運動通過調控β淀粉樣蛋白防治阿爾茨海默病的可能分子機制

張憲亮，徐 波，季 瀏，余 鋒，孫立巖

運動通過調控β淀粉樣蛋白防治阿爾茨海默病的可能分子機制

張憲亮，徐 波，季 瀏，余 鋒，孫立巖

阿爾茨海默病（AD）是一種神經退行性疾病，Aβ的過量表達及異常堆積是其發生發展的主要原因之一。本文以β淀粉樣蛋白級聯假說為線索，闡述了α，β，γ分泌酶對Aβ生成的調節、不同形態Aβ的毒性以及Aβ毒性作用機制。不管是自主運動還是被動運動，中低強度有氧耐力運動均可通過抑制Aβ產生、促進其清除以及抑制其神經毒性作用來預防與緩解AD，但其具體分子生物學機制不甚清楚。因此還探討了運動如何通過調節α，β，γ分泌酶之間的平衡抑制Aβ的產生；運動如何通過胞外降解、胞內吞噬、轉運清除等途徑促進Aβ清除；運動如何通過調控機體抗氧化能力、抗炎性反應、細胞凋亡等來抑制Aβ神經毒性。但抗阻運動對緩解AD病癥是否仍具有積極意義，目前仍無相關動物實驗證實。自噬是一種溶酶體依賴性降解代謝機制，在AD的發病進程中起到重要作用。研究發現，通過激活自噬可增強可溶性或纖維狀Aβ的清除，但運動能否通過調控自噬水平促進腦內Aβ清除，也是今后需要解決的重要問題之一。

阿爾茨海默病；β淀粉樣蛋白；自噬

阿爾茨海默病（alzheimer’s disease，簡稱AD）是一種以β淀粉樣蛋白（amyloid-β，簡稱Aβ）和tau蛋白異常磷酸化為特征的漸進性神經退行性疾病。研究發現，AD中β淀粉樣蛋白前體蛋白（amyloid β-protein precursor，簡稱APP）水解紊亂造成Aβ積聚，是造成AD的主要原因。目前，我國AD患者約600余萬人，AD已經成為當代醫學亟待解決的重要問題，但是目前尚無治療AD的特效藥物。研究發現，運動對預防、緩解AD具有一定的作用，但其機制尚不清楚。本文對Aβ的產生、清除及其毒性機制進行綜述，并從以上3個角度探討運動對Aβ的調節作用。

1 Aβ的產生、結構及神經毒性機制

Aβ是由APP在蛋白水解酶的作用下水解產生的蛋白片段。APP首先在β分泌酶的作用下，斷裂APP671與APP672之間的肽鍵，形成sAPPβ和C99，C99在γ分泌酶的作用下繼續分解形成Aβ和AICD，此途徑產生的Aβ具有很強的神經毒性作用。APP在α分泌酶的作用下，斷裂Aβ序列內lys16-leu17位點的肽鍵，破壞Aβ結構，抑制Aβ產生。Aβ主要存在Aβ40和Aβ42兩種形式，其中，Aβ42毒性最強，可誘發病理過程中各級聯反應，導致AD產生。Aβ40和Aβ42均經歷了從可溶性Aβ到不溶纖維狀Aβ的轉變[1]。

正常情況下，Aβ的產生和降解處于動態平衡狀態；病理條件下，APP的2條水解途徑出現異常，Aβ含量顯著增加，達到正常值的4～10倍。Aβ濃度過高誘導神經細胞產生氧自由基，導致活性氧（reactive oxygen species，簡稱ROS）增加，過量的ROS引發神經細胞氧化應激損傷，造成抗氧化系統受損，細胞膜結構改變，膜功能出現障礙等。一方面，自由基與多不飽和脂肪酸作用，引發脂質過氧化，導致Ca2+大量內流，抑制Na+-K+-ATPase和Ca2+-Mg2+-ATPase，導致ATP異常活躍，引發神經元損傷；另一方面，自由基可導致線粒體DNA損傷，降低細胞色素氧化酶（cytochrome oxidase，簡稱COX）活性，導致細胞色素c釋放和半胱胺酸天冬氨酸蛋白酶（caspases）活化，誘發細胞凋亡。OHYAGI等[2]研究發現，Aβ還可以直接增加p53含量、轉錄活性及穩定性，促使細胞色素c釋放，誘發細胞凋亡。另外，Aβ積聚還可以激活小膠質細胞，分泌大量炎癥因子和神經毒性物質，如白細胞介素1（IL-1）、腫瘤壞死因子-α轉化酶（TNF-α）等，引起腦內炎癥反應，造成神經元損傷[3]。

