腦白質的改變與腦老化

楊 光 肖 嵐 (第三軍醫大學組胚教研室,重慶 400038)

年齡依賴的認知功能減退(age-related cognitive decline,ARCD)是腦老化的一種重要特征,表現為記憶和執行功能的減退等現象,被認為是阿爾茲海默病(Alzheimer disease,AD)等疾病發生重要的前提條件。過去對認知功能降低原因的研究多集中于腦萎縮、神經元的減少等灰質變化上。近年來的一系列研究發現腦白質的退行性改變可能是造成腦老化的重要因素。本文主要就腦白質在老年認識功能減退中的變化和作用進行綜述。

1 老年大腦白質影像學改變

在 MRI(magnetic resonance imaging)技術出現以后,對腦體積及功能區域的研究有了較大發展。早先的研究發現老年人群較青年人群的腦體積減少,其中灰質區減少3%,白質區減少11%,尤其是在胼胝體及額葉更為明顯。在大樣本健康成人腦白質的研究中,其額葉白質體積與年齡關系曲線呈二次回歸關系,約50歲前白質體積一直少量增加,而后出現比較明顯的持續下降,這表明白質的體積與年齡具高度相關關系,另需指出的是灰質體積并未出現年齡相關的改變〔1〕。同樣在以靈長類獼猴的實驗發現,行為測試顯示年齡導致的執行功能受損的獼猴其胼胝體前部、上縱束及扣帶回體積明顯減少,這些部位是執行功能區域重要的皮質間通路〔2〕。

2 老年大腦白質的病理學改變

早期研究的焦點集中于神經元的計數和形態學上的改變。事實上,在對獼猴的主視皮質(17區)和額葉皮質(46區)的神經元計數顯示神經元的數目并未隨年齡改變。雖然神經元存在與年齡相關的突觸減少和神經遞質受體的表達改變,但因年齡并不會導致神經元總數的改變,因此單純的年齡導致的神經元改變不能完全解釋年齡依賴的認知功能減退〔3〕,于是老化過程中膠質細胞的數量形態逐漸受到關注。

2.1 年齡依賴的腦白質炎癥反應 現已證實大腦炎癥反應的中樞環節是小膠質細胞的激活。通過標記獼猴和小鼠腦內的MHCII發現老年大腦內活化的小膠質細胞數量增多,特別是在腦白質區域尤為明顯,而這種現象還伴隨著認知能力減退。小膠質細胞可以通過補體成分C3和C4以共價形式與髓鞘結合,其中C3a是強效的炎癥趨化因子。小鼠如果缺少C3a受體(C3aR)的表達,其白質的炎癥反應將被減弱。這種補體與髓鞘的結合被認為是多發性硬化及其他神經變性疾病的典型病理學特征。現發現隨年齡增加這種結合明顯增多,因此被認為是老年腦內炎癥反應的關鍵啟動環節〔4〕。

除了小膠質細胞的活化,在老年獼猴大腦白質區普遍發現反應性的星形細胞即GFAP(glial fibrillary acidic protein)陽性的細胞數增多,體積增大。在老年人類和嚙齒類動物大腦內均發現GFAP的m RNA和蛋白表達上調,但星形膠質細胞的數量并未增加。反應性星形膠質細胞也可通過合成炎癥分子導致炎癥反應,并且其數量增長同樣與年齡有關〔5〕。

此外值得注意的是老年大腦內出現的泛素含量升高現象。用免疫電鏡技術發現,泛素陽性的高密度區出現在膠質細胞,而且腫脹的髓鞘能被泛素染色所標記,顯示白質的泛素免疫反應性較灰質高〔6〕。由于泛素蛋白質復合物可顯示原發性的蛋白降解,其在老年大腦和神經元變性疾病中的出現,說明年齡相關的蛋白酶體功能障礙而導致遺留了大量的未降解的潛在無功能蛋白復合物參與了腦老化過程。

2.2 老年髓鞘的形態變化 在一項針對丹麥人的研究中發現,有髓神經纖維的總長度每10年約減少10%,而一生則可減少45%。這表明髓鞘的長度減少較白質體積減少程度更大,提示老化時髓鞘結構異常,引起的傳導功能降低可能參與了老化認知功能損害,老化時的髓鞘退變和破壞與神經傳導速度有關,這可能是認知活動減慢的重要原因〔7〕。此外老化時常見的髓鞘異常有髓鞘板層結構分離,髓鞘內囊泡形成以及含有一些致密電子密度顆粒,有研究提示其與認知能力降低有關〔8〕。

3 老年髓鞘的生化和代謝改變

髓鞘的功能正常維持需要髓鞘的各種組分比例和量保持一種動態平衡。老年大腦的炎癥反應、髓鞘的崩解變性、異常蛋白質的分解均可打破這種平衡,從而導致髓鞘的功能異常。

3.1 髓鞘成分的改變 髓鞘的主要成分為各種脂質和蛋白質,通過尸檢發現老年腦白質中主要脂質成分,包括磷脂質、膽固醇、腦苷脂、腦硫質等的含量呈曲線減少。值得注意的是神經節苷脂的變化,在20～50歲間變化平穩,而70歲后則有明顯下降〔9〕,現已證實神經節苷脂的含量和組成變化是影響腦老化的重要因素〔10〕。利用放射性核素替換髓鞘脂質成分來測試代謝率,發現髓鞘脂質代謝可分為兩部分,約60%的髓鞘脂質成分代謝速率較快,而剩余40%的髓鞘脂質則相對緩慢。其中腦苷脂和神經節苷脂GM1的代謝率明顯升高,提示老年髓鞘的代謝速率較青年快〔11〕。

