腦源雌激素在阿爾茨海默病中的作用研究進展

楊 琳 艾 靜

哈爾濱醫(yī)科大學藥學院藥理教研室，哈爾濱，150086，中國

1906 年，德國醫(yī)生 阿勒斯·阿爾茨海默，在德國圖賓根舉辦的第37 屆德國西南精神病學年會上報告了奧古斯特·蒂的病歷。1901 年奧古斯特表現(xiàn)為嚴重記憶障礙、語言表述困難和語言理解困難，其病情急劇惡化于1906 年去世［1］。阿爾茨海默醫(yī)生對其尸檢發(fā)現(xiàn)，腦組織當中出現(xiàn)兩個明顯特征，即大量老年斑（senile plaques，SP）和神經(jīng)纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFT）［2］。直到1910 年，精神病學家埃米爾·克雷佩林在其著作第八版《精神病學》中首次將這種疾病命名為阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）。AD 俗稱老年性癡呆，是一種高發(fā)于65 歲以上人群的進行性、致死性神經(jīng)退行性疾病，其主要特征表現(xiàn)為執(zhí)行功能缺陷、失語、失用和認知功能障礙［3］。目前尚無有效藥物或治療方法徹底治愈AD。據(jù)《World Alzheimer’s Report 2018》報告顯示：目前全球范圍內(nèi)約有5 千萬老年性癡呆患者，這一數(shù)字將在2050 年增長到1.52 億。據(jù)統(tǒng)計，2018 年，全球用于AD 的醫(yī)療費用高達1 萬億，預(yù)計到2030 年AD 相關(guān)醫(yī)療費用將高達2 萬億［4］。AD 的發(fā)病存在一定的性別差異，女性的發(fā)病率明顯高于男性，且女性的終生患病風險也高于男性［5-6］。與男性不同的是，女性進入絕經(jīng)期后，性腺器官卵巢開始萎縮，其合成分泌功能不全，導(dǎo)致體內(nèi)雌激素水平逐漸降低，提示體內(nèi)雌激素水平可能參與AD 疾病發(fā)生發(fā)展過程。然而，臨床研究有關(guān)血清雌激素與女性AD 發(fā)病率相關(guān)性的結(jié)論并不一致［7-8］，且絕經(jīng)后雌激素替代療法并不能降低女性AD 發(fā)病率［9］。近年來研究發(fā)現(xiàn)，不僅卵巢等性腺器官能合成雌激素，肝臟、肌肉和腦組織也能合成雌激素［10］。女性進入絕經(jīng)后期，卵巢完全萎縮不再合成雌激素，此時女性體內(nèi)雌激素主要依靠其余非性腺器官如腦、肝臟和脂肪組織合成。不同于卵巢合成雌激素的是，腦組織合成的組織特異性雌激素主要以旁分泌和（或）胞分泌形式作用于合成部位維持重要的組織特異性功能。相對于健康的衰老人群，AD 患者腦脊液中雌二醇（estradiol，E2）水平或是尸檢腦組織中E2水平顯著降低［11-12］。這些現(xiàn)象提示，腦源雌激素水平的下降可能在女性衰老進程中引發(fā)AD 中發(fā)揮重要作用。本文就腦源雌激素在AD 中變化及其作用分子機制進行討論。

1 雌激素的合成與代謝

雌激素在卵巢中主要由卵泡細胞和顆粒細胞在卵泡刺激素（follicle stimulating hormone，F(xiàn)SH）和黃體生成素（luteinizing hormone，LH）相互作用下合成。除了卵巢，肝臟、心臟和腦組織均能合成雌激素［10，13-14］。

1.1 芳香酶：關(guān)鍵的雌激素合成酶

芳香酶（aromatase，P450Arom）作為細胞色素P450家族中的一員廣泛分布于許多組織中。P450Arom 催化E2 合成的最后一個步驟也是限速步驟，所以P450Arom的調(diào)節(jié)是控制E2 合成的重要機制［15］。組織特異性芳香酶的表達依賴于選擇性剪切、組織特異性啟動子和多種轉(zhuǎn)錄因子。

在人類中編碼芳香酶蛋白的CYP19A1基因位于染色體15q21.2 處約123 kb，由93 kb 的5’-非翻譯區(qū)，30 kb 的編碼區(qū)和3’-末端組成［16］。CYP19A1 的上游93 kb 包含許多啟動子。其中，啟動子Ⅱ為性腺特異性，在外顯子Ⅱ的上游33 kb 處為腦特異性啟動子If。雖然P450Arom 的mRNA 的5’-非翻譯區(qū)具有啟動子特異性，但所有這些5’端都被拼接到ATG 翻譯起始位點上游38 bp 的共同連接處。

P450Arom 的活性同樣受到翻譯后修飾調(diào)控，比如磷酸化［17］。升高ATP、Mg2+和Ca2+濃度通過提高蛋白激酶活性可抑制P450Arom 的活性，給予酪氨酸激酶抑制劑或絲氨酸/蘇氨酸激酶抑制劑可阻斷ATP，Mg2+和Ca2+的抑制作用［17］。磷酸化作用比剪接、轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生蛋白產(chǎn)物所用時間短得多，這一作用在腦中可能尤其重要。

