不同形態(tài)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子與阿爾茨海默病關(guān)系研究進(jìn)展

許曼玉 綜述，許志強(qiáng) 審校

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院(野戰(zhàn)外科研究所)神經(jīng)內(nèi)科，重慶 400042)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的進(jìn)行性退行性變性疾病。AD的特點(diǎn)是認(rèn)知功能下降，包括進(jìn)行性遠(yuǎn)、近記憶力障礙，分析判斷能力下降、日常生活能力下降、精神情緒改變、行為障礙、意識(shí)混亂模糊等。典型的AD患者大腦的神經(jīng)病理學(xué)變化主要包括：Tau蛋白過(guò)度磷酸化形成神經(jīng)纖維纏結(jié)，β淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)沉積形成老年斑。研究表明，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)及其前體即腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子前體(brain-derived neurotrophic factor precursor，proBDNF)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病起重要作用，尤其是AD。近年來(lái)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子前肽(BDNF propeptide，pBDNF)已顯示出與proBDNF具有相似的功能，在AD的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用。本文主要總結(jié)BDNF、proBDNF及pBDNF的表達(dá)、功能及其在AD發(fā)病中的作用。

1 BDNF、proBDNF及pBDNF的表達(dá)

BDNF首先被合成前體物質(zhì)proBDNF，后被纖溶酶和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)裂解，MMPs包括MMP3、MMP7、MMP9等。proBDNF也能在細(xì)胞內(nèi)被激素原轉(zhuǎn)化酶和弗林蛋白酶(Furin)裂解，以釋放出成熟的BDNF(mBDNF)和BDNF前肽段(pBDNF)。

在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成proBDNF后，神經(jīng)元主要以誘導(dǎo)型分泌方式將含有proBDNF的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)至樹突或軸突末端，分別通過(guò)L型和N型鈣離子(Ca2+)通道調(diào)節(jié)釋放。proBDNF集中存儲(chǔ)在海馬神經(jīng)元突觸前末端的致密中心囊泡中，并通過(guò)突觸活動(dòng)釋放。BDNF被順行性運(yùn)輸通過(guò)海馬CA3區(qū)到達(dá)CA1區(qū)、基底前腦、杏仁核，這些部位都是AD患者大腦中發(fā)生神經(jīng)元纖維退行變性的區(qū)域。proBDNF與BDNF廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，包括海馬、下丘腦、灰質(zhì)后角表層、三叉神經(jīng)核、孤束核、杏仁復(fù)合體等神經(jīng)末梢處，同時(shí)他們也存在于一些周圍神經(jīng)組織內(nèi)。

pBDNF與BDNF及proBDNF一樣，在興奮性突觸前的致密中心囊泡中儲(chǔ)存與運(yùn)輸，離體海馬神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)，pBDNF也以誘導(dǎo)型方式分泌。研究表明，晚期胚胎與出生后早期小鼠體內(nèi)pBDNF水平微乎其微，出生5 d后，小鼠腦內(nèi)可以檢測(cè)到pBDNF的存在。小鼠1月齡左右時(shí)，pBDNF水平急劇增加，在成年期(3～9月齡)pBDNF進(jìn)入平臺(tái)期不再產(chǎn)生明顯變化[1]。proBDNF在生長(zhǎng)期腦內(nèi)水平較高，成年期腦內(nèi)則是mBDNF與pBDNF含量更加豐富，甚至在成年人腦內(nèi)pBDNF水平是proBDNF的10余倍[2-4]。

2 BDNF、proBDNF及pBDNF的作用

2.1BDNF的作用 在神經(jīng)元內(nèi)，BDNF主要與酪氨酸蛋白激酶受體B(tyrosine kinase receptor B，TrkB)結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，包括有絲分裂蛋白激活酶(Ras/mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI-3-K/AKT)信號(hào)通路、磷脂酶C(phospholipase C，PLC)信號(hào)通路，產(chǎn)生下游信號(hào)影響神經(jīng)元。TrkB是一種參與細(xì)胞再生、存活和N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptors，NMDARs)NMDA的磷酸化的特異性高親和力受體。當(dāng)BDNF與TrkB結(jié)合時(shí)，它促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化和存活，并有助于增加多種神經(jīng)元的興奮性，BDNF也促進(jìn)突觸形成、突觸傳遞。大腦中BDNF的合成對(duì)突觸可塑性有獨(dú)特作用，突觸通路的使用或不使用會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元之間連接加強(qiáng)或減弱，從而導(dǎo)致軸突和樹突棘的突觸增加或減少。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用(long-term potentiation，LTP)是影響突觸連接的重要因素，BDNF對(duì)此起關(guān)鍵作用。

