阿爾茨海默病與Aβ及其衍生物的關(guān)系研究進(jìn)展

王長福 肖 陽 王秋紅 武立華 匡海學(xué)

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué) 北藥基礎(chǔ)與應(yīng)用研究教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

阿爾茨海默病(AD)神經(jīng)病理學(xué)特征為中樞神經(jīng)紋狀體和新皮質(zhì)產(chǎn)生大量神經(jīng)炎性斑塊(NPs)和神經(jīng)纖維纏結(jié)(NFTs)，癡呆是由于大腦患病處神經(jīng)元及突觸死亡所致，NPs為一復(fù)雜的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)，Aβ纖維蛋白淀粉樣沉積形成核狀，周圍由活性星狀細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和營養(yǎng)障礙的突觸包繞，而NFTs則聚集在細(xì)胞內(nèi)，主要由異常過度的高度磷酸化tau蛋白雙螺旋細(xì)絲組成。AD患者通常表現(xiàn)為腦血管內(nèi)大量Aβ肽呈淀粉樣沉積〔腦血管淀粉樣變性(CVA)〕〔1〕，散發(fā)型AD約占95%，多發(fā)生在65歲以上人群，沒有明確的遺傳病原學(xué)，家庭性AD(FAD)約占5%，其病因與特異性基因突變有關(guān)，F(xiàn)AD發(fā)病年齡較早，其侵襲性遠(yuǎn)大于散發(fā)型AD，但兩者的神經(jīng)病理學(xué)極為相似，因此，兩者具有共同的細(xì)胞機制，目前AD的診斷除根據(jù)臨床癥狀和尸體解剖腦組織檢查老年斑(SP)和NFTs外仍無法對AD進(jìn)行化驗診斷。AD神經(jīng)元退行性病變的機制仍未能明確，AD病因包含環(huán)境和遺傳兩大因素，其機制是十分復(fù)雜。目前，年齡和載脂蛋白E4(ApoE4)等位基因〔2〕被公認(rèn)為散發(fā)型AD的兩大高危因素，而FAD則是由至少3個不同位點的特異性基因突變所致，分別為淀粉樣前體蛋白(APP)基因、早老素1(PS-1)和早老素2(PS-2)，APP 作為 Aβ 肽的前體蛋白〔3～5〕，不僅是FAD特異性因素，同時也是散發(fā)型AD發(fā)生的重要因素之一;而且多數(shù)40周歲以上的唐氏綜合征(DS)患者病理與AD具有相似性，如出現(xiàn)Aβ淀粉樣蛋白沉積〔6〕，遺傳上也存在著直接聯(lián)系〔7〕;NPs和NFTs并非僅存在于AD患者腦內(nèi)，也存在于正常的老齡人群的腦內(nèi)，但在數(shù)量上明顯少于AD患者。此外，NFTs還常見于額顳葉癡呆、DS及帕金森病，因此，NFTs病理很可能是機體對基因損傷和環(huán)境因素的神經(jīng)性應(yīng)激反應(yīng)。

1 AD的病源學(xué):Aβ及其衍生物

以往研究中，普遍認(rèn)為Aβ肽及其可溶性或非可溶性衍生物為AD的主要致病因子，Aβ肽是一類小分子蛋白，其長度從35 ～43 個氨基酸不等，以 Aβ40和 Aβ42為主〔8，9〕，在聚集條件具備時，Aβ肽鏈形成擴展的β片層結(jié)構(gòu)，β片層結(jié)構(gòu)通過氫鍵形成反向平行的低聚物，這些Aβ低聚物進(jìn)一步聚集形成淀粉樣纖維并在神經(jīng)纖維網(wǎng)內(nèi)沉積形成NPs或在血管內(nèi)形成CVA，淀粉樣蛋白是β片層纖維蛋白沉積的總稱，這些蛋白能夠與剛果紅結(jié)合并表現(xiàn)出光學(xué)偏振特性〔10〕，因此，淀粉樣蛋白并非指可溶性Aβ肽，更不是非淀粉樣蛋白的低聚物，Aβ肽是由β和γ-分泌酶水解APP所產(chǎn)生的衍生物，β-分泌酶水解APP產(chǎn)生羧基端片段含有99個氨基酸殘基〔11〕，該殘基仍然結(jié)合在膜上，經(jīng)PS/γ-分泌酶復(fù)合物〔12〕進(jìn)一步水解產(chǎn)生Aβ肽，其中包括SP和CVA中的主要成分 Aβ1～40和 Aβ1～42;在非淀粉樣肽源途徑中，α-分泌酶裂解APP而產(chǎn)生可溶性氨基端產(chǎn)物(sAPP)，sAPP經(jīng)γ-分泌酶水解產(chǎn)生胞內(nèi)肽，因此該途徑不能產(chǎn)生Aβ肽〔13〕，許多類似APP的細(xì)胞表面蛋白和受體均可被γ-分泌酶水解產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)肽，更重要的是這些細(xì)胞內(nèi)肽可發(fā)揮信號傳導(dǎo)及基因表達(dá)因子的作用〔14〕。