此外需要注意的是年齡相關的髓鞘蛋白變化。雖有文獻報道髓鞘堿性蛋白(myelin basic protein MBP)存在年齡相關的減少〔12〕,但對存在認知障礙的獼猴研究中發現 MBP、蛋白脂質蛋白(proteolipid protein,PLP)及髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)并未出現預計的年齡相關變化。與之相對的是髓鞘少突膠質細胞特殊蛋白(myelin oligodendrocyte specific protein,MOSP)和2-3環核苷酸磷酸二酯酶(2′3′-cyclicnucleotide phosphodiesterase,CNPase)在老年大腦中含量增加〔13〕。髓鞘對軸突的緊密壓縮需要MBP替換CNP,因此老年大腦內增多的CNPase可導致髓鞘的結構疏松和空泡形成。而缺乏 CNPase的小鼠可導致年齡依賴的神經膠質瘤病〔14〕,則說明CNPase對髓鞘及軸突的維持具有重要作用。與CNPase增長同時發現的是CNPase及MOSP的蛋白降解作用,相當數量的CNPase及MOSP水解片段在老年大腦中被發現。蛋白酶體系統異常和鈣蛋白酶-1(calpain-1)活性的異常升高可以解釋這一現象〔15〕。因此老年大腦的 CNPase增加是由于年齡依賴的髓鞘和軸突維持需要及蛋白水解酶體系統異常兩方面因素而致。

3.2 髓鞘的再生修復能力的改變 少突膠質細胞是中樞神經系統(central nervous system,CNS)髓鞘形成細胞,起源于CNS室周區及室下區有增殖能力的神經上皮細胞,即神經祖細胞(neural progenitor cell,NPC),發育過程依次歷經NPC、少突膠質先祖細胞、少突膠質細胞前體細胞(oligodendroglia precursor,OPC)、幼稚少突膠質細胞、成熟少突膠質細胞幾個階段。在此過程中,隨著內外環境的改變,一系列特異性的轉錄因子被激活或抑制從而調控OL的發生、增殖、遷移并最終分化為成髓少突膠質細胞。

在病理性髓鞘損傷后,髓鞘可由NPC、OPC有效修復。研究表明髓鞘形成效率的下降主要因為OPC的募集和分化障礙,而少突膠質細胞的募集主要由轉錄因子所調控的各種生長因子所調節的。與少突膠質細胞募集有關的生長因子,例如PDGF、FGF和TGF-b在老年均表達下調〔16,17〕。因此老年狀況下少突膠質細胞的轉錄因子調節作用對解決髓鞘修復障礙具有重要意義。其中幾種轉錄因子如SOX2(維持神經干細胞分化潛能)、Olig2(促進NPC分化為OPC)、Olig1(促進 OPC分化為幼稚少突膠質細胞細胞)、SOX10(促進OPC分化為幼稚少突膠質細胞細胞)、Hes5(抑制OPC分化)。Id2/Id4(抑制 OPC成熟)是髓鞘修復的關鍵轉錄因子。其中已被證實的是在cuprizone誘導的老年小鼠脫髓鞘模型中發現在髓鞘修復時OPCs大量分化為星形膠質細胞而非如青年小鼠般分化為少突膠質細胞,這一現象與Olig2的核漿表達有關〔18〕。

3.3 影響髓鞘修復的表觀遺傳因素 表觀遺傳學(epigenetics)是研究在基因組DNA序列沒有發生改變的情況下,基因的表達和功能發生可遺傳的變化,并最終導致表型變化的機制和規律。其研究內容主要包括DNA的甲基化、組蛋白的共價修飾、microRNAs(miRNA)等對基因表達的調控作用。

在真核細胞中,核小體為組成染色體的基本結構單位,由組蛋白和大約150個bp的DNA組成的直徑約10 nm的球形小體,其核心由H2A、H2B、H3和 H4四種組蛋白各兩個分子組成八聚體構成,核心顆粒間通過一個組蛋白H1的連接區DNA彼此相連。通過修飾組蛋白末端殘基,例如甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等,改變染色體結構,導致基因表達改變,從而影響細胞命運決定。

組蛋白的修飾主要通過幾種酶的作用,包括組蛋白甲基轉移酶(histone methyltransferase,HMT)、組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferase,HAT)、組蛋白脫乙酰基酶(histone-Deacetylase,HDAC)。發育中生物的組蛋白大多數處于乙酰化的狀態且染色體結構較為松弛,有利于基因的轉錄。HDAC可將核小體H3組蛋白去乙酰化,使染色體更緊密,導致OPCs的分化抑制基因表達下調。在胚胎期OPC的研究中發現抑制HDAC可導致OPCs分化抑制因子形成抑制基因的表達,最終導致 OL形成障礙〔19〕,因此組蛋白修飾與髓鞘修復的關系逐漸受到重視。在老年小鼠大腦的脫髓鞘反應的修復期,HDAC的表達降低,同時觀察到髓鞘抑制因子如SOX2、Hes5、Id2、Id4等基因的表達較青年小鼠高,成熟OL少,而抑制HDAC活性后同樣能觀察到此現象〔20〕。

4 展 望

在對于腦老化的研究從神經元丟失的認識逐漸發展到白質的改變。而衰老時白質改變的認識也經歷了從大體形態、生物化學分子成分的變化、轉錄因子調節到表觀遺傳的影響等環節。雖然對衰老時白質改變已有了系列的研究,但每個環節都還存在未解決的問題,尤其是對髓鞘修復過程中復雜的分子調控機制的探索仍有大量疑問,特別是最近發現缺少miRNA-219和miRNA-338兩種少突膠質細胞特殊的miRNA將導致少突膠質細胞成熟障礙〔21〕,其與老年白質改變的關系目前還未見報道。而解決這些問題將為預防、治療腦老化提供新思路和策略。

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