阿爾茨海默病和糖尿病的關(guān)聯(lián)：揭示一種新的治療策略

王冰潔，張 研

(北京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 膜生物學(xué)國家重點實驗室； 北京大學(xué) 麥戈文腦科研究所， 北京 100871)

代謝紊亂疾病——2型糖尿病(type 2 diabetes, T2D)和肥胖癥是全球范圍內(nèi)的重要的健康問題，很大程度上是由于現(xiàn)代社會不健康的生活方式所引起。同樣的調(diào)查發(fā)現(xiàn)失智癥也是一個很嚴(yán)重的健康問題，影響全球近5 000萬人。阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是最常見的癡呆形式，到目前為止還沒有能夠停止或顯著減緩疾病進程的治療。這些疾病對家庭、社會和國家造成了沉重的負擔(dān)，科學(xué)家一直在尋求更有效的預(yù)防和治療策略。

自Rotterdam研究將糖尿病與癡呆聯(lián)系起來以來，越來越多的證據(jù)表明這兩種疾病之間存在著某些關(guān)聯(lián)。有研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病使癡呆風(fēng)險增加了近一倍，提示糖尿病與抑郁障礙之間存在聯(lián)系。此外，AD發(fā)病率與高胰島素血癥和高血糖呈正相關(guān)[1]。相反，AD患者發(fā)生T2D的風(fēng)險增加。盡管大量的證據(jù)表明AD和糖尿病之間存在聯(lián)系，但是這種聯(lián)系的分子機制仍不清楚。

胰島素的外周功能及其在糖尿病病理學(xué)中的作用早已為人所知。胰島素是胰腺β細胞分泌的一種激素，能調(diào)節(jié)身體能量代謝的各個方面。 T2D的特征是外周器官產(chǎn)生胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)。在神經(jīng)元中，胰島素發(fā)揮神經(jīng)保護作用和神經(jīng)營養(yǎng)作用并調(diào)節(jié)突觸可塑性，是認(rèn)知的重要調(diào)節(jié)器。重要的是，研究發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因或非轉(zhuǎn)基因AD模型動物中，無論是離體培養(yǎng)還是在體的研究都能發(fā)現(xiàn)胰島素通路受損。這些發(fā)現(xiàn)提示胰島素抵抗可能是連接T2D和AD的分子機制。

本文介紹在AD和糖尿病研究中發(fā)現(xiàn)的有選擇性的胰島素抵抗機制的相似性。此外還介紹了對一種疾病的深入了解是如何幫助理解另一種疾病的；通過發(fā)現(xiàn)這兩種疾病中共同的異常通路，提出同時治療兩種疾病的治療策略。對T2D和AD相關(guān)性的研究可以幫助我們進一步了解神經(jīng)生物學(xué)及其與身體能量代謝的關(guān)系。

1 胰島素通路

胰島素信號傳導(dǎo)是通過胰島素對跨膜酪氨酸激酶受體(insulin receptor, IR)特異性的結(jié)合而啟動的。胰島素和IR結(jié)合后，IR將位于受體細胞胞內(nèi)部分的酪氨酸殘基磷酸化，緊接著使胰島素受體底物1- 4(IRS- 1-IRS- 4)的蛋白質(zhì)家族的酪氨酸殘基磷酸化，從而影響許多下游通路。其中最突出的是雷帕霉素哺乳動物靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路中的磷酸肌醇3-激酶(PI3K)/鼠胸腺瘤病毒致癌基因同源物(Akt)。

當(dāng)IRS- 1和IRS- 2的絲氨酸殘基被磷酸化時，它們從IR分離，導(dǎo)致IRS的酪氨酸去磷酸化，使下游胰島素信號傳導(dǎo)受到抑制[2]。

大腦中的胰島素受體是由Havrankova在1978年首次提出的，這個發(fā)現(xiàn)隨后被多個研究證實[3]。胰島素受體廣泛分布于腦中，在下丘腦、皮質(zhì)、小腦和嗅球中高表達。大多數(shù)腦中的胰島素是由胰島β細胞合成，但有小部分胰島素在腦內(nèi)合成。事實上，在神經(jīng)元中有胰島素前體1、2的mRNA和胰島素的合成，但在膠質(zhì)細胞中并未發(fā)現(xiàn)。有研究發(fā)現(xiàn)胰島素的mRNA特異性地出現(xiàn)在海馬區(qū)的錐體神經(jīng)元、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、下丘腦、內(nèi)嗅皮層、鼻周皮層、丘腦和嗅球的顆粒細胞層。