1.2 雌激素在卵巢中的合成

雌激素作為一種體內(nèi)重要的性激素在維持正常的生理功能充當了重要的角色，包括主導(dǎo)女性第二性征的發(fā)育和維持，調(diào)控女性體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和控制女性的生命周期等。育齡期女性體內(nèi)雌激素水平主要依賴于卵巢、黃體和胎盤合成分泌。女性體內(nèi)雌激素的主要形式有：雌酮（estrone，E1），E2 和雌三醇（estriol，E3），其中E2為體內(nèi)生物活性最高的一種。

在卵巢卵泡形成過程中，LH 作用于卵泡細胞上的LH 受體，催化ATP為cAMP，提高17-羥化酶活性。隨后，在細胞色素P450 側(cè)鏈裂解酶（cytochrome P450 sidechain cleavage enzyme，P450scc）、3β羥類固醇脫氫酶（3β-hydroxysteroid dehydrogenase，3β-HSD）、細胞色素P450 17α-羥化酶（cytochrome P450 17α-hydroxylase，P45017α）和17β羥類固醇脫氫酶（17β-hydroxysteroid dehydrogenase，17β-HSD）的逐步催化作用下生成雄激素。卵泡細胞中的雄激素可跨越基底膜進入顆粒細胞。卵泡細胞產(chǎn)生雄激素但不能合成雌激素，顆粒細胞不能從孕酮合成雄激素，但可以將雄激素轉(zhuǎn)化為E2。FSH 作用于顆粒細胞上的FSH 受體可提高 P450Arom 的活性，最后，P450Arom 催化雄激素為E2［18］（Fig.1）。在月經(jīng)周期中，E2 水平在排卵期前到達高峰約為110～410 pg·mL-1，在卵泡期和黃體期約為19～150 pg·mL-1。然而，絕經(jīng)后女性E2 水平減少低于35 pg·mL-1［19］。

1.3 腦源雌激素的合成

人們發(fā)現(xiàn)腦組織能從膽固醇逐步催化合成E2，得益于發(fā)現(xiàn)E2 合成過程的所有酶類都在腦中有表達。P450scc 和3β-HSD廣泛表達于腦組織中［20］。17β-HSD 蛋白發(fā)現(xiàn)在下丘腦、海馬、丘腦、皮層、小腦、尾狀核和松果體中的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞都有表達［21-22］。成年大鼠腦中，P45017α在海馬CA1 和CA3 錐體神經(jīng)元和DG 顆粒神經(jīng)元中都有表達［23］。P450Arom 廣泛表達于基底前腦、大腦皮質(zhì)、海馬、丘腦等腦組織中［24］。從細胞類型上來說，P450Arom 主要表達于神經(jīng)元中，但其也在星形膠質(zhì)細胞中表達［25-26］。

腦中神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞可產(chǎn)生E2，而小膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞則不能合成E2［27］。在正常生理條件下，神經(jīng)元是腦內(nèi)E2 的主要合成部位。不同于卵巢中E2 的合成需要在兩種細胞中完成，腦中神經(jīng)元可自行完成E2 合成的所有生物過程。膽固醇進入神經(jīng)元中線粒體作為E2 合成的開始；膽固醇在P450SCC作用下生成孕烯醇酮；孕烯醇酮分別在 3β-HSD 和P450C17 作用下合成孕酮和脫氫表雄酮體（dehydroepiandrosterone，DHEA）；隨后孕酮和DHEA 分別在P450C17 和3β-HSD 催化作用下生成雄烯二酮；雄烯二酮通過17β-HSD 催化形成睪酮，或在P450Arom 催化下生成雌酮；最終睪酮和雌酮分別通過P450Arom 和17β-HSD催化生成E2［10，28］（Fig.2）。研究發(fā)現(xiàn)，腦損傷后星形膠質(zhì)細胞中的芳香化酶的表達升高，提示神經(jīng)元損傷可誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生E2［27］。

Fig.1 Estradiol synthesis within the ovary

綜上所述，大腦本身可以產(chǎn)生合成雌激素。同時，循環(huán)中的雌激素和C19 類固醇前體也可以透過血腦屏障進入大腦，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中雌激素合成提供必要的底物［29］。

腦源雌激素不僅能作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元，研究發(fā)現(xiàn)，雌激素也可作用于神經(jīng)血管單元中其他許多細胞類型并起到減輕缺血再灌注損傷的作用［30］?；谏窠?jīng)元和星形膠質(zhì)細胞密切的相互作用，且雌激素對二者均有保護作用，因此腦源雌激素可能也作用于神經(jīng)血管單元發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

1.4 雌激素的滅活與代謝

雌激素通過催化代謝和與其他底物結(jié)合的機制滅活。E2 可通過17β-HSD 轉(zhuǎn)化為活性低的E1，隨后E1經(jīng)過雌激素硫酸轉(zhuǎn)移酶作用形成雌酮硫酸鹽［16］。親脂性雌激素與硫酸鹽結(jié)合是雌激素靶組織中雌激素的主要失活方式［31］。除了硫酸化作用，E1 和E2 還可以通過其他方式代謝。例如，E2 和E1 及其代謝物可以通過與葡萄糖醛酸結(jié)合形成沒有生物活性的雌激素葡萄糖醛酸苷。葡萄糖醛酸的部分增加了雌激素的水溶性，促進尿液中雌激素代謝物的排泄。雖然在循環(huán)和膽汁中檢測到少量的硫酸化雌激素，但絕大多數(shù)母體雌激素及其代謝產(chǎn)物經(jīng)過葡萄糖醛酸化并通過尿液排泄［32］。

