過氧化物酶體功能異常與阿爾茨海默病

孫雪培 孫 艷 姜玲玲 石 蕓

摘 要：過氧化物酶體是一種廣泛存在于真核細胞內的異質性細胞器，具有多種酶活性，主要功能是參與脂肪酸氧化、磷脂合成和氧化應激平衡的調節等過程。研究發現，過氧化物酶體功能異常引起的腦組織中極長鏈脂肪酸聚集、植烷酸貯積、二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）和縮醛磷脂減少等與阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）的發生發展密切相關。盡管具體的機制尚不清楚，但目前認為，過氧化物酶體功能異常很可能是AD發生發展的始動因素之一。因此，就過氧化物酶體功能異常與AD之間關系的研究進展進行綜述.有助于為AD的發病機制研究提供線索和依據。

關鍵詞：阿爾茨海默病；過氧化物酶體；極長鏈脂肪酸；氧化應激

中圖分類號：Q26； R362

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7847（2014）05-0465-06

過氧化物酶體是細胞中存在的一種具有多種生物學功能的細胞器。腦中的過氧化物酶體主要參與腦脂質氧化、磷脂合成、氧化應激、抗炎等過程。阿爾茨海默病（Alzheimer's disease， AD）是老年人常見的一種慢性神經系統退行性疾病，在85歲以卜人群中患病率高達33.6%。AD以進行性記憶和認知功能減退為主要臨床表現，其特征性病理改變為大腦皮層和皮層下神經原纖維纏結、細胞外老年斑（senile plaques，SP）形成及神經元缺失。目前，AD的病因尚未明確，但解釋其發病機制的假說有多種，如淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）聚集、代謝異常、氧化應激等。Aβ是SP的核心成分。研究發現，過氧化物酶體的活性隨年齡的增加而降低；腦中Aβ的過度產生、脂代謝異常以及氧化應激的產生也與過氧化物酶體功能異常有關。這些結果提示，過氧化物酶體不僅在維持大腦的正常功能巾發揮重要作用，而且其功能異常還與 AD的發牛發展密切相關，本文就此作一綜述。

1 過氧化物酶體概述

過氧化物酶體由單層膜圍繞而成，呈圓形，直徑0.1～1μm廣泛存在于除紅細胞外的幾乎所有動植物細胞中。過氧化物酶體內有顆粒狀基質，含有各種依賴黃素的氧化酶和過氧化氫酶（catalase， CAT）.并因此而得名。過氧化物酶體不含DNA成分，其蛋白質的合成由基因組DNA進行編碼。人的過氧化物酶體含有80多種蛋白質，分為兩類：一類為代謝酶類，曰前已知有40多種，主要參與過氧化物的清除和脂類物質的分解和合成等：另一類為組成性蛋白質，稱為peroxin （PEX），參與過氧化物酶體的生物發生、分裂和增殖等過程。

2 過氧化物酶體數量與腦的功能

腦中的過氧化物酶體既存在于神經元細胞，也存在于膠質細胞，呈圓形，散在分布。與其他組織相同，腦中的過氧化物酶體也具有異質性，即其數量、大小隨細胞種類、細胞周期和代謝狀態的不同而發生變化。細胞代謝旺盛或受到某些因素刺激時，過氧化物酶體發生增殖，數量增多；相反，過氧化物酶體發生自噬，數量減少。比如，給予原代培養的皮質神經元細胞Aβ刺激，慢性刺激早期，過氧化物酶體標志蛋白（CAT等）表達增加，過氧化物酶體數量增多；而急性刺激后，過氧化物酶體標忐蛋白的表達反而降低，過氧化物酶體數量也減少，表明過氧化物酶體對不同的刺激狀態有不同的反應。

研究發現，在胚胎發育早期，胎兒的神經細胞中即出現過氧化物酶體，且其數量隨胎齡的增加而增加；但出生后.過氧化物酶體的數量反而降低，這些事實表明，在腦的不同發育階段，過氧化物酶體的數量有所不同，說明過氧化物酶體在腦的正常發育過程中發揮重要作用。需要過氧化物酶體時，過氧化物酶體發生增殖。增殖時，圓形的過氧化物酶體首先極化，從極化的膜上伸出突起，使圓形的過氧化物酶體變為長橢圓狀或管狀，隨后，過氧化物酶體的各基質酶通過轉運機制進入過氧化物酶體內，使其呈現啞鈴狀，最后，過氧化物酶體一分為二.完成增殖。

