阿爾茨海默病病因及發病機制研究進展

葉民

阿爾茨海默病病因及發病機制研究進展

葉民

葉民 教授

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是發生于老年和老年前期、以進行性認知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經系統退行性病變，臨床上表現為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間能力損害和計算力損害、人格和行為改變等。AD是老年期最常見的癡呆類型。流行病學調查顯示：>65歲的老年人AD的患病率在發達國家約為4%～8%，我國約為3%～7%，女性高于男性[1]。AD的病因至今未完全清楚，一般認為AD是復雜的異質性疾病，多種因素包括遺傳因素、神經遞質、免疫因素和環境因素等可能參與致病。AD的發病機制目前主要有β淀粉樣蛋白(beta-amyloid, Aβ)學說、Tau蛋白學說、神經血管學說等，隨著研究的不斷深入，細胞周期調節蛋白障礙、氧化應激、炎癥機制、線粒體功能障礙、細胞自噬等多種學說被提出，為我們進一步認知AD提供了更廣闊的思路。

1 基因突變

根據是否有家族史又可分為家族性AD(familial Alzheimer’s disease, FAD)和散發性AD(sporadic Alzheimer’s disease, SAD)。在FAD中,淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)、早老素(presenilin, PS) 已是明確的致病基因[2],對于占PD 90%以上的SAD,主要的影響基因包括載脂蛋白E(apolipoprotein E, ApoE)基因、簇集蛋白(clusterin,CLU)基因、補體受體1(CR1)基因和磷脂結合網格蛋白裝配蛋白(PICALM)基因等[3]。隨著AD 遺傳研究方面的發展,許多新的與AD 相關基因位點被發現,包括膽固醇代謝基因(包括CH25H、ABCA1和CH24H)[4],甾醇氧-酰基轉移酶1(Soat1)和前列腺素內過氧化物合酶2(Ptgs2)[5]以及血管緊張素轉化酶(angiotensin converting enzyme, ACE)基因[6]等,然而也有研究表明膽固醇代謝基因、Soat1對AD發病影響不大[7-8],近年也有研究表明,微小RNA(microRNA)與 AD的發病機制密切相關,microRNA在AD及基因翻譯表達中扮演重要角色[9]。人體19 號染色體中ApoE4基因是人體正常基因。李國輝等[10]通過研究發現,在AD 發病提前的病人中,ApoE4基因出現頻繁,且患AD 概率與ApoE4基因的頻繁出現率成正相關,是發生AD 的危險因子,人體中22 號染色體中SLC25A38 基因是一種氨基酸載體,有研究發現,SLC25A38 蛋白與神經元退行和神經細胞的凋亡密切相關,該蛋白介導線粒體基質與膜間隙,以及膜間隙與細胞質之間的溶質轉運,是線粒體正常工作所需的物質保障。如果SLC25A38 基因發生突變,它的功能受損,會導致腦內物質失衡,發生神經系統性病變[11-12]。

2 β淀粉樣蛋白學說

Aβ是由其前體蛋白(β-amyloid precursor protein, APP)切割加工后形成的。APP是體內廣泛存在的一種跨膜蛋白,現研究已經明確APP可以經由外排和內吞2條途徑進行切割分解,介導外排途徑的分泌酶是α-分泌酶,它主要水解APP687和688氨基酸殘基間的肽鍵,形成不含完整Aβ片段的α-APPs,α-APPs可以抵抗興奮性氨基酸毒性,保護神經存活,這條途徑是正常生理條件下進行APP分解的主要途徑。而內吞途徑是由β-分泌酶和γ-分泌酶介導的,APP經過這2個酶的序貫切割后形成大量的Aβ40和少量的Aβ37、Aβ38、Aβ39和Aβ42,在這所有的產物中Aβ42是最易發生聚集的[13-15]。Aβ42 是一種不溶性多肽,更易形成老年斑;Aβ40 則更易形成典型的纖維[16]。AD 病人腦中APP主要經β分泌酶途徑降解, 產生不溶性的Aβ片段導致Aβ 寡聚體形成、沉積,產生神經毒性,同時引發由腦內膠質細胞參與和介導的炎癥反應,造成腦內神經細胞的損傷和死亡,最終導致AD的發病。

Aβ不僅可由腦實質的神經元、膠質細胞等產生,還可由血管內皮細胞等多種細胞生成。腦實質內外的Aβ 可以通過血腦屏障(blood brain barrier, BBB) 進行交換。Aβ 主動轉運跨越BBB 與多種蛋白受體有關。晚期糖基化終產物受體(receptor for advanced glycation endproducts, RAGE)使血液中的Aβ 跨越BBB 進入腦實質,在大腦中沉積[17],而AD 病人腦組織內表達上調,且與疾病的嚴重程度及年齡相關。腦實質內的Aβ 由低密度脂蛋白受體(low density lipoprotein receptor related protein, LRP)-1運輸到血管內皮細胞上,再由三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP) 結合盒轉運蛋白(ATP-binding cassette, ABC) 轉運體從血管內皮細胞運輸進入血液。研究表明,AD 病人腦血管內皮細胞上ATP結合盒轉運蛋白G2 (ABCG2)表達升高[18]。當Aβ跨膜轉運的功能障礙,影響腦實質內Aβ 產生和降解失衡,通過直接神經毒性或者介導炎癥反應,同樣導致AD的發生。

