時鐘基因BMAL1在認(rèn)知功能障礙機(jī)制中的研究進(jìn)展

余 愿 侯家保 劉旭珂 夏中元

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生活質(zhì)量的提升，老齡化人口數(shù)量急劇增加，而老年人容易罹患的腦血管病、路易體病(Lewy body disease)、額顳葉變性、創(chuàng)傷性腦損傷、感染等諸多疾病均會引起認(rèn)知功能障礙，逐漸成為威脅老年人健康的因素，降低了老年人的生活質(zhì)量。同時，認(rèn)知功能隨著年齡的增長和疾病的影響而逐漸下降，最終導(dǎo)致不可逆的阿爾茨海默癥等認(rèn)知功能障礙。晝夜節(jié)律是維持人體結(jié)構(gòu)和功能健康的重要基礎(chǔ)，其可以調(diào)控正常人睡眠、學(xué)習(xí)、記憶進(jìn)而對認(rèn)知產(chǎn)生影響，其中腦和肌肉arnt樣蛋白1(brain and muscle arnt-like protein 1，BMAL1)在整個晝夜節(jié)律的正常運(yùn)行中起到重要作用，當(dāng)敲除BMAL1時會對認(rèn)知功能產(chǎn)生影響。本文對BMAL1調(diào)控認(rèn)知功能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在探究時鐘基因BMAL1對認(rèn)知功能障礙的研究機(jī)制，從而進(jìn)一步預(yù)防和治療認(rèn)知功能障礙，提高人們的生活質(zhì)量。

一、認(rèn)知功能障礙

認(rèn)知是機(jī)體對外部信息獲取、認(rèn)識并進(jìn)行加工處理的過程，它包括學(xué)習(xí)、記憶、語言、思維、精神、情感等一系列社會心理行為，目前主要的神經(jīng)認(rèn)知領(lǐng)域包括學(xué)習(xí)和記憶、執(zhí)行功能、復(fù)雜注意力、知覺或運(yùn)動功能、語言和社交認(rèn)知[1]。認(rèn)知功能障礙指人在任意一個或多個認(rèn)知領(lǐng)域中比之前原有的功能水平下降，其主要表現(xiàn)包括譫妄、輕度認(rèn)知功能障礙和癡呆，這些癥狀具有不同的臨床特征和誘因，常見的誘因有阿爾茨海默病、腦血管病、路易體病、額顳葉變性、創(chuàng)傷性腦損傷、感染和酗酒等[2]。臨床上多見為輕度認(rèn)知功能障礙，它是介于衰老和癡呆之間認(rèn)知功能下降的過渡階段，患有輕度認(rèn)知功能障礙的人群比普通人群出現(xiàn)癡呆的風(fēng)險更大。據(jù)不完全統(tǒng)計，在中國60歲以上人群中，輕度認(rèn)知障礙的患病率約為15.5%，隨著年齡的增長，患有輕度認(rèn)知障礙的概率逐漸增加，且女性的患病風(fēng)險比男性更高，并且伴隨著大腦海馬的萎縮、β淀粉樣蛋白產(chǎn)生和降解的不平衡、炎癥的激活以及與記憶相關(guān)區(qū)域的神經(jīng)系統(tǒng)功能逐漸衰弱，最終導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙[2]。這嚴(yán)重影響了中老年群體的生活質(zhì)量，增加了社會負(fù)擔(dān)。但是，目前尚無有效的方法治療認(rèn)知障礙，只能通過干預(yù)措施減少患病因素和預(yù)防癡呆。任何引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂的因素如腦血流減少、缺氧、神經(jīng)炎癥均可導(dǎo)致認(rèn)知功能下降，因此，研究認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制對預(yù)防和治療認(rèn)知障礙具有深遠(yuǎn)的意義。

二、認(rèn)知功能障礙與時鐘基因BMAL1

時鐘基因BMAL1可以維持血壓、調(diào)節(jié)血管、代謝、免疫和治療癌癥，在改善認(rèn)知功能方面也起到了重要作用。近年來，研究人員不斷深入研究BMAL1在晝夜節(jié)律中調(diào)節(jié)認(rèn)知功能機(jī)制，發(fā)現(xiàn)當(dāng)BMAL1異常時可通過神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激、改變突觸可塑性等病理生理引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。