過氧化物酶體增殖過程中，需要各種PEX的參與。不同的PEX有不同的功能，如PEX11參與過氧化物酶體的延長、PEXl3參與基質酶的轉運等。Pex基因突變會引起過氧化物酶體牛成缺陷，神經細胞不能產生足夠的過氧化物酶體，就會導致嚴重的神經系統發育障礙，此類疾病稱為過氧化物酶體生物發生缺陷病（peroxisomal biogenesisdisease，PBD）。不同的Pex基因突變可導致不同的PBD。比如，Pex】3基因缺陷可導致腦肝腎綜合征（zellweger syndrome，ZS），是最典型的PBD之一.主要病理表現為神經細胞內過氧化物酶體的大量缺失，除此之外，常伴有神經元異位，神經細胞脫髓鞘，神經遷移缺失，橄欖核發育不全等。因此，患兒有嚴重的神經系統功能障礙，主要表現為嚴重的面部畸形，如囟門寬大.高前額，眶上緣發育不傘等，還常伴有視網膜變性導致的白內障，精神運動性阻滯.張力低下，肝功能不全，腎皮質囊腫和先天性心臟病，患者多在出生幾個月內死亡。對Pex13基因敲除小鼠的研究發現.鼠腦神經細胞中線粒體功能異常，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）生成增多，細胞凋亡增加，這些研究表明，過氧化物酶體生成障礙導致的神經系統發育不良可能與線粒體介導的氧化應激和細胞凋亡有關。

AD是年齡相關性疾病，隨著年齡的增加，神經細胞中過氧化物酶體的數量減少，且這種減少隨病情的加重而更加明顯。動物研究也發現，在三月齡的AD模型鼠腦中，即Aβ前體蛋白（β-amyloid precursor protein，APP）轉基因的小鼠腦中，其海馬和皮質神經細胞中，過氧化物酶體數量的變化早于其腦中解剖學上的改變。給予APP/早老素1雙轉基因小鼠過氧化物酶體增殖劑.增加過氧化物酶體數量后，小鼠腦中Aβ斑塊減少，學習記憶能力得到改善。給予原代培養的大鼠海馬神經元細胞過氧化物酶體增殖劑Wy-14.463處理，促使過氧化物酶體發生增殖，可以抵抗Aβ誘導的細胞損傷。因此，腦中的過氧化物酶體只有達到一定數量，才能維持腦的正常功能，這也就解釋了為什么過氧化物酶體增殖劑對AD有一定的治療作用。

3 VLCFA聚集與腦的功能

過氧化物酶體與線粒體一樣，都能經β一氧化途徑氧化脂肪酸。線粒體主要氧化短鏈（≤C6）和中長鏈（C8—C20）的直鏈脂肪酸，而過氧化物酶體的底物譜更加廣泛，除氧化長鏈脂肪酸外，主要氧化極長鏈脂肪酸（very long chain fatty acids，VLCFA.≥C22）、2-甲基支鏈脂肪酸和多不飽和脂肪酸等。VLCFA在過氧化物酶體中的氧化需經轉運、活化和β-氧化3個步驟。VLCFA先由過氧化物酶體膜上的轉運體ABCDl （ATP-bindingcassette，sub-family D，memberl）轉運至過氧化物酶體內，然后由膜上的脂酰輔酶A合成酶催化生成脂酰輔酶A而活化，再由過氧化物酶體β一氧化途徑進行分解。過氧化物酶體有兩條β一氧化途徑，一條與直鏈脂肪酸的氧化有關，由脂酰輔酶A氧化酶1 （acyl CoA oxidase l，ACOXl）、L一雙功能蛋白（L-bif'unctional protein，LBP）、硫解酶（thio-lase A/B，THLA/B）組成；另一條與支鏈脂肪酸的氧化有關，由脂酰CoA氧化酶3（acyl CoA oxi-dase 3，ACOX3）、D-雙功能蛋白（D-bifunctionalprotein，D13P）、固醇攜帶蛋白x（sterol carner pro-tein x，SCPx）組成。每進行一次β-氧化，生成少了兩個碳的脂酰輔酶A，后者進行多次β-氧化循環，直至生成辛酰輔酶A，最后辛酰輔酶A進入線粒體β-氧化途徑徹底氧化為乙酰輔酶A。