胰島素在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起重要的作用，并且這些作用遠遠超過葡萄糖的代謝功能[4]。還有研究發(fā)現(xiàn)胰島素具有神經(jīng)保護作用，關(guān)乎神經(jīng)元的生長和存活。胰島素信號通路還可以通過調(diào)節(jié)GAΒA受體和AMPA受體調(diào)節(jié)突觸可塑性，可調(diào)節(jié)長時記憶鞏固相關(guān)的基因表達[5]。令人驚奇的是，對健康人注射胰島素能夠增強非文字記憶和注意力[6]?？偟膩碚f，這些研究結(jié)果表明胰島素是大腦生理功能的一種影響因子，可能使認(rèn)知能力的增強。

2 AD中缺陷的胰島素信號通路：機制和相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn)AD患者大腦中胰島素信號通路受損[7]。此外，體內(nèi)外的研究均發(fā)現(xiàn)Aβ淀粉樣短肽(AβOs)(一種在AD中具有神經(jīng)元毒性的蛋白)能夠引起神經(jīng)元產(chǎn)生胰島素抵抗。AβOs能迅速引起原代海馬神經(jīng)元樹突質(zhì)膜上標(biāo)記的IRs移出質(zhì)膜，從而使海馬神經(jīng)元對胰島素不敏感[8]。另外，AβOs處理體外培養(yǎng)的原代海馬神經(jīng)元以及在體條件下側(cè)腦室注射AβOs都能夠抑制IRS- 1絲氨酸殘基的磷酸化[7]，并且在APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠(過表達Aβ蛋白的AD模型鼠)和Aβ誘導(dǎo)的恒河猴AD模型中均發(fā)現(xiàn)胰島素信號通路受損[9]。

另有研究發(fā)現(xiàn)，用胰島素或者胰島素敏感的抗糖尿病藥物來上調(diào)胰島素信號通路能夠有效對抗AβOs對神經(jīng)元和突觸的毒性，并能部分恢復(fù)AD模式動物中產(chǎn)生的認(rèn)知障礙。此外,在糖尿病小鼠模型中發(fā)現(xiàn)GLP- 1類似物能改善認(rèn)知功能和神經(jīng)元發(fā)生[10]。這些發(fā)現(xiàn)為進一步研究AD和糖尿病之間的聯(lián)系提供了重要的分子機制基礎(chǔ)。更重要的是,這些結(jié)果提出了治療T2D的藥物可以用于治療AD的可能性。

對這兩種疾病常見分子機制的了解可以為治療疾病提供新型靶點，或發(fā)現(xiàn)新的診斷技術(shù)，對疾病提前進行預(yù)防。在本節(jié)中,我們將討論在二者中均有缺陷的、可能連接AD和糖尿病的胰島素信號通路的分子機制。

2.1 炎性反應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗糖尿病可能是由于外圍組織輕微、持續(xù)的炎性反應(yīng)所導(dǎo)致。例如，發(fā)現(xiàn)肥胖患者脂肪組織中的脂肪積累會導(dǎo)致招募巨噬細胞和局部促炎細胞因子的分泌，如TNF-α、IL-1β和IL6。多項研究發(fā)現(xiàn)和證明TNF-α在脂肪細胞中具有誘導(dǎo)胰島素抵抗的能力[11]。

同時AD的大腦也表現(xiàn)為持續(xù)、慢性、但低水平的炎性反應(yīng)狀態(tài)。這可能會先于小膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎性反應(yīng),被認(rèn)為在AD的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用[12]。小鼠體內(nèi)外實驗發(fā)現(xiàn)AβOs能夠使小膠質(zhì)細胞激活和促進促炎細胞因子的分泌[13- 14]，類似結(jié)果也在AD轉(zhuǎn)基因模型鼠中發(fā)現(xiàn)[15]。有研究發(fā)現(xiàn)AβOs誘導(dǎo)的神經(jīng)元的胰島素信號損傷需要TNF-α受體(TNFR)，并且這種現(xiàn)象可以被抗TNF-α藥物逆轉(zhuǎn)。另有研究發(fā)現(xiàn)AD中受損的胰島素信號通路中，PKR、 JNK和IKK能夠抑制IRS- 1途徑中的絲氨酸磷酸化。

