铝神经毒性：铝致认知功能障碍与tau蛋白的联系

铝（aluminium）的命名源自拉丁文 Alumen，“明矾”的意思，从1746 年，德国科学家波特用明矾制得氧化铝，之后 1825 年丹麦科学家奥斯特用钾还原氧化铝得到少量金属铝，到 1888 年，美国匹兹堡建立第一家电解铝厂，铝生产进入了一个新阶段。由于资源丰富，性能良好，用途广泛，铝工业近几年发展非常迅速，其产量已跃居有色金属首位，是仅次于钢铁的第二大金属材料。长期以来铝被认为是一种毒性很低的金属，而且具有清洁、减重、环保、可循环利用和便于加工等特点，被广泛运用于汽车、航天、军工等领域。我国电解铝产量近几年均居世界铝产量第一位，据统计，截至 2020 年底，我国电解铝建成产能达 4210 万吨，同比增加 9.29%。上述数据提示我们，随着铝生产规模大幅度地扩大，职业性铝接触人群在不断增多。而且铝及其制品的广泛应用，使得人们在日常生活中通过饮水、食物、药物摄入的铝量也在不断增加。我国不仅是铝生产大国，更是全球最大的铝消费国，因此铝的安全性问题越来越受到关注。
从 1886 年 Siem 首先报道铝的神经毒性至今，已有不少研究表明铝对神经系统具有毒性作用。大量的动物实验和人群流行病学均显示铝可影响认知功能，尤以记忆功能的损害最为明显，且存在剂量反应关系。课题组的先期人群研究结果也提示长期铝接触可引起工人的认知功能障碍， 并可引起轻度认知功能障碍（ mild cognitive impairment，MCI）的高发。
轻度认知功能障碍是介于正常衰老和痴呆之间的一种认知缺损状态。铝的神经毒性无论从动物实验还是人群研究均显示对认知功能的损害，提示铝与 MCI 的发生密切相关。
随着全世界逐渐步入老龄化社会，尤其我国居民期望寿命大幅增加，人口老龄化趋势明显加快。老年性痴呆——阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的发病呈现出较快的增长趋势，由于中晚期 AD 的治疗效果不佳，研究的注意力已经开始转向早期诊断和早期干预。MCI 于 1996 年被美国著名精神科专家 Petersen 正式命名，现已被公认为是“痴呆的前期状态”。MCI 表现在记忆力减退与年龄的不相称，但没有达到 AD 的标准，它常常是 AD 发病的预警信号，是进行预防性干预的最佳阶段。如果能够早期发现和监护，并在此阶段进行干预，减少 MCI 发展为 AD 的可能，对 AD 的预防有重要意义，因此，对 MCI 的早期生物标志物的监测就尤其重要。
tau 蛋白是一种微管相关蛋白，定位于 17 号染色体，存在于神经元轴突。中枢神经系统和外周神经系统都存在 tau 蛋白，中枢神经系统的 tau 蛋白分子量主要是 45～60kDa。正常成人每摩尔 tau 蛋白中含磷量为 2～3mol。AD 患者脑的 tau 蛋白被异常高度磷酸化，每摩尔 tau蛋白中含磷量是正常 tau 蛋白含磷量的 4～8 倍。tau 蛋白的异常磷酸化是形成神经纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT）的关键步骤，是AD 神经元退行性变的基础。过度的磷酸化 tau 蛋白不仅使自身与微管结合蛋白的结合能力下降，而且这种异常的 tau 蛋白还与微管蛋白竞争性地结合正常的微管结合蛋白，从而使微管解聚。微管系统的解聚影响了轴浆的运输，进而造成神经元的变性，最终引起 AD 等神经系统病变的发生。磷酸化 tau 蛋白不仅可作为认知功能障碍早期诊断的生物标志物，而且可以监测疾病的进展，预测轻度认知功能障碍进展为 AD 的可能性。
tau 蛋白磷酸化程度是体内多种蛋白激酶的磷酸化和蛋白磷酸酶脱磷酸化两种作用平衡的结果，tau 蛋白的磷酸化和脱磷酸化间平衡是维持微管稳定性的关键调控因素，所以蛋白激酶和蛋白磷酸酶的平衡紊乱可能是导致 tau 蛋白异常过度磷酸化的重要原因。
另外，蛋白酶体降解通路的调控对 tau 蛋白的异常磷酸化也是非常关键的环节。在正常生理条件下，细胞内可溶性 tau 蛋白主要由泛素-蛋白酶体途径（ubiquitin-proteasome pathway，UPP）降解，磷酸化的 tau 蛋白通过泛素连接酶 E3 被泛素化后进入经典的 UPS（泛素-蛋白酶体系统）降解方式。UPP 的主要生物学功能是有效地调节细胞内蛋白水平，降解胞质和胞核内受损、错误折叠和突变的蛋白，从而确保细胞内蛋白的质量，维持细胞的正常生理状态及功能。当细胞内 tau蛋白的降解发生障碍，tau 蛋白会发生异常磷酸化聚集形成 NFTs。那么铝是否可以调控泛素-蛋白酶体途径使 tau 蛋白降解发生异常，从而导致 tau 蛋白异常磷酸化的发生？
本书以笔者 10 多年的科学研究结果为基础，在多项国家自然科学基金资助下，研究了职业铝暴露对工人认知功能和 tau 蛋白表达变化的影响，阐明 tau 蛋白在铝致职业铝作业工人认知功能障碍中的作用。在职业人群流行病学研究基础上，通过整体动物实验和体外细胞实验建立铝神经毒性实验模型，深入讨论了铝致 tau 蛋白异常磷酸化从而引起认知功能障碍的这一疾病过程。
鉴于此，笔者在从事十余年铝神经毒性研究工作的基础上，将自己及研究团队的科研成果总结成书，期望能对铝神经毒性和老年性疾病的预防起到一定的作用。本书的研究成果在国家自然科学基金（81001241 和 81472959）资助下完成。笔者对铝神经毒性的研究始于博士课题，在此向恩师牛侨教授表达深深的谢意，感谢恩师多年的悉心教导和辛勤栽培。本书的完成建立在笔者研究团队集体智慧的基础上，感谢参与研究并付出辛勤劳动的研究生们，感谢给予帮助的师长、同事和朋友。由于笔者自身研究水平和科研能力所限，书中疏漏之处在所难免，恳请各位读者、专家提出宝贵意见，批评指正。