上述參與VLCFA氧化的各種酶的基因缺失或活性降低，均會導致VLCFA在腦中發生聚集。這類與VLCFA氧化有關的基因缺陷病主要包括：1） X-連鎖腎上腺腦白質營養不良（X-linked a—drenoleukodystrophy，X-ALD），致病基因為ABCD1。用ABCD1的特異抗體抑制其轉運功能后，對成纖維細胞中C26：O-CoA的p-氧化活性進行檢測發現，正常人的β一氧化活性降低到了與X-ALD病人極其相似的水平，表明ABCD1的功能異常是X-ALD病人VLCFA氧化受阻而發生聚集的原因之一。另有研究發現，雖然X-ALD病人成纖維細胞中催化VLCFA延長的酶—延長酶l（e-longase of very longChain of fatty acid l，ELOVLl）的表達沒有增加，但敲低ELOVLI的表達或抑制其活性后，細胞中C26：0的水平降低，提示脂肪酸的延長可能在VLCFA的聚集中也發揮作用。因此，X-ALD病人組織中VLCFA的異常堆積可能是VLCFA轉運障礙和延長功能異常活化的綜合結果；2）ACOX1缺陷病，又稱為偽新生兒腎上腺腦白質營養不良（pseudo -neonatal a一drenoleukodystrophy，PNALD），病人血中和組織中有大量VLCFA沉；3）DBP缺陷病，病人和DBP敲除小鼠血中VLCFA含量均明顯增加。

VLCFA是構成髓鞘的主要成分。VLCFA在腦內的聚集，不僅會降低髓鞘的穩定性，還會對形成髓鞘的少突膠質細胞等產生毒性，引起髓鞘缺失、髓鞘形成異常或脫髓鞘等病變。除此之外，VLCFA還會對神經細胞產生脂毒性，引發細胞的氧化應激和神經炎癥。X-ALD患兒腦組織中5-脂氧合酶（5-lipoxygerlase，5-1-，0X）的表達及其催化產生的白三烯含量增加，抗氧化物還原性谷胱甘肽（glutathione，CSH）和超氧化物歧化酶（man-ganese superoxidedismutase，MnSOD）的水平降低，線粒體氧化磷酸化功能減弱，ROS生成增多；敲低原代培養的小鼠星形膠質細胞中 ABCD1和ABCD2的表達，使VLCFA在細胞中聚集后發現.5-LOX的表達增加；給予神經母細胞瘤SK-N-BE細胞VLCFA處理后，細胞線粒體膜電位降低，線粒體膜上參與氧化呼吸鏈的復合體Ⅲ和Ⅳ的表達降低，致使ROS產生增多，氧化應激增強。這些研究結果表明，VLCFA可通過誘發氧化應激和神經炎癥等多種機制對神經細胞造成損傷。

AD病人腦中，也存在VLCFA的聚集，用過氧化物酶體β-氧化途徑的抑制劑甲硫噠嗪，抑制大鼠腦過氧化物酶體的β一氧化活性，增加VL-CFA水平后，腦組織中APP以及催化APP 產生Aβ的酶，β-分泌酶（β-secretase，BACEl）的表達增加，最終，Aβ的含量也明顯增加。這些果提示，AD病理狀態下，VLCFA的聚集可促進腦中 Aβ的生成；而VLCFA的聚集可能由過氧化物酶體β-氧化活性降低引起。因此，過氧化物酶體β-氧化活性降低可能是導致AD發生發展的原因之一。氧化應激和神經炎癥是目前公認的Aβ成增多的重要機制。結合上述VLCFA的神經損傷機制，提示，VLCFA可能通過引發神經細胞的氧化應激和神經炎癥來增加Aβ的生成，最終導致認知功能障礙。

4 植烷酸貯積與腦的功能

過氧化物酶體還存在脂肪酸的α -氧化途徑，這種代謝途徑發生在β-碳被封閉（如連有甲基）而無法進行β-氧化的脂肪酸中，例如植烷酸。

植烷酸，即3、7、11、15-四甲基十六烷峻，是一種支鏈脂肪酸，主要來源于食物。植烷酸在過氧化物酶體內先進行α一氧化，去掉一個碳，生成降植烷酸（四甲基十五烷酸），再進行β-氧化。植烷酸的α一氧化過程包含4個步驟。首先，植烷酸活化產牛植烷酰輔酶A，植烷酰輔酶A再在植烷酰輔酶A羥化酶（phytanoyl-CoA hydroxylase，PAHX）的催化下.生成2-羥植烷酰輔酶A；然后，2-羥植烷酰輔酶A再在羥酰輔酶A裂解酶的催化下生成一分子甲酰輔酶A和降植烷醛；最后，降植烷醛在醛氧化酶催化下氧化為降植烷酸。