1987 年的一項研究首次發(fā)現(xiàn)CVA沉積可能促使AD的發(fā)生，主要原因在于CVA沉積可損害血腦屏障，同時導(dǎo)致腦血管微出血，使神經(jīng)毒血清產(chǎn)物易進(jìn)入神經(jīng)纖維網(wǎng)，從而激發(fā)了神經(jīng)退行性級聯(lián)反應(yīng)、NFTs形成〔1〕，然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，許多AD患者并沒有腦血管損傷，這說明AD神經(jīng)退行性病變并不受CVA沉積存在與否的影響，Aβ級聯(lián)假說認(rèn)為Aβ以神經(jīng)炎性斑塊的形式沉積下來激發(fā)了神經(jīng)毒性級聯(lián)反應(yīng)，繼而導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變、NFTs及 AD 的發(fā)生〔15，16〕，在過去 20幾年的研究中，有關(guān)NPs的神經(jīng)毒性機制并未形成一致觀點，Aβ沉積可繼發(fā)神經(jīng)元功能障礙使許多學(xué)者懷疑這類結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致AD發(fā)生的主要原因〔17～19〕，但NPs與 AD和神經(jīng)元損傷程度均無顯著相關(guān)性〔20～22〕，所以它并非是導(dǎo)致AD患者神經(jīng)退行性病變的主要原因，而且更重要的原因在于一些正常的老齡人與AD患者的Aβ沉積水平相同〔22〕，實驗研究亦表明轉(zhuǎn)基因動物腦內(nèi)大量產(chǎn)生Aβ沉積并未引起神經(jīng)退行性病變〔23〕，而且一些 APP過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出神經(jīng)突觸和電生理異常并不依賴于Aβ沉積水平〔24〕，而這種異常可能僅僅是因為外源性 APP過表達(dá)所致，此外，一項臨床研究顯示，成功清除AD患者腦內(nèi)Aβ沉積后，既沒有改善患者的認(rèn)知能力也無法阻止其精神惡化進(jìn)程〔25〕，這說明NPs很可能不是AD神經(jīng)退行性病變認(rèn)知能力下降的根本原因，因此治療或改善AD患者認(rèn)知功能下降不能單純通過清除腦內(nèi)Aβ沉積。

2 AD神經(jīng)退行性病變與Aβ肽及其寡聚體

基于Aβ肽的研究理論認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外的可溶性寡聚體為Aβ肽類毒性成分，原因在于Aβ寡聚體體外可干預(yù)神經(jīng)突觸可塑性，體內(nèi)試驗可損傷實驗動物的記憶功能〔26～28〕，但這些模型所得出的結(jié)論是基于過表達(dá)APP的細(xì)胞株或轉(zhuǎn)基因動物，所模擬病理條件并不適于AD，因為AD患者的APP沒有明顯的過表達(dá)〔4〕。另外，過表達(dá)APP的轉(zhuǎn)基因動物模型其行為學(xué)異常也不能完全歸因于Aβ肽類，APP代謝可產(chǎn)生大量衍生物，其中一些其他衍生物同樣具有神經(jīng)毒性〔29〕，值得一提的是，動物腦內(nèi)過表達(dá)蛋白所產(chǎn)生的毒性通常包含其他因素，如過表達(dá)蛋白轉(zhuǎn)運功能異常，因此，目前還不清楚APP轉(zhuǎn)基因模型的行為學(xué)異常是否為Aβ肽單純導(dǎo)致還是APP毒性代謝物的衍生物或過量的外源性APP干預(yù)細(xì)胞通路所致;更重要的是，可溶性Aβ肽類是正常人體血清及腦脊液的成分，最新研究報道甚至認(rèn)為其中一些Aβ肽還具有許多有益的生物學(xué)功能〔30～32〕，而且可溶性Aβ及其寡聚體的水平與AD疾病進(jìn)程也無明顯相關(guān)性，也沒有鑒定出的專屬性的受體介導(dǎo)Aβ寡聚體的毒性效應(yīng)，因此，Aβ及其寡聚體激發(fā)AD神經(jīng)退行性病變這一理論的根本缺陷在于其與AD疾病的相關(guān)性缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持。

