BIN1基因在阿爾茨海默病中的可能機(jī)制

王磊，孫太欣

隨著人口老齡化進(jìn)程，阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)的患病率越來(lái)越高，其給家庭及社會(huì)均帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。目前，全球尚無(wú)有效藥物能治愈AD，故針對(duì)此病的發(fā)病機(jī)制及風(fēng)險(xiǎn)因素的研究一直備受人們關(guān)注。AD的病理特征是腦內(nèi)神經(jīng)元減少，大腦皮層萎縮，Tau蛋白異常磷酸化，神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillarytangles,NFT)形成，以及β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)沉積形成老年斑(senileplaques,SP)，這些病理變化共同作用導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和認(rèn)知功能下降。目前有研究表明，遺傳、環(huán)境及炎癥等多種因素均與AD的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，如NLRP3炎癥小體的活化可促進(jìn)AD的發(fā)生發(fā)展[1]。遺傳因素在AD的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，載脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)基因已確定與晚發(fā)型AD(late-onset AD,LOAD)的發(fā)生相關(guān)[2-3]。目前，全基因組關(guān)聯(lián)研究(Genome-Wide Association Studies,GWAS))又確定了橋聯(lián)整合子1(Bridging integrator 1,BIN1)基因是LOAD的另一易感位點(diǎn)[4]。已知，BIN1 蛋白參與多種與膜曲度相關(guān)的細(xì)胞功能調(diào)節(jié)，包括細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞內(nèi)吞作用、細(xì)胞膜形態(tài)調(diào)節(jié)、細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)、 細(xì)胞周期進(jìn)展以及凋亡等，其性質(zhì)改變與多種疾病相關(guān)，如心臟疾病、癌癥、強(qiáng)直性肌營(yíng)養(yǎng)不良及AD等[5-8]，但其在某一疾病中的具體發(fā)生機(jī)制均尚不完全清楚。本文將就BIN1基因與AD發(fā)生發(fā)展的相關(guān)機(jī)制研究進(jìn)行綜述，梳理BIN1基因在AD發(fā)生發(fā)展中的可能機(jī)制，以期為盡早發(fā)現(xiàn)AD風(fēng)險(xiǎn)因素提供依據(jù)，也為AD的治療提供可能的研究方向。

1 BIN1基因單核苷酸多態(tài)性(SNP)通過(guò)調(diào)節(jié)腦內(nèi)Tau蛋白水平參與AD的發(fā)生與發(fā)展

早在2009年，就有報(bào)道認(rèn)為BIN1基因rs744373和rs7561528可能是AD的致病基因[9]，接著就陸續(xù)有多個(gè)與AD相關(guān)的BIN1基因多態(tài)性被報(bào)道，包括rs744373、rs7561528、rs6733839、rs59335482、rs9653202 、rs67327804和rs1060743等[4,10-11]，其中仍以rs744373、rs7561528研究為多。有研究認(rèn)為，BIN1 rs744373、BIN1 rs7561528是白人的AD致病位點(diǎn)，rs7561528也是亞洲人的危險(xiǎn)位點(diǎn)。 rs7561528和rs744373 SNP在中國(guó)人中具有很強(qiáng)的連鎖不平衡[12]。 這些與AD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的基因位點(diǎn)多位于BIN1基因編碼區(qū)的上游，因此推測(cè)BIN1基因變異主要通過(guò)改變BIN1基因表達(dá)來(lái)影響AD的發(fā)生。目前研究認(rèn)為，這些基因多態(tài)性均與腦內(nèi)Tau蛋白水平密切相關(guān)，這些BIN1基因多態(tài)性的插入和(或)缺失突變，均會(huì)導(dǎo)致腦內(nèi)Tau蛋白水平的改變，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致腦脊液中磷酸化Tau蛋白水平的升高[13-14]，通過(guò)調(diào)節(jié)Tau蛋白的神經(jīng)毒性而促進(jìn)AD發(fā)生。但BIN1基因表達(dá)與Tau蛋白病理改變的確切機(jī)制尚不十分清楚，目前研究表明可能通過(guò)以下幾方面影響Tau蛋白病理改變。