過氧化物酶體α一氧化途徑中酶的缺陷或活性降低會導致植烷酸發生貯積。目前報道的此途徑中單個酶的缺陷病，最常見的為Refsum病。Refsum病即遺傳性共濟失調性多發性神經炎樣病，又稱植烷酸貯積癥，是由于PAHX基因缺陷，細胞不能進行α-氧化。而導致植烷酸在細胞內貯積。研究發現，用植烷酸刺激神經元細胞和神經膠質細胞后，細胞內Ca 2+明顯減少，線粒體氧化磷酸化和細胞膜Na+-K+- ArrP酶活性均被抑制，細胞ROS產生增多；而用植烷酸刺激HEK293細胞后，細胞膜上G蛋白偶聯受體40（G protein-Coupled receptor， GPR40）活化，激活三磷酸肌醇途徑，導致細胞內Ca 2+增加，提示，植烷酸可能通過與膜受體結合，激活細胞內信導通路，引發氧化應激.改變細胞膜電位，影響神經信號傳遞來發揮毒性作用。

AD病人，由于衰老，其神經細胞中過氧化物酶體的數量減少，活性降低，不僅如此，對植烷酸起主要氧化作用的肝細胞，其中過氧化物酶體的數量也減少，α一氧化和β-氧化活性均降低，因此，AD病人的肝組織中有植烷酸和降植烷酸的貯積。

5 DHA的減少與腦的功能

二十二碳六烯酸（docosahexaenolc acid， DHA）是腦組織中不可或缺的一種多不飽和脂肪酸，除了作為神經細胞膜的結構成分外，還在神經信號傳導、突觸可塑性、神經細胞鈣平衡等方面發揮作用。 DHA經酶催化后，可轉化為含有共軛三烯結構的神經保護因子（neuroprotectin，NPD）。這些神經保護因子可通過抑制白三烯等炎癥因子的產生而發揮抗炎作用。

腦中的DHA主要來源于食物和肝臟，大腦也可進行原位部分合成。DHA的前體分子二十舊碳六烯酸（C24：6，n-3，THA）在過氧化物酶體中，經歷一次β-氧化去掉兩個碳生成DHA。過氧化物酶體β一氧化途徑巾的酶DBP缺陷病人血中不僅VLCFA含量增加，降植烷酸和膽汁酸降解產物的含量也增加，而DHA含量減少。表明，過氧化物酶體β一氧化活性的改變與組織中DHA的含量變化密切相關。

報道顯示，AD病人腦中DHA的含量減少，肝中DHA的含量以及催化THA轉變為DHA的酶DBP的表達也減少，且肝DHA/亞麻酸的比值與腦認知功能呈正相關；而飲食補充DHA可增加腦脊液中DHA的含量，有效改善AD病人的認知功能，提示，AD病人腦中DHA含量的降低可能與肝臟過氧化物酶體β-氧化的活性降低有關.而飲食中添加的DHA可穿過血腦屏障，對腦中降低的DHA進行補充。細胞研究發現，給予神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞DHA處理后發現，Aβ前體蛋白APP的表達和APP淀粉樣肽裂解途徑中，裂解APP產生Aβ的BACE1和γ-分泌酶的活性下降，而非淀粉樣肽裂解途徑中，在Aβ序列內部裂解APP的α-分泌酶（α disintegrin and metalloprolease， ADAM）活性增加，最終導致Aβ水平呈劑量依賴性降低。DHA的中間產物NPD1可使APP由淀粉樣肽途徑向非淀粉樣肽途徑進行裂解，減少Aβ的生成，而AD病人和模型鼠腦中，NPD1的含量以及催化DHA轉變為NPD1的磷脂酶A2和15 -脂氧合酶的表達和活性均降低，提示，不僅DHA本身，DHA的代謝產物NPDI也與AD的發生發展密切相關。

