阿爾茨海默病相關基因研究進展

黃少軒　婁季宇(通訊作者)　白宏英

鄭州大學第二附屬醫院　鄭州　450014

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阿爾茨海默病相關基因研究進展

黃少軒婁季宇(通訊作者)白宏英

鄭州大學第二附屬醫院鄭州450014

【關鍵詞】阿爾茨海默病；早老蛋白；β-淀粉樣前體蛋白；載脂蛋白E

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是一種常見的中樞神經系統退行性變性疾病，是引起老年人癡呆的主要疾病之一。發病年齡以65歲為界可將AD分為早發型阿爾茨海默病(early-onset Alzheimer’s disease，EOAD)和晚發型阿爾茨海默病(late-onset Alzheimer’s disease，LOAD)兩種。其主要臨床表現為進行性認知障礙、記憶減退、個性改變；主要病理特征為Tau蛋白異常聚集形成的神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFT)、大腦皮質級海馬出現β-樣淀粉蛋白(amyloid-β protein，Aβ)聚集形成的老年斑(senile plaque，SP)以及海馬區和大腦皮質神經元的丟失[1-2]。除少數家族性AD(FAD)外，絕大多數AD都呈散發性(SAD)，其病因和發病機制非常復雜，至今仍不明確，但已證明其發病與多種因素密切相關，如遺傳、年齡、性別、種族、環境等，其中遺傳因素在其發病過程中起至關重要的作用。目前已有多個基因被證實與AD相關，其中與LOAD相關的基因主要有β淀粉樣蛋白前體(amyloid precursor protein，APP)基因、早老蛋白1(presenilin-1，PSEN1)和早老蛋白2(presenilin-2，PSEN2)基因[3]；與晚發型相關的基因主要有載脂蛋白E基因；這些基因的突變可能導致β-淀粉樣蛋白水解產物發生變化，從而引起神經細胞的凋亡以及AD的發病。目前，單核苷酸多態性研究已經開始應用于基因的研究以及單核苷酸多態性的分析，全基因組關聯研究(GWASs)已經成功的應用于多基因疾病的研究[4-5]。研究發現了多個與AD相關的基因。本文對與AD相關的基因綜述如下。

1β-淀粉樣前體蛋白(APP)基因

APP基因位于21號染色體上，由19個外顯子組成，β-淀粉樣蛋白(Aβ)由外顯子16、17編碼；由于轉錄后的剪切和拼接，APP表達的蛋白質中，至少有5種含有Aβ序列。研究顯示，正常情況下，APP先由α-分泌酶酶切產生較大的可溶性的N末端片段和跨膜片段(C83)，后者再由α-分泌酶酶切產生p3和一細胞內片段AICD(APP intracelluar domain)。而異常情況下，APP先由β-分泌酶酶切產生一大的N末端片段和一較小的跨膜片段(C99)，后者再經γ-分泌酶酶切產生Aβ和另一細胞內片段AICD。由于γ-分泌酶酶切位點的不同，可形成Aβ40和Aβ42兩種產物，其中Aβ40是淀粉樣腦血管病(cerebral amyloid angiopathy，CAA)中沉積于動脈壁上淀粉樣物質的主要成分，而Aβ42是腦組織中SP的主要成分[1]，因此二者的比例將決定Aβ是沉積在腦實質還是脈管系統。研究發現，APP基因大多數致病性突變位點位于α、β、γ分泌酶處，這表明其可能通過改變Aβ的水解產物而導致AD。APP基因編碼γ-分泌酶的密碼子中，第714～715位密碼子的錯意突變會減少Aβ40的分泌，第716～717位密碼子的錯義突變會增加Aβ42的分泌。這項研究表明，γ-分泌酶剪切處的突變可能會使Aβ42和Aβ40的比例升高。有人認為Aβ42與Aβ40比值的增高是導致AD發病的原因之一[6-7]。已有報道顯示，伴21三體綜合征的AD患者，其腦組織中NFT和SP的沉積要高于無21三體綜合征的AD患者；這可能是由于21三體綜合征患者出現APP基因的高表達，以及其產物Aβ的累積[8]。上述研究表明，APP基因可能與AD的病理變化有關。

