膽固醇代謝通路相關基因與Alzheimer’s病相關性的研究進展

趙瓊，柏峰

·綜述·

膽固醇代謝通路相關基因與Alzheimer’s病相關性的研究進展

趙瓊，柏峰

Alzheimer’s病(AD)是最常見的老年期癡呆，表現為漸進性認知、功能、行為退化，以老年斑、神經纖維纏結為主要病理特征。2010年中國AD患者已高達569萬，預計到2050年患病人數將是目前4倍[1]。目前AD病機不明，尚無根治措施，已經成為嚴重的社會公共衛生問題。

AD患者尸檢研究[2]發現，約有90%的患者在生前存在動脈粥樣硬化等血管疾病。Pappolla等[3]認為，外周血高膽固醇水平會增加AD發病風險。基礎研究[4]發現，長期給予高膽固醇飲食導致淀粉樣蛋白(Aβ)在家兔的CNS中廣泛積聚，而去除飲食中的膽固醇可以阻止這一病理現象的發生。臨床研究[5]進一步證實，他汀類藥物通過降低膽固醇水平可抑制癡呆的進展。因此，膽固醇分布及代謝異常可能影響AD的發生，且該通路被認為是多種基因共同參與、綜合作用的結果。本文旨在綜述膽固醇代謝通路相關風險基因在AD發病機制中的可能作用。

1 膽固醇顱內代謝

膽固醇參與細胞膜構成，同時是重要的信號分子，對維持生物膜的結構和功能有重要作用。CNS占人體總體質量的2%，但擁有人體中25%的膽固醇。腦內膽固醇主要分布在神經元、膠質細胞及髓鞘之間的質膜中。由于外周的膽固醇無法通過血-腦屏障(BBB)，腦內膽固醇主要由乙酸鹽在星形膠質細胞中合成。

在星型膠質細胞中游離膽固醇(FC)由醋酸鹽結合載脂蛋白E(ApoE)通過ATP-結合盒(ABC)輸出。神經細胞通過低密度脂蛋白受體(LDLR)控制FC-ApoE復合體。在晚期胞內FC被釋放向質膜脂質筏。過多的FC一部分被轉化為24-羥膽固醇后被分泌；一部分被乙酰輔酶A膽固醇酰基轉移酶(ACAT1)轉化為膽固醇脂儲存在細胞質內；最后一部分通過ATP-結合盒A1(ABCA1)合成載脂蛋白A1(ApoA1)流出到CSF。這一膽固醇通過ABCA1流出途徑受Aβ分泌調控。Aβ產物的抑制會升高細胞內膽固醇水平及減少膽固醇外流。β淀粉樣前蛋白(APP)裂解形成Aβ，并在脂質筏釋放。Aβ結合ApoE后可被LDLR相關蛋白1(LRP1)調控。部分腦內Aβ是由晚期糖基化終末產物受體通過BBB流入，此流入途徑不依賴ABCA1[6]。

由此可見，APP運輸、溶蛋白性裂解及其裂解產物Aβ的聚集與毒性作用等AD核心病理過程均與生物膜有關，受到膽固醇代謝調節。

2 膽固醇代謝相關基因在AD中的作用

多中心獨立全基因組關聯研究(GWAS)、大樣本薈萃分析及AlzGene數據庫提示， ApoE、叢生蛋白(CLU)、ABC轉運蛋白7抗體(ABCA7)、分揀蛋白相關受體1(SORL1)、膽固醇酯轉運蛋白(CETP)、膽固醇24-S羥化酶(CYP46A1)、ABCA1、LDLR等脂質代謝相關基因亦與AD有關[7-13]。

2.1 ApoE ApoE是重要的的載脂蛋白之一，編碼基因位于染色體19q13.2，編碼三種等位基因ε2、ε3和 ε4。Strittmatter等[14]于1993年首次發現ApoE ε4基因是散發性AD(LOAD)的主要風險因素。進一步研究發現，ApoE ε4基因與LOAD發病風險性具有量效關系，即攜帶一個ApoE ε4等位基因將增加3倍AD的患病風險，而攜帶兩個ε4將增加12倍AD的患病風險，并且ε4可使發病年齡年輕化。相反，ApoE ε2對AD具有保護作用，在三種基因型中ε2最為罕見。