6 縮醛磷脂的減少與腦的功能

縮醛磷脂是甘油骨架C一1位置上含有烯醚鍵的磷脂。縮醛磷脂合成的前兩步發生在過氧化物酶體內。第一步，在過氧化物酶體基質內，磷酸甘油酮脂酰轉移酶（glycerone phosphate acyltransferase，GJNPAT）催化磷酸二羥丙酮（dihyDroxy-acetone phosphaTe，DHAP）脂酰化，生成l一脂酰一DHAP；第二步，在過氧化物酶體膜上，烷基磷酸甘油酮合酶（alkyl-glycerone phosphate synthase，A GPS）催化烷基取代1一脂酰-DHAP上的脂酰基，生成l一烷基-DHAP。然后，1一烷基-DHAP繼續在過氧化物酶體內，或在內質網中被還原生成1一烷基一磷酸甘油，最后，l一烷基一磷酸甘油在內質網中轉變為縮醛磷脂。

縮醛磷脂為細胞膜的結構成分，在調節膜的流動性中發揮重要作用，除此之外，它還參與細胞信號傳導，并作為內源性抗氧化劑抵抗氧化應激。研究發現，脂多糖注射的小鼠腦中，炎性因子白介素IL-lβ和腫瘤壞死因子TNF-α的表達增加，Aβ生成增加，而給予縮醛磷脂后，炎性因子的表達以及Aβ的生成均被抑制；AD病人腦中，縮醛磷脂含量明顯降低，表明縮醛磷脂對腦正常功能的發揮有保護作用。

7 氧化應激與腦的功能

活性氧ROS和活性氮（reactive nitrogenspecies，RNS）物質產生過多會導致氧化應激。過氧化物酶體既可產生ROS/RNS，又可清除ROS/RNS。催化脂肪酸β-氧化第一步的酶-ACOX是過氧化物酶體中產生ROS的主要的酶。產生的ROS主要為超氧陰離子（02.-）和H202。過氧化物酶體中一氧化氮合酶2 （nitric oxide synthase，NOS2）是產生RNS的主要的酶。產生的RNS主要為一氰化氮自由基（NO.）和過氧化亞硝基（ONOO-）。過氧化物酶體中也有清除ROS/RNS的酶，如過氧化氫酶（calalase，CAT），銅鋅超氧化物歧化酶1（superoxide dlismutase，SODl）、過氧化物氧化還原酶5（peroxiredoxin 5，PRDX5）和谷胱阡肽-S -轉移酶（glutathione-S- transf'e rase，GST）等。其中，CAT是過氧化物酶體的標志酶，約占過氧化物酶體酶總量的40%，其作用是還原H202為H2O。

細胞中這些活性物質的產生和清除處于動態平衡，一旦平衡失調，就會發生氧化應激與氧化損傷，導致疾病的發生。研究發現，抗氧化酶CAT、SOD和CST的活性隨年齡的增加而降低，AD病人血中，CAT的活性降低，表明過氧化物酶體抗氧化酶活性下降與AD的發牛發展有關。細胞研究發現，給予神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞Aβ處理后，Aβ可以與CAT發生結合，而結合后，CAT的活性降低，使細胞中H202的含量增。Aβ的前體蛋門APP過表達的SH-SY5Y細胞，細胞中CAT的活性明顯降低，ROS生成增加。而H2O2處理的原代培養的小鼠皮質神經元，細胞中APP和BACE1的表達均增加。這些結果提示，Aβ及其前體蛋白APP均可促進ROS/RNS的產生，而ROS/RNS的生成增加又能夠提高APP和BACE1的表達和活性促進Aβ的生成，這種正反饋會加速神經細胞損傷，引起細胞凋亡而最終導致AD的發生。

8 總結與展望

雖然過氧化物酶體在AD發生發展中的作用還在不斷探索中，但其功能異常導致AD發生的具體機制已初具雛形：衰老等因素使神經細胞中過氧化物酶體的功能發生異常，引起VLCFA聚集，DHA和縮醛磷脂合成減少，氧化還原反應失衡，引發細胞的氧化應激和炎癥反應，對細胞造成損傷，這種損傷又進一步加劇過氧化物酶體的功能異常，從而形成級聯反應，最終導致AD的發生。因此，過氧化物酶體功能異常可能是AD發乍發展的始動因素之一。對這一機制的不斷完善和更新不僅可以為AD的早日破解提供新的線索，而且將為AD的預防和治療提供新的靶點。