阿爾茨海默病與胰島素信號傳導通路

楊文育 李燕 楊希茜 林堅煒 高詩雨 胡海燕

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是以神經元纖維纏結，老年斑（senile plague，SP）及神經元損傷為主要病理特征的一種致死性神經退行性疾病[1]。根據流行病學研究發現，1990—2010年我國AD患病人數從最初的193萬人增加到569萬人，可見AD的發病人數呈逐年快速增長趨勢[2]。近年來，越來越多的研究表明，AD的發生、發展與胰島素信號傳導通路之間存在一定的聯系，并取得了一系列成就；現將有關研究綜述如下。

1 大腦中胰島素及其信號通路系統

胰島素受體在大腦中分布廣泛，其中包括海馬區以及嗅球區和下丘腦等部位。胰島β細胞中產生胰島素，然后胰島素經過血腦屏障進入到中樞神經系統中，接著它會和大腦中的胰島素受體相結合并發揮作用。大腦中主要含有∶磷酯酰肌醇-3蛋白激酶通道以及絲裂原激活蛋白激酶通道與磷酯酶C信號通道這3種胰島素信號通道。目前猜測大腦老化以及AD等疾病的發生可能與這3種胰島素信號通路有關系，然而明確的發病機制還不清楚[3]。

2 胰島素信號通路的調節

大腦中的分泌酶主要是α型分泌酶以及γ型蛋白酶（多酶復合物）與β型分泌酶（天冬氨酸蛋白酶）。胰島素的正常分泌能夠促進α型分泌酶的釋放，促使APP轉變成可溶性的APP（sAPP），從而降低Aβ的生成。當胰島素的信號效能減小時，APP將會更多的被β以及γ分泌酶分解掉，生成β淀粉樣蛋白，形成SP。

2.1 胰島素PI3K/AKT-GSK3途徑信號通路 大腦中的胰島素受體α亞單位以及胰島素會在生理狀態下相互結合并且形成新的復合物，導致β亞單位Tyr激酶的自身磷酸化，從而激活Tyr激酶并且激活PI3K/AKT[4]，進而加快GSK-3的磷酸化過程。GSK-3有α、β兩個亞型，GSK-3α調節γ分泌酶的活性，促進Aβ的生成[4]。GSK-3β的活化也可抑制wnt/β聯蛋白信號通路，加強β聯蛋白位點S33/S37/T41的磷酸化，促進細胞的凋亡[5]。

GSK-3β也是 IGF-1的下游信號分子，GSK-3β的活性增高也是IGF-1信號傳導通路紊亂導致AD晚期發作的重要原因。IGF-1在生理狀態下會降低GSK-3β的活性，從而減慢tau蛋白的磷酸化過程以及使得tau蛋白和微管蛋白的結合速度加快。在IGF-1信號傳導通道的下游位置分布有胰島素受體底物。基因敲除IRS-2小鼠實驗表明，降低IGF-1的活性能夠提高大腦中tau蛋白的磷酸化進程[6]。

2.2 胰島素PI3K/AKT-BAD途徑信號通路 Bcl-2基因家族一共有12個不同基因產物組成而且是調節細胞凋亡的必要因子。其中包括Bcl-XL和處在線粒體膜外層的抗凋亡基因Bcl-2、BAD以及細胞質的促凋亡基因Bax。BAD能夠和Bcl-XL或者是Bcl-2產生復合物并且具有促凋亡功能。BAD基因的功能由它的Ser112和Ser136位點磷酸化所調節。磷酸化BAD能與伴侶蛋白（Chaperone）14-3-3蛋白結合,阻斷BAD與Bcl-2或Bcl-XL形成2聚體，抑制BAD的促凋亡作用[7]。AKT可通過轉錄機制或非轉錄機制來提升神經元細胞的生存能力，從而發揮抗凋亡作用。在轉錄機制中，AKT主要是通過影響BAD的磷酸化來發揮作用。活化的AKT會使得BAD基因中的Ser136位點磷酸化并且抑制細胞凋亡，AKT屬于BAD激酶[8]。PI3K/AKT途徑會抑制氧自由基對于DNA的破壞。

