PPARγ與阿爾茨海默病相關性的研究進展

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一種起病隱匿的神經退行性疾病,主要表現為學習記憶能力下降和認知功能減退,以記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆為特征[1]。越來越多的數據顯示,AD在世界范圍內的患病率逐漸增加,已成為危害老年人健康、加重家庭和社會負擔的主要疾病之一,而對AD的發病機制、早期診斷和治療仍未取得理想進展。目前AD的發病機制主要有以下幾種學說:β-淀粉樣蛋白(Aβ)毒性、tau蛋白異常修飾、炎癥、氧化應激、基因突變、膽堿能損傷、神經血管學說等[2]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)屬于非類固醇激素類核內激素受體超家族,是依賴配體激活的轉錄因子,在脂肪細胞生成、糖脂代謝、炎癥、免疫以及腫瘤細胞的分化和凋亡等多種生物學過程中發揮關鍵作用[3]。PPARγ在Aβ穩態、炎癥和能量代謝的各種基因的調節中起作用,使其成為AD風險的候選基因[4]。最近研究發現,在AD的動物模型中,PPARγ激動劑治療可以使動物模型中淀粉樣蛋白斑塊負荷的減少、炎癥減輕和疾病相關行為障礙的逆轉[5]。但具體機制尚不明確,因此探明“PPARγ-AD”關系,對探明新的抗AD作用靶點有重要意義。

1 PPARγ結構的研究

PPARγ基因位于人的3p25染色體,并且根據啟動子、外顯子和拼接方式,PPARγ的mRNA具有4個不同的剪接體,即PPARγ1,PPARγ2,PPARγ3和PPARγ4。PPARγ有4個功能結構域:(1)N-末端A/B結構域,其是具有磷酸化結合位點的調節區,調節PPARγ的活性;(2)兩個鋅指結構組成的DNA結合結構域(C結構域),在與過氧化物酶體增殖物應答元件結合后啟動和調節基因轉錄;(3)D結構域,參與轉錄活性的調節結構域,通過活性因子結合到該域調節PPARγ的活性;(4)C末端配體結合結構域(E/F結構域),顯示出其對靶基因表達和對結合配體的下游效應[6]。研究表明不同種屬之間PPARγcDNA具有高度同源性[7]。PPARγ在多種細胞類型中表達,包括脂肪組織、免疫細胞和腦細胞。它調節葡萄糖穩態,胰島素敏感性,脂質代謝,細胞命運,免疫反應,炎癥和心血管功能[8]。由于PPARγ具有多個功能結構域且在細胞中廣泛表達,因此保證了其在多種疾病中的調控作用。

2 PPARγ對AD作用機制的研究

2.1 PPARγ激活劑減輕Aβ的產生 Aβ的產生依賴于2種蛋白酶:β-分泌酶和γ-分泌酶的蛋白水解切割淀粉樣蛋白前體蛋白(APP)。β-分泌酶亦稱β位淀粉樣蛋白前體蛋白裂解酶1(BACE1),作為切割APP生成Aβ的關鍵酶,在AD發生發展過程中至關重要,引發有毒Aβ的產生[9]。研究發現高水平的BACE1活性增加Aβ沉積引發體內神經變性和神經衰退[10]。動物實驗證明BACE1的活性降低50%顯著改善Aβ的沉積,BACE1可以調節海馬的突觸功能,使突觸釋放缺陷[11]。這些發現證實了Aβ負荷與BACE1升高之間的相關性,并且也表明,BACE1升高可增加Aβ產生和散發性AD病人中淀粉樣斑塊沉積。而PPARγ激活劑,可以通過抑制BACE1的表達減少Aβ的分泌[12]。