2 運動對Aβ的影響

ADLARD等[4]發現，1月齡TgCRND8轉基因AD雌性小鼠在進行5個月自主跑輪運動后，Aβ斑塊、Aβ40和Aβ42蛋白表達均降低，其學習記憶能力增強。WANG等[5]發現，采用2月齡C57BL/6小鼠通過側腦室注射Aβ25-35法進行AD造模，12天自主跑輪運動顯著改善了AD小鼠空間記憶能力的損害。HYUN等[6]發現，以13月齡NSE/APPsw轉基因AD小鼠為研究對象，強度為13 m/min、為期16周的跑臺訓練可顯著降低小鼠腦內Aβ42水平，抑制凋亡相關因子表達，上調BDNF、GLUT-1蛋白表達，促進SOD-1、HSP-70、GRP-78等蛋白表達。LIU等[7]發現，在選用3月齡APP/PS1轉基因小鼠進行為期5個月、45%～55%VO2max的跑臺訓練時，跑臺運動可顯著抑制其AD病癥，減少Aβ沉積。綜上，不管是自主運動還是被動運動，中低強度的有氧耐力運動可以減少Aβ沉積，有效緩解AD發病進程，但其具體生物學機制尚不清楚。本文將從運動減少Aβ產生、促進Aβ清除、抑制Aβ毒性作用3個方面進行探討。

2.1 運動減少Aβ的生成

APP在β，γ分泌酶的共同酶切下形成Aβ，而在α，γ分泌酶的雙重裂解下抑制Aβ產生。因此，α，β和γ分泌酶表達及活性的平衡在Aβ生成中起重要作用，是抑制Aβ堆積的重要靶點。運動訓練對Aβ水平的調節是否通過改變α，β和γ分泌酶表達及活性來完成的呢？

YU等[8]發現，8周跑臺運動（v=0.9 km/h）降低了腹腔注射D半乳糖造模AD大鼠的Aβ42水平，同時促進了ADAM10 mRNA（α分泌酶）表達，且抑制了BACE1 mRNA（β分泌酶）表達。KANG等[9]研究也發現，12周跑臺運動（v=12 m/min）降低24月齡PS-2轉基因鼠β分泌酶水平，減少Aβ42沉積。說明，運動可通過提高α分泌酶水平和抑制β分泌酶水平來抑制Aβ生成，其生物學機制可能與適宜的體育運動可通過激活AMPK，從而下調β分泌酶表達有關[10]。同時，還可能與運動通過激活Sirt1蛋白表達從而促進α分泌酶活性[11]，促使APP水解途徑向非Aβ途徑轉移，減少Aβ生成有關。

γ分泌酶既參與APP水解途徑，又參與非APP水解途徑，是研究AD的一個重要靶點，但關于γ分泌酶的研究仍存在爭議。XU等[12]研究發現，6周自主跑輪運動結合抗氧化治療對APP/PS1轉基因鼠海馬內γ分泌酶蛋白表達的影響不明顯。但本實驗室前期研究發現，8周的跑臺運動（v=0.9 km/h）上調ADAM10 mRNA的表達，下調BACE1 mRNA、PS1mRNA（γ分泌酶）的表達，減少Aβ的生成[13]。以上研究結果不一致，其原因可能是：（1）運動方式不同，前者在有氧訓練的基礎上結合抗氧化治療，抗氧化治療可能會干預運動訓練的效果；（2）所選AD模型不同，后者采用腹腔注射D-半乳糖造AD模型，并不能完全模擬AD癥狀；（3）指標所選檢測方法不同，γ分泌酶包括4個亞基：PS1、PS2、NCT和APH1，后者僅檢測了γ分泌酶中PS1的mRNA表達，并不能代表γ分泌酶蛋白表達及其活性的變化。

