認知功能障礙相關基因的研究進展

林月蓉綜述， 林獻忠審校

認知功能障礙相關基因的研究進展

林月蓉綜述， 林獻忠審校

認知(cognize)是指人腦接受外界信息，經過加工處理，轉換成內在的心理活動，從而獲取知識或應用知識的過程。它包括記憶、語言、視空間、執行、計算和理解判斷等方面。認知功能障礙(cognitive dysfunction)是指上述幾項認知功能中的一項或多項受損，并影響個體的日?；蛏鐣芰?，可表現為學習或記憶障礙、失語、失認、失用、癡呆、精神或神經活動改變等。認知功能障礙發生的影響因素有很多，如器質性疾病、年齡、教育水平、基因、精神疾病等。如今隨著基因檢測技術的提升，對基因與疾病的研究越發深入，基因可能誘發或者延緩認知功能障礙的發生，且與術后認知功能障礙(postoperation cognitive dysfunction，POCD)也有相關性，現就基因與認知功能障礙的相關性進行綜述。

1 載脂蛋白E(Apolipoprotein epsilon，APOE)

APOE位于19號染色體，由299個氨基酸殘基構成，主要在肝臟和腦組織中產生合成，廣泛分布于血漿乳糜微粒、極低密度脂蛋白、極低密度脂蛋白β中。Utermann等于1975年首次發現APOE基因具有多態性，分別為APOEε2、APOEε3、APOEε4[1]，可形成三種純合子(ε2/ε2，ε3/ε3，ε4/ε4)和三種雜合子(ε2/ε3，ε2/ε4，ε3/ε4)共六種APOE基因表型。它通過與受體相互作用參與脂類的轉化、代謝及傳輸過程，同時在神經修復方面也有重要作用。

APOEε4已被證明為晚發型阿爾茨海默病(LOAD)的獨立危險因素[2]。Jenny等對181例LOAD患者和181例正常對照者進行病例對照研究探究多種基因與阿爾茨海默病的關系時也證實APOEε4是LOAD的危險因素，可致LOAD的發病年齡提早[3]。而APOEε4基因與一般認知功能的關系仍存在爭議。Davies等做了一個樣本量為53949的全基因組關聯Meta分析，表明APOEε4與一般認知功能間存在顯著關聯[4]。Richard等發現在未患有癡呆或輕度認知功能障礙的人群中，APOEε4影響年齡相關性記憶的表達，APOEε4攜帶者在60歲前即出現記憶減退[5]。另外還有研究學者對APOEε4攜帶者和未攜帶者進行了神經心理學檢測，發現兩者間智力水平、語言記憶、非言語實踐記憶、認知處理速度無明顯差異，而在執行能力方面APOEε4攜帶者較未攜帶者差，APOEε4攜帶者需要更多的時間去完成連線測試B(TMT-B)[6]。而Shinyan的研究則表明在老年人中，攜帶APOEε4者比未攜帶者認知功能差，相反地，在年輕人中，攜帶APOEε4者有更好的認知功能[7]。

APOEε4基因與阿爾茨海默病的相關研究目前也正在進行，Chen等對75例老年人進行了認知功能評估、靜息態功能磁共振成像掃描和彌散張量成像掃描，其中35例APOEε4攜帶者、40例未攜帶者。影像學結果顯示APOEε4攜帶者的白質網絡連接效率出現了廣泛下降，旁海馬區域的連接效率減低，從而對APOEε4攜帶者的記憶力造成了影響[8]。Risacher等從ADNI數據庫中抽取了594例參與者，其中APOEε4陽性者217例，APOEε4陰性者377例，對他們腦組織β淀粉樣蛋白沉積(Aβ)、腦脊液β淀粉樣蛋白1-42(Aβ1-42)數據進行統計分析，發現APOEε4陽性者較APOEε4陰性者全大腦皮質Aβ沉積明顯而腦脊液中Aβ1-42減少，這說明APOEε4可促使腦組織Aβ沉積[9]。但Yen Ying Lim等在對84例血液高β淀粉樣蛋白(Aβ)水平的老齡人進行了長達54 m的研究發現APOEε4攜帶者的記憶能力較未攜帶者明顯下降，此研究排除了腦組織Aβ沉積致認知減退的因素，這意味APOEε4引起的阿爾茲海默癥和記憶減退不僅僅是由其對A?沉積的影響所致，還有其他的作用機制[10]。