總的來說,這些觀察結(jié)果表明，AD中有缺陷的胰島素抵抗與肥胖、糖尿病中的胰島素抵抗可能是通過相似的機制導(dǎo)致的,特別是持續(xù)性的炎性反應(yīng)和促炎細胞因子TNF-α。

2.2 神經(jīng)節(jié)苷脂

細胞質(zhì)膜的微結(jié)構(gòu)域與很多信號通路相關(guān)，膜上富集了大量動態(tài)功能的復(fù)合體與其他蛋白和/或非蛋白膜結(jié)合。IR信號要進行正確的傳導(dǎo)高度依賴于它在膜內(nèi)微結(jié)構(gòu)域中的正確位置。有證據(jù)表明，IR與其他膜上微結(jié)構(gòu)域中成分相互作用能夠影響信號通路區(qū)域的劃分、下游分子的結(jié)合和受體的回收，并且胰島素抵抗的程度可以反映膜微結(jié)構(gòu)域的障礙[16]。

越來越多的證據(jù)提出神經(jīng)節(jié)苷脂3(monosialodihexosylganglioside 3, GM3)是胰島素抵抗和糖尿病之間的橋梁。在脂肪細胞中，TNF-α導(dǎo)致的胰島素抵抗需要GM3 的上調(diào)，并且阻斷神經(jīng)節(jié)苷脂合成酶或用葡萄糖神經(jīng)酰胺合成酶抑制劑能夠保護脂肪細胞的胰島素信號受損。在GM3-s合成酶基因敲除小鼠中發(fā)現(xiàn)胰島素敏感性增強[17]，進一步支持GM3能夠調(diào)節(jié)胰島素信號。IR與細胞膜穴樣內(nèi)陷相關(guān)，和內(nèi)凹陷蛋白- 1有相互作用，這是胰島素信號通路中受體與IRS- 1正確結(jié)合至關(guān)重要一環(huán)。有趣的是,高濃度的GM3脂肪細胞會破壞膜的IR和內(nèi)凹陷蛋白- 1的相互作用，導(dǎo)致IR在細胞膜穴樣內(nèi)陷中的積累和IRS- 1解聚，從而引起胰島素抵抗。

膜微結(jié)構(gòu)域和神經(jīng)節(jié)苷脂也被認(rèn)為在AD發(fā)病機制中起作用。Aβ與許多不同的神經(jīng)節(jié)苷脂有相互作用，特別是Aβ和神經(jīng)節(jié)苷脂1(monosialodihexosylganglioside, GM1)之間的相互作用一直是研究的熱點。GM1是AβOs在神經(jīng)元膜上的結(jié)合位點，能夠促進有毒淀粉樣蛋白肽的結(jié)構(gòu)聚合。在AD患者大腦中和腦脊液與Aβ42表達水平相關(guān)區(qū)域中發(fā)現(xiàn)神經(jīng)節(jié)苷脂結(jié)合Aβ(GAΒ)[18]。AβOs和神經(jīng)節(jié)苷脂的結(jié)合對突觸毒性似乎是很重要的，研究發(fā)現(xiàn)霍亂毒素封閉GM1功能可以逆轉(zhuǎn)由AβOs引起的小鼠海馬切片LTP的損傷[18]。因此,膜微結(jié)構(gòu)域脂質(zhì)成分的異常改變可以對Aβ聚合和毒性產(chǎn)生影響。

這些研究表明膜微結(jié)構(gòu)域及其組成，尤其是神經(jīng)節(jié)苷脂對糖尿病的胰島素抵抗和AD的Aβ聚集和毒性有著重要的影響。神經(jīng)節(jié)苷脂的代謝失調(diào)可能是連接這兩種疾病的病理過程,從而提出一個病因?qū)е聝煞N疾病癥狀的可能性，而這個方向的研究才剛剛開始。

2.3 雷帕霉素靶蛋白(mTOR)相關(guān)信號通路

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)參與細胞內(nèi)一系列生理病理過程,其存在形式主要有兩種:mTOR2 Raptor復(fù)合物和mTOR2 Rictor復(fù)合物[19]。在大腦中mTOR對端腦的發(fā)展至關(guān)重要，其異常激活可以導(dǎo)致頭小畸型或皮質(zhì)肥大和神經(jīng)退行性病變。特異性敲除大腦Raptor或Rictor基因的轉(zhuǎn)基因小鼠也呈現(xiàn)大腦和神經(jīng)元體積減少的癥狀。除了與大腦的形成相關(guān)，mTOR基因也與學(xué)習(xí)和記憶功能有關(guān)，用雷帕霉素處理能阻止長時程突觸形成和后續(xù)的長時程增強現(xiàn)象(LTP)形成[20]。

