腦內(nèi)胰島素與阿爾茨海默病研究進展

林華型 盛樹力

(香港中藥與天然藥物研究所，香港特別行政區(qū))

近年來許多科學家認為，散發(fā)性阿爾茨海默病(SAD)是一種以腦內(nèi)β-淀粉樣肽前體蛋白(β-APP)產(chǎn)生β淀粉樣蛋白(Aβ)增加并形成寡聚體為中心，這些特征表明了屬于表觀遺傳學疾病。但深層次原因可能是腦內(nèi)與認知功能相關的神經(jīng)元胰島素信號轉導網(wǎng)絡障礙有直接關系。因此，腦內(nèi)胰島素的生理功能受到關注〔1～4〕。

1 腦內(nèi)胰島素的生理功能

腦內(nèi)胰島素樣生長因子1受體(IGF1-R)是老化程序的信號通路，三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)和神經(jīng)酰胺兩種不同的脂類作為第二信使起到作用，但尚需證實它們下游的信號分子，導致Trk A top75 NTR是開啟IGF1-R下游的特殊機制。腦內(nèi)胰島素的生理功能上主要有幾方面研究進展:①胰島素和胰島素樣生長因子1(IGF1)及其受體和信號轉導成分選擇性分布于認知相關的腦區(qū)，如海馬、內(nèi)嗅皮層等;通過PI3K-AKT信號轉導通路支持神經(jīng)元存活和維持正常功能及增強突觸效應〔4〕。胰島素不僅激活α分泌酶、減少APP產(chǎn)生Aβ，并增加具有神經(jīng)營養(yǎng)作用的sAPPα水平。胰島素使胰島素受體磷酸化，促使Aβ寡聚體結合到神經(jīng)元明顯減少。Shalin等〔5，6〕研究發(fā)現(xiàn)，胰島素信號轉導障礙，則Aβ寡聚體影響突觸可塑性，必將導致神經(jīng)元變性而直至凋亡;②對葡萄糖代謝的區(qū)域性效果。利用正電子發(fā)射斷層掃描(PET)技術，人類從分子水平研究顯示少量胰島素使腦葡萄糖代謝增加，最明顯在皮層。這種效應由于胰島素、胰島素受體和胰島素敏感的葡萄糖轉運蛋白的重疊分布，所以在特殊腦區(qū)如海馬和下丘腦中就存在胰島素刺激攝取葡萄糖的可能性。突觸傳遞需要突觸線粒體的供應能量，神經(jīng)元病理性老化過程中，線粒體損傷是引起神經(jīng)元凋亡的關鍵因素之一。不同載脂蛋白E4(ApoE4)基因型攜帶者與AD平均發(fā)病年齡相關，4/4型小于70歲、2/3型為93歲，這是因為ApoE4蛋白極易酶解成C端截斷型片段進入線粒體而導致線粒體損傷;③促進Aβ從神經(jīng)元胞內(nèi)釋放，Aβ結合到IGF-1誘導的載脂蛋白被轉運出腦;生理條件下，神經(jīng)元和小膠質(zhì)細胞分泌胰島素降解酶(IDE)，使細胞外降解Aβ、防止Aβ寡聚體形成。胰島素和Aβ是IDE的底物，但胰島素對IDE的親和力遠大于Aβ，胰島素競爭結合IDE，抑制IDE對Aβ的降解;④微管相關蛋白tau過度磷酸化形成的tau寡聚體，具有明顯的神經(jīng)毒性作用。寡聚體可進而形成神經(jīng)元纖維纏結。