幾乎所有的機(jī)體組織都表現(xiàn)出基因調(diào)控的晝夜振蕩，而驅(qū)動晝夜節(jié)律有效運(yùn)轉(zhuǎn)是基于一個復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄-翻譯負(fù)反饋環(huán)路，其中轉(zhuǎn)錄因子BMAL1在整個轉(zhuǎn)錄翻譯過程中至關(guān)重要。時鐘基因BMAL1編碼BMAL1蛋白，它與時鐘(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)形成異二聚體，其結(jié)合周期(period，PER)家族基因和隱花色素(cryptochrome，CRY)家族基因的啟動子E-box，進(jìn)而激活這些基因的轉(zhuǎn)錄，同時PER和CRY形成復(fù)合物可負(fù)反饋抑制BMAL1/CLOCK的活性，形成轉(zhuǎn)錄-翻譯負(fù)反饋環(huán)路[3,4]。REV-ERBα(reverse viral erythroblastosis oncogene product α)和維甲酸孤兒受體(retinoic acid-related orphan receptors，RORS)代表的是另一個額外的循環(huán)，REV-ERBα負(fù)調(diào)控BMAL1的表達(dá)，而RORS正調(diào)控BMAL1的表達(dá)[4]。BMAL1的缺失會破壞核心時鐘振蕩轉(zhuǎn)錄與翻譯功能，引起晝夜節(jié)律紊亂，導(dǎo)致大腦中廣泛的膠質(zhì)細(xì)胞激活、神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激[5]。當(dāng)從組胺能神經(jīng)元細(xì)胞中選擇性的敲除BMAL1會促使日間產(chǎn)生更高的組氨酸脫羧酶，導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)睡眠-覺醒節(jié)律紊亂、睡眠剝奪后恢復(fù)睡眠功能受阻、記憶力受損等不良反應(yīng)[6]。這些不良反應(yīng)會對蛋白質(zhì)翻譯產(chǎn)生負(fù)面影響，其中睡眠剝奪嚴(yán)重?fù)p害大鼠的學(xué)習(xí)記憶，同時伴有REV-ERBα、BMAL1表達(dá)含量的下降，而使用REV-ERBα激動劑SR9009可有效改善記憶功能[7]。

Snider等[8]研究發(fā)現(xiàn)，敲除前腦神經(jīng)元中的BMAL1而保持視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)完整時，小鼠對新物體的識別和記憶都出現(xiàn)了障礙。同時Yoo 等[9]在阿爾茲海默癥患者受損的大腦皮質(zhì)中發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的BMAL1和CLOCK蛋白水平明顯升高，而BMAL1和CLOCK的過表達(dá)可以通過抑制膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)引起星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能損害，進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。因此，時鐘基因BMAL1對維持正常的大腦形態(tài)和功能有重要作用，一旦BMAL1表達(dá)失調(diào)，即可導(dǎo)致一系列神經(jīng)疾病的發(fā)生。

三、時鐘基因BMAL1導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的機(jī)制

時鐘基因BMAL1可在不同的腦部區(qū)域?qū)ι矬w的學(xué)習(xí)和記憶進(jìn)行調(diào)節(jié)。海馬組織是學(xué)習(xí)和記憶的重要部位，在小鼠海馬中，長時程增強(qiáng)(long time potentiation，LTP)需要通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，CAMP)依賴通路激活轉(zhuǎn)錄因子反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(camp-response element binding protein，CREB)[10]。而CAMP/MAPK/CREB轉(zhuǎn)錄通路會在海馬組織發(fā)生晝夜振蕩，BMAL1缺失的小鼠海馬中MAPK活性減少，CAMP的晝夜振蕩降低，小鼠情景性恐懼記憶的維持被抑制，均表明海馬中記憶所需的關(guān)鍵信號事件依賴于BMAL1[11,12]。BMAL1缺失的小鼠會表現(xiàn)出明顯的神經(jīng)變形，包括嚴(yán)重的自發(fā)性星形膠質(zhì)病、氧化損傷增加、突觸退化、大腦功能連續(xù)受損、海馬神經(jīng)發(fā)生改變以及學(xué)習(xí)和記憶受損[13, 14]。因此，時鐘基因BMAL1異常會損害認(rèn)知功能，本部分將結(jié)合認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制展開敘述。

