AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α-BACE1信號通路及其相關因子在阿爾茨海默病病理改變中的作用

李 瑩，黃南渠，李園園，馮 飛，巴智勝，羅 勇※

(遵義醫學院第三附屬醫院 a.神經內科，b.藥物臨床試驗機構辦公室，貴州 遵義 563000)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是老年人常見的以進行性認知功能障礙為主要特征的中樞神經系統退行性病變，主要病理改變為嗜銀神經軸索突起包繞β淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)形成神經炎性斑、過度磷酸化的微管Tau蛋白在神經元內高度螺旋化形成的神經元纖維纏結以及神經元缺失和膠質增生。據世界衛生組織統計，25%～30%的85歲以上老年人存在認知能力下降，隨著人口老齡化的加劇，AD的患病風險隨年齡增長大幅提高[1]。中國國家統計局《2017年國民經濟和社會發展統計公報》數據顯示，中國13.9億人口中，60歲及以上老人2.409億(17.3%)；65歲及以上人口數為1.583億(11.4%)，中國已成為世界上老齡化最嚴重的國家之一[2]。國際阿爾茨海默病協會報告顯示，中國現約有950萬癡呆患者，2030年可能超過1 600萬[3]。最新數據顯示，中國每例AD患者每年社會經濟成本達到19 144.36美元，遠遠超過中國2017年9 481.88美元的人均國內生產總值[4]。以上數據提示，AD將是中國未來發展面臨的重大公共衛生問題，AD發病機制迄今不明，臨床上缺乏有效的早期診斷方法和治療措施。因此，積極探索AD的發病機制和有效的藥物防治措施具有重要的價值和意義。

研究發現，AMP活化的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)活化后可改善大腦能量代謝，通過抑制β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme protein 1，BACE1)表達進而調節淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的裂解，以減少Aβ的生成與積聚；過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(PPARγ coactivator-1α gene，PGC-1α)可通過降低BACE1表達及活性改善大腦能量代謝，減少Aβ生成。此外，AMPK與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸沉默信息調節因子1(silent information regulator 1，SIRT1)的激活及相互作用對PPARγ、PGC-1α的信號轉導及生理功能起重要作用。現對AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α-BACE1信號通路在AD主要病理改變中的作用予以綜述，以期為探索AD發病機制和有效藥物防治措施提供理論依據。

1 AD病理改變及其與大腦能量代謝的關系

目前，關于AD發病機制的研究較多。研究發現，遺傳因素、Aβ生成與清除失衡、中樞膽堿能、興奮性氨基酸毒性、炎癥與免疫機制、自由基與氧化應激、線粒體功能障礙、鈣穩態失調、胰島素相關糖代謝異常以及脂質代謝異常等均是AD發病的重要機制[5-6]。其中，Aβ學說作為最主流的研究方向已經超過20年，研究認為，Aβ產生和清除之間的不平衡導致寡聚或纖維狀Aβ的積累和沉積是AD發生的主要原因[7]。研究表明，Aβ由APP代謝生成，主要有非淀粉樣物質途徑(APP的內切蛋白水解由α型、β型和γ型分泌酶催化，α型分泌酶途徑釋放非淀粉樣蛋白產物sAPPα、p3和C83肽)和淀粉樣物質生成途徑(在β分泌酶途徑中，除sAPPβ和C99片段外，還產生β淀粉樣肽Aβ40和Aβ42，其中Aβ42具有更強的神經毒性，較Aβ40疏水性更強，具有更強的寡聚化和聚集傾向)兩條APP代謝途徑[8-9]。1999年，BACE1被確定為用于執行β分泌酶功能的功能性酶，也是最重要的β型分泌酶，在Aβ生成過程中起重要作用[10]。因此,有效抑制BACE1可以減少Aβ生成，減少Aβ聚集，被認為是AD有潛力的治療靶點。隨著抗Aβ療法的失敗和對AD發病機制的深入研究發現，Aβ異常聚集是炎癥反應、Tau蛋白磷酸化、線粒體功能障礙和氧化損傷等多種神經生物學反應的結果和媒介[11-12]。僅聚焦于清除Aβ的AD模型過于簡單線性化，應從各種通路發現其病理機制并找到其治療藥物的相關機制[13]。