mTOR/S6K1激活與抑制IRS- 1上Ser307位點的磷酸化相關(guān)，使IRS- 1與IR解聚。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)暴露于AβOs的體外培養(yǎng)的神經(jīng)元中IRS- 1 pSer307增加[7]。此外，在不同的胰島素抵抗模型中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)mTOR/S6K1途徑的激活和IRS- 1的抑制性磷酸化，并且缺乏S6K1基因的小鼠能夠免于由年齡和飲食誘導(dǎo)引起的胰島素敏感性增強。另外，長期給予雷帕霉素能夠影響小鼠體內(nèi)葡萄糖代謝平衡和線粒體氧化功能障礙。

mTOR在胰島素抵抗和認(rèn)知中的這些作用也存在于AD中。在小鼠模型中，用雷帕霉素抑制mTOR信號能夠挽救認(rèn)知缺陷并增加自噬，改善AD中Aβ和Tau病理特征。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PI3K-Akt-mTOR通路參與了AβOs誘導(dǎo)的細胞周期事件(CCE)[21]。最近的一項研究顯示，AβOs通過激活位于血漿膜中的mTORC1和mTORC- 1依賴性Tau磷酸化來誘導(dǎo)CCE；同時發(fā)現(xiàn)用胰島素能夠激活溶酶體對mTORC1的活性，從而阻止CCE。這表明AβOs誘導(dǎo)的胰島素信號降低能導(dǎo)致神經(jīng)元細胞周期折返出現(xiàn)。

有趣的是，AD中mTOR通路活性的水平存在相互矛盾的證據(jù)，大多數(shù)研究者報道AD中mTOR通路活性增強，但也有一些發(fā)現(xiàn)下調(diào)。這種差異可能是由于使用不同的AD模型造成?？傊?，因為mTOR信號通路可能影響胰島素信號調(diào)節(jié)、自噬和AβOs清除、細胞周期和持久形式的突觸可塑性，這引起了科研人員對mTOR信號通路的興趣，以尋求理解胰島素抵抗與AD之間的聯(lián)系。

3 結(jié)論

最近的研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元是如何形成胰島素抵抗，以及胰島素信號受損如何與AD中突觸和記憶損傷相關(guān)的一些重要的細胞水平和分子水平的機制。促炎性反應(yīng)機制能夠促進外周神經(jīng)末梢的胰島素抵抗，從而引起AD患者的神經(jīng)活動紊亂。這種在AD和糖尿病之間的相似性為我們提出新的抗糖尿病的治療AD思路提供了可能性。最近發(fā)現(xiàn)胰島素和胰高血糖素樣肽- 1(GLP- 1)類似物能夠治療糖尿病和肥胖，并且能夠抵消AD動物模型中許多神經(jīng)元和記憶的損傷[7,8,22- 24]。臨床試驗發(fā)現(xiàn)用胰島素或者GLP- 1類似物可以改善老年癡呆癥、帕金森病和情緒障礙的一些癥狀。發(fā)現(xiàn)AD中和大腦胰島素抵抗相關(guān)的其他分子機制可以為改善AD提供一個新的靶點，更或者開發(fā)一種用于檢測早期AD的新的分子，以期在發(fā)生嚴(yán)重神經(jīng)功能障礙前進行治療。

參考文獻：

[1] Cha DS, Carvalho AF, Rosenblat JD,etal. Major depressive disorder and type II diabetes mellitus: mechanisms underlying risk for Alzheimer’s disease [J]. CNS Neurol Disord Drug Targets, 2014, 13: 1740- 1749.

[2] Mothe I, Van OE. Phosphorylation of insulin receptor substrate- 1 on multiple serine residues, 612, 632, 662, and 731, modulates insulin action [J]. J Biol Chem, 1996, 271: 11222- 11227.

[3] Marks JL, King MG, Baskin DG. Localization of insulin and type 1 IGF receptors in rat brain byinvitroautoradiography and in situ hybridization [J]. Adv Exp Med Biol, 1991, 293:459- 470.

[4] Pang Y, Lin S, Wright C,etal. Intranasal insulin protects against substantia nigra dopaminergic neuronal loss and alleviates motor deficits induced by 6-OHDA in rats [J]. Neuroscience, 2016, 318:157- 165.

