以阿尔茨海默病(Alzheimers Disease,AD)为代表的老年痴呆症,是目前世界范围内老龄人口普遍面临的主要健康威胁之一,是老龄化社会急需解决而又尚未攻克的难题。阿尔茨海默病的主要病理特征包括两个方面:(1)在神经细胞外,由β-淀粉样蛋白(Aβ)异常聚集形成的老年斑(SP)；(2)在神经细胞内,由Tau蛋白异常聚集形成的神经纤维缠结(NFT)。多年来,有关阿尔茨海默病病理机制的研究主要集中在这两种蛋白质上,但其异常聚集的分子机理至今尚未完全阐明。　　 阿尔茨海默病的发病率,除了表现出家族性特征,即与遗传(基因)等因素有关外,还可能跟地域、环境、饮食结构等因素有关。文献数据表明,阿尔茨海默病病人的不同器官组织、脑脊液和血液中金属离子的含量比对照组明显增高,说明金属离子与阿尔茨海默病之间,具有不同程度的相关性。　　 随着阿尔茨海默病病理研究的不断深入,若干具有神经毒性的金属离子在阿尔茨海默病发病机制中所起的作用,已引起广泛关注。文献报道的工作,主要集中于金属离子与Aβ肽链间的相互作用,及其对Aβ异常聚集的影响等。但另一方面,有关金属离子和Tau蛋白的相互作用、金属离子对Tau聚集过程的影响,则少有文献报道。　　 前期结果表明:Tau蛋白肽链微管结合区域,是发生聚集作用的关键区段,而其中第三重复单元是引发聚集的核心位置,因此本文选择与Tau微管结合域第三重复单元相对应的多肽片段R3,作为研究对象。通过荧光光谱、透射电镜、圆二色和拉曼光谱等物理方法,以Tau蛋白R3多肽作为实验样品,首次考察了若干神经毒性金属离子如Cd(Ⅱ)等,以及一些其他金属离子Zn(Ⅱ)等,对R3多肽自聚集影响,初步阐明金属离子与Tau蛋白肽链的作用模式,及其对Tau异常聚集影响的机理。主要研究结果,总结如下:　　 (1)以ThS为探针分子,使用荧光光谱法,首次对神经毒性金属离子Cd(Ⅱ)、Al(Ⅲ)、Hg(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)和Pb(Ⅱ),以及Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)对R3多肽自聚集动力学过程影响进行了系统考察。发现金属离子Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)和Cu(Ⅱ)对R3的自聚集有促进作用,而Al(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)离子先抑制,后促进R3的自聚集；单独的金属离子Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)或Cu(Ⅱ)也能引发R3多肽聚集,虽然其自聚集速度较小。这一实验结果,首次从神经纤维性缠结--Tau蛋白异常聚集的机制,为阿尔茨海默病与这些金属离子之间可能具有的相关性,提供了实验依据。　　 (2)运用透射电镜,观察了这些金属离子对R3多肽的自聚集产物形貌的影响。结果表明:R3多肽自聚集产生的纤维细丝带有不太明显的螺旋形状,这种螺旋细丝的外貌,正是阿尔茨海默病的纤维缠结结构中的特征形态。所有金属离子的加入,都没有改变这种螺旋细丝的外貌。但金属离子,如:Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)的加入,对纤维细丝的大小产生影响:在没有金属离子存在的条件下,R3多肽白聚集形成的纤维细丝较粗,大小约44 nm。金属离子的存在,使R3自聚集产生的纤维细丝变小,大小约11 nm。另外一些金属离子,如Hg(Ⅱ)等,则对纤维细丝大小几乎没有影响。　　 (3)综合荧光动力学和电镜的数据,对金属离子促进R3自聚集的机理进行了探讨。金属离子Cd(Ⅱ)从起始阶段(前7分钟)明显加快由肝素所引发的R3自聚集的,且从电镜的图像看所形成的纤维细丝大小明显变小,这说明Cd(Ⅱ)等主要是从成核步骤来促进Tau蛋白R3自聚集的。另一方面,金属离子Hg(Ⅱ)在起始阶段(前7分钟)对由肝素所引发的R3自聚集加快不明显,且电镜图像显示纤维细丝大小没有明显改变,说明Hg(Ⅱ)等金属离子主要是通过生长步骤来促进R3多肽的自聚集的。而对Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)等离子而言,情况较为复杂。　　 (4)运用CD和拉曼光谱,研究了金属离子与R3作用后,由金属离子所诱导的R3多肽构象的改变。CD数据表明:一般条件下,R3肽链呈现松散的随机盘绕结构,以随机盘绕构象为主(约57％):从CD和拉曼光谱均可看出:Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)或Zn(Ⅱ)离子与R3多肽结合后,金属离子将诱导R3肽链构象发生明显改变,R3的随机盘绕结构含量减少。对于Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的作用而言,R3减少的随机盘绕转变成了α-螺旋；而对于Cu(Ⅱ),则转变成了β-折叠。这说明:Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)离子促进R3多肽自聚集,其过程中形成的α-螺旋结构起着决定作用；而对于Cu(Ⅱ),β-折叠结构起着决定作用。对Hg(Ⅱ)促进的R3自聚集过程,情况则较为复杂:若以CD模拟计算结果,R3减少的随机盘绕转变成了α-螺旋；但从拉曼光谱估算结果来看,则在R3多肽的自聚集过程中,随机盘绕结构含量没变,而是伴随着α-螺旋转变成β-折叠结构。　　 (5)根据CD和拉曼光谱的结果,推测出金属离子与R3多肽作用的分子模型。拉曼光谱数据表明:R3多肽在溶液中的最稳定状态,可能是由分子间二硫键连接形成的二聚体(R3-R3)；Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)离子与R3作用时,金属离子首先是与R3肽链中的组氨酸结合,组氨酸残基中的咪唑环,提供Nτ原子与金属配位。CD光谱数据还表明,一个Cd(Ⅱ)或Cu(Ⅱ)离子可以与四个R3多肽分子结合、一个Zn(Ⅱ)离子可以与两个R3多肽分子结合。据此,我们推出了Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和.Zn(Ⅱ)离子与 R3多肽的配位中间体可能分别是[(R3-R3)Cd(R3-R3)]、[(R3-R3)Cu(R3-R3)]以及[(R3-R3)Zn(R3-R3)Zn]。而Hg(Ⅱ)离子则与R3多肽没有发生结合作用。　　 本论文研究的目标与意义,在于阐明金属离子在溶解性Tau蛋白自聚集形成非溶解性的纤维细丝的过程中所起的作用,金属离子与Tau蛋白肽链的作用模式,金属离子与Tau作用所引发的肽链构象变化,构象变化与自聚集的关系；本文的研究结果,从阿尔茨海默病神经纤维性缠结病理机制方面,为金属离子Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)并Cu(Ⅱ)与阿尔茨海默病之间的相关性,提供了一条实验依据,表明这些金属离子有可能是引发阿尔茨海默病的环境因素之一；同时还为深入理解Tau蛋白自聚集的机理,提供了理论基础。