ApoE在CNS中參與調控脂質代謝、膽固醇轉運、神經可塑性、炎癥反應等過程。細胞學研究發現，ApoE與Aβ 結合可直接影響可溶性Aβ的清除和聚合[15]，同時與各種受體(如LRP1)的相互作用可間接調控Aβ的代謝[16]。動物模型研究[17]發現，ApoE參與Aβ沉積、神經炎性斑塊形成等AD核心病理過程。神經病理學[18]及神經影像學[19]提示，ApoE ε4攜帶者與非攜帶者相比，促進和增加了Aβ的沉積。可見基因遺傳學、細胞學、動物學和人類相關研究均提示ApoE通過APP依賴的方式影響AD的發病。

2.2 CLU CLU又稱為載脂蛋白J(ApoJ)，是一種壓力激活伴侶蛋白，主要作用于細胞凋亡、補體調控、脂質運輸、膜保護及細胞間相互作用[20]。編碼基因位于染色體8p21.1。近年發表的多項大樣本GWAS研究[7,21]提示，CLU與AD發病機制密切相關。CLU與ApoE可能存在共同作用機制，如涉及類似分子通路。

CLU多個單核苷酸多態性(SNPs)與AD發病危險性相關，包括rs11136000、rs7982、rs9331896、rs9331888及rs2279-590[7,21]。研究[21]認為，rs9331888與選擇性剪接轉化的相關性，而rs9331888和rs11136000與外周血中CLU水平有關[22-23]。外周血CLU水平可能與大腦萎縮程度、疾病的嚴重程度、疾病進程有關。

CLU mRNA在AD患者腦內表達水平升高，并在Aβ中被發現[24]。CLU基因敲除小鼠可較早或更為廣泛的出現Aβ沉積[25]。而Bertram等[26]研究提示，CLU可促進Aβ清除。CLU也與補體系統功能相關，CLU調節膜攻擊復合物，通過補體激活阻止炎性反應[20]。神經影像學提示，CLU基因攜帶者與非攜帶者相比，表現為多腦區體積呈進行性下降，且其萎縮程度與外周血中叢生蛋白(LC)的水平相關[27]，提示CLU在AD疾病的早期可作為生物標記物的可能。另外，Desikan等[28]認為，CLU在Aβ相關腦萎縮過程中具有獨立作用，在AD早期神經退變過程中起重要作用。

2.3 ABCA7 ABCA7是ABC轉運體超家族成員之一，其主要功能為轉運基質通過細胞膜[29]。編碼基因位于染色體19p13.3。ABCA7在海馬的CA1神經細胞中表達，在小膠質細胞中10倍水平表達。

GWAS研究[8,30]發現，ABCA7 SNPs與AD發生有關，如rs3764650和rs4147929。在AD患者大腦中，ABCA7 rs3764650與神經炎性斑塊相關[30]。ABCA7可將脂質從胞內流出形成脂質蛋白微粒，ABCA7基因敲除影響小鼠脂質穩態，進而增加Aβ沉積[31]。體外實驗[32]中，ABCA7促進膽固醇流出并抑制Aβ分泌。ABCA7通過C1補體通路調節巨噬細胞吞噬凋亡細胞[33]，增加ABCA7的表達也增加小神經膠質細胞吞噬凋亡細胞、合成基質以及Aβ清除[31,33-34]，可見ABCA7通過將膽固醇轉運至ApoE或通過清除Aβ聚合物影響AD發病危險性。

2.4 SORL1 SORL1又稱為低密度脂蛋白受體相關配體11(LR11)，屬于空泡分揀蛋白(Vsp10p)受體家族及LDLR受體家族。SORL1是一種約束脂蛋白的受體，與囊泡從細胞膜轉運物質至高爾基體內質網過程相關，屬ApoE相關受體，通過胞吞途徑調節脂蛋白的攝取[35]。編碼基因位于染色體11q23.2。

基因組學相關研究[9,36-37]提示，SORL1 SNPs與AD發病危險性相關，包括rs11218343、 rs1784933、rs117260922、rs143571823、rs2298813和 rs2070045。一個家族相關研究[36]顯示，白種人群中SORL1存在兩個罕見SNP變異(rs117260922-E270K和rs143571823-T947M)增加Aβ40和Aβ42的分泌，一個常見變異(rs2298813-A528T)增加Aβ42的分泌，均被認為編碼增加AD發病幾率的有害蛋白。 Louwersheimer等[37]發現，SORL1 SNP rs2070045-G 等位基因與CSF tau水平及海馬萎縮相關。體外實驗[38]發現，SORL1調節APP參與胞吞途徑，在Aβ生產過程中起重要作用。病理研究發現，SORL1與APP代謝異常相關[39]，而SORL1基因敲除小鼠表現顯著Aβ沉積[40]。SORL1 mRNA 在AD患者大腦中表達水平降低[41]。SORL1在管理APP裂解及ApoE的攝取可能對維持腦內信息功能至關重要。可見SORL1可能通過參與Aβ清除、tau蛋白生成等過程影響AD的發生。