2 腦內(nèi)雌激素受體的種類和分布

E2 受體包括核雌激素受體α（estrogen receptor α，ERα）和雌激素受體β（estrogen receptor β，ERβ）、膜受體 G 蛋白偶聯(lián)雌激素受體1（G protein coupled estrogen receptor 1，GPER1）和雌激素受體X（estrogen receptor X，ER-X）［10］。腦中合成的E2 以自分泌或旁分泌作用于ERs［33］。E2 與膜受體結(jié)合發(fā)揮快速的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，而與核受體結(jié)合則經(jīng)過調(diào)控轉(zhuǎn)錄翻譯等過程需要較長時間發(fā)揮作用。

2.1 ERα

ERα全長包括595個氨基酸、分子量為67 kDa，作為E2 核受體的一種，廣泛表達于腦組織中的神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞中［34-35］。免疫組化實驗結(jié)果顯示，ERα蛋白在杏仁核、終紋床核、中央灰質(zhì)和視交叉前區(qū)為強陽性標記；在古皮層、下丘腦、藍斑核和三叉神經(jīng)脊束核為中等陽性標記；在海馬、中縫核和未定帶有弱陽性標記；還在背蓋腹側(cè)核、小腦、蒼白球、下橄欖核、新腦皮層、腦橋核、丘腦、黑質(zhì)、上橄欖核和腹側(cè)背蓋區(qū)存在定位［36］。直接給予背側(cè)海馬E2 或者 ERα激動劑可增加CA1 樹突棘數(shù)量，提高小鼠學習能力［37］。不僅如此，腦中ERα還與社會行為有關(guān)［38］。

Fig.2 Estradiol synthesis in the brain

2.2 ERβ

ERβ全長包括530個氨基酸、分子量為59 kDa，也是一種核內(nèi)雌激素受體，作用方式與ERα相似，但在腦中的分布卻不相同。原位雜交觀察ERβ mRNA 的分布發(fā)現(xiàn)，其大量富含在下丘腦室旁核、視上核、乳頭狀前核和內(nèi)側(cè)后背杏仁核中［39］。免疫組化發(fā)現(xiàn)，ERβ在杏仁核、終紋床核、中縫核和黑質(zhì)中為強陽性標記；在古皮層、蒼白球、海馬、藍斑核、視交叉前區(qū)和腹側(cè)背蓋區(qū)為中等信號標記；在背蓋腹側(cè)核、下丘腦、下橄欖核、新腦皮層、中央灰質(zhì)、腦橋核、三叉神經(jīng)脊束核、上橄欖核和丘腦中檢測到弱陽性信號；也在小腦和未定帶中發(fā)現(xiàn)有定位［36］。激活ERβ介導(dǎo)的信號通路可調(diào)節(jié)神經(jīng)元的樹突棘形態(tài)［40］。ERβ敲除小鼠表現(xiàn)出更少的攻擊行為，說明ERβ可能在建立和維持雄性小鼠之間的等級社會關(guān)系中發(fā)揮重要作用［41］。

2.3 GPER1

GPER1 又名GPR30，是一種能與E2 結(jié)合，具有高親和力的雌激素膜受體。GPR1 幾乎廣泛分布在所有腦區(qū)中［42］。GPER1 蛋白和mRNA 主要表達在大鼠海馬、額葉皮質(zhì)、內(nèi)側(cè)隔核/Broca 斜角區(qū)、基底核大細胞部和紋狀體［43］，以及腹側(cè)蒼白球、嗅結(jié)節(jié)和蒼白球［44］。免疫組化實驗發(fā)現(xiàn)，GPER1 在大鼠和小鼠下丘腦的室旁核，視上核和輔助神經(jīng)內(nèi)分泌核中為強陽性標記［44-45］，而在大鼠視交叉上核，弓狀核和腦垂體當中為中等標記信號［44］。在大鼠中腦，極后區(qū)，迷走神經(jīng)背側(cè)運動核，孤束核和腦橋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)有GPER1 定位［44］。從細胞內(nèi)分布來看，GPER1 在神經(jīng)元樹突、樹突棘、胞體、軸突以及突觸后骨架蛋白的軸突末端附近的細胞膜上分布［46-47］。研究發(fā)現(xiàn)，GPER1 可有效逆轉(zhuǎn)卵巢去勢小鼠感覺皮質(zhì)區(qū)樹突棘減少［48］。GPER1 介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用通過促進神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和樹突棘形成，提高海馬空間記憶［49-50］。此外，激活GPER1 可表現(xiàn)出焦慮和社交及弓背姿勢等社會行為［51］。GPER1 激活可以使細胞內(nèi)ERα磷酸化，說明GPER1 與ERα的相互作用在這些行為當中發(fā)揮重要作用［42］。

2.4 ER-X

ER-X 是一種細胞膜雌激素受體，富集于出生后類囊狀微區(qū)［52］。胎兒狒狒腦和產(chǎn)后嚙齒動物的新皮質(zhì)中檢測到豐富的ER-X，在正常成年中水平極低，幾乎檢測不到ER-X，但在缺血損傷后和AD 動物模型中又能重新檢測到ER-X［53］。

