阿爾茨海默病基因多態性研究進展

王瑞華劍非

作者單位：110004遼寧省沈陽市，中國醫科大學附屬盛京醫院神經內科

劍非 教授

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種以進行性認知功能障礙和記憶損害為主的中樞神經系統退行性疾病。遺傳因素對AD的影響預計高達80%［3］。AD組織病理學特征主要為神經元大量減少以及老年斑（senile plaques，SP）和神經元纖維纏結（neurofibrillary tangles，NFTs）形成。 β-淀粉樣蛋白（βamyloid，Aβ）由 β-淀粉樣前體蛋白（β-APP）通過蛋白水解產生。SP由Aβ沉積而成，主要分布在大腦皮質、海馬、杏仁核等區域，對神經元和突觸具有毒性作用，可以破壞突觸膜，引起神經細胞凋亡。NFTs是AD另一個重要的病理特征，多出現在皮質海馬及Meynert基底核神經元中，主要由維持正常軸漿運輸和軸突生長所必需的細胞內微管相關蛋白（Tau蛋白）異常磷酸化形成。

AD按發病年齡不同可分為2種類型：發病年齡＜65歲者為早發型AD（early-onset AD，EOAD），僅占AD總數的1%～6%［2］；發病年齡＞65歲者為遲發型 AD（late-onset AD，LOAD），約占 AD 總數的 95%左右［3］。EOAD多為家族性，具有遺傳和家族聚集傾向；LOAD多為散發性，受復雜的遺傳和環境因素共同影響。目前研究發現，EOAD主要與 APP、早老素（presenilin，PSEN）1、PSEN2 基因突變有關［4］；而載脂蛋白 E（ApoE）基因與LOAD相關［5］。隨著全基因組關聯研究（genome-wide association study，GWAS）的進展，更多的AD遺傳風險基因受到關注。

1 EOAD相關基因多態性

1.1 APP APP基因位于染色體21q21.3，對其全部編碼區行直接測序發現，APP基因突變均發生在APP的第16、17號外顯子上，突變形式包括 V717I、A673T、K670N／M671L、E682K、E693G 等［6］。 生理狀態下，APP可在α-分泌酶和γ-分泌酶的作用下水解為非致病性片段，也可被β-分泌酶及γ-分泌酶水解為2種Aβ短肽，即 Aβ42（10%）和Aβ40（90%），后兩者在細胞外聚集形成SP［7］。E693G突變導致Aβ肽自我聚集及纖維形成增加［8］。 K670N／M671L、E682K、V717I突變可調整或轉移切割位點至β-分泌酶切割位點，從而增加Aβ42／40的生成［9］；V717I突變還可以使Tau蛋白過度磷酸化，從而導致SP和NFTs形成，引起細胞凋亡。但也有研究表明，A673T突變可降低AD的發病率［10］，而同一位點的變體A673V在純合子狀態可導致EOAD的發病風險增加，但在雜合子狀態可降低AD的發病風險［11］。

1.2 PSEN PSEN有PSEN1和PSEN2兩種形式，其基因分別位于染色體14q24.3和染色體1q13～q42。PSEN1和PSEN2是γ-分泌酶復合體的重要組成部分。PSEN1和PSEN2基因主要通過以下3種病理機制影響AD：（1）抑制內切蛋白酶水解，從而減少Aβ蛋白前體（AβPP）在細胞內的釋放；（2）影響水解位點優先分解AβPP；（3）產生較長的 Aβ 肽［12］。 有研究證明，PSEN1的親水性環狀結構域，尤其是TDM6和TDM7之間結構的缺失會導致PSEN1的構象改變，進而使Aβ42生成增多，Aβ42／40 的比例升高［13］。 有研究發現，LOAD 病人也會出現PSEN1或PSEN2基因突變。