2PSEN1基因

PSEN1基因位于14號染色體上，含有12個外顯子，其中包括10個編碼外顯子，編碼一個由467個氨基酸組成的7次跨膜蛋白質。在正常生理條件下，PSEN1很少以全長蛋白的形式出現，而是表現出一定的方向性，與細胞膜近細胞質的一側結合，或折疊形成疏水性環，C端、N端以及6個親水環也朝向細胞質，形成這種7次跨膜的結構[9]。PSEN1在腦組織內的分布模式與APP相似，參與調節γ-分泌酶的功能，從而影響其水解產物。PSEN1的幾個錯義突變可能導致Aβ42和Aβ40的增多[10]，這可能是PSEN1突變引起AD的主要原因。Wolfe等第一次指出其中2個跨膜處：第6和第7跨膜處的天冬氨酸可能是決定了γ-分泌酶活性的一個關鍵因素[11]。據目前研究發現，30%～70%的突變與早發型AD(EOAD)有關；有PSEN1突變的AD患者多在40～50歲發病；目前發現與EOAD有關的突變超過180個，而這些突變也很可能與LOAD有關[12]。

3PSEN2基因

PSEN2基因位于1號染色體上，含有12個外顯子，編碼1個含有448個氨基酸組成的7次跨膜蛋白，其拓撲結構與PSEN1高度相似，約67%的同源性，尤其是在跨膜區的序列更為相似，約84%[9]。這提示其可能有類似的生物學功能。PSEN2在腦組織內的分布模式同樣與APP相似，參與調節γ-分泌酶的功能，從而影響其水解產物。1995年第一次報道了因PSEN2突變導致AD的病例。現在在EOAD患者中，已發現5種PSEN2基因的突變。然而目前的研究發現，并不是所有PSEN2的突變都與神經退行性病變有關，有些甚至與乳腺癌有關，這些突變引起AD的病理機制目前尚不清楚[13]。

4載脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)基因

APOE基因位于19號染色體長臂上，編碼1個由299個氨基酸組成的堿性蛋白APOE。人類的APOE有3個等位基因：E2、E3、E4。其多態性的分子基礎是第112位和第158位上半胱氨酸和精氨酸間相互的取代。APOE2第112位上和第158位上均是半胱氨酸；APOE3第112位上是半胱氨酸，第158位上是精氨酸；APOE4第112位上和第158位均是精氨酸；這種氨基酸序列的差異歸因于編碼此蛋白的基因中單個堿基的替換，即T→C[14]。APOE有6種不同基因型：E2/2、E2/3、E2/4、E3/3、E3/4、E4/4；其中E3是APOE最常見的等位基因(77%)，而E2(8%)和E4(15%)則相對較少見，故而一般認為E3為野生型，E2和E4為突變型。APOE富含精氨酸，分子量為34 kD，包括N端和C端2個片段，中間由單鏈的氨基酸片段鏈接，是各種脂蛋白的載脂蛋白成分，也是腦組織中膽固醇的主要載體，參與神經元的保養與修復。經水解APOE可產生1個分子量為22 kD的N端區，包含4個螺旋區域，是與細胞表面受體結合區域；1個分子量為10 kD的C端區，是高度螺旋的a螺旋區域，與脂肪的結合有關。APOE與細胞表面的幾個固定受體結合，參與脂質的運輸、葡萄糖的代謝、神經信號的傳導以及線粒體功能的維持[15]，通常APOE參與Aβ的清除過程[16]。