LTP是一種持久的增強(qiáng)現(xiàn)象，發(fā)生在兩個(gè)神經(jīng)元信號(hào)傳輸中。LTP是廣泛認(rèn)可的與學(xué)習(xí)記憶關(guān)聯(lián)的突觸可塑性的最佳模型，也是陳述性記憶的形成機(jī)制。研究證明，當(dāng)BDNF水平緩慢升高，TrkB信號(hào)通路持續(xù)激活時(shí)，可導(dǎo)致LTP升高，神經(jīng)突觸活動(dòng)及學(xué)習(xí)記憶過(guò)程加強(qiáng)[5]。相反，誘導(dǎo)發(fā)生LTP的興奮刺激也可促進(jìn)BDNF基因的表達(dá)，空間記憶引發(fā)的刺激也可促進(jìn)BDNF基因的表達(dá)，進(jìn)而再次促進(jìn)LTP并形成良性循環(huán)。除此之外，BDNF還和晚期時(shí)相型長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(late phase long term potentiation，L-LTP)有著特殊的關(guān)系。例如，L-LTP可以誘導(dǎo)強(qiáng)θ波，促進(jìn)皮層和海馬神經(jīng)元中BDNF的合成與釋放。BDNF減少會(huì)抑制L-LTP，BDNF水平的增加是維持L-LTP所必需的。

作為離子型谷氨酸受體，NMDAR在突觸傳遞和突觸可塑性的調(diào)節(jié)中起重要作用，特別是對(duì)于LTP，一種可能的學(xué)習(xí)和記憶機(jī)制。NMDA受體分子由兩個(gè)GluN1亞基和兩個(gè)GluN2亞基或GluN3亞基組成，TrkB能夠通過(guò)調(diào)節(jié)GluN2B亞單位的磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)NMDA功能，正常的BDNF mRNA水平的調(diào)控也通過(guò)膽堿能神經(jīng)的支配和NMDA受體完成。BDNF基因表達(dá)和cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(CREB)的活動(dòng)由Ca2+通過(guò)突觸NMDA受體誘導(dǎo)發(fā)生。相反，Ca2+穿過(guò)突觸外NMDA受體，誘發(fā)谷氨酸釋放或者缺氧/缺血狀態(tài)，導(dǎo)致占優(yōu)勢(shì)地位的CREB通路關(guān)閉，阻礙BDNF表達(dá)。由此可見(jiàn)，BDNF、TrkB受體、NMDA受體三者相互作用、相互影響，共同促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶能力，它們?cè)谏窠?jīng)元的保護(hù)及神經(jīng)元突觸可塑性的調(diào)節(jié)中起重要作用。