[5] Chiu SL, Chen CM, Cline HT. Insulin receptor signaling regulates synapse number, dendritic plasticity, and circuit functioninvivo[J]. Neuron, 2014, 58: 708- 719.

[6] Kern W, Peters A, Fruehwald-Schultes B,etal. Improving influence of insulin on cognitive functions in humans [J]. Neuroendocrinology, 2001, 74: 270- 280.

[7] Bomfim TR, Forny-Germano L, Sathler LB,etal. An anti-diabetes agent protects the mouse brain from defective insulin signaling caused by Alzheimer’s disease- associated Abeta oligomers [J]. J Clin Invest, 2012, 122: 1339- 1353.

[8] De Felice FG, Vieira MN, Bomfim TR,etal. Protection of synapses against Alzheimer’s-linked toxins: insulin signaling prevents the pathogenic binding of Abeta oligomers [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015, 106: 1971- 1976.

[9] Forny-Germano L, Lyra E, Silva NM,etal. Alzheimer’s disease-like pathology induced by amyloid-beta oligomers in nonhuman primates [J]. J Neurosci, 2014, 34: 13629- 13643.

[10] Calsolaro V, Edison P. Novel GLP- 1 (glucagon-like peptide- 1) analogues and insulin in the treatment for Alzheimer’s disease and other neurodegenerative diseases [J]. CNS Drugs, 2015, 29: 1023- 1039.

[11] Hotamisligil GS, Johnson RS, Distel RJ,etal. Uncoupling of obesity from insulin resistance through a targeted mutation in aP2, the adipocyte fatty acid binding protein [J]. Science, 1996, 274: 1377- 1379.

[12] Ferreira ST, Clarke JR, Bomfim TR,etal. Inflammation, defective insulin signaling, and neuronal dysfunction in Alzheimer’s disease [J]. Alzheimers Dement, 2015, 10: S76-S83.

[13] Ledo JH, Azevedo EP. Cross talk between brain innate immunity and serotonin signaling underlies depressive-like behavior induced by alzheimer’s amyloid-beta oligomers in mice [J]. J Neurosci, 2016, 36: 12106- 12116.

[14] Ledo JH, Azevedo EP, Clarke JR,etal. Amyloid-beta oligomers link depressive-like behavior and cognitive deficits in mice [J]. Mol Psychiatry, 2014, 18: 1053- 1054.

[15] Heneka MT, O’banion MK. Inflammatory processes in Alzheimer’s disease [J]. J Neuroimmunol, 2017, 184: 69- 91.

[16] Inokuchi J. Membrane microdomains and insulin resist-ance [J]. FEBS Letters, 2016, 584: 1864- 1871.

[17] Yamashita T, Hashiramoto A, Haluzik M,etal. Enhanced insulin sensitivity in mice lacking ganglioside GM3 [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2016, 100: 3445- 3449.

[18] Hong S, Ostaszewski BL, Yang T,etal. Soluble Abeta oligomers are rapidly sequestered from brain ISFinvivoand bind GM1 ganglioside on cellular membranes [J]. Neuron, 2014, 82: 308- 319.

[19] Wullschleger S, Loewith R, Hall MN. TOR signaling in growth and metabolism [J]. Cell, 2006, 124: 471- 484.

[20] Tang SJ, Reis G, Kang H,etal. A rapamycin-sensitive signaling pathway contributes to long-term synaptic plasticity in the hippocampus [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2002, 99: 467- 472.

[21] Bhaskar K, Miller M, Chludzinski A,etal. The PI3K-Akt-mTOR pathway regulates Abeta oligomer induced neuronal cell cycle events [J]. Mol Neurodegener, 2009, 4:14- 17.

[22] Lourenco MV, Clarke JR, Frozza RL,etal. TNF-alpha mediates PKR-dependent memory impairment and brain IRS- 1 inhibition induced by Alzheimer’s beta-amyloid oligomers in mice and monkeys [J]. Cell Metab, 2014, 18: 831- 843.

[23] Norambuena A, Wallrabe H, Mcmahon L,etal. mTOR and neuronal cell cycle reentry: How impaired brain insulin signaling promotes Alzheimer’s disease [J]. Alzheimers Dement, 2017, 13: 152- 167.

[24] Seixas Da Silva GS, Melo HM, Lourenco MV,etal. Amyloid-beta oligomers transiently inhibit AMP-activated kinase and cause metabolic defects in hippocampal neurons [J]. J Biol Chem, 2017, 292: 7395- 7406.