APOEε4不僅與正常人認知功能、AD的發病相關，同時也與POCD密切相關。有研究表明，APOEε4與術后1 w POCD即短期POCD的發生風險呈顯著相關，而并不增加長期POCD發生的概率[11]。Cai等進一步對APOEε4與不同麻醉方術后功能間關系的研究指出，對于單純吸入麻醉的患者，APOEε4攜帶者術后認知功能與未攜帶者有顯著差異，而全憑靜脈麻醉的患者，無論是否攜帶APOEε4基因術后認知功能無顯著差異[12]。Karsten等發現對于心臟手術術后的APOEε4陽性患者5 y后認知功能恢復程度較APOEε4陰性患者差，而對于非心臟手術，APOEε4基因與認知功能的變化無顯著關系[13]。Hanne等對APOEε4與非心臟手術后認知功能障礙的相關性研究也為陰性結果，但是他們認為此結論是由于樣本量過小導致，術后認知功能障礙的患者數較預期少，影響了統計結果[14]。所以目前而言，就APOE基因與POCD間相關性仍存在異議，需要進一步的驗證。

2 線粒體外膜轉運酶40基因(TOMM40)

TOMM40位于第19號染色體，其編碼一種蛋白即線粒體外膜轉運酶40，參與蛋白質進入線粒體的轉運過程，而線粒體是哺乳動物細胞內唯一含有DNA的細胞器，是ATP產生的重要場所，為細胞活動提供能量。TOMM40表達異常將導致線粒體功能障礙，組織中氧自由基增多，造成腦組織損傷。

TOMM40內含子6的rs10524523位點具有多態性，根據重復T序列(poly-T)的長度分為S型(T≤20)，L型(T=21-29) 和 VL型(T≥30)。國外相關研究報道指出TOMM40rs10524523位點poly-T重復序列的長度與晚發性阿爾茲海默癥的發病年齡有關，VL poly-T與LOAD的早發病有關，而相對的S poly-T人群LOAD發病年齡較晚[15]。TOMM40(rs10524523)不僅影響LOAD的發病年齡，Johnson等通過測量個體語言記憶能力還發現其可顯著減低APOEε3/ε3健康中老年人的認知功能[16]。由于TOMM40毗鄰APOE基因，并與其連鎖不平衡遺傳，且通常而言APOEε4與L poly-T相關聯，APOEε3與S/VL poly-T相關聯，遂為了排除APOE基因對認知功能的影響，研究TOMM40是否為認知功能的獨立影響因素，Kathleen等對APOEε3/ε3的個體進行了TOMM40 rs10524523重復T序列的長度及認知功能的檢測，發現S/S組的記憶力、注意力、執行能力都顯著強于S/VL組[17]。Richard等進一步探索了APOE與TOMM40之間的關系對認知功能的影響，指出在小于60歲的人群中TOMM40對認知功能的影響大于APOE，而對大于60歲的人群則相反[18]。但也有研究表明，TOMM40(rs10524523)對阿爾茨海默病發病年齡的影響并不能排除來自鄰近基因的影響[19]。所以TOMM40對認知功能影響的獨立性還需要進一步更可靠的證據來證明。