APOE基因是LOAD的一個易感基因，在LOAD的研究中占重要地位。目前研究表明，E3/4、E4/4基因型阿爾茨海默病的發生頻率高于其他基因型，這可能與APOE蛋白的結構變化有關。E4等位基因可能通過改變N端與C端第61位上的精氨酸之間的鏈接改變APOE的結構；第112位上的精氨酸與C端第255位上的谷氨酸相互作用，也可導致APOE蛋白結構的變化，從而出現神經元的死亡和退行性改變。動物實驗顯示，第61位上的精氨酸突變成蘇氨酸或第255位上的谷氨酸突變成丙氨酸都可能導致這2個位點間鏈接的減少[17-18]。一項Meta分析研究表明，含有E4等位基因的人患AD的風險增大[19]；一項對287個個體的大型前瞻性隊列研究也得出了相同結論[20]；Karin等研究也支持APOE4會增加AD患者大腦血栓的形成和纖維蛋白的溶解[21]；Hostage等[22]研究發現，AD患者海馬的體積與ApoE 等位基因存在相關性，含有E4等位基因的個體與不含有E4等位基因的個體相比，海馬體積縮小約4%；E2 等位基因與無E2 等位基因的對照組相比，海馬體積增加約20%；然而韓國的一項研究發現，在正常人群和AD患者中，E2等位基因的比例并無差異，表明E2等位基因可能不會起到保護作用[23]。雖然目前關于APOE與AD的研究較多，但很多病理機制目前仍不很清楚。

5叢生蛋白(clusterin，CLU)基因

CLU基因是全基因組關聯研究(GWASs)發現的與AD相關的另一個基因，人類的CLU基因位于8號染色體上，包含9個外顯子和8個內含子，在哺乳動物中CLU基因序列的保守性高達70%～80%。CLU是一種在所有哺乳動物組織中表達的、高度保守的異源二聚體硫酸化糖蛋白，該蛋白廣泛的表達與機體幾乎所有組織中，發揮生殖調節、細胞聚集、組織修復、免疫調節、脂類運輸等多種功能。此外，CLU不僅與多種生理過程有關，還與多種病理機制有關，如神經退性疾病、衰老和腫瘤。研究表明CLU蛋白具有2種完全相反的功能：一方面CLU有促進細胞凋亡的調節作用，另一方面CLU 參與促進細胞存活、腫瘤演進和耐藥。這種在功能上的顯著區別可能是由于其基因存在2中可變剪切體。動物模型實驗表明，CLU可能與可溶性Aβ的分泌有關，同時阻止Aβ的低聚和纖維化[5]。目前研究發現，在AD患者的腦組織中CLU的表達較健康人上調[24]。這表明CLU基因的突變可能與LOAD有關；此外，也有研究發現，E4等位基因與CLU基因突變之間可能存在某種相關性[24-25]。

6三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白7抗體 (transporter A7，ABCA7)基因

ABCA7基因位于19號染色體上，是一類ATP結合的蛋白質超家族(ATP-binding cassette)，其家族中還包括與ABCA7高度同源的ABCA1，二者共同參與高密度脂蛋白、膽固醇的轉運，磷脂的生成以及膽固醇的胞吐作用；其在調節膽固醇體內平衡以及宿主防御系統中起重要作用[26-27]。ABCA7是一種多次跨膜轉運蛋白，廣泛存在與小膠質細胞中，在脂質包括APP的代謝過程中起重要作用。在AD患者的腦組織中，ABCA7的水平被檢測到升高，且升高水平與腦組織中Aβ的沉積以及疾病病情正相關。最新證據顯示，ABCA7可能有多個通路與AD相關，如脂質代謝和吞噬作用、Aβ的聚集等。目前研究表明，ABCA7的2個突變型rs3752246 和 rs3764650與LOAD有關，其中rs3764650位于第13內含子，rs3752246是第32外顯子的一個錯義突變[26]。

總之，AD是一種最常見的老年性癡呆，但很多時候很難鑒別AD與其他種類的神經退行性疾病，如額顳葉癡呆、路易體癡呆、克雅二氏癥等。AD是一個復雜的疾病，多條染色體上的不同基因可能共同參與其發病，因此找到這些可能與AD發病有關的基因將是AD分子診斷上的重要一步，基因檢測將是研究導致AD的發病機制和途徑的重要方法。基因修飾療法在AD發病的早期，尤其還無出現臨床癥狀的時候很可能是有效的；在患者家屬中基因檢測同樣是預測未來患病風險的重要方法。將疾病標記和基因檢測的方法結合在一起可能會成為更有效的AD診斷方法。因此，發現更多與AD發病相關的基因將為AD的診斷提供更多的信息。

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(收稿2015-06-18)

【中圖分類號】R743.34

【文獻標識碼】A

【文章編號】1673-5110(2016)04-0082-03