1.1 BIN1基因參與突觸囊泡內(nèi)吞而影響Tau蛋白的病理變化

BIN1基因位于2號(hào)常染色體上，其編碼的BIN1蛋白在膜的彎曲和內(nèi)吞過(guò)程中起著重要作用，而細(xì)胞內(nèi)吞功能障礙是AD的重要病理特征。對(duì)BIN1基因敲除小鼠研究發(fā)現(xiàn)，基因突變小鼠腦提取物中的突觸囊泡循環(huán)和內(nèi)吞蛋白支架存在缺陷，而這些缺陷與學(xué)習(xí)障礙有關(guān)[15]。Calafate等[16]在體外模型研究中發(fā)現(xiàn)，BIN1基因通過(guò)增強(qiáng)Tau蛋白的內(nèi)吞作用而促進(jìn)病理性Tau蛋白在細(xì)胞間傳播，而下調(diào)BIN1基因表達(dá)可對(duì)AD起到保護(hù)作用。BIN1蛋白可減少抑制細(xì)胞內(nèi)吞作用的披網(wǎng)格蛋白小泡的形成，從而促進(jìn)網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。同時(shí)，BIN1蛋白還可通過(guò)修飾β-淀粉樣前體蛋白(β-amyloid precursor protein,β-APP)的囊泡運(yùn)輸，參與網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，從而增加LOAD的患病風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 BIN1基因在其自身及Tau蛋白的磷酸化進(jìn)程中發(fā)揮作用

Tau蛋白是神經(jīng)元中非常重要的微管相關(guān)蛋白。Tau蛋白過(guò)度磷酸化可影響其生理功能，降低其對(duì)微管的親和力，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞骨架失穩(wěn)，促進(jìn)Tau蛋白的聚集，從而導(dǎo)致認(rèn)知障礙。在胞漿和細(xì)胞核中，真核細(xì)胞處理錯(cuò)誤折疊或受損蛋白質(zhì)的主要蛋白水解酶途徑是泛素/蛋白酶體途徑，Tau蛋白的清除主要依賴于泛素-蛋白酶體系統(tǒng)[17]。過(guò)度磷酸化的Tau蛋白與蛋白酶體的抑制性結(jié)合會(huì)形成NFT，此為AD的一個(gè)重要病理特征，多出現(xiàn)在皮質(zhì)海馬及Meynert基底核神經(jīng)元中[18]。已有研究發(fā)現(xiàn)，BIN1基因多態(tài)性與腦脊液中磷酸化Tau蛋白水平密切相關(guān)。Sartori等[19]研究BIN1基因依賴性的病理生理過(guò)程與Tau蛋白的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，BIN1基因的過(guò)度表達(dá)導(dǎo)致海馬中BIN1-Tau蛋白相互作用的增加，且AD患者中磷酸化BIN1(T348)：BIN1的比例增加，即BIN1基因通過(guò)復(fù)雜的調(diào)節(jié)其與Tau蛋白的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)AD風(fēng)險(xiǎn)。BIN1蛋白磷酸化表達(dá)或活動(dòng)的改變可能破壞Tau的調(diào)節(jié)平衡，并對(duì)學(xué)習(xí)和記憶產(chǎn)生直接影響。Thomas等[20]的細(xì)胞培養(yǎng)研究證實(shí)，BIN1單抗(99D)能降低磷酸化Tau(pTau)蛋白水平。在Tau蛋白表達(dá)的細(xì)胞培養(yǎng)中，BIN1單抗誘導(dǎo)蛋白酶體機(jī)制，導(dǎo)致分子泛素化，從而防止細(xì)胞應(yīng)激。體內(nèi)研究表明，用BIN1單抗處理表達(dá)Tau蛋白的P301S小鼠比未處理的小鼠存活時(shí)間更長(zhǎng)。Thomas等的數(shù)據(jù)證實(shí)BIN1單抗可降低pTau水平，這可能作為AD治療的候選藥物。因此，明確BIN1基因參與Tau蛋白磷酸化的具體機(jī)制，從而抑制Tau蛋白磷酸化，改善認(rèn)知損害，可為AD的藥物研發(fā)提供有力證據(jù)。

