proBDNF 及其基因多態(tài)性Val66Met 與抑郁障礙認知損害關系的研究進展

方靜 黃芹 周莉 李家磊 莫敏

抑郁障礙是常見的精神疾病之一，以情緒低落、思維遲緩和意志活動減弱等為主要的臨床表現(xiàn)。2008 年，世界衛(wèi)生組織（WTO）將重性抑郁障礙（Major Depressive Disorder,MDD）列為全球第三大疾病負擔，并預測該疾病在2030 年成為全球第一大的疾病負擔[1]。國際疾病分類第十次修訂本（International Classification of Diseases-10,ICD-10）也將注意力降低作為診斷抑郁障礙的附加癥狀。近年來，相關研究[2]認為BDNF 基因多態(tài)性Val66Met 及其前體蛋白（proBDNF）水平可能影響認知障礙的發(fā)生、發(fā)展過程，但尚未完全闡明。認知功能的損害將導致抑郁障礙患者的社會功能低下，因此，闡明重要的病因機制能為臨床提供更為有效的治療。現(xiàn)對proBDNF 及其基因多態(tài)性Val66Met 與抑郁障礙認知功能損害間關系的研究進展進行綜述。

1 BDNF 相關的生物學特性

1982 年，Barde 等[3]從豬腦中純化了一種新的神經營養(yǎng)因子并發(fā)現(xiàn)該神經營養(yǎng)因子能使雞胚感覺神經元存活并促使神經纖維生長，也是維持成熟中樞系統(tǒng)及周圍神經系統(tǒng)的神經元生存及生理功能所必需的。BDNF 具有多種生物特性，例如調節(jié)突觸連接、遞質傳遞、可塑性以及調節(jié)海馬長時程增強（Long Term Potentiation,LTP）[4，5]。BDNF 最 初 合 成 分子量為32KDa 的proBDNF，在突觸中經細胞內和細胞外酶切割后產生分子量為14KDa 的成熟型腦源性神經營養(yǎng)因子（mature for Brain-Derived Neurotrophic Factor，mBDNF）等。而proBDNF 和mBDNF 分別通過與p75 神經營養(yǎng)因子受體（p75NTR）和酪氨酸激酶B 受體（tyrosine kinase B，TrkB）結合在神經突觸結構、可塑性以及傳遞遞質等方面發(fā)揮著相反的作用[6]。Je 等[7]通過向小鼠神經肌肉接頭分別注入proBDNF和mBDNF 進行藥理實驗后發(fā)現(xiàn)，proBDNF 促進突觸消除，mBDNF 延遲突觸消除。BDNF 蛋白水解轉化作用決定了“懲罰信號”與“獎勵信號”，proBDNF 充當“懲罰信號”，激活p75NTR 抑制突觸傳遞以及引起神經末梢回縮，而神經元驅動金屬蛋白酶分泌、活化以促使proBDNF 轉化為mBDNF，這便是末端競爭的獎勵信號[7]。NR2B 是海馬長時程抑制（long term depression，LTD）唯一的N-甲基-D-天門冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體亞基，未切割的proBDNF 通過調節(jié)NR2B 亞基的表達來促進LTD，proBDNF 激活p75NTR 以增強LTD,而mBDNF 激活TrkB 促進LTP 并抑制LTD[8]。

2 proBDNF 與抑郁障礙以及認知功能

BDNF 又稱為“忘憂藥”，其在抑郁障礙和焦慮障礙中有積極作用，抗抑郁藥可增加抑郁障礙患者BDNF 水平；proBDNF 在精神疾病中起著相反作用，proBDNF 水平的升高可能會引起情緒障礙[9]。向野生型小鼠顯微注射proBDNF 后增加了小鼠的抑郁樣行為,而向慢性不可預知性應激（Unpredictable Chronic Mild Stress,UCMS）大鼠的腦室內（ICV）和腹膜內（IP）注射proBDNF 抗體顯著逆轉了其抑郁樣行為并恢復了探索活動和脊柱生長[4，10]。同樣，向UCMS 小鼠前扣帶回皮層（ACC）中注射抗proBDNF逆轉了抑郁樣行為以及增加了大腦中的覓食行為和BDNFmRNA 的量，而注射抗BDNF 卻沒有明顯改變[11]。Chen 等[12]的研究報道，經proBDNF 處理的小鼠在Morris 水迷宮測試得分更差，表明其記憶力與學習能力下降；而經proBDNF 抗體治療的小鼠在各項測試中得分最高，得出proBDNF 可作為空間學習等認知功能的抑制因子，并且使用免疫熒光染色還發(fā)現(xiàn)proBDNF 抑制細胞增殖。因此，注射特異性proBDNF 抗體可能是治療情緒障礙及改善認知的新型治療方法。