3 KLOTHO(KL)基因

KL基因于1997年由Kuro從衰老表現的模型小鼠中成功克隆，人體中也存在KL基因，位于第13號染色體(13q12)，全長50kb，由5個外顯子構成。其可通過選擇性拼接產生兩種蛋白產物，一種為膜型klotho蛋白，另一種為分泌型klotho蛋白，人的分泌型klotho蛋白全長549個氨基酸殘基，在多個器官、組織中存在，如血清、大腦、海馬、腎臟等。分泌性klotho蛋白在大鼠體內不僅可以保持血管完整性、減少炎癥反應，還能夠通過提高細胞解毒有害活性氧的能力，來提高生物體對氧化脅迫的抗性，后者在人類細胞中也可以出現[20，21]。KL基因對主動脈粥樣硬化、心血管事件風險、骨質疏松情況等都有影響，目前已有研究證實分泌型klotho蛋白是一種抗衰老調節激素[22]。

目前研究發現KL基因對認知功能有影響。Nagai等通過對野生型和KL基因變異型小鼠的研究表明小鼠海馬組織KL基因的表達減少可能是導致小鼠認知功能受損的一個重要危險因素，在他們的研究中還發現7 w大的KL基因變異型小鼠出現視覺識別記憶和聯想恐懼記憶受損，而6 w大的KL基因變異型小鼠這些記憶能力并無減退，這說明KL基因變異對記憶的損傷與年齡相關，而且主要影響長期記憶，而非短期記憶[23]。

KL基因影響認知功能的機制目前尚不明確，有研究發現KL基因在哺乳動物細胞中具有抗氧化應激能力，尿液中8-羥化脫氧鳥苷含量是氧化損傷DNA的生物標志物，KL基因過表達小鼠尿液8-羥化脫氧鳥苷的水平是野生型小鼠的一半，這意味KL基因過表達可以減少DNA氧化應激損傷[21]。同樣的，Nagai通過對野生型和KL基因缺失型小鼠進行研究發現6～8 w的KL基因缺失型小鼠其大腦皮質細胞DNA氧化損傷增加，給予KL基因缺失型小鼠抗氧化劑維生素E喂養后新物體識別實驗小鼠對新奇物體偏愛性較未予維生素E組增加，而野生型小鼠無明顯變化，而且維生素E使KL基因缺乏型小鼠縮短的冷凍時間增加[23]。因此，KL基因改善小鼠認知功能的原因可能與其抗氧化作用有關。

KL基因有400多個單核苷酸多態性(SNPs)，不同基因型對認知功能也有不同的效應，目前研究最多的是KL-VS，其由6個SNPs構成，位于外顯子2附近，Dubal等對3個獨立樣本共718人進行研究發現KL-VS無癡呆和認知功能減退的攜帶者比未攜帶者血漿中KL基因水平高且認知功能更好，而且KL-VS是獨立于年齡、性別、APOEε4的認知功能影響因素[24]，但Jonas對1480位92～100歲的丹麥人進行研究卻得出了一個相反的結論，攜帶KL-VS基因的老年人認知功能較未攜帶者低[25]。

白雪松等對全麻下行胃癌根治術的30例老年患者進行術前、術后血漿klotho蛋白含量測定和簡易智力評分量表(MMSE)評估后發現POCD組klotho蛋白明顯下降(P<0.05)，而未發生POCD組術后klotho蛋白含量雖有下降但與術前相比沒有顯著意義[26]。

4 腦源性神經營養因子基因(Brain-derived NeurotrophicFactor，BDNF)

BDNF于1982年由德國生物學家Barde從豬腦中分離出，發現其有促進神經細胞增殖、再生、突觸重塑及調節神經遞質的釋放等作用。人類的BDNF編碼基因位于11號染色體短臂llpl3，由11個外顯子組成，其在骨、軟骨組織、中樞神經系統等廣泛存在，尤其是在中樞神經系統的海馬區與大腦皮質含量最高。BDNF在中樞及外周神經發育過程中促進神經元存活、分化并防止其死亡，是中樞與外周神經系統神經元維持正常生理功能的必須條件。有研究報道當BDNF基因編碼區第66位密碼子鳥嘌呤-腺嘌呤(G-A)堿基置換所致纈氨酸被蛋氨酸替代后，即BDNF Val66Met，會損害BDNF的正常合成與釋放，導致記憶功能低下及海馬的異常激活[27]。有學者在小鼠基因中敲入一個人類無功能的BDNF突變基因(Val66Met)后，發現其海馬體及前額皮質中樹突的功能減退，Val66Met基因阻礙了編碼BDNF的mRNA在突觸內的運輸，影響突觸的形成與成熟[28～30]。