2 LOAD相關基因多態性

目前已被鑒定出有約30個位點與LOAD基因多態性相關［14］，其中許多基因的功能尚不清楚。且與等位基因ApoE的效應量相比，在GWASs中發現的大多數易感位點表現出較小的效應量。這些基因的分子功能大致集中在以下幾個途徑中：（1）脂質代謝相關通路，包括ApoE、叢生蛋白（CLU）和ATP結合盒轉運蛋白A7（ABCA7）；（2）免疫應答通路，包括髓系細胞分化抗原33（CD33）、補體受體1型（CR1）、人跨膜蛋白4結構域亞家族（MS4A）及髓系細胞觸發受體2（TREM2）；（3）內吞作用，包括橋聯整合1（BIN1）、磷脂酰肌醇結合網格蛋白組裝蛋白（PICALM）、分揀蛋白受體1（SORL1）及CD2相關蛋白（CD2AP）。與常染色體顯性遺傳AD不同，這些基因不能獨立預測疾病。但多種因素的疊加可能會影響AD的易感性。有研究稱，這些因素的聚集可使AD發病年齡提前10年［15］。

2.1 脂質代謝相關基因多態性

2.1.1 ApoE：ApoE基因多態性被認為是LOAD主要的易感因素。ApoE基因位于染色體19q13.2，含有4個外顯子，其中第一外顯子不編碼氨基酸，剩余外顯子以ε2、ε3和ε4三種常見的等位形式存在，共6種不同的基因型（ε2／2、ε2／3、ε2／4、ε3／3、ε3／4、ε4／4）。 ApoE基因頻率和表現型有種族和地域的差別。ApoE主要在肝臟中合成，腦中的ApoE由星形膠質細胞合成和分泌。Strittmatter等［16］于1993年首先報道了ApoE基因型ε4是AD的高危因素和易感基因，且性別、年齡、劑量效應均影響患病風險。

研究表明，ApoE亞型以特異性的方式影響Aβ的沉積和神經毒性作用，其中ApoE ε3通過防止Aβ沉積保護神經元；而ApoE ε4則促進Aβ的沉積，從而發揮神經毒性作用，這也是ApoE ε4作為AD獨立危險因子的重要原因［5］。

ApoE與Tau蛋白相互作用具有異構體特異性，ε3可通過與Tau蛋白微管結合形成較為穩定的復合體，減少其磷酸化，促進軸突生長；ε4則缺乏結合Tau蛋白的能力，易引起微管解聚，抑制軸突生長及神經變性后正常神經元的代償重建，加速NFTs的形成，這是ApoE ε4 與 AD 相關的重要原因［17］。

但目前ApoE ε4通過影響Aβ的沉積及Tau蛋白磷酸化影響AD的相關機制仍停留在實驗、假說階段，ApoE與AD相關的生物學機制仍需進一步研究。

2.1.2 CLU：CLU是載脂蛋白的一種，其基因位于染色體8p21.1。該蛋白在腦組織中表達較高，是僅次于ApoE的第二大載脂蛋白，作為一種應激活化的伴侶蛋白，參與許多生物學過程，如脂質轉運、膜保護、神經元細胞周期調節、細胞凋亡、補體調節等。CLU mRNA在 AD 病人腦組織中表達增加［18］。 DeMattos 等［19］在CLU缺陷的APP轉基因小鼠腦組織中發現，纖維斑塊形成降低，營養障礙型軸突減少，可溶解Aβ的水平改變。所以，CLU可能影響Aβ的清除，導致淀粉樣蛋白沉積，從而產生神經毒性。

2.1.3 ABCA7：ABCA7是ABC轉運蛋白超家族成員之一，其功能是跨細胞膜轉運底物，在腦小膠質細胞中表達最為豐富。ABCA7位于染色體19p13.3，可通過交替剪接產生2個轉錄本：rs3764650和rs4147929，這2個轉錄本都在大腦中表達，其中rs3764650與AD大腦中的神經元斑塊負擔有關［20］。尸檢腦組織中ABCA7 mRNA表達也與晚期認知功能下降有關［21］。ABCA7在脂質從細胞外轉運到脂蛋白顆粒的過程中起作用，刺激膽固醇外排，抑制Aβ分泌。ABCA7還通過C1q補體途徑調控巨噬細胞吞噬凋亡細胞。