能量代謝在不同AD相關機制中起關聯性作用。大腦是能量消耗巨大的器官，其能量主要來源于腦內葡萄糖的有氧氧化[14-16]。大腦有氧呼吸提供的能量是維持神經元遞質傳遞和結構功能完整的基礎。研究表明，腦葡萄糖代謝紊亂與AD的發生密切相關，在認知功能下降前，腦能量代謝異常就已經存在[17]。臨床發現異常的能量代謝最終會導致神經病理級聯反應，可使大腦的攝取速率和代謝率降低，最終導致AD患者認知功能下降[18]。目前，大腦能量代謝異常后主要通過以下途徑導致AD的病理改變：①促進神經元凋亡；②導致小膠質細胞異常應答；③活性氧自由基大量生成；④M受體數量下降；⑤自噬系統異常等，并且這些改變之間還有復雜的相互作用[6,14]。因此，通過改善大腦異常的能量代謝，不僅可維持大腦神經元的正常生理功能，還對延緩AD病理改變有重要意義。

2 AMPK在AD病理改變中的作用

AMPK是調節細胞能量狀態的重要絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在真核細胞中廣泛存在，作為能量傳感器和調節器，在調節細胞能量穩態中起關鍵作用，并且與神經元形態和功能密切相關[14,19]。AMPK結構和功能受腺苷二磷酸水平的調節，當細胞內腺苷二磷酸水平增加或ATP水平降低時，AMPK被激活，以應對細胞能量狀態改變并調節能量代謝過程，從而維持能量供求平衡[20-27]。代謝功能障礙可加劇AD的發病率和病程進展，而AMPK介導的信號通路與AD發病中能量代謝過程密切相關，其活性強弱是Aβ沉積和Tau蛋白過度磷酸化的主要影響因素之一，在Aβ生成的病理過程中發揮重要作用，AMPK激活可通過調節APP代謝而減少Aβ生成[28-34]。研究顯示，AMPK敲除大鼠皮質神經元中Aβ生成增加，當AMPK被激活劑5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸轉甲酰酶激活后，大鼠皮質神經元中Aβ的產生也隨之降低[6,35]。5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸轉甲酰酶也可通過激活AMPK，降低大鼠原代神經元培養物中磷酸化Tau蛋白水平，提高鏈脲佐菌素誘導大鼠AD模型的ATP水平、線粒體膜電位和復合物Ⅰ活性，改善線粒體功能，從而改善大鼠的認知功能[20,36]。此外，激活AMPK能顯著降低高膽固醇喂養快速老化大鼠的膽固醇水平，下調BACE1表達水平，進而降低腦組織中Aβ的產生和沉積，并且腹腔注射AMPK抑制劑來拮抗其保護作用[16,37]。采用小檗堿激活穩定表達人瑞典突變體APP695的N2a小鼠神經母細胞瘤細胞、N2a細胞和原代皮質神經元中的AMPK，也可減少Aβ的生成，并降低BACE1的表達[38]。綜上所述，AMPK活化后可直接或間接參與調節AD的病理改變，在大腦能量代謝得到改善的同時，通過抑制BACE1表達進而調節APP的裂解，以減少Aβ的生成，防止AD病理改變的發生。