2.2 PPARγ信號的激活促進腦內Aβ的清除 一方面小膠質細胞(MG)的活化可通過釋放金屬基質蛋白酶來降解Aβ,但過多的MG在對Aβ起吞噬作用的同時加速了Aβ的形成[13]。PPARγ的激活配體與PPAR-γ結合后抑制信號轉導和轉錄激活因子-1(signal transducer and activator of transcription 1,STAT-1)、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)從而抑制活化的MG中炎癥因子的釋放以及主要組織相容性復合體-Ⅱ(major histo-compatibility complex, MHC-Ⅱ)分子的表達,從而減弱MG的過度活化[14]。另一方面Aβ也可以被肽鏈內切酶降解,最主要的有胰島素降解酶(insulin-degrading enzyme,IDE),當 PPARγ受到配體激活后轉入細胞核中,通過與IDE基因啟動子區的響應元件結合從而激活IDE基因的轉錄活性[15]。

2.3 PPARγ激動劑抑制神經炎癥 PPAR-γ在神經炎癥中有重要作用,PPAR-γ在MG中表達并通過誘導MG極化進入M2樣表型而介導抗炎活性[16]。此外,已知PPAR-γ通過抑制轉錄因子如NF-κB,STAT和AP-1來抑制促炎細胞因子、趨化因子和MMP的表達[17],從而在轉錄水平上抑制促炎基因的表達,其激動劑可有效地抑制中樞神經系統中MG、星形膠質細胞介導的炎癥分子的產生。

2.4 PPARγ的激活可以保護神經元免受損傷 在有關神經元與膠質細胞混合培養的實驗中發現PPARγ的激動劑能抑制MG誘導型一氧化氮合酶(iNOS)的表達和NF-κB的結合活性保護神經元[18],阻止脂多糖(LPS)誘導的神經元死亡。而且發現PPARγ激動劑處理組能夠減輕學習和記憶缺陷,減少MG的激活,并防止海馬和皮質神經元死亡[8]。

2.5 PPARγ與氧化應激的研究 有很多文獻證實了PPARγ可以負調控機體在感染或者病體條件下的氧化應激炎癥[19]。據報道PPARγ具有抗氧化功能,可以通過與以下幾個抗氧化基因如HO-1、CAT、GPX-3和錳超氧化物歧化酶(MnSOD)的啟動子區結合,從而使抗氧化基因轉錄激活達到減弱氧化應激作用[20]。

3 PPARγ基因多態性與AD的研究

PPARγ基因中最常見的功能多態性是外顯子B第12位密碼子CCA-to-GCA錯義突變(rs1801282),導致用丙氨酸取代脯氨酸12(Pro12Ala)降低PPARγ的轉錄活性[21]。Pro12Ala 單核苷酸多態性(SNP)位點的Ala12等位基因頻率在不同的地域和民族間差異很大,有報道Ala12等位基因頻率在芬蘭人群中為0.15,德國人群為0.12,意大利人群為0.082,中國人群為0.034[22]。這種變異可能導致這種多態性在不同人群中的不同遺傳角色。近年來很多學者對其進行了研究,結果也不近相同。Helisalmi等[23]為538例芬蘭AD病人和672例對照者分析了PPARγ基因的8個SNP位點,并進行了單個等位基因和基因型分布比較以及估計病例和對照之間的單體型頻率。在研究組之間單個SNP和PPARγ基因的單體型分析中發現AD風險沒有顯著差異。得出結論:PPARγ基因在芬蘭人群中對AD的遺傳易感性中不起主要作用。Shibata N等[24]以171例AD病人、136名年齡匹配對照為研究對象,對2組PPARγ基因的rs1801282和rs3856806外顯子SNP進行了基因分型比較,認為這2個SNPs不影響日本人群的AD風險。何雯等[25]對中國漢族人群的研究報告稱,PPARγ2基因rs1801282位點單核苷酸Pro12Ala多態性可能與散發性AD的發病無相關性。但一項對拉丁人的研究結果表明男性Ala丙氨酸攜帶者可能具有較高的癡呆風險[26]。雖然大多數研究提示PPARγ基因多態性與AD的易感風險無明顯相關性,但是有學者通過隨訪研究發現,PPARγAla12-478T基因型攜帶者癡呆發病年齡比非攜帶者顯著年輕(P=0.026),表明PPARγ基因可能會改變晚發型AD發病的年齡[27]。通過對遲發型AD病人樣本中基因外顯子2的Pro12Ala多態性的研究發現,與對照組相比,80歲以上病人中Ala基因型比例顯著偏高(P=0.034),在80歲以上人群中攜帶Ala等位基因的發生AD的風險增加了近2倍(OR=1.98;95%CI:1.03～3.80,P=0.04)。研究結果表明PPARγ基因可能影響80歲以上的遲發型AD的易感性[4]。具有Pro/Ala基因型的AD病人比Pro/Pro基因型的攜帶者提前4年發病。進一步調查發現攜帶Pro/Ala基因型的AD病人血漿sRAGE水平顯著低于Pro/Pro基因型病人。這些發現提示功能性PPARγPro12Ala多態性可能會改變AD發病的年齡[22]。并且PPARγ基因與AD的易感基因存在基因-基因的相互作用,與AD的危險因素存在基因-環境的相互作用,使其攜帶者與對照組相比具有較高的AD風險[28]。