1.3 BIN1基因通過(guò)細(xì)胞外囊泡促進(jìn)Tau蛋白病理改變

細(xì)胞外囊泡(extracellular Vesicles ,EV)是由脂質(zhì)雙層構(gòu)成的膜性小泡，是從細(xì)胞膜上脫落或者由細(xì)胞分泌的雙層膜結(jié)構(gòu)的囊泡狀小體，含有起源細(xì)胞特有的蛋白質(zhì)。EV主要由微囊泡和外泌體組成。胞外體是細(xì)胞廢物處理的一種方式，也是細(xì)胞間遠(yuǎn)距離通訊的一種形式[21]。EV廣泛存在于細(xì)胞培養(yǎng)上清以及各種體液中，包括腦脊液(CSF)、血液和尿液中，便于分析和研究。Crotti等[22]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)的BIN1基因在體外通過(guò)EV促進(jìn)Tau蛋白的釋放以及PS19小鼠體內(nèi)Tau蛋白病理學(xué)的惡化。在PS19背景下，來(lái)自小膠質(zhì)細(xì)胞的BIN1基因的遺傳缺失導(dǎo)致體外EV的Tau蛋白分泌減少。因此，他們認(rèn)為BIN1基因通過(guò)改變Tau蛋白清除率和促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞釋放Tau蛋白富集的EV，促進(jìn)AD相關(guān)Tau蛋白病理學(xué)的進(jìn)展。EV是細(xì)胞間傳遞的一種媒介，上述研究表明，通過(guò)抑制BIN1基因在EV的表達(dá)，改變Tau蛋白清除率，可阻止Tau蛋白的富集，降低AD發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)(圖1)。

圖1 BIN1基因參與AD的部分可能機(jī)制。A：BIN1基因破壞披網(wǎng)格蛋白，促進(jìn)細(xì)胞對(duì)Tau蛋白的內(nèi)吞作用，并進(jìn)一步加速Tau蛋白的磷酸化過(guò)程；B：BIN1基因促進(jìn)APP的內(nèi)吞作用，從而影響Aβ的產(chǎn)生；C：BIN1基因促進(jìn)EV中Tau蛋白和病理性Tau蛋白的釋放。

2 AD患者腦內(nèi)BIN1基因具有低甲基化趨勢(shì)

BIN1基因在啟動(dòng)子區(qū)內(nèi)有一個(gè)CpG島，是一個(gè)較小的島，在這個(gè)島上，DNA甲基化可以改變?cè)摶蚣捌涓鞣N亞型的表達(dá)。Yu等[23]對(duì)血液中BIN1甲基化水平的研究發(fā)現(xiàn)，AD患者腦內(nèi)BIN1基因具有低甲基化的趨勢(shì)。BIN1甲基化可以改變BIN1蛋白的表達(dá)，促進(jìn)β內(nèi)分泌酶(BACE1)的產(chǎn)生，進(jìn)而觸發(fā)APP、Aβ40和Aβ42肽的產(chǎn)生。Salcedo-Tacuma等[24]通過(guò)病例對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，LOAD患者血液中BIN1基因CpG26、CpG44、CpG87的水平均顯著減低，即使通過(guò)年齡、性別和APOE調(diào)整后的回歸模型，這些CpG的甲基化水平仍較低。因此BIN1基因中CpG的低甲基化可能在BIN1的表達(dá)中起重要作用，并且可能是鑒定具有高發(fā)LOAD風(fēng)險(xiǎn)的生物標(biāo)志物。