2.2 運動促進Aβ的清除

生成的Aβ未能及時清除是造成Aβ堆積的另一原因。Aβ清除主要包括胞外降解、胞內吞噬、轉運清除和細胞自噬等方式，運動訓練是否可以通過以上幾種方式清除Aβ呢？

Aβ胞外降解酶包括腦啡肽酶（neprilysin，簡稱NEP）、胰島素降解酶（insulin degrading enzyme，簡稱IDE）等，經質譜分析，這些降解酶均含有多個Aβ分裂位點。MAESAKO等[14]研究發現，10周自主跑輪運動特異性上調高脂膳食的APP轉基因鼠腦內NEP表達，顯著降低其Aβ沉積。LAZAROV等[15]也發現，5個月自主跑輪運動增強了APP/PS轉基因鼠腦內NEP活性，降低Aβ水平，其原因可能是運動調節NEP上游分子或在翻譯后水平調節NEP表達，但具體生物學機制仍需進一步研究。運動降低Aβ水平不但與NEP有關，也可能與IDE的表達有關[16]，運動可以通過增強胰島素敏感性，上調IDE活性，降低Aβ的水平[17]。

在AD腦中，小膠質細胞可以選擇性吞噬原纖維狀Aβ，調節Aβ水平。AMBREE[18]等研究發現，長期自主跑輪運動減少了Aβ沉積，增加了小膠質細胞數量，激活其吞噬功能。KE等[19]發現，5周跑臺運動可以激活APP/PS轉基因鼠小膠質細胞，減少Aβ肽水平，但不能降低Aβ沉積，推測其原因可能與運動后ATP變化有關。

促進Aβ從腦內向血液流出、抑制Aβ從血液向腦內流入是減少腦內Aβ水平的重要手段。低密度脂蛋白受體相關蛋白-1（Low-density lipoprotein receptor-related protein-1，簡稱LRP-1）是血腦屏障轉運重要受體，近來研究表明，LRP-1調節了AD腦中Aβ的清除[20]。目前為止，關于運動調節LRP的研究并不多，研究人員僅研究了運動后血液及肝臟內的LRP增多[21]，其機制可能為運動提高肝臟內過氧化物體增值活化受體α（peroxisome proliferator-activivated receptor α，簡稱PPAR α）的轉錄水平和翻譯水平，PPAR α誘導LRP的表達[22]，而關于運動對AD腦內血腦屏障及腦細胞表面LRP影響的研究仍是空白。

自噬（autophagy）是進化上高度保守的，溶酶體依賴性降解代謝機制，通過清除和降解細胞內受損細胞器、細胞毒性蛋白等維持細胞內環境穩態和提供細胞代謝所必須的底物。近來很多學者將研究重點放在自噬與AD的關系上，發現自噬是清除Aβ積聚的一個關鍵途徑。研究證實，雷帕霉素可以抑制mTOR，從而激活自噬水平，增強可溶性或纖維狀Aβ的清除，改善AD模型鼠學習記憶能力的下降[23]。同時有研究也發現，運動可以提高Bcl-2轉基因鼠腦內自噬水平[24]，但是運動是否通過提高AD腦內自噬水平來促進Aβ清除、緩解AD仍需研究證實。

2.3 運動抑制Aβ的神經毒性

Aβ誘導的氧化應激[25]、炎癥反應[3]、細胞凋亡[2]等是造成神經元損傷、認知功能下降的主要原因。運動可以改善海馬神經元認知功能損害，其機制為運動抑制了AD腦內的氧化應激、炎癥反應和細胞凋亡等。

FELICE等[25]研究發現，Aβ可以結合NMDA-R的NR1亞單位，激活NMDA-R，導致胞內Ca2+紊亂，刺激ROS。而適宜的運動可以通過提高機體抗氧化能力增強線粒體供能，抑制ROS誘導的神經毒性。一種觀點認為，運動可以通過增強海馬內抗氧化酶活性，抑制ROS水平[26]；另一觀點認為，運動減少了氧化應激的標記性蛋白——活性羰基衍生物（reactive carbonyl derivatives，簡稱RCD）的表達，下調羰基衍生物表達，抑制AD發展[27]。同時，還有觀點認為，運動可以上調海馬內線粒體膜上解耦聯蛋白（uncoupling protein-2，簡稱UCP2），抑制ROS的生成[28]；AD腦內Aβ也可以引起炎癥反應，擾亂神經元功能[3]；3個月跑臺運動（12 m/min或19 m/min）可以通過抑制AD腦內炎癥因子IL-1β、IL-6和TNF-α來提高認知能力，改善海馬功能[29]。