1.氧化應(yīng)激：BMAL1缺失的小鼠表現(xiàn)出生理和行為晝夜節(jié)律紊亂，學(xué)習(xí)和記憶障礙，這與大腦中活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加，以及氧化應(yīng)激增加和加速老化密切相關(guān)，說明BMAL1異?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)小鼠大腦的氧化還原紊亂來參與神經(jīng)元損傷[14]。神經(jīng)元對氧化應(yīng)激介導(dǎo)的損傷十分敏感，活性氧自由基和氧化損傷標(biāo)志物水平升高是氧化應(yīng)激的表現(xiàn)。脛骨骨折術(shù)后的老年大鼠出現(xiàn)海馬和前額葉皮層蛋白氧化應(yīng)激增加，抗氧化活性降低，線粒體相關(guān)蛋白酶功能受損，腦源性營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)水平降低，記憶功能障礙[15]。

由于ROS是大腦中神經(jīng)元活動增加的副產(chǎn)物，時鐘基因BMAL1可能會調(diào)節(jié)抗氧化還原的相關(guān)基因表達(dá)與大腦的代謝活動變化，正常晝夜節(jié)律功能的紊亂，使大腦更容易受到氧化損傷，從而促進(jìn)神經(jīng)退行性變。BMAL1驅(qū)動大腦中氧化還原相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，包括醌氧化還原酶1(quinone oxidorreductase 1，Nqo1)和線粒體醛脫氫酶2(aldehyde dehydrogenase 2，Aldh2)，Nqo1和Aldh2都是細(xì)胞抗氧化反應(yīng)的關(guān)鍵介質(zhì)，并與神經(jīng)退行性變密切相關(guān)，在小鼠中Aldh2的缺失可導(dǎo)致氧化應(yīng)激增強(qiáng)和神經(jīng)元死亡，而Aldh2活性降低被認(rèn)為是帕金森病多巴胺能神經(jīng)退行性變的原因[14, 16]。Nqo1催化活性醌類和氧化蛋白的還原，防止ROS介導(dǎo)的細(xì)胞毒性，在阿爾茲海默癥的部分腦區(qū)呈上調(diào)[11]。因此，Aldh2和Nqo1表達(dá)受損可能參與條件性BMAL1 敲除腦的神經(jīng)元氧化還原進(jìn)程。在體內(nèi)和體外BMAL1表達(dá)降低會加重氧化應(yīng)激引起的神經(jīng)元死亡，最終導(dǎo)致記憶力減退，認(rèn)知功能下降。

2.神經(jīng)炎癥：神經(jīng)炎癥現(xiàn)已成為神經(jīng)系統(tǒng)損傷的主要致病機(jī)制之一，神經(jīng)炎癥是由血-腦脊液屏障(blood brain barrier，BBB)破壞后，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，BDNF下調(diào)導(dǎo)致的，其后果表現(xiàn)為神經(jīng)元死亡和認(rèn)知功能障礙[17]。BMAL1敲除會引起腦周細(xì)胞功能障礙，腦周細(xì)胞是維持BBB的重要基礎(chǔ)，其功能異?？梢養(yǎng)BB的通透性升高，導(dǎo)致年齡依賴性的腦周細(xì)胞覆蓋的BBB喪失，損傷認(rèn)知功能[18]。星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞都具有晝夜節(jié)律性，BMAL1缺失時膠質(zhì)纖維酸性蛋白表達(dá)增加導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞活性增強(qiáng)，肌動蛋白結(jié)合蛋白水平降低，Rho-GTP激活降低，這些形態(tài)學(xué)改變可能導(dǎo)致神經(jīng)元突觸功能改變，誘發(fā)晝夜節(jié)律紊亂的認(rèn)知功能障礙[19]。當(dāng)條件性敲除星形膠質(zhì)細(xì)胞中的BMAL1時，可通過GABA信號通路使小鼠的晝夜運(yùn)動行為改變以及認(rèn)知能力下降[20]。BMAL1還可通過調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的中樞神經(jīng)炎癥，維持多巴胺能神經(jīng)元的存活和多巴胺信號通路的正常功能[21]。