3 E2 的作用模式與信號通路

E2 的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要通過ERs 實現(xiàn)，其中包括核受體ERα和ERβ、膜受體GPER1 和ER-X［54］。E2 通過ERs 依賴的“基因組途徑”和“非基因組途徑”機制調(diào)控體內(nèi)生理或者病理過程。除此之外，E2 還可以通過ERs 非依賴信號通路調(diào)節(jié)酶活性或者與非性類固醇激素核受體相互作用發(fā)揮功能（Fig.3）。

3.1 核ERs 依賴型作用

Fig.3 E2 signaling pathway

在基因組途徑中，E2 與其核內(nèi)受體結(jié)合，誘導(dǎo)受體構(gòu)象改變導(dǎo)致受體與其伴侶解離形成二聚體、激活受體的轉(zhuǎn)錄區(qū)域。雌激素的轉(zhuǎn)錄作用主要由核內(nèi)ERα和ERβ介導(dǎo)。ERα和ERβ兩種受體都是核配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，能激活或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄。盡管ERα和ERβ在很多方面存在共同點，但二者在配體識別、受體激活、協(xié)同因子招募、調(diào)控靶基因等方面各具不同［55］。當ERα或ERβ與E2 結(jié)合，形成同源二聚體（ERα/ERα或ERβ/ERβ）或異二聚體（ERα/ERβ），從細胞膜轉(zhuǎn)移到核內(nèi)招募轉(zhuǎn)錄復(fù)合物和其他輔助因子結(jié)合到DNA 上的雌激素反應(yīng)元件（estrogen response elements，EREs），調(diào)控基因表達［10］。然而，E2 也可以通過非經(jīng)典的EREs 介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用。有文獻報道，人類超出三分之一受雌激素受體調(diào)節(jié)的基因都不是由經(jīng)典的EREs 介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄調(diào)控［56］。例如，ERs 通過作用或者影響刺激蛋白-1（stimulating protein-1，SP-1）、激活蛋白-1（activator protein 1，AP-1）、NF-kB 和c-jun 等其他轉(zhuǎn)錄因子活性進而調(diào)控相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄過程［57-58］。E2可通過這兩種不同的作用機制實現(xiàn)對某一基因的不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)果。例如，E2 通過ERE 介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄通路激活前腹側(cè)室旁核Kiss1 表達，而E2 可通過ERE 非依賴機制抑制Kiss1 在弓狀核的表達［57］。

3.2 膜ERs 依賴型作用

不同于核內(nèi)ERs，雌激素膜受體同樣可以通過非基因組途徑，調(diào)控細胞質(zhì)改變和基因表達［59-60］。超微結(jié)構(gòu)分析海馬椎體細胞發(fā)現(xiàn)，核外也有ERα和ERβ定位，主要分布于樹突棘、軸突和軸突末端［61-62］。膜結(jié)合雌激素受體GPER1 和一些膜ERα和ERβ變異體，例如ERα36，介導(dǎo)非基因組雌激素信號傳導(dǎo)［63-66］。E2介導(dǎo)的非基因組途徑通常涉及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的激活，產(chǎn)生細胞內(nèi)第二信使cAMP 調(diào)節(jié)信號級聯(lián)蛋白激酶激活，間接調(diào)節(jié)基因表達［67］。蛋白激酶級聯(lián)通路大致可分為四類：PLC/PKC 通路；Ras/Raf/MAPK 通路；PI3K/Akt 激酶級聯(lián)和cAMP/ PKA 信號通路。Elk-1、CREB、NF-κB 和STAT 家族等轉(zhuǎn)錄因子都受上述信號通路的調(diào)節(jié)［68］。此外，膜受體ER-X 可通過介導(dǎo)磷酸化（5～15 min）或者通過激活MAPK 亞型ERK1 和ERK2 持續(xù)發(fā)揮E2 作用（2～3 h）［69-70］。

此外，基因組途徑和非基因組途徑中的蛋白-蛋白相互作用同樣可以發(fā)揮E2 的作用。基因組途徑機制中，E2-ERs 復(fù)合物二聚化并易位至細胞核，從而與非基因組途徑機制中GPER1 信號傳導(dǎo)中產(chǎn)生的磷酸化轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合［71］。

3.3 ERs 非依賴作用

盡管絕大多數(shù)E2 的生物功能通過ERs 介導(dǎo)，但E2 也可通過調(diào)節(jié)酶的活性或者與非類固醇激素核受體相互作用啟動非ERs 依賴途徑。研究發(fā)現(xiàn)E2 可以通過非ERs 依賴性途徑發(fā)揮抗氧化和抑制氧化應(yīng)激的作用［72］。選擇性ERs 調(diào)節(jié)劑巴多昔芬通過非ERs 途徑提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘再生能力［73］。

3.4 ERs 配體獨立信號作用

有趣的是，許多細胞在沒有E2 和任何ERs 激動劑的情況下，依然可以激活ERs［74］。這種機制被稱為ERs 配體獨立信號通路，通常需要磷酸化所必需調(diào)節(jié)分子發(fā)揮作用，例如PKA，PKC，MAPK 等磷酸化級聯(lián)反應(yīng)組分，炎癥細胞因子（如IL-2）、細胞黏附分子、細胞周期調(diào)控因子（例如RAS p21 蛋白激活cyclins A 和D1）和包括EGF、IGF1 和TGFβ等多肽生長因子［68］。