Buchman等為了探究BDNF基因表達是否與老齡人認知功能減退相關，對500多例老齡人進行了背外側前額皮質BDNF基因表達的檢測、認知功能減退的程度以及可能的尸檢，發現BDNF基因高表達可減緩認知功能減退的速度，而與輕度認知功能障礙和認知功能正常的老齡人相比，癡呆患者認知功能減退的速度減緩最明顯[31]。

5 補體受體1基因(CR1)

CR1基因位于1q32，含有38個外顯子，長約133kb，其翻譯產生的補體受體1是一種單鏈多態性膜糖蛋白，相對分子質量160～260kDa，是補體激活調節蛋白超家族的一員。施萬細胞表面的CR1基因可通過補體激活限制作用保護有髓鞘神經纖維免受各種補體分子和炎癥因子的損傷，防止脫髓鞘性疾病的發生。

近年來有很多研究表明CR1-rs6656401、CR1-rs3818361與年齡相關性認知功能減退有關。Lambert等進行全基因關聯研究發現CR1基因多態性是高加索人LOAD的遺傳易感因子，其中位點rs6656401和rs3818361單核苷酸多態性可提高LOAD的發病風險[32]。

Shea等對1689例無認知功能障礙的中老年個體進行了縱向調查，結論與Lambert等的相符，CR1基因rs3818361與認知功能有顯著性關系，多態性可增加認知功能減退的風險[33]。Lori等經過多年的研究亦發現CR1基因rs6656401AA/AG型與總體認知功能減退相關(P=0.011)，且排除APOEε4的影響后，此關系仍存在(P=0.02)，CR1基因rs6656401AA/AG型可加速情節記憶、語義記憶、知覺能力、視覺空間能力的減退[34]。

6 神經限制性沉默因子(Neuronal Restricted Silencing Factor，NRSF)

NRSF位于人類染色體4q12，長度約35kb，包含3個外顯子和4個內含子。NRSF能結合于一個被稱為神經限制性沉默元件(neuron-restrictive silencer element，NRSE)的DNA片段上，從而在轉錄水平抑制許多與神經元功能及發育相關的基因的表達，而存在NRSE的基因大多與神經的功能及發育有關。

NRSF在早期胚胎發育和神經發育中起重要作用，對神經元的可塑性和突觸生長等方面有重要影響，從而造成人認知能力的變化[35]。Miyajima等的研究發現NRSF的4號外顯子中48bpVNTR與人類的一般認知功能存在相關性，并且4個重復片段個體表現出相對較好的認知功能[36]。

7 總 結

認知功能障礙的發生是多因素相互作用的結果，基因只是其中的一個危險因素，本文闡述了 APOE、TOMM40、KLOTHO、BDNF、NRSF、CR1與認知功能障礙包括術后認知功能障礙的相關性，并且隨著越來越多的研究進行及基因檢測技術的提高，越來越多與認知功能有關的基因將不斷被發現，對認知功能障礙的發病機制也會新的突破，為預測認知功能障礙的發生及其防治提供可能。

[1]Ghebranious N，Ivacic L，Mallum J，et al. Detection of ApoE E2，E3 and E4 alleles using MALDI-TOF mass spectrometry and the homogeneous mass-extend tech-nology[J]. Nucleic Acids Research，2005，33(17)：e149.

[2]Corder EH，Saunders AM，Strittmatter WJ，et al. Gene dose of apolipoprotein-E type-4 allele and the risk of Alzheimer’s disease in late-onset families [J]. Science，1993，261：921-923.