3 PPARγ在AD病理改變中的作用

PPARγ是調節目標基因表達的核內受體，與脂肪細胞分化、機體免疫調節及胰島素抵抗關系密切。流行病學調查發現，遲發性AD是最常見臨床AD類型，PPARγ基因與遲發性AD的發病關系密切[39]。PPARγ激動劑三氯化萘可增強細胞核內PPARγ與BACE1啟動子的結合，抑制BACE1的轉錄和翻譯，進而抑制BACE1的活性，最終減少Aβ的產生[40]。此外，有研究發現，人參皂苷Re可降低AD動物模型中Aβ的水平，且在N2a/APP695細胞中可使Aβ1～40和Aβ1～42水平降低，可能由于人參皂苷Re的干預可顯著增加PPARγ蛋白和mRNA表達水平，抑制N2a/APP695細胞中的BACE1活性，最終減少Aβ1～40和Aβ1～42的產生，而PPARγ拮抗劑GW9662可有效抑制人參皂苷Re對BACE1的作用，表明PPARγ激活后可抑制BACE1的表達及活性，減少Aβ1～40和Aβ1～42的產生，進而緩解AD病理改變的發生[41]。球形脂聯素可誘導促進小膠質細胞向M2抗炎表型轉化，并通過對PPARγ信號的調節，降低Aβ所致的毒性炎癥反應，并且可在羅格列酮干預后的鏈脲佐菌素誘導大鼠模型中激活PPARγ，從而抑制BACE1發揮神經保護作用[42]。綜上所述，PPARγ激活后可抑制BACE1的表達及活性，在AD病理改變中發揮重要作用，并與調節Aβ分泌和毒性中的重要作用有關。

4 PGC-1α在AD病理改變中的作用

PGC-1α為PGC-1家族的一員，為核轉錄輔助激活因子，可與PPARγ共同作用，增強基因轉錄活性。PGC-1α也是骨骼肌[43]及棕色脂肪[44-45]中線粒體生物發生和氧化代謝的關鍵調節劑，在能量需要量較大的組織(如脂肪組織、肝臟、骨骼肌、心臟、腎臟和腦部)大量表達，PGC-1α對調節大腦能量代謝起重要作用，并與各種神經退行性疾病有關[46-49]。研究發現，AD患者腦中PGC-1α的表達水平下調，并且PGC-1α在N2a神經母細胞瘤細胞中的過表達可使Aβ分泌水平降低，其原因可能與PGC-1α過表達使BACE1啟動子活性降低以及BACE1表達和轉錄減少有關；PGC-1α干擾小RNA轉染下調PGC-1α表達水平后BACE1表達增加表明，PGC-1α表達水平上調可減少Aβ的產生，進而緩解AD的病理改變，同時其表達上調亦可改善由AD引起的認知功能障礙[46,50]。此外，AD患者死后的腦組織和AD轉基因小鼠模型中PGC-1α及其下游靶標均降低，可能與PPARγ有關[51]。PGC-1α缺陷Tg2576小鼠和干擾小RNA轉染沉默PGC-1α的原代神經元中Aβ水平均顯著增加，而煙酰胺核糖核苷是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的前體，可促進大腦中PGC-1α的表達，以降低Aβ的產生，改善Tg2576小鼠的認知水平，可能與煙酰胺核糖核苷促進PGC-1α介導的BACE1泛素化和降解有關，從而阻止腦中Aβ的產生[52]。在APP/PS1雙轉基因AD小鼠模型中，使用神經營養因子激活神經營養通路可以激活PGC-1α，降低BACE1表達及活性，減少Aβ生成[53]。因此，AD中PGC-1α被認為與Aβ生成有相關性，并且可能與其調節BACE1表達及活性有關[49,54]。最新研究表明，厚樸酚可以通過增加AMPK、環腺苷酸反應元件結合蛋白和PGC-1α的表達抑制BACE1的表達及活性，從而降低Aβ水平[55]。由此可見，PGC-1α表達上調可能通過降低BACE1的表達及活性，改善大腦中能量代謝，并減少Aβ生成，表明PGC-1α在AD病理改變中的重要作用與其調控BACE1降低的Aβ生成有關。

