AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α-BACE1信號(hào)通路及其相關(guān)因子在阿爾茨海默病病理改變中的作用

李 瑩，黃南渠，李園園，馮 飛，巴智勝，羅 勇※

(遵義醫(yī)學(xué)院第三附屬醫(yī)院 a.神經(jīng)內(nèi)科，b.藥物臨床試驗(yàn)機(jī)構(gòu)辦公室，貴州 遵義 563000)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是老年人常見的以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙為主要特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變，主要病理改變?yōu)槭茹y神經(jīng)軸索突起包繞β淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)形成神經(jīng)炎性斑、過度磷酸化的微管Tau蛋白在神經(jīng)元內(nèi)高度螺旋化形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)以及神經(jīng)元缺失和膠質(zhì)增生。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，25%～30%的85歲以上老年人存在認(rèn)知能力下降，隨著人口老齡化的加劇，AD的患病風(fēng)險(xiǎn)隨年齡增長大幅提高[1]。中國國家統(tǒng)計(jì)局《2017年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，中國13.9億人口中，60歲及以上老人2.409億(17.3%)；65歲及以上人口數(shù)為1.583億(11.4%)，中國已成為世界上老齡化最嚴(yán)重的國家之一[2]。國際阿爾茨海默病協(xié)會(huì)報(bào)告顯示，中國現(xiàn)約有950萬癡呆患者，2030年可能超過1 600萬[3]。最新數(shù)據(jù)顯示，中國每例AD患者每年社會(huì)經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到19 144.36美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國2017年9 481.88美元的人均國內(nèi)生產(chǎn)總值[4]。以上數(shù)據(jù)提示，AD將是中國未來發(fā)展面臨的重大公共衛(wèi)生問題，AD發(fā)病機(jī)制迄今不明，臨床上缺乏有效的早期診斷方法和治療措施。因此，積極探索AD的發(fā)病機(jī)制和有效的藥物防治措施具有重要的價(jià)值和意義。

研究發(fā)現(xiàn)，AMP活化的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)活化后可改善大腦能量代謝，通過抑制β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme protein 1，BACE1)表達(dá)進(jìn)而調(diào)節(jié)淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的裂解，以減少Aβ的生成與積聚；過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(PPARγ coactivator-1α gene，PGC-1α)可通過降低BACE1表達(dá)及活性改善大腦能量代謝，減少Aβ生成。此外，AMPK與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1，SIRT1)的激活及相互作用對(duì)PPARγ、PGC-1α的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及生理功能起重要作用。現(xiàn)對(duì)AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α-BACE1信號(hào)通路在AD主要病理改變中的作用予以綜述，以期為探索AD發(fā)病機(jī)制和有效藥物防治措施提供理論依據(jù)。