近年來“神經營養(yǎng)學說”得到了廣大學者的支持，認為神經營養(yǎng)因子是抑郁障礙中的病理生理關鍵因素。Zhou 等[13]使用了ELISA 和Western blot 方法評估重性抑郁障礙患者的血清、淋巴細胞proBDNF 及其受體等水平，結果提示血清中的proBDNF、sortilin 和p75NTR 高于對照組并與抑郁障礙程度呈正相關，而血清中mBDNF、TrkB 低于對照組并與抑郁障礙程度呈負相關。從而發(fā)現(xiàn)proBDNF/ p75NTR/ sortilin 和mBDNF/ TrkB 信 號通路之間存在平衡失調，并且可能參與了抑郁障礙的發(fā)生機制。Bai 等[10]建立了UCMS 大鼠模型，發(fā)現(xiàn)大鼠腦中的proBDNF、sortilin 和p75NTR 表達均上調，而在大鼠新皮質和海馬中的mBDNF 和TrkB均表達下調，這與Zhou 等[13]的研究結果一致。同樣在一些動物模型實驗中，再次證明了大鼠海馬中BDNF/proBDNF 的比率顯著提高了突觸可塑性并且減少了抑郁樣行為的發(fā)生[14]。

在一些抑郁障礙的研究中，proBDNF 水平升高并不是因為BDNF 轉錄增加導致的，而是由于抑制了proBDNF 蛋白水解[10，15]，因此蛋白酶處理proBDNF 的過程在神經營養(yǎng)蛋白發(fā)揮其生物學作用中起關鍵作用?？挂钟羲幬锾岣遬roBDNF 的蛋白水解切割酶水平以促進proBDNF 向mBDNF 的轉化以及促進神經元的可塑性[15，16]。在豐富環(huán)境（Enriched Environment，EE）和標準環(huán)境（Standard Environment，SE）大鼠海馬中的proBDNF、組織纖溶酶原激活劑（tissue-Plasminogen Activator，tPA）表達沒有差異，但在EE 大鼠海馬中的基質金屬蛋白酶-9（Matrix Metalloproteinase-9，MMP-9）水平明顯上調，這可能有助于proBDNF 向BDNF 的轉化，導致EE 大鼠中的BDNF 蛋白水平增加，最終減輕了焦慮與抑郁樣行為[15]。也有研究[17]認為，體力活動可增加海馬中的p11（Calpactin-1 light chain）和tPA 的 mRNA 表達，從而促進更高的proBDNF切割速率，產生高水平的mBDNF，最終改善其學習以及空間記憶能力等認知功能。學習無助（LH）和慢性輕度應激（CMS）小鼠模型海馬中的BDNF 水平降低，并且在水迷宮任務中的空間認知能力也有所下降，但服用抗抑郁藥物治療后，其認知功能又有所改善[18]。Diniz 等[16]提出的“連續(xù)分類假設”則認為抗抑郁藥可能會根據需要來調節(jié)TrkB/p75NTR 的信號傳導，找到一種平衡能促進更有效的神經元網絡，避免神經元的冗余。應激小鼠中proBDNF 水平升高但經過抗抑郁藥物氟西汀治療后，其proBDNF 又有所下降[10]。proBDNF 可能作為抑郁障礙的生物標志物，并可能成為治療抑郁障礙的潛在治療靶點[10]。這些發(fā)現(xiàn)在不同程度上提示了proBDNF 水平的改變與抑郁障礙患者認知障礙存在一定聯(lián)系。

3 BDNF 基因多態(tài)性Val66Met

近年來，隨著對BDNF 研究的增多，其基因多態(tài)性也引起了學者們的極大興趣。BDNF 基因位于染色體11p13～14，BDNFVal66Met 多態(tài)性位于BDNF 基因編碼的前結構域密碼子66 位上，當鳥嘌呤突變?yōu)橄汆堰?，導致甲硫氨酸取代了纈氨酸[19，20]。該基因多態(tài)性存在3 種單倍體分布，分別為Val/Val、Val/Met 和Met/Met[20]。Cattaneo 等[14]從孕周為15～17 周的139 名健康妊娠女性中獲得羊水（Amniotic Fluid,AF），發(fā)現(xiàn)Met 攜帶者相對于非攜帶者的BDNF 蛋白水平顯著降低，其結果提示該多態(tài)性在大腦結構和功能以及精神障礙易感性的個體差異中發(fā)揮著重要作用。該多態(tài)性對大腦系統(tǒng)的發(fā)育以及可塑性有重要影響，可能作為大腦表達的修飾遺傳因素之一[21]。前結構域具有調節(jié)突觸的結構與功能作用，與proBDNF 的作用類似[22]。