2.2proBDNF的作用 proBDNF主要通過(guò)與p75神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子受體(p75 neurotrophin receptor，p75NTR)[6]和Sortilin受體復(fù)合物[7]結(jié)合介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Sortilin在前體神經(jīng)生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡過(guò)程中有重要作用，當(dāng)缺失p75NTR或者Sortilin的時(shí)候，凋亡過(guò)程被阻滯。這表明proBDNF是通過(guò)與Sortilin/p75NTR復(fù)合受體作用，從而引起神經(jīng)元凋亡。p75NTR是屬于腫瘤壞死因子家族的非特異性低親和力受體，參與細(xì)胞凋亡，它介導(dǎo)AD的多種病理過(guò)程，例如Aβ神經(jīng)毒性和老年斑產(chǎn)生、沉積和清除。proBDNF的作用與BDNF相反，它通過(guò)p75NTR信號(hào)通路誘發(fā)細(xì)胞凋亡。proBDNF具有神經(jīng)毒性作用：抑制神經(jīng)細(xì)胞生存、突觸結(jié)構(gòu)瓦解，加速感覺(jué)神經(jīng)元凋亡，減緩小腦顆粒細(xì)胞遷移，抑制感覺(jué)神經(jīng)元和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元神經(jīng)突觸生長(zhǎng)，在神經(jīng)元的生長(zhǎng)分化過(guò)程中，它影響特定區(qū)域的選擇性凋亡。proBDNF可通過(guò)p75NTR，促進(jìn)長(zhǎng)時(shí)程抑制(1ong term depression，LTD)，或裂解為mBDNF促進(jìn)L-LTP。細(xì)胞膜上NMDA的亞基NR2B參與proBDNF誘導(dǎo)LTD，當(dāng)NMDA的NR2B亞基活性被特異性抑制時(shí)，LTD被阻斷。也有研究表明proBDNF可能誘導(dǎo)LTP，起雙相調(diào)節(jié)作用。proBDNF可通過(guò)減少絲狀偽足的數(shù)量及縮短長(zhǎng)度來(lái)改變生長(zhǎng)錐形態(tài)和運(yùn)動(dòng)。proBDNF還通過(guò)與p75NTR結(jié)合來(lái)促進(jìn)不活躍的末端回縮，而mBDNF與TrkB結(jié)合，促進(jìn)活躍末端的穩(wěn)定存在，其在神經(jīng)元突觸連接中起重要作用。新生小鼠小腦顆粒細(xì)胞遷移定位中，proBDNF與p75NTR一起抑制新生細(xì)胞遷移，mBDNF可促進(jìn)遷移[8]。proBDNF的以上作用可被其前結(jié)構(gòu)域抗體中和。

2.3pBDNF的作用 既往認(rèn)為，pBDNF只作為一種分子伴侶參與BDNF蛋白的正確折疊，近年研究表明pBDNF本身具有重要作用。YANG等[9]發(fā)現(xiàn)，pBDNF在C6神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中表達(dá)，pBDNF抑制C6細(xì)胞增殖，促進(jìn)C6細(xì)胞凋亡。ANASTASIA等[1]研究表明，當(dāng)人類BDNF基因存在單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)時(shí)，原本第66號(hào)密碼子上的纈氨酸(valine)可被置換為蛋氨酸(methionine)，Met-pBDNF能夠快速改變神經(jīng)元的形態(tài)，并作為配體誘導(dǎo)神經(jīng)元生長(zhǎng)錐收縮與破壞，Val-pBDNF對(duì)生長(zhǎng)錐沒(méi)有明顯作用。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)p75NTR是觸發(fā)pBDNF信號(hào)所必需的受體，但pBDNF僅與SorCS2受體結(jié)合，在生理情況下，p75NTR與SorCS2復(fù)合物是存在的。由此猜測(cè)，Met-pBDNF/SorCS2復(fù)合物以某種方式激活p75NTR，誘導(dǎo)生長(zhǎng)錐收縮。ANASTASIA等[1]同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，Val-pBDNF能夠促進(jìn)海馬LTD，Met-pBDNF則抑制海馬LTD。Val-pBDNF與NMDA結(jié)合，促進(jìn)GluA2亞單位的內(nèi)化從而促進(jìn)LTD，并且pBDNF成功占用NMDA受體，防止它再與其他配體結(jié)合。這說(shuō)明Val-pBDNF是NMDA受體的上游信號(hào)分子并調(diào)控神經(jīng)元可塑性。GUO等[10]證明Val-pBDNF通過(guò)線粒體通路與caspase-3途徑減少海馬神經(jīng)元樹突棘密度，并再次證明pBDNF雖未與p75NTR直接結(jié)合，但p75NTR是pBDNF負(fù)調(diào)節(jié)中不可缺少的成員。以上研究結(jié)果表明，生理情況下，成年期腦內(nèi)pBDNF含量多于proBDNF，而且具有與proBDNF相似的凋亡作用。