由于可溶性Aβ與AD疾病缺乏相關(guān)性，這使得AD患者腦內(nèi)Aβ肽凝聚并沉積形成淀粉樣蛋白的原因也無法得到清晰的闡述，雖然APP表達(dá)及Aβ產(chǎn)生增加可促進(jìn)淀粉樣蛋白的形成，但這兩個條件卻不是AD患者腦內(nèi)Aβ淀粉樣沉積所必需的，如散發(fā)型AD病例中，腦內(nèi)Aβ淀粉樣沉積時并未伴隨APP表達(dá)及Aβ產(chǎn)生增加，而更為合理的解釋應(yīng)該是神經(jīng)退行性使得大腦無法將Aβ肽保持在可溶狀態(tài)。假設(shè)正常人的神經(jīng)元細(xì)胞可產(chǎn)生某種因子來抑制Aβ肽的凝集并維持其可溶性，AD使神經(jīng)元無法產(chǎn)生這一因子或產(chǎn)生量降低，從而使可溶性Aβ肽凝聚并沉積，因而可溶性Aβ肽的濃度也隨之降低，這一假設(shè)可能性相對較小，但與AD患者腦脊液中可溶性Aβ肽含量降低這一結(jié)論是一致的〔33，34〕，相反，轉(zhuǎn)基因動物模型中 Aβ肽淀粉樣變性僅僅是因為Aβ肽含量過高所致。一項新的研究報告顯示APP的細(xì)胞外代謝產(chǎn)物可激活死亡受體DR6從而引發(fā)神經(jīng)元變性，由此得出結(jié)論為APP-DR6體系可誘導(dǎo)AD神經(jīng)元細(xì)胞死亡〔35〕，但這一結(jié)論僅能說明APP過表達(dá)的AD模型中神經(jīng)元缺失的原因〔23，24，26，36〕，即 DR6 結(jié)合的 APP 片段增加可誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞死亡。

3 FAD突變體與Aβ

現(xiàn)已明確FAD涉及3組不同基因突變，分別為PS-1、PS-2和APP，其中PS-1基因突變居多，PS是γ-分泌酶功能發(fā)揮的核心〔17〕，迄今已發(fā)現(xiàn)FAD中有150種基因突變與PS-1有關(guān)，一般來說，PS 突變體可增加神經(jīng)毒性產(chǎn)物 Aβ42的產(chǎn)生〔27，36～38〕，然而，近期研究表明，相當(dāng)一部分FAD的PS-1突變并不能增加Aβ42的產(chǎn)生〔39～41〕，因此，不是所有的 FAD 突變體都能夠促進(jìn)APP向Aβ淀粉樣蛋白轉(zhuǎn)化，而對于PS-1的突變體而言，這一作用也是不確定的;同樣，有關(guān)FAD突變體可升高Aβ42/40的值使其神經(jīng)毒性增加的報道也有待進(jìn)一步驗證，因為許多FAD突變體并不能升高Aβ42/40的值〔40〕，雖然Swedish型FAD的APP突變體使Aβ42和Aβ40的量顯著升高，但并未使Aβ42/40的值發(fā)生明顯改變〔42〕，甚至有些攜帶PS-1突變體的FAD患者體內(nèi)可溶性 Aβ 肽含量及 Aβ42/40的值均無異常變化〔43〕。Aβ42體內(nèi)產(chǎn)生神經(jīng)毒性的濃度通常在pmol/L的濃度范圍，而體外可檢測到Aβ42神經(jīng)毒性的濃度為體內(nèi)產(chǎn)生毒性濃度的1萬倍〔33，43〕，通過對Aβ42游離態(tài)和凝聚態(tài)的體外神經(jīng)毒性實驗顯示低于1 μmol/L濃度的 Aβ42是檢測不到毒性的，相反，低濃度 Aβ42具有促進(jìn)神經(jīng)元細(xì)胞存活、生長及分化的作用〔30～32〕。