組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)參與學(xué)習(xí)和記憶的調(diào)控，神經(jīng)炎癥可通過小膠質(zhì)細(xì)胞激活增加海馬神經(jīng)元中HDAC2的表達(dá)，HDAC2的高表達(dá)降低了BDNF和c-fos的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致記憶受損，而抑制HDAC2的表達(dá)能減少炎性細(xì)胞因子和小膠質(zhì)細(xì)胞的激活[22]。因此，抑制海馬體中的HDAC2是一種治療炎癥誘導(dǎo)認(rèn)知缺陷的可行途徑。MS-275可通過抑制HDAC降低海馬中HDAC2的表達(dá)和HDAC的活性，減輕大鼠海馬神經(jīng)炎癥，從而有效改善術(shù)后認(rèn)知功能障礙[23]。

Curtis等[24]研究發(fā)現(xiàn)，BMAL1通過活化核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信號通路在巨噬細(xì)胞炎性反應(yīng)調(diào)控中調(diào)節(jié)促炎性細(xì)胞因子。NF-κB是炎性反應(yīng)中最重要的核轉(zhuǎn)錄因子之一，在脂多糖刺激的膠質(zhì)細(xì)胞中處于高度激活狀態(tài)，細(xì)胞內(nèi)氧化還原相關(guān)蛋白可調(diào)節(jié)NF-κB激活，小膠質(zhì)細(xì)胞中ROS的適度減少可以抑制NF-κB的激活，進(jìn)而抑制小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥[21]。研究表明，BMAL1可調(diào)節(jié)白細(xì)胞介素-6(interleukin 6，IL-6)的表達(dá)和分泌，并且單核細(xì)胞中的BMAL1可調(diào)控CCL2、IL-1β、IL-6和IFN-γ等炎性細(xì)胞因子的循環(huán)水平，BMAL1缺失會導(dǎo)致單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中CCL-2和CCL-8 mRNA表達(dá)升高[25, 26]，因此晝夜節(jié)律失調(diào)或BMAL1低表達(dá)會導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)中促炎性細(xì)胞因子水平升高。此外，海馬或皮質(zhì)的局部炎癥可以直接抑制周圍神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中BMAL1的表達(dá)，導(dǎo)致BMAL1介導(dǎo)的氧化應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)受損，并使這些細(xì)胞發(fā)生神經(jīng)變性，從而引起神經(jīng)元壞死[27]。由此可知，BMAL1可通過調(diào)控神經(jīng)炎癥來影響認(rèn)知功能，但時鐘基因并不是唯一誘導(dǎo)因素，其他影響因素的相關(guān)機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

3.蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)：許多神經(jīng)退行性疾病的特征之一是標(biāo)記蛋白的聚集，如阿爾茲海默癥中異常tau蛋白和淀粉樣蛋白斑塊Aβ的積累，這表明負(fù)責(zé)降解受損蛋白質(zhì)的系統(tǒng)遇到故障。蛋白酶體維持著人體正常的生物鐘，其降解能表現(xiàn)為晝夜節(jié)律振蕩，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要系統(tǒng)包括泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體系統(tǒng)，自噬是由溶酶體降解細(xì)胞質(zhì)成分的過程，可分為微自噬、伴侶介導(dǎo)的自噬和巨自噬。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是由泛素與底物結(jié)合，引起蛋白酶體降解異常折疊或其他異常修飾的蛋白質(zhì)。其中未折疊蛋白是蛋白異常折疊的表現(xiàn)形式之一，未折疊蛋白的增加會導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，熱休克蛋白(heat shock proteins，HSPs)作為分子伴侶，能去除未折疊蛋白，防止蛋白聚集，促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激恢復(fù)，維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)[28]。