BDNF 前結構域在突觸靶向和活性依賴分泌中起著關鍵作用，BDNF 活性依賴分泌而不是總體濃度參與控制突觸傳遞以及可塑性，活性依賴的突觸調節(jié)對于成年人大腦發(fā)育以及認知功能至關重要[6，23]。BDNF 前結構域的改變損害了原皮層神經元和神經分泌細胞,從而導致中樞神經系統(tǒng)（Central Nervous System，CNS）的選擇性功能損傷[2]。最早Egan 等[24]發(fā)現(xiàn)該多態(tài)性降低了與sortilin 相互作用，從而導致BDNF 活性依賴性分泌量減少，并且觀察到該多態(tài)性主要表型之一為記憶障礙。Chen 等[2]發(fā)現(xiàn)該多態(tài)性雜合的人會同時表達BDNFVal 和BDNFMet,并且70%的BDNF 變體會形成異二聚體,而該二聚體無法有效地分類到分泌顆粒中,并且影響了proBDNF 與sortilin 的結合，最終導致分泌量下降。大多數(shù)含BDNF 的囊泡通過調控途徑分泌至突觸后的樹突和棘突，調控途徑失敗將導致met-BDNF的囊泡不能靶向運輸至神經元和突觸[6]。在細胞體和樹突中表達的val-BDNF-GFP（綠色熒光蛋白，Green Fluorescent Protein，GFP）神經元呈點狀分布，表達的met-BDNF-GFP 神經元的卻在周圍核區(qū)域形成大簇，在加工和分泌以及突觸定位也有明顯的缺陷[6，24]。Anastasia 等[25]檢測到Val66Met 置換區(qū)域附近殘基發(fā)生了特定的構象變化,由Val66 前結構域的b 結構轉變?yōu)镸et66 的螺旋構象,而局部結構的微小變化會大大改變蛋白質的活性。Met 變體前結構域能與SorCS2 相互作用,而Val66 前結構域中的相同殘基卻不與SorCS2 結合[25]。SorCS2 促進proBDNF、p75 NTR 與下游信號蛋白的相互作用以促進海馬神經元生長錐縮回，最終可能導致記憶力的改變以及抑郁障礙和焦慮障礙的發(fā)病率的增加[25]。因此，proBDNF 基因多態(tài)性Val66Met 可能影響proBDNF 加工、運輸及分泌過程，進而影響大腦系統(tǒng)的發(fā)育、突觸傳遞和連接以及可塑性。

但也有研究顯示，Kailainathan 等[26]對計算機預測器以及圓二色性兩方面分析未發(fā)現(xiàn)proBDNFVal66 和Met66 變體之間的結構有重大差異，而通過表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）也并未發(fā)現(xiàn)proBDNFVal66 和Met66 變體與TrkB、p75NTR、sortilin 以及SorCS2 受體結合親和力存在明顯差異。目前，對于BDNFVal66 和Met66 變體之間的差異性研究還較少，未來的研究應從生物物理、動力學、細胞學差異等領域展開。

4 BDNF 基因多態(tài)性Val66Met 與抑郁障礙及認知相關

認知障礙是抑郁障礙的核心特征之一，特別是執(zhí)行功能障礙和注意力障礙[27]。認知障礙包括執(zhí)行功能障礙、記憶力障礙、沖動性以及持續(xù)和選擇性注意障礙[28]。部分抑郁障礙患者即便在緩解期間仍有認知功能損害，而完整的認知功能對于維持抑郁障礙患者的社會功能、生活質量和工作能力至關重要。認知障礙的發(fā)生可能與多種基因有關，認知障礙的問題還可能會影響其他方面的功能障礙。隨著靜息態(tài)磁共振成像（Resting State functional Magnetic Resonance Imaging,RS-fMRI））技術等影像學的發(fā)展，相關研究[21，24，28～30]發(fā)現(xiàn)大腦結構功能狀態(tài)與認知障礙存在著一定聯(lián)系，比如海馬體積的減少影響海馬功能。Met-BDNF 等位基因異常調節(jié)分泌可能改變了皮質發(fā)育和可塑性的過程，影響正常人大腦新皮層中灰質的體積，例如前額葉皮層的側凸[21]。皮質形態(tài)部分的改變不僅是因Val66met短期調節(jié)的神經遞質的反映，還是由于BDNF 長期介導大腦神經發(fā)育過程[21]。前額葉皮層（Prefrontal Cortex，PFC）對執(zhí)行功能具有重要作用，而BDNF 在海馬以及前額皮質中表達豐富[24]。