3 BIN1基因會(huì)導(dǎo)致與AD相關(guān)的特異部位大腦皮層萎縮

目前有研究認(rèn)為，海馬、海馬旁回、顳葉內(nèi)側(cè)、內(nèi)嗅皮層、楔前葉、后扣帶回的萎縮程度均與AD密切相關(guān)[25-26]。Biffi等[27]在AD研究數(shù)據(jù)庫(kù)(Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative ,ADNI) )中發(fā)現(xiàn)，BIN1基因rs7561528多態(tài)性與內(nèi)嗅皮層厚度顯著相關(guān)，與海馬、杏仁核結(jié)構(gòu)大小也顯著相關(guān)。在對(duì)中國(guó)年輕漢族人群的研究中發(fā)現(xiàn)BIN1基因rs744373多態(tài)性與海馬體積有顯著相關(guān)性[28]。Wang等[14]在Tau病理背景下選擇性刪除BIN1基因的小鼠中發(fā)現(xiàn)，其海馬神經(jīng)元數(shù)量有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的減少，他們推測(cè)，可能的原因與BIN1基因減少引起的細(xì)胞自主性神經(jīng)元興奮性降低有關(guān)，而聚集病理性Tau蛋白的存在又進(jìn)一步加劇了這種情況。另外，也有研究表明，BIN1基因可參與AD的其他相關(guān)途徑，例如炎癥、細(xì)胞凋亡和鈣穩(wěn)定性等。但目前鮮有研究表明BIN1具體是通過(guò)哪種機(jī)制導(dǎo)致與AD相關(guān)的腦區(qū)萎縮[29]。

4 BIN1基因可能不影響Aβ的產(chǎn)生與沉積

APP的內(nèi)吞過(guò)程是其隨后被BACE1裂解的重要步驟。有研究顯示，BIN1可能通過(guò)多種機(jī)制調(diào)節(jié)BACE1的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，隨后改變?chǔ)码牡漠a(chǎn)生[30]。但更多的研究提示,BIN1促進(jìn)AD的發(fā)生可能與Aβ無(wú)關(guān)。

Andrew等[31]的研究顯示，小鼠中單個(gè)BIN1等位基因缺失可導(dǎo)致BIN1蛋白水平降低50%，但這并不會(huì)改變體內(nèi)BACE1水平或定位，也不會(huì)改變非轉(zhuǎn)基因小鼠內(nèi)源性Aβ的產(chǎn)生。此外，Andrew等還發(fā)現(xiàn)，在淀粉樣變小鼠模型中，BIN1水平的降低不會(huì)改變Aβ的沉積和行為缺陷。Wang等[14]的研究顯示，BIN1基因與CSF中Aβ無(wú)關(guān)，與AV45-PET的Aβ沉積也無(wú)關(guān)，故認(rèn)為BIN1參與AD的發(fā)生與Aβ的病理改變可能無(wú)關(guān)。Franzmeier等[13]的研究也顯示，BIN1 基因的rs744373 SNP與β-淀粉樣蛋白病理改變無(wú)關(guān)。因此，目前大多數(shù)研究認(rèn)為BIN1基因參與AD的發(fā)生與Aβ的病理改變無(wú)關(guān)，也就是BIN1可能與老年斑的形成無(wú)關(guān)。

5 總結(jié)和展望

綜上所述，BIN1基因通過(guò)多種途徑參與AD的發(fā)生與發(fā)展。目前已發(fā)現(xiàn)多種與AD發(fā)生相關(guān)的BIN1基因SNP，通過(guò)早期檢測(cè)BIN1基因SNP，可對(duì)AD發(fā)病有預(yù)測(cè)作用。BIN1基因通過(guò)參與突觸囊泡內(nèi)吞作用、促進(jìn)EV的Tau蛋白釋放等多種途徑參與Tau蛋白聚集及磷酸化進(jìn)程，從而促進(jìn)AD的發(fā)生發(fā)展。BIN1低甲基化也可能在Tau蛋白病理改變中起重要作用。同時(shí)，BIN1基因異常表達(dá)還會(huì)導(dǎo)致AD相關(guān)腦區(qū)的萎縮。雖然，Aβ沉積形成的老年斑是AD病理特征之一，但目前大多數(shù)研究表明BIN1基因可能與Aβ的產(chǎn)生和沉積無(wú)關(guān)。BIN1具體在哪一環(huán)節(jié)起重要作用，亦或是多種途徑共同作用促進(jìn)AD的發(fā)生尚無(wú)定論。目前尚無(wú)一種有效的藥物來(lái)治療AD，現(xiàn)已有研究證實(shí)BIN1單抗可降低pTau蛋白水平，且用BIN1單抗處理表達(dá)Tau蛋白的小鼠存活時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此，明確BIN1基因在AD中的具體作用機(jī)制，尤其是Tau蛋白磷酸化過(guò)程，有可能為AD提供潛在的藥物治療線索。