APP在細胞內大致的分解切割途徑如下:在內質網合成的APP在經過高爾基體的修飾加工后被運往細胞膜表面,在細胞膜表面的APP大部分被α-分泌酶切割,而沒被切割的APP則通過其胞質尾與銜接蛋白AP2相互作用,經過網格蛋白介導的內吞重新被運回內體。運回內體的APP又會被進一步運往溶酶體或者重新被運回高爾基體并再運送到細胞膜表面[19-21]。

APP在細胞內的循環通路指出,通過內吞途徑進入細胞的APP會被分選到不同的細胞器內,如高爾基體、質膜、內體、溶酶體[22-23]。而β-內分泌酶對APP的切割分解主要發生在內體[24-25]。因此,APP是否被分選運輸到內體以及在內體內駐留時間的長短對Aβ42生成起著決定性作用。在生理狀態下,分選到內體的APP借助于囊泡分選蛋白-10(Vps10)家族的成員分選蛋白受體(SorLA)以及逆膜運輸復合體(retromer)被逆向運輸到高爾基體,除此之外,SorLA還會進一步保持APP駐留于高爾基體內[26-27],從而避免其被進一步分解切割為Aβ42。

Retromer的主要功能是介導蛋白從內體逆向運輸回高爾基體,無論是新合成的蛋白還是被檢索重新利用的蛋白均受其分選轉運,也就是說retromer在整個分泌途徑中扮演著分選者的角色,現研究表明retromer在Wnt的分泌、細胞自噬的清除、磷酸水解酶的檢索中都占有重要的地位[28-30]。

2005年,研究者就已經發現AD病人海馬區Vps35和Vps26的含量較正常人明顯減少[31];隨后的動物實驗也證明將Vps26敲減會導致小鼠腦部Aβ表達增加、海馬區突觸功能下降,最終出現記憶的損害[32]。這些研究都表明retromer的功能受損對AD的疾病發生有著不可推卸的責任。由此可見APP的正常切割、運輸、降解是AD的早期防線。

3 Tau蛋白學說

細胞外大量老年斑的形成及細胞內神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles,NFTs)是AD特征的病理改變[33]。異常過度磷酸化的Tau蛋白是NFTs最主要的成分,已有研究表示異常的Tau蛋白大量聚集于退行性病變的神經元與AD病人的病程進展呈正相關[34]。由此可見Tau蛋白在細胞內大量聚集是導致AD病人發病并進一步促進疾病發展的關鍵因素。

Tau蛋白是一種微管相關蛋白,它可以與微管蛋白結合并促進其形成,與成型的微管結合保持其穩定性,而異常磷酸化的Tau蛋白與微管結合的能力僅僅是正常的1/10,并喪失了穩定微管的能力,不能正常促進正常微管裝配功能,還與具有生理功能的Tau蛋白競爭結合,他們大量聚集并形成成對螺旋絲(paired helical filaments,PHF),并從微管上奪取相關蛋白,破壞正常的微管系統,導致正常微管解聚,細胞死亡。研究表示AD病人腦中受累的神經元微管結構廣泛被破壞,正常軸突轉運受損,突觸丟失神經元功能受損,最終導致腦神經退行性病變[35]。

目前研究已經發現Tau蛋白存在的過度磷酸化位點,主要位于N-末端(Ser198-Thr217)和C-末端(Ser396-Ser422)及與微管結合重復的區域。并且已經發現3種不同類型的Tau蛋白(C-Tau, P-Tau, PHF-Tau)可用于檢測AD病人,他們可能代表神經原纖維退化的不同階段,可以進一步作為疾病進展的標志物。

Tau蛋白的異常過度磷酸化與β-淀粉樣蛋白生成之間很可能存在相關調節促進的機制,Tau蛋白的磷酸化、NFTs形成對Aβ的沉積有促進作用,反之Aβ的沉積可能會進一步惡化異常磷酸化的Tau蛋白與微管結合的能力,加速微管系統破壞,共同加重AD的臨床癥狀,促進病程進展。