4 高原低氧環境下PPARγ與AD的相關性研究

高原具有低氧、低氣壓、高寒、強輻射、晝夜溫差大等特點,其中高原低氧是其獨特環境特點的重要分支,對人體造成了嚴重的生理壓力[29]。隨著高原醫學的發展,有關研究人員經多年研究發現,高原地區人群記憶力減退的年齡相比于平原地區提前了10年,且高海拔地區老年人AD發病率與內地相比明顯增高[30]。低氧參與AD發病的多種機制已經得到證實,而低氧環境下PPARγ對AD的影響仍存在爭議[31]。有研究表明在小鼠脂肪3T3細胞,低氧誘導因子1α(HIF-1α)通過上調DEC1/Stra13的表達,進而抑制PPARγ2的表達,導致對BACE1的抑制作用減弱,BACE1表達升高[32]。同時在β分泌酶BACE1的基因啟動子區有HIF-1α的結合位點(hypoxia-responsive element,HRE),缺氧時HIF-1轉錄活性增加,進而上調BACE1的基因表達。BACE1表達的上調導致Aβ沉積的增加[33]。相反的,劉曉玲等[34]發現PPARγ2在2種腫瘤細胞MCF-7(人乳腺癌細胞癌細胞系)和Hep G2(人肝癌細胞系)中是低氧誘導表達的,并且證明PPARγ2是HIF-1α的靶基因,HIF-1α正調控PPARγ2表達,抑制STAT-1、NF-κB從而抑制活化的MG中炎癥因子的釋放以及晚期糖基化終末產物受體(receptor for advanced glycation endproducts,RAGE) 基因啟動子區HIF-1和NF-κB結合位點的激活,增強內皮細胞和腦內RAGE的基因表達,從而減弱RAGE介導Aβ由外周進入腦內[35]。

5 總結與展望

總之,PPARγ廣泛參與AD的病理過程,在被激動劑激活后,PPARγ作用于多種細胞和多個分子位點從而改善認知功能,這給AD的治療提供了一個新的思路。雖然PPARγ基因多態性與AD的易感性在不同人群的研究結果不一致,究其原因,除基因多態性的分布頻率有顯著的地區、種族差異外,還與研究的樣本量不夠大有關,因此為保證結果的可靠性,要求研究樣本量足夠大,同時對PPARγ基因多態性與環境因素的交互作用進行分析,對有關聯的多態性位點應進行深入的功能學研究。從遺傳學角度進一步闡明AD發生的可能機制,研究干預PPARγ基因轉錄的藥物,可能從基因水平為AD的一級預防、早期診斷和靶向治療開辟新的途徑。