1 AD病理改變及其與大腦能量代謝的關(guān)系

目前，關(guān)于AD發(fā)病機(jī)制的研究較多。研究發(fā)現(xiàn)，遺傳因素、Aβ生成與清除失衡、中樞膽堿能、興奮性氨基酸毒性、炎癥與免疫機(jī)制、自由基與氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)、胰島素相關(guān)糖代謝異常以及脂質(zhì)代謝異常等均是AD發(fā)病的重要機(jī)制[5-6]。其中，Aβ學(xué)說作為最主流的研究方向已經(jīng)超過20年，研究認(rèn)為，Aβ產(chǎn)生和清除之間的不平衡導(dǎo)致寡聚或纖維狀A(yù)β的積累和沉積是AD發(fā)生的主要原因[7]。研究表明，Aβ由APP代謝生成，主要有非淀粉樣物質(zhì)途徑(APP的內(nèi)切蛋白水解由α型、β型和γ型分泌酶催化，α型分泌酶途徑釋放非淀粉樣蛋白產(chǎn)物sAPPα、p3和C83肽)和淀粉樣物質(zhì)生成途徑(在β分泌酶途徑中，除sAPPβ和C99片段外，還產(chǎn)生β淀粉樣肽Aβ40和Aβ42，其中Aβ42具有更強(qiáng)的神經(jīng)毒性，較Aβ40疏水性更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的寡聚化和聚集傾向)兩條APP代謝途徑[8-9]。1999年，BACE1被確定為用于執(zhí)行β分泌酶功能的功能性酶，也是最重要的β型分泌酶，在Aβ生成過程中起重要作用[10]。因此,有效抑制BACE1可以減少Aβ生成，減少Aβ聚集，被認(rèn)為是AD有潛力的治療靶點(diǎn)。隨著抗Aβ療法的失敗和對(duì)AD發(fā)病機(jī)制的深入研究發(fā)現(xiàn)，Aβ異常聚集是炎癥反應(yīng)、Tau蛋白磷酸化、線粒體功能障礙和氧化損傷等多種神經(jīng)生物學(xué)反應(yīng)的結(jié)果和媒介[11-12]。僅聚焦于清除Aβ的AD模型過于簡(jiǎn)單線性化，應(yīng)從各種通路發(fā)現(xiàn)其病理機(jī)制并找到其治療藥物的相關(guān)機(jī)制[13]。

能量代謝在不同AD相關(guān)機(jī)制中起關(guān)聯(lián)性作用。大腦是能量消耗巨大的器官，其能量主要來源于腦內(nèi)葡萄糖的有氧氧化[14-16]。大腦有氧呼吸提供的能量是維持神經(jīng)元遞質(zhì)傳遞和結(jié)構(gòu)功能完整的基礎(chǔ)。研究表明，腦葡萄糖代謝紊亂與AD的發(fā)生密切相關(guān)，在認(rèn)知功能下降前，腦能量代謝異常就已經(jīng)存在[17]。臨床發(fā)現(xiàn)異常的能量代謝最終會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)病理級(jí)聯(lián)反應(yīng)，可使大腦的攝取速率和代謝率降低，最終導(dǎo)致AD患者認(rèn)知功能下降[18]。目前，大腦能量代謝異常后主要通過以下途徑導(dǎo)致AD的病理改變：①促進(jìn)神經(jīng)元凋亡；②導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞異常應(yīng)答；③活性氧自由基大量生成；④M受體數(shù)量下降；⑤自噬系統(tǒng)異常等，并且這些改變之間還有復(fù)雜的相互作用[6,14]。因此，通過改善大腦異常的能量代謝，不僅可維持大腦神經(jīng)元的正常生理功能，還對(duì)延緩AD病理改變有重要意義。