4 腦源雌激素在調(diào)節(jié)認知功能中的作用

從結(jié)構(gòu)到功能，大腦對不同水平的E2 都能快速反應(yīng)。腦內(nèi)E2 通過多種復(fù)雜交錯的分子機制，調(diào)節(jié)突觸可塑性，影響學習與記憶過程。

4.1 腦源雌激素在學習記憶中的作用

E2 在腦組織神經(jīng)環(huán)路中的神經(jīng)元合成，其在神經(jīng)環(huán)路中快速（數(shù)分鐘內(nèi)）調(diào)節(jié)一系列行為，包括空間學習記憶與交流。在新物體識別實驗的訓練期結(jié)束后，背側(cè)海馬注射E2，小鼠的新物體識別記憶有所提高，說明E2 在訓練期之后快速激活海馬的作用足以提高記憶［75］。近期，研究人員通過Cre/loxP 和FLP/FRT 重組系統(tǒng)構(gòu)建前腦神經(jīng)元特異性P450Arom 敲除鼠，發(fā)現(xiàn)該小鼠前腦中的P450Arom 和E2 水平顯著降低，伴有顯著的樹突棘和突觸密度降低，且表現(xiàn)出海馬依賴性的空間記憶、再識別記憶和條件恐懼記憶損傷［76］。這些研究表明海馬內(nèi)源性E2 對學習與認知調(diào)控十分關(guān)鍵。有研究表明，系統(tǒng)性補充E2 可提高海馬依賴的記憶，這種效果不是由于循環(huán)中E2 的升高，而是通過促進海馬合成雌激素發(fā)揮作用。例如，在卵巢去勢大鼠皮下埋置E2 膠囊補充循環(huán)E2 可激活海馬GnRH 受體促進腦源雌激素合成，進而調(diào)控海馬依賴的記憶［77］。E2 除了對海馬依賴性的記憶具有調(diào)節(jié)作用，同樣可調(diào)節(jié)其他腦區(qū)相關(guān)的記憶。近期研究發(fā)現(xiàn)，鼻周皮層內(nèi)注射 E2，可提高小鼠對物體與位置的長期記憶和短期記憶［78］。腦源雌激素不僅在嚙齒類動物身上發(fā)現(xiàn)具有神經(jīng)保護作用，在其他動物身上同樣發(fā)揮類似功能。腦源雌激素在鳴禽感官學習上發(fā)揮相似的作用，包括處理和鞏固近期的聽覺經(jīng)驗［79］。另外，有研究報道E2 可提高卵巢去勢衰老恒河猴的工作記憶［80］。

4.2 腦源雌激素在調(diào)節(jié)突觸可塑性的作用

突觸可塑性是指當環(huán)境改變或腦部受到損傷時，突觸具有重塑形態(tài)結(jié)構(gòu)以調(diào)整其功能的能力［81-82］。突觸可塑性是學習與記憶形成的基礎(chǔ)神經(jīng)機制［83］。突觸可塑性廣義上可大致分為突觸結(jié)構(gòu)可塑性與突觸功能可塑性，其中突觸結(jié)構(gòu)形態(tài)的可塑性是實現(xiàn)功能可塑性的基礎(chǔ)［84-85］。

突觸的結(jié)構(gòu)可塑性包括：①突觸前神經(jīng)遞質(zhì)的合成、儲存、釋放等過程的變化［86］；②突觸后的神經(jīng)遞質(zhì)受體數(shù)量、分布的變化［87］；③樹突棘的形態(tài)與數(shù)量變化［88］。在突觸前神經(jīng)遞質(zhì)釋放方面，研究報道E2 通過ER/Akt/nNOS 信號作用于GnRH 神經(jīng)元，生成NO 進而促進突觸前末端GABA 和谷氨酸的釋放［89］。雙光子谷氨酸釋放技術(shù)發(fā)現(xiàn)，E2 作用于GPER1 可增加雌性小鼠海馬樹突棘的谷氨酸釋放［90］。E2 同樣可以調(diào)節(jié)突觸后受體。研究發(fā)現(xiàn)雌激素通過降低衰老恒河猴的前額葉突觸phospho-GluN2B 相對含量，降低細胞鈣毒性，進而提高工作記憶［80］。在海馬CA1 錐體細胞中，E2 增加突觸表面AMPAR 數(shù)量，調(diào)節(jié)突觸NMDAR 向表面轉(zhuǎn)運，提高短期記憶［91］。樹突棘，即從樹突發(fā)出的突起，通過形成、內(nèi)吞、增大、增長、收縮和重構(gòu)等一系列動態(tài)的可塑性變化傳遞不同突觸輸入信息，在學習和記憶鞏固中發(fā)揮重要作用。在體實驗中，海馬內(nèi)注射E2 激活ERK 和mTOR，增加海馬CA1 和內(nèi)側(cè)前額葉皮層錐體細胞樹突棘密度［92-93］，提高海馬空間記憶［93］。在與學習階段相一致的時間內(nèi)，背側(cè)海馬內(nèi)注射 E2 或者 ERα激動劑可顯著增加海馬CA1 樹突密度和快速提高雌性小鼠的物體辨別學習能力［37］。E2-ERα介導(dǎo)激活的樹突棘發(fā)生的機制可能與E2 迅速短暫地降低CA1 中AMPA 的活性、減少AMPA 介導(dǎo)的海馬CA1 興奮性輸入相關(guān)［37］。研究發(fā)現(xiàn)前腦神經(jīng)元特異性P450Arom 敲除鼠，其前腦中的P450Arom 和E2 水平顯著降低，樹突棘和突觸密度降低，伴有明顯認知功能損傷［76］。這些研究表明腦內(nèi)E2 能調(diào)控突觸前遞質(zhì)釋放、突觸后受體數(shù)量和分布和樹突棘生長等重要結(jié)構(gòu)可塑性，參與調(diào)節(jié)學習與認知過程。