3 BDNF、proBDNF及pBDNF與AD的聯(lián)系

3.1BDNF在AD發(fā)生、發(fā)展中的作用 多項(xiàng)研究證實(shí)，BDNF mRNA與蛋白在AD患者腦內(nèi)含量明顯低于健康人，即使在輕度認(rèn)知功能障礙階段，BDNF水平也會(huì)降低，并與認(rèn)知水平呈正相關(guān)。AD患者腦內(nèi)的TrkB受體mRNA與蛋白也被發(fā)現(xiàn)有不同程度降低。

研究表明，Aβ能夠抑制proBDNF的蛋白水解過(guò)程，影響突觸間信號(hào)的傳遞，從而減少BDNF產(chǎn)生。除此之外，由于AD患者大腦內(nèi)乙酰膽堿神經(jīng)元功能受損和Aβ積聚，導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎癥，氧化應(yīng)激通過(guò)細(xì)胞內(nèi)鈣的升高直接損害神經(jīng)元。小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞被激活產(chǎn)生炎癥，炎性細(xì)胞因子可以阻斷BDNF的產(chǎn)生[11]。Aβ可以損傷軸突運(yùn)輸、突觸功能、直接下調(diào)BDNF表達(dá)及合成等[12]，這些都與BDNF的生成、分泌、運(yùn)輸有關(guān)，因此在AD患者腦內(nèi)可以明顯發(fā)現(xiàn)BDNF水平下降，與Aβ的毒性作用密切相關(guān)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)Aβ促進(jìn)縮短型TrkB受體mRNA的產(chǎn)生并促進(jìn)全長(zhǎng)TrkB受體的分解[13]，阻礙BDNF/TrkB多種下游信號(hào)通路，因此Aβ能夠在多個(gè)方面損害BDNF與TrkB，導(dǎo)致AD患者腦內(nèi)BDNF水平下降。相反，BDNF能夠改善Aβ引起的神經(jīng)損傷，例如突觸密度下降、突觸營(yíng)養(yǎng)不良，神經(jīng)元固縮和海馬萎縮。AD患者腦中的Aβ沉積是導(dǎo)致BDNF減少的關(guān)鍵因素，腦內(nèi)高水平BDNF可以減緩認(rèn)知功能下降速度和AD的病變進(jìn)展[14]。

Tau是一種微管相關(guān)蛋白，具有很高的含磷量，高表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元中，并參與神經(jīng)元可塑性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成。高度磷酸化的Tau蛋白是AD患者的標(biāo)志性神經(jīng)病理學(xué)改變，Tau蛋白結(jié)構(gòu)和功能變化導(dǎo)致軸突長(zhǎng)度和功能變化，促進(jìn)AD患者神經(jīng)元的退化，損傷患者的認(rèn)知記憶功能。過(guò)量或者發(fā)生病理改變的Tau蛋白能夠抑制BDNF產(chǎn)生，不需要Tau蛋白發(fā)生基因突變或者形成神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangle,NFT)，就能產(chǎn)生神經(jīng)毒性[15-16]。實(shí)驗(yàn)證明BDNF可以迅速降低Tau蛋白磷酸化，Trk抑制劑可以破壞去磷酸化過(guò)程，表明BDNF和TrkB可使Tau蛋白去磷酸化?？梢钥闯?，低水平的BDNF和Tau蛋白過(guò)度磷酸化與AD病理變化密切相關(guān)。

BDNF Val66Met基因多態(tài)性與多種神經(jīng)精神疾病相關(guān)，并且還與AD相關(guān)。Met等位基因攜帶者具有較低的認(rèn)知功能并影響細(xì)胞中BDNF的轉(zhuǎn)運(yùn)和分泌。影像學(xué)研究顯示，Met等位基因攜帶者且ApoEε4攜帶者在腦中的Aβ沉積比普通人更多[17]。Met等位基因可作用于散發(fā)性AD患者和常染色體顯性遺傳性AD患者，影響突觸興奮性、神經(jīng)元完整性，減少Aβ相關(guān)記憶功能，海馬萎縮，海馬葡萄糖代謝減少，腦脊液中Tau蛋白和磷酸化Tau蛋白增加[18]。Met基因攜帶者與普通個(gè)體相比，腦容量下降，顳葉結(jié)構(gòu)變薄，這與AD患者情況相似[6]。