2.3 胰島素PI3K/AKT-mTOR途徑信號通路 雷帕霉素（the mammalian target of rapamycin，mTOR）是 AKT下游的一個重要作用靶點,能夠被AKT磷酸化激活。mTOR通過調控核糖體激酶p70s6k（ribosomal S6-kinase，RSK）和4E-BP-1兩條不同的下游通路,依次控制特定亞組分mRNA的轉錄和翻譯，從而關系到蛋白質的生成以及細胞的增殖。mTOR是一種具有感受細胞外營養成分、能量水平變化以及生長因子等信號的感受器。研究表明[9]，在機體的營養水平充足，體內的胰島素長時間分泌不充足的狀況下，PI3K/AKT通道下游的mTOR/S6K1通道會長時間處在激活的狀態，導致mTOR/S6K1的過表達，促進IRS1（位點Ser307,312，636/639）發生過度磷酸化。mTOR的活性也能被PI3K的抑制劑Wortmannin和LY294002所抑制,從而阻斷其下游的p70s6k與4E-BP-1信號通路，使得細胞停止生長[10]。

MAPK通路和AD的發病也存在著密切的聯系。胰島素會加快高爾基體道漿膜中淀粉樣前體蛋白（APP）的轉運，進而降低Aβ寡聚體的匯集[11]。Theendakara等[12]證實 PI3K 和蛋白磷酸酶（protein PhosPhatase，PPI）基因亞型對AD的發病有明顯影響，與此同時在胰島素抵抗綜合征患者中也觀察到了這兩類基因的多態性。很多基因水平上的研究證明，胰島素的信號通道障礙和AD這兩者之間具有非常顯著的相關性。

3 胰島素信號傳導系統以及神經元的丟失

在AD患者的大腦中，會產生神經元數目顯著降低的現象，這主要是因為神經元細胞的凋亡導致的。神經元細胞中的胰島素會借助MAPK以及PI3K/AKT這兩條通道去加快神經元的生成，而且使得細胞分裂周期內的S以及G2期中的增殖細胞的比份提高[10]。胰島素信號通道故障時會使得PI3K/AKT和MAPK通道受到抑制，從而使得細胞凋亡[10]。活化的PI3K/AKT信號通道通過減慢促凋亡基因BAD的磷酸化來促進GSK-3的磷酸化過程[8]，進而阻止細胞的凋亡過程。中樞IGF-1受體中的β以及α亞基和中樞胰島素受體中的β以及α亞基相結合成為四聚體,提醒胰島素具備神經營養的功能[13]。

4 胰島素以及神經元突觸的可塑性

突觸的長時程加強（1ong term potent-ation，LTP）對于學習以及記憶非常關鍵。而LTP是因為單個突觸所誘發的N-甲基-D-天門冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體依賴的突觸傳遞效能持續增高而引起的。細胞膜表面的對應受體能夠借助胰島素從而被激活，從而實現對于LTP的興奮刺激。與之相反，如果胰島素降低，就會使得NMDA的表達產物降低，LTP興奮性降低，進而影響記憶以及學習的能力[14]。學習以及記憶能力需要具備充足的神經細胞作為前提。與此同時，還必須要有非常充足的突觸在神經元間形成繁雜的關聯。借助突觸的可塑性變化以及神經元間的關聯[15]，大腦才可以把收集到的不同信息變成記憶而且長時間的儲存起來。胰島素通過調節G-氨基丁酸（GABA）受體的活性來加強突觸的可塑性，會使得神經元突觸的可塑性減弱，使得它的數量降低[16]。

5 胰島素受體對AD的影響

胰島素受體（insulin receptor，IR）是一類跨膜糖蛋白，它是通過細胞外的α亞基和β亞基連接而成。它通過與胰島素相結合來影響AD的病變，也可以借助對于神經元細胞能量代謝的控制從而對AD的發病形成直接影響[17]。Hoyer等[18]研究發現IR的脫敏和胰島素水平的降低，能夠使得糖代謝產生異常，從而使得乙酰膽堿以及能夠利用的能量喪失和跨膜性能的降低，使得β蛋白的沉積以及異常的磷酸化。通過給大鼠側腦室注入鏈脲佐菌素這一方式去破壞大鼠大腦中的IR，于是大鼠會出現和AD的病理相似的表現，行為學以及記憶水平顯著減低。當大鼠被注射胰島素受體激動劑之后，其AD的病理表現和神經退行性改變減弱，有些大鼠還恢復到了正常水平[5，8]。在IR基因敲除的小鼠（nIR-/-）及IGF-1R基因敲除的小鼠（nIGF-1R-/-）腦組織都發現了Aβ聚集的現象[19]。所有的研究均表明IR和AD這兩者之間具有密切聯系，這被認為是以后AD治療的重要靶點之一。