2.2 免疫應答相關基因多態性

2.2.1 CR1：CR1編碼CR1蛋白，是補體反應的一個組成部分，其基因位于染色體1q32。CR1在吞噬細胞（如紅細胞）上的表達可導致補體活化顆粒的攝取和清除。有研究證實，CR1通過補體系統參與小膠質細胞及神經炎癥過程，進而參與AD的Tau蛋白磷酸化病理過程［22］。Aβ通過補體因子C3b的介導與紅細胞表面的 CR1結合，并最終被紅細胞清除出循環系統［23］。既往研究表明，rs3818361和rs6656401內含子基因的突變不直接參與蛋白的表達，但可能通過影響CR1基因的表達進而影響Aβ的清除［24］。rs3818361與 ApoE ε4轉運相關［25］。 尸檢腦組織中 CR1 mRNA的表達也與晚期認知功能下降有關。

2.2.2 CD33：CD33編碼一種Ⅰ型跨膜受體，分布于外周組織的免疫細胞以及大腦的小膠質細胞中，為SIGLEC凝集素家族的一員。GWASs分析顯示，CD33基因單核苷酸多態性（SNPs）與AD的發生發展有著密切聯系。研究發現，AD病人CD33的表達上調，CD33陽性的AD病人小神經膠質細胞的數量與Aβ42積累呈正相關［26］。CD33保護性等位基因rs3865444的表達水平減少與AD病人腦中不溶性Aβ42含量的減低有關。有研究表明，CD33可通過誘發人干擾素（INF）-α、白細胞介素（IL）-6、IL-8等炎癥因子，干擾炎癥反應和突觸傳遞，并抑制Aβ的清除，造成Aβ在AD病人大腦中堆積，從而參與AD的發病進程［27］。此外，據報道，CD33的危險等位基因與TREM2表達水平的增加有關［28］。CD33抗體通過抑制CD33信號，降低TREM2的表達水平。因此，提示CD33可能通過調節TREM2的功能從而在AD的病理機制中發揮多效性作用。

2.2.3 TREM2：TREM2位于染色體6p21.1，編碼骨髓細胞（如小膠質細胞、樹突狀細胞、巨噬細胞）細胞膜的跨膜免疫受體。TREM2可通過損傷相關脂質模式，增強小膠質細胞對損傷細胞和Aβ沉積的免疫應答［29］。 Lill 等［30］研 究 發 現， TREM2 rs75932628（R47H）可增加AD風險（OR=5.73），這幾乎與ApoE ε4等位基因有同樣的效果，但這種風險關系僅在高加索人群中存在，在亞洲人群中并未發現明確相關性。Jiang等［31］在我國漢族人群中發現TREM2 rs2234255（H157Y）可增加 AD風險（OR=11.01），并且存在較高的等位基因頻率。另一研究發現，TREM2 rs143332484（R62H）也可增加 AD風險（OR=2.36）［32］。 Carrasquillo 等［33］研究發現，rs9357347C 等位基因可降低 AD的發病風險，增加 TREM1和TREM2在腦組織中的表達。

TREM2可與跨膜蛋白DAP12形成復合物，并通過DAP12傳遞信號識別細胞外配體。TREM2基因缺陷的AD模型小鼠組織中存在Aβ沉積，并且Aβ斑塊周圍小膠質細胞的數量明顯減少［34］。TREM2除作為受體外，還可參與細胞外蛋白水解，釋放出一種可溶性片段sTREM2。sTREM2可以在人類腦脊液中檢測到，可刺激小膠質細胞存活和炎癥細胞因子產生［35］。由于這種變化可能反映了小膠質細胞活化狀態的改變，因此腦脊液中TREM2有望成為神經炎癥的潛在生物標志物。

2.2.4 MS4A：MS4A包含多個與炎癥反應相關的基因位點：MS4A4A、MS4A4E、MS4A6E，其基因位于染色體11q12.2。MS4A在結構上與CD20相似。CD20調節B淋巴細胞抗原受體活化后的鈣內流。MS4A基因在髓細胞和單核細胞中表達。LOAD的GWAS研究發現，rs983392（接近 MS4A4A）和 rs670139（接近MS4A4E）為AD風險等位基因［36］。rs983392與LOAD風險降低相關，而 rs670139則與之相反。MS4A6E mRNA表達和rs670139與AD腦組織中較晚期的Braak糾結和斑塊分期有關。然而，這一區域的功能性SNPs尚未被確定。

