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甲醛(H2CO)是最早存在于原始地球大气中的气态分子之一,它不但广泛存在于人类的生存环境中,也以游离态或结合态的形式存在于生物体内。甲醛可以造成蛋白质过度修饰、错误折叠、功能丧失,并导致细胞凋亡、坏死,甚至引起认知功能损伤。
本论文采用不同浓度甲醛作用于小鼠神经母细胞瘤细胞系(neuro-2a,N2a),观察到Tau蛋白181位苏氨酸残基(Thr181,T181)与396位丝氨酸残基(Ser396,S396)发生过度磷酸化,且过度磷酸化Tau蛋白不仅出现在胞浆中,同时也存在于细胞核内。进一步研究表明,甲醛可以使糖原合酶激酶-3β(glycogen synthasekinase-3β,GSK-3β)216位酪氨酸残基(Tyr216,Y216)磷酸化水平升高,从而活化该激酶,并使其发生核转位,催化胞浆与核内Tau蛋白过度磷酸化。此外,作者还观察到由甲醛引起的过度磷酸化Tau蛋白在胞内发生聚集的现象。动物水平的实验表明,当C57BL/6N小鼠尾静脉注射甲醛后,其脑内细胞胞浆与核内均出现过度磷酸化Tau蛋白(pT181,pS396)。进一步研究表明,当恒河猴(Macaca mulatta)服用含有甲醇(2 ml/kg体重)的饮用水后,其体内出现甲醛蓄积,学习记忆能力显著下降。同时,恒河猴脑脊液内出现过度磷酸化Tau蛋白(pT181,pS396),且Aβ1-42的含量显著增加。免疫组化结果显示,恒河猴脑组织切片中出现了过度磷酸化Tau蛋白和老年斑。以上研究结果表明,甲醛可以通过激活GSK-3β而引起细胞内Tau蛋白过度磷酸化与聚集,导致动物认知功能损伤、产生阿尔茨海默病(AD)的典型病理特征。
本论文还初步证明了甲醛能够导致人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞系周期进程发生改变。当甲醛浓度范围为0.1 mM<[FA]≤0.2 mM时,S期和G2/M期细胞比例增加;当甲醛浓度升高至0.3 mM时,细胞滞留在S期(46.28%),G2/M期细胞比例相对下降。将细胞同步化到G2/M期或者S期后,在甲醛的作用下,S期细胞比例的增加更为明显。此外,随着甲醛浓度的升高,细胞出现早期、晚期凋亡,甚至坏死。以上结果暗示,一定浓度的甲醛(0.1 mM≤[FA]≤0.2 mM)主要通过引起DNA超甲基化而抑制S期DNA的合成,更高浓度的甲醛([FA]≥0.3 mM)则造成DNA的损伤,进而影响细胞周期进程,甚至引起细胞死亡。
综上,本论文揭示了甲醛导致Tau蛋白过度磷酸化及聚集的现象,并证明GSK-3β参与了Tau蛋白的过度磷酸化过程;此外,本论文运用甲醇口服给药的方法,诱导恒河猴出现了认知功能障碍及AD病理特征,这一新颖的无创性实验手段对于非人灵长类AD动物模型的建立具有重要的参考价值。以上结果为内源甲醛的蓄积可能是神经退行性疾病(如:阿尔茨海默病)的诱导因素及其相关发病机制的研究供了新的证据。