau 蛋白異常表達及其調控機制 124
11.1 鋁對工人 tau 蛋白磷酸化的調控作用 124
11.2 鋁致細胞 tau 蛋白合成異常的調控作用 131
11.3 鋁致細胞 tau 蛋白降解異常的調控作用 135
11.4 CHIP 在鋁致細胞 tau 蛋白異常磷酸中的調控作用144
參考文獻 151

常用縮略語中英文對照表 154

鋁（aluminium）的命名源自拉丁文Alumen，“明礬”的意思，從1746年，德國科學家波特用明礬制得氧化鋁，之後1825年丹麥科學家奧斯特用鉀還原氧化鋁得到少量金屬鋁，到1888年，美國匹茲堡建立第一家電解鋁廠，鋁生產進入了一個新階段。由於資源豐富，性能良好，用途廣泛，鋁工業近幾年發展非常迅速，其產量已躍居有色金屬首位，是僅次於鋼鐵的第二大金屬材料。長期以來鋁被認為是一種毒性很低的金屬，而且具有清潔、減重、環保、可迴圈利用和便於加工等特點，被廣泛運用於汽車、航太、軍工等領域。電解鋁產量近幾年均居世界鋁產量第一位，據統計，截至2020年底，電解鋁建成產能達4210萬噸，同比增加9.29%。上述資料提示我們，隨著鋁生產規模大幅度地擴大，職業性鋁接觸人群在不斷增多。而且鋁及其製品的廣泛應用，使得人們在日常生活中通過飲水、食物、藥物攝入的鋁量也在不斷增加。不僅是鋁生產大國，更是全球最大的鋁消費國，因此鋁的安全性問題越來越受到關注。

從1886年Siem首先報導鋁的神經毒性至今，已有不少研究表明鋁對神經系統具有毒性作用。大量的動物實驗和人群流行病學均顯示鋁可影響認知功能，尤以記憶功能的損害最為明顯，且存在劑量反應關係。課題組的先期人群研究結果也提示長期鋁接觸可引起工人的認知功能障礙，並可引起輕度認知功能障礙（mildcognitiveimpairment，MCI）的高發。

輕度認知功能障礙是介於正常衰老和癡呆之間的一種認知缺損狀態。鋁的神經毒性無論從動物實驗還是人群研究均顯示對認知功能的損害，提示鋁與MCI的發生密切相關。

隨著全世界逐漸步入老齡化社會，尤其居民期望壽命大幅增加，人口老齡化趨勢明顯加快。老年性癡呆——阿爾茨海默病（Alzheimer’sdisease，AD）的發病呈現出較快的增長趨勢，由於中晚期AD的治療效果不佳，研究的注意力已經開始轉向早期診斷和早期干預。MCI於1996年被美國著名精神科專家Petersen正式命名，現已被公認為是“癡呆的前期狀態”。MCI表現在記憶力減退與年齡的不相稱，但沒有達到AD的標準，它常常是AD發病的預警信號，是進行預防性干預的最佳階段。如果能夠早期發現和監護，並在此階段進行干預，減少MCI發展為AD的可能，對AD的預防有重要意義，因此，對MCI的早期生物標誌物的監測就尤其重要。

tau蛋白是一種微管相關蛋白，定位於17號染色體，存在於神經元軸突。中樞神經系統和外周神經系統都存在tau蛋白，中樞神經系統的tau蛋白分子量主要是45～60kDa。正常成人每摩爾tau蛋白中含磷量為2～3mol。AD患者腦的tau蛋白被異常高度磷酸化，每摩爾tau蛋白中含磷量是正常tau蛋白含磷量的4～8倍。tau蛋白的異常磷酸化是形成神經纖維纏結(neurofibrillarytangle，NFT）的關鍵步驟，是AD神經元退行性變的基礎。過度的磷酸化tau蛋白不僅使自身與微管結合蛋白的結合能力下降，而且這種異常的tau蛋白還與微管蛋白競爭性地結合正常的微管結合蛋白，從而使微管解聚。微管系統的解聚影響了軸漿的運輸，進而造成神經元的變性，最終引起AD等神經系統病變的發生。磷酸化tau蛋白不僅可作為認知功能障礙早期診斷的生物標誌物，而且可以監測疾病的進展，預測輕度認知功能障礙進展為AD的可能性。

tau蛋白磷酸化程度是體內多種蛋白激酶的磷酸化和蛋白磷酸酶脫磷酸化兩種作用平衡的結果，tau蛋白的磷酸化和脫磷酸化間平衡是維持微管穩定性的關鍵調控因素，所以蛋白激酶和蛋白磷酸酶的平衡紊亂可能是導致tau蛋白異常過度磷酸化的重要原因。

另外，蛋白酶體降解通路的調控對tau蛋白的異常磷酸化也是非常關鍵的環節。在正常生理條件下，細胞內可溶性tau蛋白主要由泛素-蛋白酶體途徑（ubiquitin-proteasomepathway，UPP）降解，磷酸化的tau蛋白通過泛素連接酶E3被泛素化後進入經典的UPS（泛素-蛋白酶體系統）降解方式。UPP的主要生物學功能是有效地調節細胞內蛋白水準，降解胞質和胞核內受損、錯誤折疊和突變的蛋白，從而確保細胞內蛋白的品質，維持細胞的正常生理狀態及功能。當細胞內tau蛋白的降解發生障礙，tau蛋白會發生異常磷酸化聚集形成NFTs。那麼鋁是否可以調控泛素-蛋白酶體途徑使tau蛋白降解發生異常，從而導致tau蛋白異常磷酸化的發生？

本書以筆者10多年的科學研究結果為基礎，在多項國家自然科學基金資助下，研究了職業鋁暴露對工人認知功能和tau蛋白表達變化的影響，闡明tau蛋白在鋁致職業鋁作業工人認知功能障礙中的作用。在職業人群流行病學研究基礎上，通過整體動物實驗和體外細胞實驗建立鋁神經毒性實驗模型，深入討論了鋁致tau蛋白異常磷酸化從而引起認知功能障礙的這一疾病過程。

鑒於此，筆者在從事十餘年鋁神經毒性研究工作的基礎上，將自己及研究團隊的科研成果總結成書，期望能對鋁神經毒性和老年性疾病的預防起到一定的作用。本書的研究成果在國家自然科學基金（81001241和81472959）資助下完成。筆者對鋁神經毒性的研究始于博士課題，在此向恩師牛僑教授表達深深的謝意，感謝恩師多年的悉心教導和辛勤栽培。本書的完成建立在筆者研究團隊集體智慧的基礎上，感謝參與研究並付出辛勤勞動的研究生們，感謝給予幫助的師長、同事和朋友。
 
由於筆者自身研究水準和科研能力所限，書中疏漏之處在所難免，懇請各位讀者、專家提出寶貴意見，批評指正。

路小婷
2021年4月