2 AMPK在AD病理改變中的作用

AMPK是調(diào)節(jié)細(xì)胞能量狀態(tài)的重要絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在真核細(xì)胞中廣泛存在，作為能量傳感器和調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用，并且與神經(jīng)元形態(tài)和功能密切相關(guān)[14,19]。AMPK結(jié)構(gòu)和功能受腺苷二磷酸水平的調(diào)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)腺苷二磷酸水平增加或ATP水平降低時(shí)，AMPK被激活，以應(yīng)對(duì)細(xì)胞能量狀態(tài)改變并調(diào)節(jié)能量代謝過程，從而維持能量供求平衡[20-27]。代謝功能障礙可加劇AD的發(fā)病率和病程進(jìn)展，而AMPK介導(dǎo)的信號(hào)通路與AD發(fā)病中能量代謝過程密切相關(guān)，其活性強(qiáng)弱是Aβ沉積和Tau蛋白過度磷酸化的主要影響因素之一，在Aβ生成的病理過程中發(fā)揮重要作用，AMPK激活可通過調(diào)節(jié)APP代謝而減少Aβ生成[28-34]。研究顯示，AMPK敲除大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元中Aβ生成增加，當(dāng)AMPK被激活劑5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲酰酶激活后，大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元中Aβ的產(chǎn)生也隨之降低[6,35]。5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲酰酶也可通過激活A(yù)MPK，降低大鼠原代神經(jīng)元培養(yǎng)物中磷酸化Tau蛋白水平，提高鏈脲佐菌素誘導(dǎo)大鼠AD模型的ATP水平、線粒體膜電位和復(fù)合物Ⅰ活性，改善線粒體功能，從而改善大鼠的認(rèn)知功能[20,36]。此外，激活A(yù)MPK能顯著降低高膽固醇喂養(yǎng)快速老化大鼠的膽固醇水平，下調(diào)BACE1表達(dá)水平，進(jìn)而降低腦組織中Aβ的產(chǎn)生和沉積，并且腹腔注射AMPK抑制劑來拮抗其保護(hù)作用[16,37]。采用小檗堿激活穩(wěn)定表達(dá)人瑞典突變體APP695的N2a小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞、N2a細(xì)胞和原代皮質(zhì)神經(jīng)元中的AMPK，也可減少Aβ的生成，并降低BACE1的表達(dá)[38]。綜上所述，AMPK活化后可直接或間接參與調(diào)節(jié)AD的病理改變，在大腦能量代謝得到改善的同時(shí)，通過抑制BACE1表達(dá)進(jìn)而調(diào)節(jié)APP的裂解，以減少Aβ的生成，防止AD病理改變的發(fā)生。

3 PPARγ在AD病理改變中的作用

PPARγ是調(diào)節(jié)目標(biāo)基因表達(dá)的核內(nèi)受體，與脂肪細(xì)胞分化、機(jī)體免疫調(diào)節(jié)及胰島素抵抗關(guān)系密切。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，遲發(fā)性AD是最常見臨床AD類型，PPARγ基因與遲發(fā)性AD的發(fā)病關(guān)系密切[39]。PPARγ激動(dòng)劑三氯化萘可增強(qiáng)細(xì)胞核內(nèi)PPARγ與BACE1啟動(dòng)子的結(jié)合，抑制BACE1的轉(zhuǎn)錄和翻譯，進(jìn)而抑制BACE1的活性，最終減少Aβ的產(chǎn)生[40]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Re可降低AD動(dòng)物模型中Aβ的水平，且在N2a/APP695細(xì)胞中可使Aβ1～40和Aβ1～42水平降低，可能由于人參皂苷Re的干預(yù)可顯著增加PPARγ蛋白和mRNA表達(dá)水平，抑制N2a/APP695細(xì)胞中的BACE1活性，最終減少Aβ1～40和Aβ1～42的產(chǎn)生，而PPARγ拮抗劑GW9662可有效抑制人參皂苷Re對(duì)BACE1的作用，表明PPARγ激活后可抑制BACE1的表達(dá)及活性，減少Aβ1～40和Aβ1～42的產(chǎn)生，進(jìn)而緩解AD病理改變的發(fā)生[41]。球形脂聯(lián)素可誘導(dǎo)促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞向M2抗炎表型轉(zhuǎn)化，并通過對(duì)PPARγ信號(hào)的調(diào)節(jié)，降低Aβ所致的毒性炎癥反應(yīng)，并且可在羅格列酮干預(yù)后的鏈脲佐菌素誘導(dǎo)大鼠模型中激活PPARγ，從而抑制BACE1發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[42]。綜上所述，PPARγ激活后可抑制BACE1的表達(dá)及活性，在AD病理改變中發(fā)揮重要作用，并與調(diào)節(jié)Aβ分泌和毒性中的重要作用有關(guān)。