神經心理學測試可評估抑郁障礙患者的認知功能，在一些記憶力和執(zhí)行功能測試中，Met 攜帶者的得分更低，并且BDNF Val66Met 與海馬體體積降低有關[21，24]。首先，Hajek 等[29]的薈萃分析399 位健康受試者，發(fā)現(xiàn)Met 攜帶者的雙側海馬體更小。其次，Yang 等[30]同樣發(fā)現(xiàn)Met/Met 和Val/Met 個體均顯示出與Val/ Val 個體明顯的解剖差異，其額葉、顳葉、扣帶狀和島狀皮質的灰質（GM）較少，Met 等位基因可能會引起腦形態(tài)學改變。近年來，Huang等[28]發(fā)現(xiàn)MDD 患者中的左側額上回（SFG）和左側顳下回（ITG）中的低頻波動的分數(shù)幅度（fALFF）值與WCST 中完成類別的數(shù)量以及CPT 第2 次測試得分存在顯著相關性。Legge 研究小組[31]對MDD和健康志愿者進行磁共振成像掃描后發(fā)現(xiàn)Met 攜帶者額中部區(qū)域以及前扣帶回的表面積減少明顯，從而認為前扣帶回和額中部區(qū)域皮質變薄與神經營養(yǎng)蛋白假說提出的關鍵區(qū)域一致。這些研究提示Met 攜帶者相應的腦區(qū)結構網絡及功能連接存在異常與抑郁障礙患者的認知功能有關。

有些研究得出了不一致的結果，Kailainathan等[26]發(fā)現(xiàn)proBDNF Met66 對糖原合成酶激酶3-pTau 蛋白（GSK3-pTau）信號通路沒有影響，并且不會影響LTP 或LTD。此外，Lisiecka 等[32]比較了健康對照者和MDD 患者的兩種基因型在情緒評估神經方面的差異，在MDD 發(fā)作期間，Met 攜帶者較Val 純合子的皮質區(qū)室、皮層下區(qū)域的激活增加，皮質區(qū)室與情緒信息的認知評估相關，而皮層下區(qū)域負責內臟對情緒的刺激。相關研究顯示[26]，Met66變體不會導致突觸信號傳導減弱，但會增強腦損傷后認知的恢復以及延遲衰老期間認知功能障礙。同樣，Verhagen 等[33]進行的薈萃分析卻不支持BDNF Val66Met 多態(tài)性與MDD 之間存在遺傳關聯(lián)，但發(fā)現(xiàn)BDNF Val66Met 多態(tài)性在男性MDD 的神經生物學發(fā)展中可能發(fā)揮更為重要的作用。

我們推測這些結果產生不一致的原因：首先，各種族所攜帶Met 等位基因的頻率不一致[33]；其次，在實際工作中對于抑郁障礙的診斷以及對認知功能的評估方式具有差異性，抑郁患者還可能合并其他相關精神疾病；再者，由于傳統(tǒng)文化的特殊性，許多亞洲MDD 患者即使發(fā)現(xiàn)身體不適，也不愿意到醫(yī)院就診，這可能會影響數(shù)據的準確性以及真實性；最后，各研究的樣本量較少以及研究的年齡范圍較大也可能是產生結果不一致的原因，樣本量過小將可能導致腦區(qū)結構細微的變化不能被觀察到，而隨著年齡增加也會導致認知功能的減退。目前，BDNF 基因多態(tài)性Val66Met 與抑郁障礙患者認知功能的研究甚少，存在著諸多爭議，未來需做更多的研究進一步探討其相互關系。

綜上所述，proBDNF 水平的升高及其多態(tài)性Val66Met 在抑郁障礙認知功能損害的機制中發(fā)揮著重要作用，而抗抑郁藥可降低proBDNF 水平，改善患者認知功能。雖然有大量關于BDNF 與抑郁障礙的研究，但proBDNF 的積累會導致抑郁障礙認知損害的研究較少，未來需要進一步研究proBDNF以及基因多態(tài)性Val66Met 能否作為抑郁障礙認知損害治療的新分子靶點，從長遠看，血清中的proBDNF 水平以及基因多態(tài)性Val66Met 可能能夠預測疾病的發(fā)生，有助于早期預防及診斷，并對不同程度的抑郁障礙患者選擇更合適的治療方法發(fā)揮著潛在的作用，從而提供更為有效的治療。