糖代謝酶與阿爾茨海默病關(guān)系的研究進(jìn)展

趙 嵐 韓景獻(xiàn) 于建春

(天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院針灸研究所分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 名中醫(yī)韓景獻(xiàn)教授工作室，天津 300193)

目前為止，阿爾茨海默病(AD)的具體機(jī)制仍不十分明確。研究表明，AD患者腦中普遍存在葡萄糖利用降低和代謝異常，并且代謝能力的下降與癡呆程度成正比〔1〕。AD患者在出現(xiàn)認(rèn)知功能減退以前，大腦皮層的糖代謝就已經(jīng)出現(xiàn)異常。Wang等〔2〕也認(rèn)為糖代謝下降是AD的早期標(biāo)志，且下降的幅度與癡呆的程度有關(guān)。糖代謝障礙與AD關(guān)系密切，是導(dǎo)致神經(jīng)元退變的共同通路，它與AD腦神經(jīng)元的丟失、老年斑的形成、神經(jīng)纖維纏結(jié)等都有密切的聯(lián)系。

1 糖酵解途徑關(guān)鍵酶與AD的關(guān)系

腦細(xì)胞需要保持一定的酵解速度以保證能量的供應(yīng)，而糖酵解過程直接取決于己糖激酶和磷酸丙糖異構(gòu)酶等關(guān)鍵限速酶的影響，調(diào)節(jié)這些酶的活性就可以影響糖酵解的進(jìn)程。

1.1 己糖激酶(HK)與AD 進(jìn)入細(xì)胞后的葡萄糖首先發(fā)生磷酸化，HK是催化此不可逆反應(yīng)的糖酵解途徑中第一個限速酶。Marcus等〔3〕應(yīng)用PET觀察并評估AD患者腦糖代謝，以及葡萄糖利用率和HK的磷酸化程度，結(jié)果顯示AD患者腦內(nèi)葡萄糖代謝水平和HK磷酸化程度明顯降低，在微血管中由于2DG親和力降低而導(dǎo)致 HK活性減弱。Ohta等〔4〕觀察了靜脈注射〔14C〕2-脫氧-D-葡萄糖后，快速老化癡呆小鼠(SAM)P8腦內(nèi)葡萄糖的變化(脫氧葡萄糖通過葡萄糖載體從血中進(jìn)入腦組織，經(jīng)HK磷酸化生成2-脫氧-D-葡萄糖-6-磷酸)。結(jié)果表明，注射葡萄糖后，SAMP8小鼠皮層、海馬和紋狀體中2-脫氧-D-葡萄糖-6磷酸濃度顯著低于同齡正常老化小鼠SAMR1，而SAMP8與SAMR1腦血流速度和葡萄糖載體數(shù)量又未見明顯差別，提示癡呆小鼠腦葡萄糖代謝障礙與HK活性降低有關(guān)。

1.2 磷酸丙糖異構(gòu)酶(TPI)與AD TPI是糖酵解過程中的關(guān)鍵酶，催化3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮之間的互相轉(zhuǎn)變，此反應(yīng)的平衡極端地偏向于磷酸二羥丙酮一側(cè)(平衡常數(shù)：22)。在糖酵解的過程中，TPI能把經(jīng)醛縮酶生成的磷酸二羥丙酮轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油醛，若TPI缺失或活性降低，可能引起磷酸二羥丙酮的積累，進(jìn)而抑制酵解過程。

AD患者能量產(chǎn)生減少〔5〕，可能是通過糖酵解蛋白TPI的活性異?；蚧虮磉_(dá)降低而導(dǎo)致〔6，7〕。在神經(jīng)變性疾病中糖酵解相關(guān)基因的表達(dá)下降，AD機(jī)體TPI輕微下調(diào)〔8〕。TPI活性下降，無法維持腦細(xì)胞的正常生存，而引起神經(jīng)退行性變。國外研究顯示，在TPI缺陷的匈牙利家族中，兩個相同種系但表型不同的兄弟(其中一人神經(jīng)障礙)，TPI活性極低(＜5%)，與正常人比較，紅細(xì)胞中磷酸二羥丙酮升高20～40倍，這種蛋白突變與TPI缺陷和其他常見的神經(jīng)疾病中的神經(jīng)變性發(fā)展進(jìn)程密切相關(guān)〔9〕。TPI突變引起的TPI缺陷能夠引起進(jìn)行性神經(jīng)功能障礙、神經(jīng)退行性變和早期死亡〔10〕;重度TPI缺陷患者常常存在著神經(jīng)退行性變，這種神經(jīng)退行性變的產(chǎn)生不但與ATP減少有關(guān)，而且與毒性分子積累密切相關(guān)〔11，12〕。