而且，運動可以抑制Aβ異常沉積引起的細胞凋亡，改善海馬功能的損害。HYUN等[7]發現，選用NSE/APPsw轉基因AD鼠作為研究對象，強度為13 m/min、為期16周的跑臺運動逆轉了AD鼠腦內細胞色素C、caspases-9、caspases-3表達的上調，抑制了腦功能損傷。一方面，運動可以通過上調Bcl-2表達或Bcl-2/Bax比值，抑制caspases級聯反應；另一方面，也可以通過抑制p53基因，抑制細胞凋亡。同時，晚期糖基化終末產物受體（receptor of advanced glycation end product，簡稱RAGE）、P75神經營養因子受體可以與Aβ結合促進細胞凋亡，而運動可以抑制RAGE表達，抑制細胞凋亡。

3 小結與展望

Aβ生成及存在的多種狀態都會產生神經毒性，Aβ生成與清除的動態平衡，以及抑制Aβ神經毒性在AD治療過程中起了重要作用。運動訓練作為一種特殊的干預方式，可能通過減少Aβ生成、促進Aβ清除、抑制其神經毒性等預防和延緩AD發病進程。但目前體育科學與運動醫學領域內有關Aβ與阿爾茨海默病的研究還較少，還有很多生物學機制尚不清晰。如中低強度有氧耐力運動可有效緩解AD，但抗阻運動對于緩解AD病癥是否仍具有積極意義呢？其生物學機制又是什么呢？多種運動模式對AD產生的作用影響是否優于單一運動模式？細胞自噬與AD發生之間存在密切關系，那么運動訓練預防和緩解AD是否是通過調控細胞自噬發生而實現的呢？Aβ異常堆積可引發線粒體結構與功能異常，導致ROS及細胞色素C的大量釋放，適宜的體育運動能否通過增強線粒體自噬來吞噬受損線粒體，緩解AD癥狀呢？相信這些問題的解決將有助于人們更加充分地熟知運動狀態下，Aβ與阿爾茨海默病之間的生物學關系，并為以后通過運動訓練的方法預防和緩解阿爾茨海默病的發生提供理論上的依據。

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Possible Molecular Mechanism of Exercise Prevent Alzheimer's Disease by Regulating β-amyloid

ZHANG Xianliang，XU Bo，JI liu，YU Feng，SUN Liyan
（Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention，Ministry of Education，East China Normal University，Shang?hai 200241，China）

Alzheimer's disease（AD）is a common neurodegenerative disorder.The excessive expression and abnormal aggregation of amyloid-β peptide has been regarded as one of the main causes leading to development of Alzheimer’s disease.Based on amyloid-β cascade hypothesis，we expounded the regula?tion of α-，β-，γ-secretases in amyloid-β generation；reviewed the neurotoxicity of different aggregation states and toxicity mechanism of amyloid-β.Wheth?er voluntary exercise or forced exercise，low intensity aerobic exercise could prevent from Alzheimer's disease by regulating amyloid-β，however，the mecha?nism was not clear.Therefore，this paper discussed that exercise inhibited amyloid-β generation by regulating α-，β-，γ-secretases；exercise promoted amy?loid-β elimination with degradation，phagocytosis and clearance；exercise refrained amyloid-β neurotoxicity by regulating antioxidant，Anti-inflammation and apoptosis.However，there was no animal experiment that resistance exercise could play a positive effects to AD.Autophagy plays an important role in de?velopment of AD.Activation of autophagy could clear more soluble or fibrous amyloid-β.However，whether could autophagy suspend AD following exercise，which is a research emphasis in the future?

Alzheimer's disease；amyloid-β；autophagy

2013-10-12；

2014-01-18；錄用日期：2014-01-19

國家自然科學基金項目（項目編號：31371204）

張憲亮（1987-），男，山東德州人，在讀博士研究生，研究方向為體育學習與身心健康。

華東師范大學體育與健康學院“青少年健康評價與運動干預”教育部重點實驗室，上海200241。

G 804.5

A

1005-0000（2014）01-006-04