突觸功能可塑性指突觸可通過增強或減弱突觸傳遞效能對環(huán)境刺激進行應(yīng)答的一種生理特性，這種可塑性變化可持續(xù)幾十毫秒、幾小時、幾天甚至更久［81］。長時程突觸可塑性可持續(xù)長達幾個小時或幾周，分為長時程增強（long-term potentiation，LTP）和長時程抑制（long-term depression，LTD），被公認為記憶形成的主要神經(jīng)分子機制［94］。成年大鼠腦片在孵育時加入E2 記錄到的LTP 斜率顯著大于對照組［95］。體外培養(yǎng)腦片的培養(yǎng)液中加入P450Arom 抑制劑letrozole 連續(xù)培養(yǎng)7 天，腦片培養(yǎng)基的E2 顯著減少且腦片誘發(fā)不出LTP，而在letrozole 處理腦片的同時加入E2 則能誘導(dǎo)出LTP［96］，說明海馬E2 對于LTP 的形成十分關(guān)鍵。近期，研究人員采用高頻刺激記錄神經(jīng)元特異性P450Arom敲除鼠海馬腦片LTP 發(fā)現(xiàn)，該敲除鼠的LTP 幅度顯著降低［76］。以上研究說明腦內(nèi)E2 在LTP 的誘導(dǎo)和維持階段均發(fā)揮重要作用。

4.3 腦源雌激素調(diào)節(jié)認知功能的分子機制

許多與谷氨酸受體激活有關(guān)的細胞信號通路參與海馬的記憶形成過程，其中包括ERK/MAPK、PI3K、PKA、CaMKII、mTOR 等通路［97］。E2 通過上述在內(nèi)的多種信號通路途徑調(diào)節(jié)認知功能。

在HT-22 細胞系中，E2 作用于ERα和ERβ，通過MAPK 通路磷酸化CREB，使其磷酸化水平在15 min后達到峰值［98］。同樣在原代培養(yǎng)海馬神經(jīng)中檢測類似結(jié)果，即加入E2 后，磷酸化MAPK 水平在15 min 內(nèi)達到最高［99］。成年大鼠海馬腦片加入E2，弱TBS（閾下刺激）可成功誘導(dǎo)出LTP，而在分別阻斷Erk、MAPK、PKA、PKC、PI3K、NR2B 和CaMKII 之后LTP 均誘導(dǎo)失敗［95］。在體水平，E2 同樣對ERK 信號通路發(fā)揮快速效應(yīng)。背側(cè)海馬局部注射E2 一個小時后取材，背側(cè)海馬ERK 磷酸化水平顯著升高［75］。將膜不可滲透的E2，BSA 結(jié)合的E2 或E2 注入腦室中，海馬ERK 磷酸化水平在5 min 內(nèi)顯著升高［100］。除了ERK 通路，E2還能通過其他信號通路發(fā)揮快速作用。研究表明 E2可通過調(diào)節(jié)RhoA/RhoA 蛋白激酶通路，促進肌動蛋白聚合，進而促進樹突棘生成以及增強LTP［101］。而加入ERK 或mTOR 抑制劑，可阻斷海馬內(nèi)注射E2 所介導(dǎo)的海馬CA1 錐體神經(jīng)元樹突棘生長［92］。

單獨給予ERβ激動劑可提高物體識別和物體位置［93］，而其他的研究中則顯示ERα和ERβ都參與調(diào)節(jié)記憶［102-104］。E2-ERs 所發(fā)揮的認知保護功能與谷氨酸受體密切相關(guān)。在離體水平，E2-ERα信號通路通過代謝型谷氨酸受體1a（metabotropic glutamate receptor 1a，mGluR1a）引起ERK 依賴的CREB 磷酸化，說明ERs 與mGluR1a 的相互作用在E2 記憶增強中起關(guān)鍵作用［105］。在體情況下，E2 介導(dǎo)ERα/ERβ-mGluR1a-ERK 信號通路激活可促進海馬空間記憶鞏固作用［104］。

IGF-1 受體參與E2 誘導(dǎo)的增強空間記憶，依賴于E2/IGF-1 相互作用介導(dǎo)的海馬突觸結(jié)構(gòu)變化［106］。在E2 存在條件下，ERα通過PI3K 的p85 亞基和胰島素受體底物IRS-1，與IGF-1 受體相互作用共同調(diào)節(jié)神經(jīng)內(nèi)分泌、生殖行為、突觸可塑性以及神經(jīng)元存活［107］。具體的可能機制為：E2 存在條件下，IGF-1 通過PI3KAkt-GSK3β-β-catenin 信號通路下調(diào)ERα的轉(zhuǎn)錄活性［108］；而在沒有E2 時，IGF-1 則提高ERα的轉(zhuǎn)錄活性［109］。ERα和IGF-1 受體之間的這種相互作用可以認為是一種偶聯(lián)信號檢測機制，其允許認知系統(tǒng)在生理和病理條件下適應(yīng)不同水平的雌二醇和IGF-1［110］。