2.5 CETP CETP是一種疏水等離子體糖蛋白，在調節膽固醇脂轉移中有重要作用。CETP在三酰甘油從高密度脂蛋白(HDL)到極低密度脂蛋白轉運過程中，提供平衡交換條件以及調節HDL水平[42]。編碼基因位于染色體16q21。

研究[43]表明，CETP SNPs rs708272和rs5882在增加AD發病風險起決定性的作用。尤其一項大樣本白種人CETP基因相關薈萃分析[11]顯示，CETP rs5882與增加AD易感性相關。另有研究[44]顯示，CETP rs5882通過增加神經炎性斑塊影響AD發病的危險性。同時，CETP與人體HDL膽固醇水平循環明確相關。HDL對去除細胞內超載膽固醇必不可少，發揮潛在的抗動脈粥樣硬化作用(如從外周血逆向轉運膽固醇至肝臟)。然而，降低高膽固醇細胞中HDL膽固醇水平會促進Aβ產生以及老年斑沉積，從而增加AD的發病風險[45]。可見CETP可能通過參與Aβ沉積及神經炎性斑塊等AD核心病理過程影響AD的發生。

2.6 CYP46A1 CYP46A1屬于細胞色素P450超家族，是一種重要的膽固醇代謝酶，編碼基因位于染色體14q31.1。

目前CYP46A1基因多態性(如rs8003602，rs3783320，rs7157609，rs754203)是否增加AD風險仍有爭議[46,12]。一項大樣本薈萃分析[12]顯示，rs754203依賴ApoE ε4增加危險性。神經元內膽固醇代謝平衡主要依靠自身合成和代謝，神經系統內過剩的膽固醇需要通過CYP46A1轉化成為24-S羥膽固醇(24OH)，而24OH有神經毒性作用。CYP46A1主要在大腦內表達，最重要的功能是調節富脂細胞膜膽固醇轉移，從而抑制脂質筏β-分泌酶活性阻斷Aβ生成通路，在AD神經變性過程起作用。最新研究[47]支持CYP46A1通過抑制細胞內APP轉運從而抑制Aβ的生成。CYP46A1基因敲除小鼠表現出對空間、聯想和運動功能嚴重缺陷[48]，而在水迷宮測試中CYP46A1超表達小鼠模型與對照組相比空間記憶力有顯著改進[49]，可見CYP46A1可能為AD保護基因。

2.7 ABCA1 ABCA1是ABC轉運體超家族成員之一，調控膽固醇流出與APOA1與ApoE等脂質自由受體結合而不是與大部分HDL微粒結合[50]。編碼基因位于染色體9q31.1。

目前ABCA1基因多態性(如s2230806、rs4149313、rs2230808)與AD是否存在遺傳相關性尚有爭議[50]。基于此結果的一項大樣本薈萃分析[51]顯示，ABCA1與AD無相關性。病理學研究[52]也發現，rs2230806和rs1800977與大腦組織中淀粉樣沉積物無關聯。但是，一項基于中國漢族人群研究[53]表明，ABCA1 rs2230806表達較高水平HDL膽固醇及APOA1，其中K等位基因攜帶者可能有降低AD風險的作用。ABCA1對于AD可能是保護基因。

ABCA1參與調控腦內細胞膽固醇流出與游離載脂蛋白結合過程。ABCA1對AD的最大意義在于其對ApoE的酯化及穩定功能。實驗室及臨床數據[15]提示，ApoE涉及Aβ聚集、毒性、清除等過程。動物實驗數據[54]顯示，ABCA1基因敲除小鼠模型增加薄壁組織Aβ。相反，ABCA1基因超表達小鼠模型表現較少的Aβ[55]。因此，ABCA1作為ApoE的調控器，很有可能參與AD發病過程。