2.3 內吞作用相關基因多態性

2.3.1 BIN1：BIN1參與調節細胞內吞和轉運、免疫反應、鈣穩態和細胞凋亡。其基因位于染色體2q14.3，產生7個不同的轉錄本。GWAS發現，BIN1的SNPs增加LOAD 風險［36］，包括 rs744373、rs7561528、rs6733839 和rs59335482等，其中rs744373和rs7561528位于BIN1編碼區上游超過25 kB的位置。rs7561528與嗅皮層及顳極皮層厚度有關［37］。rs59335482與rs744373存在連鎖不平衡，與AD腦內BIN1 mRNA表達和Tau蛋白聚集相關，但與纖維纏結無關［30］。 Tan 等［39］對漢族人群進行序列分析發現，rs67327804和rs1060743與LOAD相關。在AD大腦中，BIN1 mRNA表達水平的升高與延遲發病和縮短病程相關。

BIN1可能在Tau蛋白的磷酸化進程中發揮作用。BIN1與微管結合蛋白CLIP-170相關，可改變Tau蛋白的磷酸化。BIN1通過修飾β-APP的囊泡運輸，參與網格蛋白介導的內吞作用。對BIN1缺陷小鼠研究發現，突觸囊泡循環和內吞蛋白支架被修復［40］。盡管BIN1變異型的功能與AD一部分發病機制相關，但確切作用尚不明確。

2.3.2 PICALM：PICALM位于染色體11q14，產生23個不同的轉錄本。PICALM主要在神經元中表達。rs3851179和rs541458與降低LOAD風險相關［41］。然而，這些SNPs的機制仍有待確定。

干擾PICALM的表達影響APP在體外的轉運，而PICALM在體內過表達促使AD轉基因小鼠Aβ沉積。PICALM可與自噬小體結合調節 Aβ的清除［42］。因此，PICALM可調節Aβ生成和清除，從而影響Aβ在AD病人腦內的沉積。

2.3.3 SORL1：SORL1 位于染色體 11q23.2，是Vsp10p結構域受體家族的成員，由5個Ⅰ型跨膜受體組成。參與囊泡從細胞表面向高爾基內質網的轉運。GWAS研究顯示，rs11218343可降低AD 風險［41］。

SORL1參與APP裂解，在抑制Aβ形成中起到關鍵作用。SORL1缺陷小鼠體內Aβ水平升高［43］。SORL1 mRNA在AD病人腦細胞中的表達降低［44］。SORL1也是一種脂蛋白（如ApoE）的受體，通過內吞途徑介導攝取。因此，SORL1在控制APP裂解和ApoE攝取方面的作用可能對于維持大腦的信號功能至關重要。

2.3.4 CD2AP：CD2AP是參與細胞骨架重組和細胞內轉運的支架蛋白。CD2AP位于染色體6q12。rs9296559和rs9349407與LOAD風險增加相關［36］。AD病人神經元斑塊沉積與rs9349407相關［20］。但也有研究顯示CD2AP mRNA在AD病人神經元中的表達沒有改變。在AD果蠅模型中敲除CD2AP果蠅同源基因可增強Tau蛋白神經毒性［45］。CD2AP是突觸形成所必需的，CD2AP缺陷小鼠細胞的溶酶體功能也受損，這表明CD2AP是溶酶體囊泡轉運的關鍵調控因子［46］。

3 總結

關于AD遺傳風險因素的認識，既往的研究多集中在神經元細胞和Aβ斑塊、Tau蛋白之間的聯系。隨著基因組分析技術的進展，AD相關基因得到越來越多的認識。關于神經元和非神經元細胞之間的聯系的研究也會越來越重要。AD病理過程非常復雜，有些基因對神經元有害，而有些則有神經保護作用。因此，準確定位相關基因特有的功能靶點可能會為未來AD的治療帶來突破性進展。一些研究者已經開展了候選藥物的研究及臨床試驗。未來，我們需要更精準地了解AD發病中的未知病理作用及過程，發掘新的診斷AD的潛在生物標志物，為AD的診斷和治療帶來新的方向。