在SAMP8生長發(fā)育的早期，2月齡小鼠TPI的表達(dá)就明顯低于正常老化小鼠SAMR1，提示SAMP8在生長發(fā)育的早期存在能量代謝障礙。TPI活性下降能夠抑制糖酵解水平并引起葡萄糖代謝率的降低〔13〕。與同月齡SAMR1相比，6月齡和12月齡SAMP8海馬中TPI表達(dá)明顯上調(diào)〔14〕;Poon等〔15〕研究顯示，TPI在SAMP8腦中表達(dá)顯著上調(diào)，推測是氧化應(yīng)激引起該酶的活性下降，而蛋白表達(dá)代償升高，提示SAMP8腦中存在著糖代謝障礙，這可能是其學(xué)習(xí)記憶增齡性衰退的重要原因。

1.3 磷酸甘油酸變位酶(PGAM)與AD PGAM是糖酵解過程中的另一個關(guān)鍵酶，催化3-磷酸甘油酸C3位上的磷酸基轉(zhuǎn)變到C2位上生成2-磷酸甘油酸之間的可逆反應(yīng)。臨床研究表明，AD患者海馬中PGAM1的活性顯著降低〔6〕?；A(chǔ)研究顯示，PGAM在6月齡 SAMP8小鼠的表達(dá)低于 SAMR1，提示SAMP8在生長發(fā)育的早期存在能量代謝障礙。

2 三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶與AD的關(guān)系

三羧酸循環(huán)是葡萄糖的最終代謝通路，由葡萄糖分解產(chǎn)生的乙酰CoA，進(jìn)入三羧酸循環(huán)被降解成為CO2和H2O，并釋放能量滿足機(jī)體需要葡萄糖。由于ATP的合成和分解是能量利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，AD患者能量代謝障礙與三羧酸循環(huán)關(guān)鍵酶密切相關(guān)。

2.1 異檸檬酸脫氫酶(IDH)與AD IDH是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶，其活性下調(diào)可使ATP生成減少，從而引起能量代謝障礙，該酶在對抗細(xì)胞氧化損傷也發(fā)揮著關(guān)鍵作用〔16〕。IDH是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶，在ATP能量產(chǎn)生及其他生物合成等方面都有重要作用，并且在調(diào)節(jié)線粒體氧化-還原平衡及對抗氧化損傷也具有一定的作用〔17〕。

Kil等〔18〕報(bào)道，AD患者的腦內(nèi)線粒體三羧酸循環(huán)中關(guān)鍵酶的測試結(jié)果顯示IDH的活性下降27%，致使ATP生成減少，不能為細(xì)胞有效地提供能量。有研究顯示，與同月齡SAMR1相比，6月齡和12月齡SAMP8海馬中αIDH表達(dá)水平顯著下調(diào)，提示SAMP8腦中存在能量代謝障礙，治療后，該酶表達(dá)水平顯著上調(diào)，提示可能通過抑制IDH的表達(dá)，進(jìn)而改善SAMP8的能量代謝障礙〔15，19〕。

2.2 琥珀酸脫氫酶(SDH)與AD SDH是呼吸鏈的重要酶，催化琥珀酸脫氫形成延胡索酸，在電子傳遞過程中發(fā)生氧化磷酸化作用，生成ATP。SDH與ATP的合成密切相關(guān)，其活性的高低和線粒體氧化磷酸化直接相關(guān)，能夠反映線粒體的功能狀態(tài)。SDH活性下降，三羧酸循環(huán)受阻，使氧化磷酸化過程中能量轉(zhuǎn)化過程受影響，從而導(dǎo)致能量生成減少，組織能量代謝障礙。有研究顯示，癡呆大鼠海馬線粒體SHD活性較正常大鼠明顯降低〔20〕。

3 丙酮酸脫氫酶(PDH)與AD的關(guān)系

腦內(nèi)的膽堿能系統(tǒng)被認(rèn)為是參與學(xué)習(xí)和記憶過程的重要神經(jīng)遞質(zhì)，而乙酰膽堿的合成與腦內(nèi)的葡萄糖代謝通路密切相關(guān)，腦內(nèi)乙酰膽堿合成所需的乙酰輔酶A幾乎完全是由糖代謝通路提供的。葡萄糖經(jīng)酵解產(chǎn)生丙酮酸后，進(jìn)入線粒體，在PDH作用下氧化脫羧生成乙酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，經(jīng)一系列氧化、脫羧，最終產(chǎn)生能量、CO2和H2O。由于1分子的葡萄糖可以生成36個ATP分子，但卻只能產(chǎn)生2分子的乙酰輔酶A，所以早期腦內(nèi)葡萄糖代謝障礙對ATP的生成影響不太大，但對乙酰膽堿合成的影響卻非常明顯。AD病人腦細(xì)胞中，PDH的活性明顯降低，影響能量代謝〔21〕。基礎(chǔ)研究顯示，PDH自2月齡在SAMP8的表達(dá)低于SAMR1，因此會導(dǎo)致Ach的合成障礙，可能與6月齡SAMP8出現(xiàn)的學(xué)習(xí)記憶功能減退密切相關(guān)。