2.8 LDLR LDLR是大腦中ApoE-脂蛋白顆粒代謝的主要受體，主要調控LDL膽固醇代謝。編碼基因位于染色體19p13.2。

人體LDLR基因缺乏可引起家族性高膽固醇血癥，小鼠LDLR基因缺乏將升高膽固醇水平并導致動脈粥樣硬化[56]。LDLR基因敲除小鼠大腦中ApoE增加，但海馬及CSF中膽固醇水平不受影響[57]。Katsouri等[58]在AD模型小鼠實驗中發現，缺乏LDLR基因促進星型膠質細胞及小神經膠質細胞增生，增加Aβ沉積，此過程不依賴ApoE途徑，認為可能與神經炎性反應相關。在LDLR超表達小鼠模型中，ApoE水平降低50%～90%，Aβ聚合減少，細胞間隙Aβ清除增加，LDLR轉基因小鼠神經炎性斑塊反應減弱[59]。這些發現提示升高LDLR水平可能對AD提供可能的治療策略。

3 總結及展望

目前GWAS研究及其相關薈萃分析在LOAD遺傳學已取得重要突破，ApoE、CLU、ABCA7、SORL1、CETP、CYP46A1、ABCA1、LDLR等膽固醇代謝相關基因影響AD的發生。其中基因變異直接或間接參與Aβ途徑、神經炎癥反應、內吞作用、補體級聯反應、tau蛋白異常磷酸化等病理過程：(1)多基因共同作用改變膽固醇水平及分布，從而影響AD的發生風險，可評估基因多態性與血漿脂蛋白水平的遺傳相關性進一步揭示基因的效應。(2)各基因在AD及膽固醇代謝過程的作用環節具有差異性，如ApoE和CLU可通過與Aβ結合而影響其聚合和裂解過程；SORL1可通過調節APP參與胞吞作用影響Aβ的生成。(3)ApoE ε4是目前LOAD唯一確定的危險基因，其他基因可能通過影響ApoE ε4的功能參與AD的發病。如CLU是ApoE的同系物，涉及相似的分子通路，LDLR和SORL1是ApoE的受體，CYP46A1調節ApoE ε4表達增加AD發病危險性。總之，膽固醇代謝在AD發病機制中起重要作用，但膽固醇代謝通路相關基因在AD發生過程中的確切生物學機制函待進一步探究。

[1]Chan KY, Wang W, Wu JJ, et al. Lancet, 2013, 381: 2016.

[2]Bangen KJ, Nation DA, Delano-Wood L, et al. Alzheimers Dement, 2015, 11: 394.

[3]Pappolla MA, Bryant-Thomas TK, Herbert D, et al. Neurology, 2003, 61: 199.

[4]Sparks DL, Scheff SW, Hunsaker JC, et al. Exp Neurol, 1994, 126: 88.

[5]Solomon A, Kivipelto M, Wolozin B, et al. Dement Geriatr Cogn Disord, 2009, 28: 75.

[6]Allinquant B, Clamagirand C, Potier MC. Curr Opin Clin Nutr Metab Care, 2014, 17: 319.

[7]Harold D, Abraham R, Hollingworth P, et al. Nat Genet, 2009, 41: 1088.

[8]Hollingworth P, Harold D, Sims R, et al. Nat Genet, 2011, 43: 429.

[9]Bertram L, Lange C, Mullin K, et al. Am J Hum Genet, 2008, 83: 623.

[10]Lambert JC, Ibrahim-Verbaas CA, Harold D, et al. Nat Genet, 2013, 45: 1452.

[11]Chen JJ, Li YM, Zou WY, et al. DNA Cell Biol, 2014, 33: 807.

[12]Li L, Yin Z, Liu J, et al. J Neurol, 2012, 260: 1701.

[13]Olgiati P, Politis AM, Papadimitriou GN, et al.Int J Alzheimers Dis, 2011，2011: 832379.

[14]Strittmatter WJ, Saunders AM, Schmechel D, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 1993, 90: 1977.

[15]Kim J, Basak JM, Holtzman DM. Neuron, 2009, 63: 287.

[16]Verghese PB, Castellano JM, Garai K, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013, 110: E1807.

[17]Fagan AM, Watson M, Parsadanian M, et al. Neurobiol Dis, 2002, 9: 305.

[18]Rebeck GW, Reiter JS, Strickland DK, et al.Neuron, 1993, 11: 575.

[19]Reiman EM, Chen K, Liu X, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009, 106: 6820.

[20]Jones SE, Jomary C. Int J Biochem Cell Biol, 2002, 34: 427.

[21]Lambert JC, Heath S, Even G, et al. Nat Genet, 2009, 41: 1094.