5 AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α信號通路在AD病理改變中的作用

SIRT1是Sirtuins家族成員之一，功能多樣，可與多種信號通路相關蛋白相互作用，使組蛋白、賴氨酸殘基及轉錄因子去乙酰化，發揮基因調節作用。SIRT1具有對抗衰老、延長壽命和調節新陳代謝的作用，是線粒體生物發生的重要調節因子[56-57]。SIRT1與AMPK在控制細胞穩態的調節中關系密切，共同發揮作用，且在氧化代謝和炎癥調節中也有交叉作用。SIRT1可促進肝激酶B1的脫乙酰化，從而觸發AMPK激活；反過來，AMPK可增加細胞煙酰胺腺嘌呤二核苷酸水平，誘導SIRT1激活[58-59]。此外，AMPK激活可以誘導SIRT1活性增加，但SIRT1的表達水平沒有明顯變化；當SIRT1基因敲除后，細胞內AMPK活性出現代償性增加，兩者相互作用可誘導線粒體生物發生和調節PGC-1α活性，而PGC-1α與PPARγ相結合對與線粒體生物合成調節相關的蛋白起調控作用，可促進與線粒體氧化磷酸化有關的基因和線粒體DNA復制，從而正性調節線粒體功能和代謝[60-62]。

AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α途徑也在運動和溫度誘導的線粒體生物合成中發揮重要作用，抑制其傳導可引起線粒體生物發生受損[63-64]。SIRT1激活后可通過抑制PGC-1α乙酰化和促進PGC-1α活性，進而促進線粒體生物發生，并可減少AD小鼠模型海馬中的神經變性，降低PGC-1α和p53的乙酰化，改善小鼠學習記憶障礙，在AD小鼠模型中發揮明顯的神經保護作用[65-68]。Aβ25～35可下調SIRT1和PGC-1α的表達，抑制AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α途徑信號轉導，導致線粒體生物發生減少和線粒體功能損害，使大腦能量代謝異常，進而導致AD發生；當AMPK依賴性途徑激活后，Aβ誘導的神經干細胞中線粒體功能障礙得到改善[69-70]。將Aβ注射入小鼠海馬內，損害小鼠空間學習和記憶能力后，海馬中AMPK活性和PGC-1α蛋白水平下降，在中等跑步運動治療后AMPK活性和PGC-1α水平也隨之恢復，進而改善Aβ誘導的空間學習和記憶障礙[54]。綜上所述，AMPK與SIRT1的激活及相互作用對PPARγ、PGC-1α的信號轉導及生理功能起重要作用，并且在改善線粒體功能、大腦能量代謝及Aβ誘導的神經毒性中發揮重要作用。AMPK、PPARγ、PGC-1α三者均可參與調節BACE1的表達及活性，進而調節Aβ的合成分泌，對AD的發生、發展起重要調節作用。

6 小 結

AD是一種與年齡相關的神經退行性疾病，主要表現為記憶缺陷和認知功能下降。過量的Aβ聚集并形成可溶性寡聚體和不溶性腦淀粉樣斑塊被廣泛認為是AD的潛在致病機制，目前尚未開發出有效治療藥物。研究表明，AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α信號通路涉及能量代謝、線粒體功能和細胞凋亡等，可通過參與線粒體功能的調節，維持大腦能量代謝平衡，在保護腦神經元功能中發揮作用[71-72]。AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α信號通路在AD病理改變中可起到調節大腦能量代謝，改善大腦的攝取速率和代謝率，防止神經元退變和死亡的作用；還可調節BACE1的轉錄、合成和活性，減少APP的淀粉樣代謝，使Aβ生成和積累減少，進而減少淀粉樣斑塊的形成，防止AD的發生、發展。因此，進一步驗證AMPK/SIRT1-PPARγ-PGC1α-BACE1信號通路在AD病理改變中的作用，明確該信號通路相關因子的相互作用關系，并通過藥物對其中1個或多個靶點進行干預，將有望成為治療及預防AD的新途徑，對延緩AD病理改變及預防具有極其重要的意義。