4 結(jié)語

綜上所述，糖代謝酶在AD的發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。雖然糖代謝與AD的研究已經(jīng)具有了一些初步的報(bào)道，但仍有許多問題尚待進(jìn)一步闡明，例如糖代謝酶在腦組織的特異性分布，糖代謝酶發(fā)揮作用的除代謝以外的其他作用途徑等。了解糖代謝酶在AD中的作用，研究認(rèn)知功能障礙與腦葡萄糖代謝之間的關(guān)系，不僅使我們對AD患者能量代謝機(jī)制的認(rèn)識更加深入，有助于探討神經(jīng)精神障礙的生物學(xué)基礎(chǔ)，而且為AD的診斷、治療和預(yù)防開拓了新的思路。從糖代謝酶的角度去認(rèn)識、理解AD，并通過改善糖代謝相關(guān)酶的結(jié)構(gòu)和功能來干預(yù)AD，將為AD患者認(rèn)知能力、記憶能力、生活質(zhì)量的提高提供新的措施與方法。

1 Drzezga A，Riemenschneider M，Strassner B，et al.Cerebral glucose metabolism in patients with AD and different APOE genotypes〔J〕.Neurology，2005;64(1)：102-7.

2 Wang X，Su B，Siedlak SL，et al.Amyloid-beta overproduction causes abnormal mitochondrial dynamics via differential modulation of mitochondrial fission/fusion proteins〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2008;105(49)：19318-23.

3 Marcus DL，F(xiàn)reedman ML.Decreased brain glucose metabolism in microvessels from patients with Alzheimer's disease〔J〕.Ann N Y Acad Sci，1997;826：248-53.

4 Ohta H，Nishikawa H，Hirai K，et al.Relationship of impaired brain glucose metabolism to learning deficit in the senescence-accelerated mouse〔J〕.Neurosci Lett，1996;217(1)：37-40.

5 Rhein V，Eckert A.Effects of Alzheimer's amyloid-beta and tau protein on mitochondrial function-role of glucose metabolism and insulin signalling〔J〕.Arch Physiol Biochem，2007;113(3)：131-41.

6 Sultana R，Boyd-Kimball D，Cai J，et al.Proteomics analysis of the Alzheimer's disease hippocampal proteome〔J〕.J Alzheimers Dis，2007;11(2)：153-64.

7 Bürklen TS，Schlattner U，Homayouni R，et al.The creatine kinase/creatine connection to Alzheimer's disease：CK-inactivation，APP-CK complexes and focal creatine deposits〔J〕.J Biomed Biotechnol，2006;2006(3)：35936.

8 Brooks WM，Lynch PJ，Ingle CC，et al.Gene expression profiles of metabolic enzyme transcripts in Alzheimer's disease〔J〕.Brain Res，2007;1127(1)：127-35.

9 Orosz F，Wágner G，Liliom K，et al.Enhanced association of mutant triosephosphate isomerase to red cell membranes and to brain microtubules〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2000;97(3)：1026-31.

10 Gnerer JP，Kreber RA，Ganetzky B.Inaugural article：wasted away，a Drosophila mutation in triosephosphate isomerase，causes paralysis，neurodegeneration，and early death〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2006;103(41)：14987-93.

11 Orosz F，Olah J，Ovadi J.Triosephosphate isomerase deficiency：new insights into an enigmatic disease〔J〕.Biochim Biophys Acta，2009;1792(12)：1168-74.

12 Park SA，Park HW，Kim NH，et al.Effects of Tau on the activity of triose phosphate isomerase(TPI)in brain cells〔J〕.Neurochem Int，2010;56(8)：886-92.

13 Castegna A，Thongboonkerd V，Klein JB，et al.Proteomic identification of nitrated proteins in Alzheimer's disease brain〔J〕.J Neurochem，2003;85(6)：1394-401.

14 董 雷，蔣 寧，周文霞，等.快速老化模型小鼠海馬蛋白質(zhì)組學(xué)初步研究〔J〕.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2007;28(2)：274-7.

15 Poon HF，Castegna A，F(xiàn)arr SA，et al.Quantitative proteomics analysis of specific protein expression and oxidative modification in aged senescence-accelerated-prone 8 mice brain〔J〕.Neuroscience，2004;126(4)：915-26.

16 Kirchner L，Chen WQ，Afjehi-Sadat L，et al.Hippocampal metabolic proteins are modulated in voluntary and treadmill exercise rats〔J〕.Exp Neurol，2008;12(1)：145-51.

17 Kim J，Kim KY，Jang HS，et al.Role of cytosolic NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase in ischemia-reperfusion injury in mouse kidney〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2009;296(3)：F622-33.

18 Kil IS，Huh TL，Lee YS，et al.Regulation of replicative senescence by NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase〔J〕.Free Radic Biol Med，2006;40(1)：110-9.

19 王 杉，蔣 寧，周文霞，等.黃連解毒湯對快速老化模型小鼠海馬蛋白表達(dá)的影響〔J〕.中國中藥雜志，2007;32(21)：2289-94.

20 曾 芳，趙紀(jì)嵐，周奇志，等.電針對老年性癡呆大鼠海馬線粒體酶活性的影響〔J〕.中國老年學(xué)雜志，2006;26(1)：68-70.

21 盛樹力.老年癡呆發(fā)病機(jī)理與藥物研究〔M〕.北京：科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2003：214-23.