3.2proBDNF在AD發(fā)生、發(fā)展中的作用 多項(xiàng)研究表明，不僅AD患者，同時(shí)在精神分裂癥、重度抑郁癥[19]、雙相情感障礙、長(zhǎng)期慢性壓力[20]等患者外周血或腦脊液中，都有不同程度的BDNF水平降低，proBDNF水平升高。這不僅反映proBDNF調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞凋亡和功能障礙，還反映了不同形式BDNF在神經(jīng)精神疾病發(fā)病機(jī)制中的比例關(guān)系。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，proBDNF抑制新生顆粒細(xì)胞遷移；proBDNF抑制海馬齒狀回神經(jīng)元的形成，損傷小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[21]；proBDNF能與p75NTR結(jié)合，抑制神經(jīng)元軸突生長(zhǎng)，加重小鼠腦內(nèi)Aβ沉積，加重小鼠學(xué)習(xí)記憶能力的損傷[22]。加入p75NTR抗體后，發(fā)現(xiàn)Aβ的產(chǎn)生與沉積減少，這與阻礙proBDNF的作用相關(guān)。生物體內(nèi)p75NTR可被腫瘤壞死因子α轉(zhuǎn)化酶作用后，從細(xì)胞表面釋放胞外段(p75ECD)。p75NTR在AD中具有兩面性。一方面p75NTR調(diào)控Aβ的產(chǎn)生與神經(jīng)毒性。另一方面，p75ECD作為生理性保護(hù)因子對(duì)抗Aβ的產(chǎn)生、沉積、神經(jīng)毒性。AD患者及AD轉(zhuǎn)基因鼠的大腦中p75NTR含量增高，p75ECD下降，從而腦脊液中p75ECD水平也顯著下降。外源性Val-proBDNF能調(diào)節(jié)突觸可塑性，抑制LTP，促進(jìn)LTD，然而Met-proBDNF對(duì)LTP和LTD均無(wú)作用，也不增強(qiáng)突觸的削弱信號(hào)，因此它在老年個(gè)體中起著保護(hù)因子的作用[23]。

3.3pBDNF在AD發(fā)生、發(fā)展中的作用 研究表明，pBDNF在重度抑郁癥、精神分裂癥、雙相情感障礙患者的頂葉皮層及肝臟內(nèi)水平明顯上升，在小腦與脾臟的水平顯著降低，表明pBDNF在精神疾病的病理發(fā)展中起重要作用[24]。在AD患者的海馬標(biāo)本中，pBDNF水平是健康人的16倍，而pBDNF/BDNF比值是健康人的30倍；Aβ1～42寡聚體蛋白可導(dǎo)致人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞凋亡，凋亡率為20%～30%，當(dāng)同時(shí)加入Met66 pBDNF時(shí)，細(xì)胞死亡率明顯提高，但單獨(dú)加入Met66 pBDNF時(shí)對(duì)細(xì)胞生存率無(wú)顯著影響。這說(shuō)明Met pBDNF與Aβ1-42寡聚體蛋白具有協(xié)同毒性作用[25]。由此可見(jiàn)，pBDNF在AD的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中，不僅本身具有神經(jīng)毒性作用，而且能夠與Aβ一起發(fā)揮協(xié)同毒性作用，加重AD患者神經(jīng)元損傷，加速患者認(rèn)知功能下降，導(dǎo)致AD患者病情持續(xù)惡化。

4 小 結(jié)

3種不同形式的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子：BDNF、proBDNF、pBDNF三者平衡失調(diào)在AD甚至其他神經(jīng)退行性疾病中各自起著不同且不可或缺的作用；BDNF作為保護(hù)性分子，不僅有利于神經(jīng)元的生長(zhǎng)，還能起到延緩AD病情進(jìn)展的作用。而proBDNF與pBDNF，能夠明顯促進(jìn)神經(jīng)元凋亡與抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，但他們?cè)贏D患者病情中起到的準(zhǔn)確作用有待于更深層次的研究。