tau正常磷酸化由磷酸激酶和磷酸酯酶二組酶活性維持平衡，其中以糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、Akt/PKB和蛋白磷酸酶2A(PP2A)最為重要，但它們都受胰島素信號網(wǎng)絡調(diào)控。信號轉導障礙導致磷酸激酶活性增加和磷酸酯酶活性降低，形成tau過度磷酸化;⑤Renthal等〔7～9〕研究證明，正常的精神活動與胰島素信號網(wǎng)絡調(diào)控有關。胰島素控制神經(jīng)遞質(zhì)、特別是單胺類神經(jīng)遞質(zhì)如Ach和去甲腎上腺素的釋放。胰島素可使膜下受體轉位到突觸后膜，參與增強突觸效應〔10〕。近年來對癡呆病人存在精神行為異常A(Activity)、B(Behaviour)、C(Cognition)的神經(jīng)生物學基礎研究取得了重大進展，研究表明糖尿病(DM)和SAD病人的高抑郁癥患病率與代謝綜合征或胰島素抵抗密切相關。提示，腦內(nèi)胰島素與異常行為等癥狀也與表觀遺傳學有關〔7，8〕;⑥腦內(nèi)胰島素可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)控制體重的最重要激素，循環(huán)中胰島素水平與能量貯存多少和胰島素進入CNS呈比例。腦內(nèi)胰島素為維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)水平所必需。胰島素受體及其下游分子在弓狀核、腹內(nèi)側核、紋狀體和脈絡叢表達。下丘腦胰島素信號長期損害產(chǎn)生攝食過度、高胰島素血癥，但胰島素敏感性降低。胰島素信號和能量代謝之間的聯(lián)系在下丘腦水平和下丘腦胰島素抵抗可能是DM高血糖的重要原因;⑦鏈脲佐菌素(STZ)作為SAD實驗模型，造模后3和6個月認知功能下降，如胰島素-1基因表達下降85%和57%時;胰島素受體mRNA下調(diào)19%和26%，蛋白將下調(diào)到23%和28%。IDE mRNA下調(diào)19%和38%時，蛋白下調(diào)到22%和21%;Aβ42在3個月后胞內(nèi)聚集，6個月后出現(xiàn)老年斑(SP)。表明腦胰島素和胰島素受體信號級聯(lián)反應無功能在先和引起時間依賴的Aβ沉積;⑧Watson等研究顯示，作為治療2型糖尿病(T2DM)的胰島素增敏劑羅格列酮〔11～13〕，可激活過氧化物酶體增殖物活化受體(PPAR-γ)和線粒體。從而改善外周和腦內(nèi)胰島素抵抗，增加Aβ清除、降低Aβ42的水平(對Aβ40無影響)和減少tau蛋白過度磷酸化。增加轉基因AD小鼠的海馬的IDE mRNA，降低血中皮質(zhì)酮水平。臨床應用羅格列酮(4 mg/d，24 w)治療健忘型輕微認知缺損(MCI)和輕度AD(N=34，對照=17)或胰島素鼻內(nèi)給藥可以提高非ApoE4攜帶者AD患者的記憶及認知功能(早期AD和健忘型MCI各13例，對照35例)。提示羅格列酮不僅能改善AD患者認知功能，還能降低腦脊液中Aβ的含量。