綜上表明，F(xiàn)AD突變體與Aβ42的產(chǎn)生沒有相關(guān)性，說明突變體對AD的神經(jīng)退行性病變的影響與 Aβ42無關(guān)〔40〕，F(xiàn)AD突變體導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變充分說明了野生型蛋白在神經(jīng)元存活方面發(fā)揮著重要作用，但FAD突變體干擾神經(jīng)元細(xì)胞活動并誘導(dǎo)其死亡的機制并不清楚。FAD的遺傳基因為顯性，這與FAD突變體導(dǎo)致神經(jīng)元毒性的假說是一致的，但因其專屬性很強，不可能與眾多PS-1突變體均有關(guān)聯(lián)。額顳葉癡呆研究發(fā)現(xiàn)，progranulin突變體為顯性遺傳，這使得功能蛋白的產(chǎn)生含量相對降低(單倍劑量不足)，從而導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變〔44〕，然而，與之不同的是FAD中沒有類似突變體能夠降低功能蛋白的含量，合理解釋應(yīng)為FAD突變基因除導(dǎo)致突變等位基因失去活性外，還可能導(dǎo)致野生型等位基因功能喪失，如突變等位基因的蛋白產(chǎn)物能夠與野生型等位基因蛋白產(chǎn)物相互作用，進(jìn)而影響其功能的發(fā)揮，近期的一些研究結(jié)論初步證明了FAD的這種“等位基因干擾”機制，如FAD突變體可抑制PS的生物學(xué)功能，也抑制了PS及APP形成二聚體〔45～47〕，該機制也揭示了FAD神經(jīng)退行性病變顯性遺傳及單倍劑量不足、突變體缺乏的原因。

PS/γ分泌酶系統(tǒng)不僅能夠促進(jìn)APP通過γ裂解形成淀粉樣蛋白，也能促進(jìn)許多Ⅰ型跨膜蛋白的ε裂解，其中包括APP、Notch1 受體、鈣黏著糖蛋白、EphB 受體及 CD44〔14，48〕，ε 裂解發(fā)生在γ裂解位點的下游，ε裂解使可溶性細(xì)胞質(zhì)肽類釋放，包括細(xì)胞內(nèi)底物裂解產(chǎn)生的羧基端片段，到目前為止，已發(fā)現(xiàn)20多種細(xì)胞表面跨膜蛋白和受體通過PS/γ分泌酶系統(tǒng)ε裂解產(chǎn)生可溶性多肽，這些多肽一部分移至細(xì)胞核參與基因表達(dá)的調(diào)控，一部分仍留在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的代謝〔14，48〕，總之，除產(chǎn)生Aβ肽外，γ分泌酶系統(tǒng)也在多種信號通路中發(fā)揮重要作用，從而實現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控。

研究報道顯示FAD的PS-1突變體使許多細(xì)胞表面蛋白無法進(jìn)行γ分泌酶ε裂解，如APP、Notch1受體、鈣黏著糖蛋白及EphB受體，相應(yīng)也減少了羧基端多肽的產(chǎn)生〔49～51〕，這一結(jié)論支持了FAD突變體可加速神經(jīng)退行性病變這一假說〔52，53〕，然而，除PS外，功能性γ分泌酶復(fù)合物至少包含了三種其他成分，分別為 nicastrin、Aph-1 和 Pen-2〔48〕，因此，F(xiàn)AD 患者中，當(dāng)與這3種成分缺乏時，就很難說FAD所產(chǎn)生的神經(jīng)退行性病變與γ分泌酶的活性有關(guān)，一些實驗研究也證實，在PS中，除γ分泌酶的蛋白水解功能外，還具有γ分泌酶非依賴功能，如激活細(xì)胞通路 PI3K/Akt和 MEK/ERK〔54，55〕、調(diào)控糖原合激酶及鈣穩(wěn)態(tài)〔56～58〕，而許多FAD的PS-1突變體還具有干擾γ分泌酶非依賴功能的作用，這充分說明FAD的神經(jīng)退行性病變及tau蛋白的過度磷酸化尚存在其他機制〔55，59，60〕?？傊^去十幾年的研究揭示了PS-1的專屬性生物學(xué)功能，這一功能同時也受到FAD突變體不同程度的抑制作用，如能進(jìn)一步揭示其機制是否為等位基因干擾有關(guān)將非常有意義。