部分實驗研究發現，胰島素樣信號的減弱能夠增加動物的壽命以及減少病死率和延遲成熟期。Freude等[20]通過基因突變小鼠雜交實驗得出IGF-1R缺乏的小鼠可以延長壽命，推遲淀粉樣蛋白的積累，這表明被破壞的IGF-1信號傳導可以減少病死率，推遲淀粉樣蛋白的積累。說明IGF-1R下調也許是AD患者機體本身為降低淀粉樣物質累積以及延長壽命的一類生理性反應。最近Liu等[21]通過不一樣濃度的Aβ處理體外獲得的原代海馬神經元細胞，經過實時定量PCR以及Western Blot法進行檢測，我們發現注入小劑量的Aβ時細胞會表現出異常的IGF-1R高表達，這表明也許是代償性提高，還有可能是脫敏現象。這一系列現象提示IGF-1R在AD的發病過程中也許存在時間和空間上的不一樣，還需要深入探究。

6 討論

AD有諸多的發病機制，Tau蛋白過度磷酸化以及Aβ級聯學說最為經典。截止至目前，有許多的試驗研究發現AD和2型糖尿病（T2DM）兩者之間也具有非常緊密的關聯。在AD患者中有80%同時患有T2DM或伴有胰島素抵抗現象，而T2DM患者同時也具有AD的高發病率。因此有學者認為，T2DM是AD發病的獨立危險因素，能夠增加AD的發病風險，促進AD的發生和發展。一方面，T2DM會直接作用于AD發病相關的關鍵蛋白（如Aβ、Tau蛋白）或相應的信號通路，導致Aβ生成及Tau蛋白過度磷酸化；另一方面，T2DM也會擾亂脈管系統的功能，引起小血管疾病，進而引發AD。雖然兩者之間的因果關系尚存爭議，但普遍認為兩者都存在著胰島素信號通路的缺損[6]。一項薈萃分析在納入17個研究共1 746 777個參與者后得出，糖尿病患者AD發生率明顯高于無糖尿病患者（RR=1.53，95%CI：1.4～1.63）[22]。Vagelatos 等[23]研究得出，AD 與 T2DM 之間存在有很強的相關性。聶宏偉等[24]研究發現，在所有的AD患者中其中患有糖尿病的人數是非糖尿病患者人數的 1.31 倍（OR=1.31，P=0.002）。

不可溶性淀粉樣蛋白的產生以及不正常的折疊導致了AD和糖尿病。Barage等[13]指出Aβ蛋白的病理堆積是AD以及糖尿病的中心以及誘發因素。Sato等[25]一致認為引起T2DM產生認知缺陷和AD的重要因素是大腦中胰島素信號通道的損壞。Sancheti等[3]研究得出，胰島素信號轉導通道的受阻會導致突觸喪失可塑性甚至是變性或者是凋亡。

大腦的正常代謝離不開中樞神經系統中胰島素受體信號級聯系統的正常工作[19]。它們的異常會導致一系列AD的病理表現出現。因此，人們又把AD稱為“3型糖尿病”[8，18]。我們應重視胰島素信號級聯系統在AD的發生、發展中的作用，積極尋求可用于治療該疾病的潛在靶點。隨著人們對于胰島素信號級聯系統的探究不斷深入，這一通道能夠給AD的預防和治療提供一些新的視角。

[1]張躍其,王培昌.阿爾茨海默病相關信號轉導通路研究進展[J].醫學綜述,2015,21(10):1748-1751.

[2]Chan KY,Wang W,Wu JJ,et al.Epidemiology of Alzheimer's disease and other forms of dementia in China,1990-2010:a systematic reviewand analysis[J].Lancet,2013,381(9882):2016-2023.

[3]Sancheti H,Akopian G,Yin F,et al.Age-dependent modulation of synaptic plasticity and insulin mimetic effect of lipoic acid on a mouse model of Alzheimer's disease[J].PLOS One,2013,8(8):e69830.

[4]Maqbool M,Hoda N.GSK3 inhibitors in the therapeutic development of diabetes,cancer and Neurodegeneration:Past,present and future[J].Curr Pharm Des,2017,23(29):4332-4350.

[5]Jin N,Zhu H,Liang X,et al.Sodium selenate activated Wnt/βcatenin signaling and repressed amyloid-β formation in a triple transgenic mouse model of Alzheimer's disease[J].Experimental Neurology,2017,297:36-49.