[3]Ortegarojas J，Morales L，Guerrero E，et al. Association analysis of polymorphisms in TOMM40，CR1，PVRL2，SORL1，PICALM，and 14q32.13 regions in colom-bian alzheimer disease patients. [J]. Alzheimer Dis Assoc Disord，2016，30(4)：305.

[4]Davies G，Armstrong N，Bis JC，et al. Genetic contributions to variation in general cognitive functionA meta-analysis of genome-wide association studies in the CHARGE consortium (N=53 949)[J]. Molecular Psychiatry，2015，20(2)：183.

[5]Richard J. Caselli MD，Amylou C，et al. Sab-bagh. Longitudinal growth modeling of cognitive aging and the APOE e4 effect[J]. N Engl J Med，2009，361(3)：255-263.

[6]Luck T，Then FS，Luppa M. Association of the apolipoprotein E genotype with memory performance and executive functioning in cognitively intact elderly[J]. Neuropsychology，2015，(29)：382-387.

[7]Shin MH，Kweon SS，Choi JS，et al. The effect of an APOE polymorphism on cognitive function depends on age[J]. J Neurol，2014，261：66-72.

[8]Chen YJ，Chen K，Zhang JY，et al. Disrupted functional and struc-tural networks in cognitively normal elderly subjects with the APOE e4 Al-lele[J]. Neuropsy-Chopharmacology，2014，40(5)1-11

[9]Risacher SL，Kim S，Nho K，et al. APOE，effect on Alzheimer’s disease biomarkers in older adults with significant memory concern[J]. Alzheimers & Dementia the Journal of the Alzheimers Association，2015，11(12)：1417-1429.

[10]Lim YY，Victor L，Villemagne l，et al. APOE ε4 moderates am-yloid-related memory decline in preclinical Alzheimer’s disease[J]. Neurobiol-ogy of Aging，2015，36：1239-1244.

[11]Cao L，Wang K，Gu T，et al. Association between APOE epsilon 4 allele and postoperative cognitive dysfunctiona meta-analysis[J]. Int J Neurosci，2014，124(7)：478-485.

[12]Cai YM，Hu H，Liu P. Association between the apol-ipoprotein E4 and postoperative cognitive dysfunction in elderly patients undergoing intravenous anesthesia and inhalation anesthesia[J]. Anesthesiology，2012，116(1)：84-93.

[13]Bartels K，Li Y J，Li YW，et al. Apolipoprotein epsilon 4 genotype is associated with less improvement in cognitive function five years after cardiac surgerya ret-rospective cohort study[J]. Canadian Journal of Anaesthesia，2015，62(6)：1-9.

[14]Abildstrom H，Christiansen M. Apolipoprotein E genotype and cognitive dysfunction after noncardiac surgery[J]. Anesthesiology，2004，101：855-861.

[15]Roses AD，Lutza MW，Crenshaw DG，et al. TOMM40 and APOErequirements for replication studies of association with age of disease onset and enrichment of clin-ical trial [J]. Alzheimers Dement，2013，9(2)：132-136.

[16]Johnson SC，La RA，Hermann BP，et al. The effect of TOMM40 poly-T length on gray matter volume and cognition in middle-aged persons with APOE ε3/ε3 gen-otype[J]. Alzheimers & Dementia the Journal of the Alzheimers Association，2011，7(4)：456.

[17]Kathleen M. Hayden J，McEvoy M，et al. A homopolymer polymorphism in the TOM-M40 gene contributes to cognitive performance in aging[J]. Alzheimers Dement，2012，8(5)：381-388.

[18]Richard J，Caselli MD，Amylou C，et al. Longitudinal modeling of cognitive aging and the TOMM40 effect[J]. Alzheimers Dement，2012，8(6)：490-495.

[19]Bernardi L，Gallo M，Anfossi M，et al. Role of TOMM40 rs10524523 polymorphism in onset of alzgeimer’s disease caused by the PSEN1 M146L mutation[J]. J Alzheimers Dis，2013，37(2)：285-289.