[22]Szymanski M, Wang R, Bassett SS, et al. Transl Psychiatry, 2011, 1: e18.

[23]Xing YY, Yu JT, Cui WZ, et al. J Alzheimers Dis, 2012, 29: 515.

[24]Allen M, Zou F, Chai HS, et al. Neurology, 2012, 79: 221.

[25]Demattos RB, Cirrito JR, Parsadanian M, et al. Neuron, 2004, 41: 193.

[26]Bertram L, Tanzi RE. Nat Rev Neurol, 2010, 6: 11.

[27]Thambisetty M, An Y, Kinsey A, et al. Neuroimage, 2012, 59: 212.

[28]Desikan RS, Thompson WK, Holland D, et al. JAMA Neurol, 2014, 71: 180.

[29]Kim WS, Weickert CS, Garner B. J Neurochem, 2008, 104: 1145.

[30]Vasquez JB, Fardo DW, Estus S. Neurosci Lett, 2013, 556: 58.

[31]Kim WS, Li H, Ruberu K, et al. J Neurosci, 2013, 33: 4387.

[32]Chan SL,Kim WS,Kwok JB,et al.J Neurochem,2008,106:793.

[33]Jehle AW, Gardai SJ, Li S, et al. J Cell Biol, 2006, 174: 547.

[34]Wildsmith KR, Holley M, Savage JC, et al. Alzheimers Res Ther, 2013, 5: 33.

[35]Yin RH, Yu JT, Tan L.Mol Neurobiol, 2015, 51: 909.

[36]Vardarajan BN, Zhang Y, Lee JH, et al. Ann Neurol, 2015, 77: 215.

[37]Louwersheimer E, Ramirez A, Cruchaga C, et al. Neurobiol Aging, 2015, 36: 1605.e13.

[38]Spoelgen R, Von Arnim CA, Thomas AV, et al. J Neurosci, 2006, 26: 418.

[39]Lee JH, Cheng R, Honig LS, et al. Neurology, 2008, 70: 887.

[40]Dodson SE, Andersen OM, Karmali V, et al. J Neurosci, 2008, 28: 12877.

[41]Sager KL, Wuu J, Leurgans SE, et al. Ann Neurol, 2007, 62: 640.

[42]Schierer A, Been LF, Ralhan S, et al. Pharmacogenet Genomics, 2012, 22: 95.

[43]Rodríguez E, Mateo I, Infante J, et al. J Neurol, 2006, 253: 181.

[44]Yu L, Shulman JM, Chibnik L, et al. Aging Cell, 2012, 11: 228.

[45]Khalil A, Berrougui H, Pawelec G, et al. Mech Ageing Dev, 2012, 133: 20.

[46]Li Y, Chu LW, Wang B, et al.J Alzheimers Dis, 2010, 21: 1311.

[47]Urano Y, Ochiai S, Noguchi N. FASEB J, 2013, 27: 4305.

[48]Maioli S, B?vner A, Ali Z, et al. PLoS One, 2013, 8: e68534.

[49]Kotti TJ, Ramirez DM, Pfeiffer BE, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006, 103: 3869.

[50]Koldamova R, Fitz NF, Lefterov I. Biochim Biophys Acta, 2010, 1801: 824.

[51]Wang XF, Cao YW, Feng ZZ, et al. Mol Biol Rep, 2013, 40: 779.

[52]Cascorbi I, Flüh C, Remmler C, et al. Pharmacogenomics, 2013, 14: 485.

[53]Xiao Z, Wang J, Chen W, et al. Lipids Health Dis, 2012, 11: 163.

[54]Hirsch-Reinshagen V, Maia LF, Burgess BL, et al. J Biol Chem, 2005, 280: 43243.

[55]Wahrle SE, Jiang H, Parsadanian M, et al. J Clin Invest, 2008, 118: 671.

[56]Ishibashi S, Brown MS, Goldstein JL, et al. J Clin Invest, 1993, 92: 883.

[57]Fryer JD,Demattos RB,Mccormick LM,et al.J Biol Chem,2005,280:25754.

[58]Katsouri L, Georgopoulos S. PLoS One, 2011, 6: e21880.

[59]Kim J, Castellano JM, Jiang H, et al. Neuron, 2009, 64: 632.

國家自然科學基金(91332104，81201080)

210009 南京，東南大學醫學院(趙瓊)；東南大學附屬中大醫院神經內科(柏峰)

柏峰

R749

A

1004-1648(2017)04-0309-04

2015-10-21

2016-03-15)