4 PGC-1α在AD病理改變中的作用

PGC-1α為PGC-1家族的一員，為核轉(zhuǎn)錄輔助激活因子，可與PPARγ共同作用，增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性。PGC-1α也是骨骼肌[43]及棕色脂肪[44-45]中線粒體生物發(fā)生和氧化代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，在能量需要量較大的組織(如脂肪組織、肝臟、骨骼肌、心臟、腎臟和腦部)大量表達(dá)，PGC-1α對(duì)調(diào)節(jié)大腦能量代謝起重要作用，并與各種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)[46-49]。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者腦中PGC-1α的表達(dá)水平下調(diào)，并且PGC-1α在N2a神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中的過表達(dá)可使Aβ分泌水平降低，其原因可能與PGC-1α過表達(dá)使BACE1啟動(dòng)子活性降低以及BACE1表達(dá)和轉(zhuǎn)錄減少有關(guān)；PGC-1α干擾小RNA轉(zhuǎn)染下調(diào)PGC-1α表達(dá)水平后BACE1表達(dá)增加表明，PGC-1α表達(dá)水平上調(diào)可減少Aβ的產(chǎn)生，進(jìn)而緩解AD的病理改變，同時(shí)其表達(dá)上調(diào)亦可改善由AD引起的認(rèn)知功能障礙[46,50]。此外，AD患者死后的腦組織和AD轉(zhuǎn)基因小鼠模型中PGC-1α及其下游靶標(biāo)均降低，可能與PPARγ有關(guān)[51]。PGC-1α缺陷Tg2576小鼠和干擾小RNA轉(zhuǎn)染沉默PGC-1α的原代神經(jīng)元中Aβ水平均顯著增加，而煙酰胺核糖核苷是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的前體，可促進(jìn)大腦中PGC-1α的表達(dá)，以降低Aβ的產(chǎn)生，改善Tg2576小鼠的認(rèn)知水平，可能與煙酰胺核糖核苷促進(jìn)PGC-1α介導(dǎo)的BACE1泛素化和降解有關(guān)，從而阻止腦中Aβ的產(chǎn)生[52]。在APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因AD小鼠模型中，使用神經(jīng)營養(yǎng)因子激活神經(jīng)營養(yǎng)通路可以激活PGC-1α，降低BACE1表達(dá)及活性，減少Aβ生成[53]。因此，AD中PGC-1α被認(rèn)為與Aβ生成有相關(guān)性，并且可能與其調(diào)節(jié)BACE1表達(dá)及活性有關(guān)[49,54]。最新研究表明，厚樸酚可以通過增加AMPK、環(huán)腺苷酸反應(yīng)元件結(jié)合蛋白和PGC-1α的表達(dá)抑制BACE1的表達(dá)及活性，從而降低Aβ水平[55]。由此可見，PGC-1α表達(dá)上調(diào)可能通過降低BACE1的表達(dá)及活性，改善大腦中能量代謝，并減少Aβ生成，表明PGC-1α在AD病理改變中的重要作用與其調(diào)控BACE1降低的Aβ生成有關(guān)。

5 AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α信號(hào)通路在AD病理改變中的作用

SIRT1是Sirtuins家族成員之一，功能多樣，可與多種信號(hào)通路相關(guān)蛋白相互作用，使組蛋白、賴氨酸殘基及轉(zhuǎn)錄因子去乙?；l(fā)揮基因調(diào)節(jié)作用。SIRT1具有對(duì)抗衰老、延長壽命和調(diào)節(jié)新陳代謝的作用，是線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)節(jié)因子[56-57]。SIRT1與AMPK在控制細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中關(guān)系密切，共同發(fā)揮作用，且在氧化代謝和炎癥調(diào)節(jié)中也有交叉作用。SIRT1可促進(jìn)肝激酶B1的脫乙?；瑥亩|發(fā)AMPK激活；反過來，AMPK可增加細(xì)胞煙酰胺腺嘌呤二核苷酸水平，誘導(dǎo)SIRT1激活[58-59]。此外，AMPK激活可以誘導(dǎo)SIRT1活性增加，但SIRT1的表達(dá)水平?jīng)]有明顯變化；當(dāng)SIRT1基因敲除后，細(xì)胞內(nèi)AMPK活性出現(xiàn)代償性增加，兩者相互作用可誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生和調(diào)節(jié)PGC-1α活性，而PGC-1α與PPARγ相結(jié)合對(duì)與線粒體生物合成調(diào)節(jié)相關(guān)的蛋白起調(diào)控作用，可促進(jìn)與線粒體氧化磷酸化有關(guān)的基因和線粒體DNA復(fù)制，從而正性調(diào)節(jié)線粒體功能和代謝[60-62]。

AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α途徑也在運(yùn)動(dòng)和溫度誘導(dǎo)的線粒體生物合成中發(fā)揮重要作用，抑制其傳導(dǎo)可引起線粒體生物發(fā)生受損[63-64]。SIRT1激活后可通過抑制PGC-1α乙酰化和促進(jìn)PGC-1α活性，進(jìn)而促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，并可減少AD小鼠模型海馬中的神經(jīng)變性，降低PGC-1α和p53的乙?；?，改善小鼠學(xué)習(xí)記憶障礙，在AD小鼠模型中發(fā)揮明顯的神經(jīng)保護(hù)作用[65-68]。Aβ25～35可下調(diào)SIRT1和PGC-1α的表達(dá)，抑制AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α途徑信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生減少和線粒體功能損害，使大腦能量代謝異常，進(jìn)而導(dǎo)致AD發(fā)生；當(dāng)AMPK依賴性途徑激活后，Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)干細(xì)胞中線粒體功能障礙得到改善[69-70]。將Aβ注射入小鼠海馬內(nèi)，損害小鼠空間學(xué)習(xí)和記憶能力后，海馬中AMPK活性和PGC-1α蛋白水平下降，在中等跑步運(yùn)動(dòng)治療后AMPK活性和PGC-1α水平也隨之恢復(fù)，進(jìn)而改善Aβ誘導(dǎo)的空間學(xué)習(xí)和記憶障礙[54]。綜上所述，AMPK與SIRT1的激活及相互作用對(duì)PPARγ、PGC-1α的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及生理功能起重要作用，并且在改善線粒體功能、大腦能量代謝及Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性中發(fā)揮重要作用。AMPK、PPARγ、PGC-1α三者均可參與調(diào)節(jié)BACE1的表達(dá)及活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)Aβ的合成分泌，對(duì)AD的發(fā)生、發(fā)展起重要調(diào)節(jié)作用。

6 小 結(jié)

AD是一種與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為記憶缺陷和認(rèn)知功能下降。過量的Aβ聚集并形成可溶性寡聚體和不溶性腦淀粉樣斑塊被廣泛認(rèn)為是AD的潛在致病機(jī)制，目前尚未開發(fā)出有效治療藥物。研究表明，AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α信號(hào)通路涉及能量代謝、線粒體功能和細(xì)胞凋亡等，可通過參與線粒體功能的調(diào)節(jié)，維持大腦能量代謝平衡，在保護(hù)腦神經(jīng)元功能中發(fā)揮作用[71-72]。AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α信號(hào)通路在AD病理改變中可起到調(diào)節(jié)大腦能量代謝，改善大腦的攝取速率和代謝率，防止神經(jīng)元退變和死亡的作用；還可調(diào)節(jié)BACE1的轉(zhuǎn)錄、合成和活性，減少APP的淀粉樣代謝，使Aβ生成和積累減少，進(jìn)而減少淀粉樣斑塊的形成，防止AD的發(fā)生、發(fā)展。因此，進(jìn)一步驗(yàn)證AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α-BACE1信號(hào)通路在AD病理改變中的作用，明確該信號(hào)通路相關(guān)因子的相互作用關(guān)系，并通過藥物對(duì)其中1個(gè)或多個(gè)靶點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)，將有望成為治療及預(yù)防AD的新途徑，對(duì)延緩AD病理改變及預(yù)防具有極其重要的意義。