熱休克因子1(heat shock factor 1，HSF1)DNA結(jié)合呈現(xiàn)出強(qiáng)大的晝夜節(jié)律調(diào)控，而HSF1缺失會改變晝夜節(jié)律時鐘振蕩的正常運(yùn)行，時鐘基因BMAL1與HSF1相互作用中斷，SGT1/HSP90的異常也可通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)導(dǎo)致BMAL1的降解，晝夜節(jié)律的改變[29，30]。因此，隨著時鐘基因BMAL1降解，熱休克蛋白功能受損可導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡，異常蛋白質(zhì)聚集，從而影響認(rèn)知功能。目前，時鐘基因BMAL1如何控制大腦中的節(jié)律性蛋白降解的機(jī)制尚不清楚，但在認(rèn)知功能障礙中，異常蛋白的聚集，降解系統(tǒng)受破壞是明確的，而時鐘基因BMAL1可參與調(diào)控，進(jìn)而影響認(rèn)知功能。

4.突觸可塑性：突觸由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜組成，是神經(jīng)元與其他細(xì)胞連接的部位，突觸連接在改善認(rèn)知過程中起著關(guān)鍵作用，與大腦對信息的加工處理密切相關(guān)，時鐘基因BMAL1可通過調(diào)節(jié)突觸可塑性改變認(rèn)知功能?；钚哉{(diào)節(jié)的細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白(activity-regulated cytoskeleton-associated protein，Arc)是突觸激活的調(diào)節(jié)因子之一，其作為一種多功能活動誘導(dǎo)的中樞蛋白，可以調(diào)控LTP，睡眠-覺醒和晝夜節(jié)律，對學(xué)習(xí)、記憶和行為產(chǎn)生影響，15月齡的小鼠相比于3月齡的小鼠海馬區(qū)Arc含量升高，學(xué)習(xí)、記憶功能減退[31]。

糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)是一種可以在多種組織中表達(dá)的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，其不僅參與神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性等活動，而且在海馬和皮質(zhì)層中表達(dá)水平最高，在小鼠海馬神經(jīng)元中GSK3β活性增加會降低BMAL1蛋白的表達(dá)，引起LTP水平顯著降低，學(xué)習(xí)記憶出現(xiàn)障礙，而GSK3抑制劑氯化鋰抑制GSK3β活性可提高BMAL1蛋白的穩(wěn)定性，激活晝夜節(jié)律中BMAL1的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)突觸可塑性[32]。在突觸水平上，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過神經(jīng)膠質(zhì)和神經(jīng)遞質(zhì)與神經(jīng)元傳遞信息，BMAL1敲除的小鼠在24周齡時出現(xiàn)突觸末端退化，皮質(zhì)連接功能受損，引起星形膠質(zhì)細(xì)胞功能受損從而導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙。研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞突觸覆蓋率的變化與突觸特性和功能輸出的變化直接相關(guān)，在超微結(jié)構(gòu)方面，星形膠質(zhì)細(xì)胞的遠(yuǎn)端涵蓋了苔蘚纖維出芽(mossy fiber sprouting，MFS)，MFS通過終止海馬區(qū)CA3透明層中錐體神經(jīng)元上齒狀回顆粒細(xì)胞的軸突而產(chǎn)生，能參與學(xué)習(xí)和記憶的形成[33]。Ali等[19]研究發(fā)現(xiàn)，BMAL1-/-小鼠中MFS的星形膠質(zhì)細(xì)胞覆蓋率降低，這表明星形細(xì)胞BMAL1對于正常的大腦功能和體內(nèi)平衡至關(guān)重要。因此，時鐘基因BMAL1可通過海馬和星形膠質(zhì)細(xì)胞依賴的突觸可塑性來調(diào)控大腦。

四、展 望

時鐘基因BMAL1能通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)人體的認(rèn)知功能，現(xiàn)有研究表明,褪黑激素在光-暗周期能夠調(diào)節(jié)視交叉上核中BMAL1和CLOCK表達(dá)的幅度，可通過結(jié)合光線和褪黑素等方法來調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律紊亂從而改善認(rèn)知功能，但關(guān)于兩者之間的相關(guān)作用機(jī)制還有待深入研究。研究時鐘基因BMAL1在認(rèn)知功能調(diào)控中的機(jī)制有助于為潛在的疾病的防治提供線索，為揭開新的治療靶點(diǎn)做準(zhǔn)備，以時鐘基因BMAL1等生物為目標(biāo)可能是預(yù)防和治療認(rèn)知功能障礙的一個新方向。