E2 與膜受體GPER1 的結(jié)合，被認為是介導(dǎo)E2 認知功能保護作用的另外一種可能機制。Xu 等人發(fā)現(xiàn)：激活CPER1，可通過BDNF/TrkB 信號通路，增強MFCA3 通路LTD，提高衰老小鼠的記憶［111］。GPER1 激動劑可增加海馬CA1 樹突棘密度，提高空間記憶與社會學習［102，112］。

組蛋白乙?；揎棻徽J為參與到學習與記憶過程當中。在體海馬局部注射E2 通過調(diào)節(jié)組蛋白修飾，促進BDNF 啟動子乙?；?，進而提高衰老小鼠的物體識別記憶和空間記憶［113］。海馬組蛋白乙?；{(diào)節(jié)E2 介導(dǎo)的新物體識別記憶增強［114］。這些研究說明，E2 可能通過調(diào)節(jié)組蛋白乙?；揎椷M而發(fā)揮認知功能保護作用。

5.腦源雌激素與AD

隨著對腦源雌激素作用及其機制的深入挖掘，腦源雌激素的神經(jīng)保護作用已經(jīng)逐漸明朗。從AD 動物模型到AD 患者的尸檢報告中均觀察到腦中E2 異常、P450Arom 以及ERs 下降，這些研究表明腦源雌激素耗竭及其雌激素受體異常均參與衰老進程和AD 病理過程［28，115-116］。近期在動物實驗當中，腦靶性E2 前藥所取得的成果為后期AD 藥物開發(fā)提供新方向［117-118］。下面，我們主要從腦源雌激素、P450Arom 及ERs 在AD 中的變化及其作用進行討論。

5.1 腦源雌激素在AD 中的變化及作用

衰老是AD 的重要風險因素。在雌性衰老的大鼠海馬檢測到E2 減少，且被認為與認知功能下降相關(guān)［119］。在臨床病例研究中，女性AD 患者腦脊液和額葉中的 E2 含量較對照組顯著下降［11-12］，而血清中E2并無差異，同時對P450Arom 進行檢測發(fā)現(xiàn)P450Arom也顯著下降［12］。Aβ是淀粉樣蛋白前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）代謝的蛋白水解副產(chǎn)物，是AD的重要病理標志。APP 由兩種競爭途徑加工，即淀粉樣蛋白生成途徑通過β-分泌酶和γ-分泌酶，產(chǎn)生β-APPs 和Aβ40/Aβ42 肽，以及通過α-分泌酶的非淀粉樣蛋白生成途徑產(chǎn)生神經(jīng)保護的α-APPs 和幾種非淀粉樣蛋白形成肽［120］。雌激素通過MARK/ERK 通路激活非淀粉樣蛋白生成途徑降低BACE1 水平，減少Aβ的產(chǎn)生，也可通過刺激小膠質(zhì)細胞吞噬及降解作用，以及調(diào)節(jié)Aβ降解中涉及的主要酶類促進Aβ清除［70］。小鼠卵巢去勢10周之后，將Aβ注入腦室2周發(fā)現(xiàn)：激活NF-κB 信號通路增加Aβ沉積，并伴有更為嚴重的認知功能下降［121］。在離體實驗中發(fā)現(xiàn)，E2 可抑制BV2 小膠質(zhì)細胞中Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，并減少Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡［121］，間接證明腦源雌激素的神經(jīng)保護作用以及潛在的治療作用。

基于現(xiàn)有的研究成果可知，靶向增加腦組織中E2水平有望改善AD 的認知功能。近期，研究人員開發(fā)出一種只在腦內(nèi)產(chǎn)生E2 的腦選擇性前藥，去氫吳茱萸合成（dehydroevodiamine，DHED），其可有效降低卵巢去勢APPswe/PS1dE9 小鼠腦組織中的 Aβ，并顯著改善APPswe/PS1dE9 小鼠認知功能障礙［117］。另外，Yan等人發(fā)現(xiàn)，DHED 可通過ER-klf5-NF-κB 信號通路，減少AD 模型鼠Tg2576 腦中Aβ沉積、磷酸化Tau 蛋白、氧化應(yīng)激炎癥、進而改善認知功能［118］。DHED 在AD動物模型取得的研究成果為后期藥物開發(fā)提供新的思路，然而其作用分子機制有待進一步明確。

5.2 P450Arom 在AD 中的變化

在對女性AD 患者死后尸檢發(fā)現(xiàn)，其海馬、下丘腦和基底前腦中P450Arom 水平相對于對照組顯著下降［12］。動物研究水平也發(fā)現(xiàn)，5×FAD 模型鼠海馬中P450Arom 的mRNA 和蛋白水平均顯著下降［122］。相較于3×TgAD 小鼠，雌性3×TgAD 小鼠卵巢去勢后給予P450Arom 抑制劑，其海馬CA1 錐體Aβ陽性細胞明顯增多［123］。研究人員將P450Arom 敲除鼠與APP23 小鼠（一種AD 轉(zhuǎn)基因鼠）雜交得到雌激素缺乏APP23 小鼠，發(fā)現(xiàn)該小鼠腦組織中的E2 含量顯著下降、Aβ沉積出現(xiàn)更早和更多，并且發(fā)現(xiàn)由這些小鼠腦組織分離培養(yǎng)的小膠質(zhì)細胞表現(xiàn)出Aβ清除受損［12］。這些研究說明，腦組織雌激素的耗竭可能是AD 病理發(fā)展的重要風險因素。