4 FAD與APP

APP為SP和CVA的前體蛋白，與PS同樣與FAD的疾病進(jìn)程密切相關(guān)，目前，在APP的基因位點已發(fā)現(xiàn)近20種致病性基因突變，其中一些突變位于APP中Aβ序列的兩端，Aβ初始序列未發(fā)生改變;另外一些突變則發(fā)生在APP殘基692～694的Aβ序列上。后者使Aβ初始序列發(fā)生變化，導(dǎo)致神經(jīng)功能紊亂，但不同于AD，如發(fā)生在APP693上的突變可促進(jìn)Aβ肽聚集形成淀粉樣沉積，但不會導(dǎo)致Aβ產(chǎn)物增加，該致病基因攜帶者導(dǎo)致一種嚴(yán)重的綜合征，即遺傳性腦出血，并伴有Dutch型淀粉樣變性，由于血管內(nèi)淀粉樣蛋白的沉積不斷增多導(dǎo)致反復(fù)腦出血〔61〕，這些患者通常沒有癡呆癥狀，也不產(chǎn)生 NPs和NFTs，因此，這該疾病不屬于AD，而發(fā)生在APP殘基692～694上的基因突變則與AD相關(guān)，但通常也不會使Aβ產(chǎn)物增加，也不會使 Aβ42/40的值發(fā)生變化〔62，63〕，而一般認(rèn)為，導(dǎo)致癡呆的APP基因突變發(fā)生在Aβ序列之外同時神經(jīng)毒性產(chǎn)物Aβ增加，因此這一說法與一些研究結(jié)論不符，如London型APP轉(zhuǎn)基因突變Aβ產(chǎn)物量低于Swedish型APP突變，但前者產(chǎn)生Aβ的毒性較強〔64，65〕，總之，這些差異使得導(dǎo)致AD的因素復(fù)雜化，如APP調(diào)節(jié)死亡受體等生物學(xué)功能〔35〕可能對于揭示APP突變基因加速FAD神經(jīng)退行性病變機制更有意義，某些早發(fā)型FAD家族含有一對編碼APP的基因位點，這說明可能APP過表達(dá)量恰好好在50%時產(chǎn)生神經(jīng)毒性〔66〕。有關(guān)AD神經(jīng)毒性機制很可能與細(xì)胞外APP衍生物對細(xì)胞的功能死亡〔35〕及APP的β羧基端片段導(dǎo)致DS和AD的細(xì)胞內(nèi)吞功能障礙有關(guān)，但更為明確的機制還有待深入研究〔67〕。

5 小結(jié)

綜上，AD的發(fā)病機制與Aβ無直接或間接的相關(guān)性，目前仍然無法清晰地揭示AD神經(jīng)退行性病變的機制，例如AD累及多種神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，但無法解釋為何膽堿能系統(tǒng)的損傷最為嚴(yán)重，也不清楚ApoE、年齡進(jìn)程及FAD突變基因等因素是如何專屬性地?fù)p傷某一神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)的，雖然抗氧化和抗炎藥物不能對AD的癡呆進(jìn)程有明顯的改善，但諸如氧化應(yīng)激、炎癥等環(huán)境因素也可能促使AD神經(jīng)元細(xì)胞死亡〔68，69〕，AD發(fā)生時可檢測到相當(dāng)數(shù)量的神經(jīng)元缺失或損傷，神經(jīng)元一旦缺失或損傷是很難恢復(fù)的。而從大多數(shù)散發(fā)型AD病例來看，將發(fā)病原因歸結(jié)為遺傳和環(huán)境因素存在其合理性，F(xiàn)AD與散發(fā)型AD臨床表現(xiàn)及神經(jīng)病理學(xué)特征極為相似，其中后者發(fā)病率高，而目前只有FAD的突變基因是唯一確定的致病因素，這些突變基因為散發(fā)型AD的細(xì)胞及分子機制研究提供了最佳模型，因此，用于研究FAD機制的方法同樣有助于散發(fā)型AD的研究。

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