4 神經血管假說

20世紀已有假說提出動脈粥樣硬化是AD的可能發病機制之一,現隨著研究的進展,越來越多的證據指出血管神經病變與AD存在許多共同的危險因素,近年的研究發現他們擁有相同的易感基因:ApoE等位基因是心血管危險因子,它可以增加AD的發病風險;也已有研究發現低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP)參與到Aβ的生成,并參與腦內的Aβ的清除。在尋求AD發病因素中,脂代謝紊亂同樣不可忽視,比如高血清膽固醇濃度與AD的發病率增加有關[36],實驗表明老年斑內存在膽固醇聚集的現象。高同型半胱氨酸血癥是心腦血管發病的獨立的危險因素,現有研究發現其也是AD發病的獨立危險因素[37],高同型半胱氨酸可增加海馬神經元對神經毒物的敏感性,增高氧化應激損傷,最終加速神經元的凋亡。除此之外,動脈粥樣硬化的相關危險因素,比如血小板活化,膽堿乙酰化酶活性降低,精氨酸加壓素的分泌異常、腎素血管緊張素系統(RAS)紊亂等均參與到AD的進程,加重認知障礙,但具體相關發病機制仍未完全明確。

5 氧化應激學說

氧化應激在阿爾茨海默病發病機制中扮演重要的角色,大腦比其他器官對氧化應激更易受損。由于線粒體功能障礙、炎癥、Aβ蛋白產生等導致神經元氧化[38]。在AD 病人腦中,各區神經元細胞中色素氧化酶活性降低,腦細胞中活性氧生成增加,自由基結合血漿中胡蘿卜素和維生素A、E 加快,使抗氧化物質減少,同時自由基介導Aβ毒害神經細胞。Aβ引起的自由基紊亂是氧化應激參與AD過程的重要環節[40]。

6 細胞周期假說

細胞周期假說認為神經元細胞從G0期進入G1期是突觸重構過程中必需的組成部分,正常人在正確的調控機制下可由G1期返回G0期,AD病人由于其調控機制存在缺陷, 神經元由G1期通過DNA復制S期進入G2期,進入G2期的細胞已不能回到G0期,而是會通過類似凋亡的機制走向死亡,并且以病態形式停滯在G2期相當長一段時間,這期間將產生一系列的病理產物(如Aβ沉積、Tau蛋白等)[40]。

7 5-羥色胺(5-HT)與AD

最近有研究表明5-HT受體在認知功能的調節上具有關鍵作用, 某些5-HT 受體調節劑可能具有修復丟失的神經元的作用,進而改變疾病的進程[41]。與AD相關的受體主要有5-HT1A,5-HT2A, 5-HT2C, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT6[42]。其中5-HT1A,5-HT3,5-HT6受體可能是通過增加乙酰膽堿功能發揮作用, 而5-HT2A, 5-HT2C,5-HT4受體則是通過各種機制來增加腦脊液中sAPPα的生成,減少Aβ的產生,進而減少神經細胞的凋亡。

8 脂質代謝異常與AD

血清中高脂肪和高膽固醇均是AD發病的危險因素[43]。楊連勇[44]認為膽固醇增高會加速AD的進展,其機制為:膽固醇會抑制α-分泌酶的活性, 增強β-分泌酶和γ-分泌酶的活性,減少可溶性APP的生成, 增強水解APP 的能力, 產生大量的Aβ, 并且膽固醇還會影響Tau蛋白的代謝。他汀類降脂藥物可顯著降低AD發生的危險性, 并且可預防或延緩AD 的進展。盡管膽固醇在AD 的進展中起著重要作用, 但是它對于維護神經元的生理狀態也有著重要作用, 如果完全清除膽固醇會影響軸突和樹突分支的形成[45]。

9 細胞自噬與AD

自噬(autophagy)是 1962 年由 Ashford 和 Porter 發現細胞內有“自己吃自己”的現象后提出的,是指細胞受損后,損傷或衰老的細胞器或蛋白質被運送到溶酶體內,需降解的細胞器、蛋白質等形成自噬，最后與溶酶體融合形成自噬溶酶體降解其所包裹的內容物。

因為自噬可以降解損傷衰老及功能異常的細胞器和相關蛋白,而細胞外大量老年斑的形成及NFTs是AD特征的病理改變,這就表示自噬在AD的發病中占有一定的調控作用。現進一步研究發現:自噬溶酶體系統可通過CCN2調控γ-分泌酶的活性,在AD病人腦中,Aβ的過度生成可能由神經纖維網廣泛自噬的增加導致,而且細胞實驗也已發現自噬可以抑制Aβ誘導的神經毒素而發揮神經保護作用。但是具體的分子機制及相關病理過程仍需探索。

但是以上結果足以證明自噬與神經退行性病變的產生如帕金森疾病、AD等有密切相關。雖然目前還不能確定AD是否能通過靶向治愈,但是關于細胞自噬的治療是相當有前景的。

綜上所述,AD的發病機制目前主要有Aβ毒性學說、Tau蛋白學說、血管因素學說及基因學說等,而其發病機制可能涉及到多種學說,由此可見 AD的發病機制異常復雜,涉及多條分子信號通路,包括Aβ、Tau蛋白及突觸異常等;各機制之間相互聯系,共同促使神經元變性。今后的研究需全面揭示多種發病機制之間的聯系以同時阻斷多條信號通路等。目前而言,AD防治研究依然任重而道遠。

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