研究表明，胰島素信號轉導障礙與AD三大病理特征(SP、NFT和腦萎縮)密切相關，也是精神癥狀的生物學基礎。綜合一些學者的研究，由胰島素和IGF-1啟動正常腦老化向病理性腦老化轉化存在非常復雜的過程。這一過程主要涉及ProNGF增加，激活 p75死亡通路和神經(jīng)酰胺(Ceromide)增加導致Aβ42持續(xù)增加，AD腦Cer增加3倍多，它可能是細胞衰老的核心調(diào)節(jié)分子或第二信使。Cer的產(chǎn)生為年齡依賴方式，伴BACE1、TrKA和p75平行增加。年青動物主要表達TrKA，年老動物主要表達p75，這種表達模式改變是對nSM酶年齡依賴激活的反應，這些僅表達TrKA或p75的細胞系受NGF處理后，表達p75的細胞Cer和APPβ位裂解增加，表達了TrKA的細胞β位裂解和ADIC減少的可能。

2 腦內(nèi)胰島素與基因表達的調(diào)節(jié)

胰島素是一種具有調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝和促進細胞發(fā)育和存活的多功能激素，它至少調(diào)控150多個靶基因，可分為二大類:一是以降血糖為標志的與代謝有關的快速反應基因，促進葡萄糖利用、轉化和形成短時記憶的相關基因;二是支持細胞存活發(fā)揮正常功能的相關基因。前者可能通過胰島素受體底物2(IRS2)，后者可能通過胰島素受體底物1(IRS1);它們分別通過不同亞單位組成的PI3K-Akt信號轉導網(wǎng)絡的信號逐級分化，激活不同的核轉錄因子、蛋白質(zhì)呈組合式(特定模式的多種蛋白質(zhì)表達增加/減少同時存在)表達，呈現(xiàn)胰島素固有的生理功能。當血糖升高引起胰島素呈脈沖式分泌時，胰島素信號轉導到靶基因，增加或減少靶基因產(chǎn)物成為正/負反饋產(chǎn)物，調(diào)節(jié)胰島素及其信號轉導蛋白的表達和活性，使胰島素分泌恢復到靜息狀態(tài)。當復雜的胰島素信號轉導通路及靶基因產(chǎn)物的反饋通路存在任何障礙時，完全有可能影響靶細胞的功能和繼之出現(xiàn)胰島素抵抗。但任何功能都需要激活其受體及其信號轉導通路。Hoyer首先提出神經(jīng)元胰島素受體脫敏在AD發(fā)病中起重要作用〔14，15〕。所以根據(jù)胰島素在腦內(nèi)的作用，我們有理由相信SAD廣泛的神經(jīng)化學改變的始動原因與腦內(nèi)胰島素及其信號轉導網(wǎng)絡障礙有關。問題是腦內(nèi)胰島素通過什么機制調(diào)控與Aβ42增加有關的基因表達。我們在文獻〔16〕中已表達了腦內(nèi)胰島素通過表觀遺傳學調(diào)節(jié)機制與SAD發(fā)病有關的表述〔17，18〕，但還需要直接證據(jù)。

3 腦內(nèi)胰島素與SAD發(fā)病機制

Aβ42產(chǎn)生和降解有關的基因應該是胰島素的靶基因，它們對胰島素的組合式反應是維持Aβ42正常水平的關鍵性因素。靶基因的甲基移換酶和去甲基酶、組蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶影響靶基因轉錄mRNA，而mRNA又受特定的基因DNA轉錄的miRNA調(diào)控，因此一個靶基因的蛋白質(zhì)表達增加，表示靶基因DNA啟動子低甲基化，組蛋白高乙酰化和低miRNA;反之，則蛋白質(zhì)表達減少。但這種概括性的理念，對每一個具體的基因應分別對待。首先確認蛋白質(zhì)表達量的改變，其次觀察靶基因DNA啟動子甲基化、組蛋白乙酰化的程度，最后測定miRNA，以最終確定靶基因蛋白質(zhì)表達改變的直接原因。雖然胰島素通過表觀遺傳學調(diào)節(jié)導致的靶基因組合式反應，但仍存在與表觀遺傳學調(diào)節(jié)相關酶類的非均一性的極大可能性。如使APP、PS和BACE等基因DNA啟動子低甲基化酶，雖然功能相同，但可能具有基因相對特異性。AD腦存在部位和階段特異的不同 miRNA 調(diào)節(jié) APP、BACE1、BACE2、APH1A、TAU 等mRNA水平〔16〕。提示胰島素的表觀遺傳學調(diào)節(jié)復雜性遠超過想像;現(xiàn)在研究胰島素對SAD的表觀遺傳學調(diào)節(jié)復雜性的深入研究，可能對SAD的發(fā)病機制、藥物和非藥物干預提供突破性進展的可能性。

4 結語

綜上，SAD是以Aβ42增加并形成寡聚體為特征，屬于表觀遺傳學疾病的范疇。認知功能是胰島素的依賴，腦內(nèi)胰島素及其信號轉導網(wǎng)絡在腦內(nèi)的選擇性分布，顯示與SAD的相關性。但腦內(nèi)胰島素信號轉導障礙與SAD神經(jīng)化學改變之間的存在表觀遺傳學調(diào)節(jié)機理障礙，確切實驗依據(jù)有待深入研究，或將有助于對SAD的發(fā)病機制和藥物開發(fā)取得突破性進展。

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