[6]Fava A,Colica C,Plastino M,et al.Cognitive impairment is correlated with insulin resistance degree:the"PA-NICO-study"[J].Metab Brain Dis,2017,32(3):799-810.

[7]Vázquez de la Torre A,Junyent F,Folch J,et al.PI3k/Akt inhibition induces apoptosis through p38 activation in neurons[J].Pharmacol Res,2013,70(1):116-125.

[8]Pardeshi R,Bolshette N,Gadhave K,et al.Insulin signaling:An opportunistic target to minify the risk of Alzheimer's disease[J].Psychoneuroen-docrinology,2017,83:159-171.

[9]Wu Y,Lu H,Yang H,et al.Zinc stimulates glucose consumption bymodulating the insulin signaling pathway in L6 myotubes:essential roles of Akt-GLUT4,GSK3βand mTOR-S6K1[J].J Nutr Biochem,2016,34:126-135.

[10]Chen Z,YangL,Liu Y,et al.LY294002 and Rapamycin promote coxsackievirus-induced cytopathic effect and apoptosis via inhibition of PI3K/AKT/mTOR signaling pathway[J].Mol Cell Biochem,2014,385(1-2):169-177.

[11]Diehl T,Mullins R,Kapogiannis D.Insulin resistance in Alzheimer's disease[J].Transl Res,2017,183:26-40.

[12]Theendakara V,Bredesen DE,Rao RV.Downregulation of protein phosphatase 2A by apolipoprotein E:Implications for Alzheimer's disease[J].MolCellNeurosci,2017,83:83-91.

[13]Barage SH,Sonawane KD.Amyloid cascade hypothesis:Pathogenesis and therapeutic strategies in Alzheimer's disease[J].Neuropeptides,2015,52:1-18.

[14]Wang H,Peng R,Zhao L,et al.The relationship between NMDA receptors and microwave-induced learning and memory impairment:a long-term observation on Wistar rats[J].Int J Radiat Biol,2015,91(3):262-269.

[15]Wang Y,Liu W,Zhang Q,et al.Effects of developmental perfluorooctane sulfonate exposure on spatial learning and memory ability of rats and mechanism associated with synaptic plasticity[J].Food Chem Toxi-col,2015,76:70-76.

[16]AMFortres,KMFrick.Hippocampal Wnt signaling:memoryregulation and hormone interactions[J].Neuroscientist,2017,22:278-294.

[17]Grimm MO,Hundsdorfer B,Grosgen S,et al.PS dependent APP cleavage regulates glucosylceramide synthase and is affected in Alzheimer's disease[J].Cell Physiol Biochem,2014,34:92-110.

[18]Hoyer S.Brain glucose and energy metabolism abnormalities in sporadic Alzheimers disease.Causes and consequences:an update[J].Exp Gerontol,2000,35(9-10):1363-1372.

[19]Zemva J,Schubert M.The role of neuronal insulin/IGF-1 signaling for the pathogenesis of Alzheimer's disease:possible therapeutic implications[J].CNS Neurol Disord Drug Targets,2014,13(2):322-337.

[20]Gontier G,George C,Chaker Z,et al.Blocking IGF Signaling in Adult Neurons Alleviates Alzheimer's Disease Pathology through Amyloid-β Clearance[J].J Neurosci,2015,35(33):11500-11513.

[21]X Liu,YN Zhang,LH Jiang,et al.Study of the correlation about IGF-I 1038/srep40413.receptor and β-amyloid in Alzheimer's disease[J].Zhonghua Yi Xue ZaZhi,2012,92(15):1062-1065.

[22]Zhang J,Chen C,Hua S,et al.An updated meta-analysis of cohort studies:Diabetes and risk of Alzheimer's disease[J].Diabetes Res Clin Pract,2017,124:41-47.

[23]Vagelatos NT,Eslick GD.Type 2 diabetes as a risk factor for Alzheimer's disease:The confounders,interactions,and neuropathology associated with this relationship[J].Epidemiol Rev,2013,35:152-160.

[24]聶宏偉,徐勇,張耀東,等.糖尿病對阿爾茨海默病發病風險的Meta分析[J].現代預防醫學,2010,37(7):1224－1226.

[25]Osborn O,Olefsky JM.The cellular and signaling networks linking the immune system and metabolism in disease[J].Nat Med,2012,18(3):363-374.