路小婷
2021 年 4 月

铝的神经毒性研究是金属毒理学重要的研究领域。本书是作者及其团队十多年来研究铝神经毒性的总结。全书共分两篇。第一篇主要研究铝与认知功能之间的联系，通过职业人群流行病学和整体动物实验，提示铝可导致认知功能障碍。第二篇主要研究 tau 蛋白在铝致认知功能障碍中的作用及具体机制，通过职业人群流行病学、整体动物实验和体外细胞实验阐明 tau 蛋白在铝神经毒性中异常表达，进一步针对 tau 合成和降解过程的关键因子，深入讨论铝致 tau 蛋白异常表达的具体机制。
本书阐述了铝与认知功能的紧密联系，以及 tau 蛋白在铝致认知功能障碍中的重要地位及调控机制，可作为铝神经毒性研究重要参考书籍，也为金属神经毒性研究提供了有益范本。

第一篇 铝致认知功能障碍的研究
第1 章 铝致轻度认知功能障碍的研究进展 002
1.1 铝在体内的过程及神经毒性 002
1.2 轻度认知功能障碍 004
1.3 铝致轻度认知功能障碍的生物学机制 006
参考文献 008

第2 章 轻度认知功能障碍的研究进展 011
2.1 MCI 概念的提出与形成 012
2.2 轻度认知障碍的流行病学特点 013
2.3 轻度认知障碍的临床症状 015
2.4 轻度认知障碍的诊断 016
2.5 轻度认知障碍的生物监测指标 017
2.6 轻度认知障碍的异质性及转归 019
参考文献 020

第3 章 铝对工人认知功能的影响 023
3.1 退休铝电解工人认知功能 024
3.2 在岗铝电解工人认知功能 028
3.3 铝作业工人认知功能因子分析 032
3.4 铝作业工人 MCI 亚型特点 037
参考文献 041

第4 章 铝致小鼠学习记忆功能的影响 044
4.1 染铝小鼠的学习记忆能力 045
4.2 染铝小鼠的脑组织形态学 056
参考文献 062

第二篇 tau 蛋白与铝致认知功能障碍
第5 章 tau 蛋白在认知功能障碍中的作用 066
5.1 tau 蛋白 066
5.2 认知功能障碍及其发病机制 067
5.3 tau 蛋白与认知功能障碍的关联性 069
5.4 展望 070
参考文献 071

第6 章 蛋白激酶及蛋白酯酶与 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 小结 080
参考文献 081

第7 章 泛素-蛋白酶体途径与 tau 蛋白 083
7.1 CHIP 在泛素-蛋白酶体途径中的作用 083
7.2 泛素-蛋白酶体途径与 tau 蛋白降解 087
参考文献 091

第8 章 铝作业工人 tau 蛋白表达 094
8.1 退休铝电解工人 tau 蛋白表达 094
8.2 在岗铝电解工人 tau 蛋白表达 099
参考文献 102

第9 章 长期染铝对小鼠脑组织 tau 蛋白表达的影响105
9.1 材料与方法 106
9.2 结果 107
9.3 讨论 112
参考文献 113

第10 章 铝对细胞 tau 蛋白表达的影响 115
10.1 铝对 SH-SY5Y 细胞 tau 蛋白表达的影响 115
10.2 铝对 N2a 细胞 tau 蛋白表达的影响 119
参考文献 122

第11 章 铝致 tau 蛋白异常表达及其调控机制 124
11.1 铝对工人 tau 蛋白磷酸化的调控作用 124
11.2 铝致细胞 tau 蛋白合成异常的调控作用 131
11.3 铝致细胞 tau 蛋白降解异常的调控作用 135
11.4 CHIP 在铝致细胞 tau 蛋白异常磷酸中的调控作用144
参考文献 151

常用缩略语中英文对照表 154