[20]Shimada T，Takeshita Y，Murohara T，et al. Angiogenesis and vasculogenesis are impaired in the precocious-aging klotho mouse[J]. Circulation，2004，110(9)：1148-1155.

[21]Yamamoto M，Clark JD，Pastor JV，et al. Regulation of oxidative stress by the an tiaging hormone klotho[J]. J Biol Chem，2005，280(45)：38029-38034.

[22]Li SA，Watanabe M，Yamada H，et al. Immunohistochemical localization of Klotho protein in brain，kidney，and reproductive organs of mice[J]. Cell Street Fumet，2004，29 (4)：91-99.

[23]Nagai T，Yamada K，Kim HC，et al. Cognition impairment in the genetic model of aging klotho gene mutant micea role of oxidative stress[J]. Faseb Journal，2003，17(1)：50-52.

[24]Dubal DB，Yokoyama JS，Zhu L，et al. Life extension factor klotho enhances Cognition[J]. Cell Rep，2014，7(4)1065-1076.

[25]From JM，Soerensen M，Nygaard M，et al. Genetic variants in KLOTHO associate with cognitive function in the oldest old group[J]. J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2016，71(9)：1151-9.

[26]白雪松，金 輝，黃學洙. klotho蛋白與老年人術后認知功能障礙的關系[J]. 中國老年學雜志，2015，1(35)：3-4.

[27]Egan MF，Kojima M，Callicott JH. et al. The BDNF val66met polymorphism affects activity-dependent secretion of BDNF and human memory and hippo-campal function[J]. Cell，2003，112(2)：257-269.

[28]Chen ZY，Jing D，Bath KG，et al. Genetic variant BDNF (Val66Met) polymorphism alters anxiety related behavior[J]. Scence，2006，314(5796)：140-143.

[29]Yu H，Wang DO，Wang Y，et al. Variant brain derived neurotrophic factor Val66Met polymorphism alters vulnerability to stress and response to antidepressants[J]. J Neurosci，2012，32(12)：4092-4101.

[30]Liu RJ，Lee FS，Li XY. Brain derived neurot rophic factor Val66Met allele impairs and ketamine stimulated synapto genesis in prefrontal cortex[J]. Biological Psychiatry，2012，71(11)：996-1005.

[31]Buchman AS，Yu L，Boyle PA，et al. Higher brain BDNF gene expression is associated with slower cognitive decline in older adults[J]. Neurology，2016，86：735-741.

[32]Lambert JC，Heath S，Even G，et al. Genome wide association study identifies variants at CLU and CR1 associated with Alzheimer’s disease[J]. Nature Genetics，2009，41(10)：1094-1099.

[33]Shea J，Andrews，Debjani Das，et al. Association of genetic risk factors with cognitive declinethe PATH through life project [J]. Neurobiology of Aging，2016，41150-41158.

[34]Chibnik LB，Joshua M，Shulman S. CR1 is associated with amyloid pla-que burden and age related cognitive decline[J]. Ann Neurol，2011，69(3)：560-569.

[35]Golimbet VE，Alfimova MV，Gritsenko IK，et al. The association of the SNAP-25 gene polymorphism with verbal memory and attention in patients with major psychosis and healthy people. Zhurnal nevrologii i psikhiatrii imeni S. S. Korsakova/Ministerstvo zdravookhraneniia i meditsinskoi promyshlennosti Ros siiskoi Federatsii，Vserossiiskoe obshchestvo nevrologov [J]. Vserossiiskoe Obshchestvo Psikhiatrov，2009，109(1)：59-63.

[36]Miyajima F，Quinn JP，Horan M. Additive effect of BDNF and REST polymor phisms is associated with improved general cognitive ability[J]. Genes Brain and Behavior，2008，(7)：714-719.

1003-2754(2017)11-1038-04

Q34

2017-07-25；

2017-09-11

2015福建省衛計委醫學創新課題(2015-CX-22)

(福建醫科大學附屬第一醫院，福建 福州 350004)

林獻忠，E-mail：lxzyjs@fjmu. edu. cn