近期，Song 等人的meta 分析中發(fā)現(xiàn)，CYP19A1基因rs10046、rs1143704、rs767199 和rs727479 多態(tài)性顯著地增加AD 易感性，其中rs10046 的純合TT 基因型，rs767199中的顯性AA 和AG 基因型，rs727479中的純合TT 基因型以及rs1143704 的顯性TT 和TA 基因型可能是AD 的易感基因型［124］。Zheng 等人的病例對照研究發(fā)現(xiàn)：CYP19A1基因的rs3751592 變異增加中國漢族人群對AD 的易感性［125］。以上研究成果表明，P450Arom 的減少及其基因變異都是AD 的發(fā)病風險因素。

5.3 腦內(nèi)ERs 異常在AD 中的作用

在雌性衰老的大鼠和小鼠海馬中檢測到ERα和ERβ表達均顯著減少［103，119］。Tang 等人發(fā)現(xiàn)18個月APP/PS1 小鼠的皮層和海馬中ERα蛋白表達顯著下降，其mRNA 水平在海馬中同樣明顯減少［126］。ERα敲除鼠腦室注射Aβ兩周之后，表現(xiàn)出更明顯的Aβ沉積、膠質(zhì)細胞活化、神經(jīng)源性炎癥和更嚴重的認知功能受損［127］。近期，Lai 等人報道ERα激動劑可誘導(dǎo)Cav1.2（一個L 型電壓門控鈣通道的成孔亞基）降解，涉及賴氨酸29 突變泛素化蛋白和E3 泛素化連接酶Mdm2，改善卵巢去勢APP/PS1 小鼠認知功能［128］。離體實驗同樣驗證了ERα可抑制AD 相關(guān)病理進程改變。在HEK293 細胞中加入達全長的APP，過表達ERα不僅能抑制APP 的淀粉樣蛋白合成過程、減少Aβ1-40/1-42水平；還可以減弱Tau 蛋白磷酸化位點、降低GSK3β活性［126］。

同時，也有一些研究報道ERβ在AD 中的作用。對AD 病人尸檢發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)中的核ERβ顯著下降［129］。Long 等人報道，女性AD 患者額葉神經(jīng)元線粒體中ERβ顯著下降，伴有線粒體細胞色素C 氧化酶活性降低和蛋白質(zhì)羰基化增加，提示ERβ缺乏可能通過促進線粒體功能障礙在女性AD 發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用［130］。Zhao等人報道，ERβ激動劑可減緩雌性AD 小鼠模型淀粉樣蛋白病變的進展，改善空間識別記憶，延長其存活時間［131］。另外一項研究同樣發(fā)現(xiàn)ERβ激動劑可降低Aβ水平、改善AD 小鼠認知功能障礙［132］。這些ERβ在女性AD 病程中的變化及其作用的相關(guān)研究成果，表明其具有治療AD 的潛能。

在Tau 蛋白磷酸化這一AD 病理標志中，ERα和ERβ發(fā)揮不同的作用。Xiong 等人的研究發(fā)現(xiàn)：ERα上調(diào)miR-218，抑制其靶點蛋白酪氨酸磷酸酶α（tyrosine phosphatase α，PTPα）表達、引起GSK3β和PP2A 過度磷酸化進而導(dǎo)致Tau 蛋白磷酸化；反之，ERβ通過限制miR-218 表達、抑制Tau 蛋白磷酸化［133］。雄性與雌性5xFAD 轉(zhuǎn)基因小鼠都表現(xiàn)出明顯的識別記憶障礙，而雌性鼠在給予GPER1 受體激動劑之后得到顯著改善［134］。Li 等人發(fā)現(xiàn)：ERα啟動子甲基化的AD患者表現(xiàn)為較低的日常活動和生活質(zhì)量，其中可能機制為ERα啟動子甲基化通過抑制ERα mRNA 表達損傷AD 患者認知功能［135］。

6 小結(jié)與展望

盡管現(xiàn)在越來越多的研究在揭示腦源雌激素及其受體在調(diào)節(jié)認知中的作用，為AD 藥物開發(fā)提供許多靶點，然而依然有許多領(lǐng)域等待人們?nèi)ネ诰?。關(guān)于腦源雌激素作用的分子機制目前尚未明朗，仍需要進一步研究去完善這方面的知識。目前關(guān)于腦源雌激素的研究大都集中在雌性，因此絕大多數(shù)研究采用雌性動物，腦源雌激素在雄性的作用機制及其在AD 病理過程當中發(fā)揮何種作用及其機制需要進一步研究。目前一些研究報道循環(huán)給予雌激素能有效改善AD 動物模型認知功能障礙。因此，明確其他來源的雌激素調(diào)節(jié)認知功能是否依賴于腦源雌激素的作用十分關(guān)鍵。近年來，研究發(fā)現(xiàn)其他性激素如孕酮和睪酮均可以在腦中合成并發(fā)揮神經(jīng)保護作用［136-137］。這些激素作為雌激素合成的中間產(chǎn)物是否是通過雌激素發(fā)揮作用或者直接發(fā)揮神經(jīng)保護作用有待進一步探究。