長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與阿爾茨海默病

郝夢格,孫 艷,姜玲玲,石 蕓*

(1.河北醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學研究室神經與血管教育部重點實驗室,中國河北石家莊050017；2.石家莊市婦幼保健院產前診斷科,中國河北石家莊050051)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是老年人常見的神經系統退行性疾病,以進行性認知和記憶功能減退為主要臨床表現。AD的特征性病理改變為腦內老年斑的形成、神經纖維纏結和神經元凋亡。β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein,Aβ)是構成老年斑的主要成分；高度磷酸化的細胞骨架蛋白tau通過與微管蛋白質相互作用,最終導致神經纖維纏結[1]。目前,AD的病因尚不清楚,但近年的研究發現,脂質成分在腦內的異常累積可能在AD的發生發展中發揮重要作用。統計學研究表明,高脂飲食是導致AD的一個危險因素[2]。體內外研究也發現,高脂飲食可增加大鼠腦中長鏈/極長鏈飽和脂肪酸的含量[3],而飽和脂肪酸,尤其是長鏈/極長鏈飽和脂肪酸(長鏈,＞12C；極長鏈,＞20C),可通過多種機制促進Aβ的生成,加快AD的病理進程[4]。因此,本文主要就長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與AD以及Aβ生成和聚集的關系作一綜述,重點闡述這些脂肪酸導致Aβ生成的分子機制,以期為AD的發病機制研究提供線索和依據。

1 長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與AD的關系

AD患者血、腦和腦脊液中長鏈/極長鏈飽和脂肪酸水平明顯升高。利用氣相色譜和/或質譜分析等方法檢測AD患者血、腦脊液和不同腦區中飽和脂肪酸的種類和含量,結果發現,與同年齡對照組相比,AD患者血中軟脂酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)以及碳鏈更長的C20∶0、C22∶0和C24∶0的含量均沒有明顯變化[5],但C26∶0的含量明顯升高[6]。與血中的變化相比,AD患者腦中脂肪酸的變化更為明顯。AD患者額葉皮層和顳葉皮層中C18∶0的含量降低；而頂葉皮層中C16∶0的含量明顯增加[7],額葉皮層中極長鏈脂肪酸明顯增加[8]。我們的研究也發現,在伴有AD典型病理改變的糖尿病大鼠腦皮質中,C16∶0、C18∶0和極長鏈的C26∶0水平明顯增加[3]。此外,AD患者腦脊液中的脂肪酸也有明顯變化。腦脊液中總飽和脂肪酸水平增加,其中C16∶0和C18∶0增加明顯[9]。從這些結果可以看出,雖然不同飽和脂肪酸的變化不盡相同,但AD患者血、腦以及腦脊液中均存在某些長鏈/極長鏈飽和脂肪酸的升高。

高飽和脂肪酸飲食會增加AD的發病風險。用富含軟脂酸的高脂飲食飼喂阿爾茨海默病的模型小鼠——APP(β-amyloid precursor protein)/PS1(presenilin 1)轉基因小鼠,小鼠三月齡即出現空間學習記憶障礙,以及海馬區Aβ的沉積和線粒體功能障礙[10]。與此一致,C57BL/6J小鼠在飼喂富含軟脂酸的飲食后,出現明顯學習記憶障礙[11],同時腦中出現明顯的神經炎癥和Aβ斑塊[12]。我們的研究也發現,用高脂飲食飼喂的糖尿病大鼠,伴隨腦中C26∶0含量的增加,過氧化物酶體脂肪酸β-氧化活性降低[3]。由于極長鏈脂肪酸僅通過過氧化物酶體β-氧化進行氧化分解,因此,過氧化物酶體β-氧化的活性降低可能是導致腦中C26∶0水平增加的主要原因。基于此,我們進一步用特異性抑制劑甲硫噠嗪抑制大鼠腦中的過氧化物酶體β-氧化,結果顯示,大鼠腦中極長鏈脂肪酸水平增加,同時大鼠出現了明顯的學習記憶障礙,并伴有Aβ水平的升高；用此抑制劑刺激原代培養的大鼠神經元細胞,我們發現細胞中Aβ的水平也明顯升高[13]。這些結果表明,飽和脂肪酸,尤其是長鏈和極長鏈飽和脂肪酸,與AD的發生發展密切相關。

以上結果提示,高長鏈/極長鏈飽和脂肪酸是AD發生的一個危險因素。

2 長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與Aβ的生成

Aβ是AD的主要致病因子,由β-淀粉樣前體蛋白APP裂解產生。APP有兩條裂解途徑,一條是β-分泌酶途徑,APP依次經β-分泌酶(β-secretase,BACE1)和γ-分泌酶作用產生Aβ；另一條是α-分泌酶途徑,α-分泌酶(a disintegrin and metalloproteinase 10,ADAM10)在Aβ序列內裂解APP,阻止Aβ的生成。

用C20∶0和C26∶0分別刺激人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞24 h后發現,C20∶0和C26∶0能夠通過增加細胞APP、BACE1和γ-分泌酶的核心組分PS1的蛋白質水平,降低ADAM10的蛋白質水平,從而增加細胞中Aβ的含量[14]。用軟脂酸刺激小鼠的神經母細胞瘤N2a-APPSwe/In[15]和SHSY5Y-APPSwe[16]細胞,或者先刺激原代培養的小鼠星形膠質細胞,再將收集的培養基(即條件培養基)給予原代培養的神經元細胞,發現細胞中BACE1的mRNA和蛋白質水平以及Aβ的含量也明顯增加[17]。這些結果表明,長鏈/極長鏈飽和脂肪酸能夠通過促進β-分泌酶途徑,抑制α-分泌酶途徑,從而增加Aβ的生成。

軟脂酸如何增加神經母細胞瘤細胞中BACE1的表達？目前有4種機制可以解釋。1)通過上調轉錄因子SREBP1(sterol response element binding protein 1)來增加BACE1的表達。給予N2a-APPSwe/In細胞軟脂酸刺激,發現細胞中SREBP1和BACE1的表達水平同時上調。進一步的ChIP分析發現,軟脂酸提高了SREBP1對BACE1上游啟動子區域的結合程度,而一旦敲低SREBP1,SREBP1對BACE1的轉錄活化作用也會隨之降低。這些結果提示,軟脂酸通過上調SREBP1對BACE1的轉錄活化來增加BACE1的表達[15]；2)通過與G蛋白偶聯受體40(G protein-coupled receptor 40,GPR40)結合,激活下游信號通路來增加BACE1的表達。GPR40,即游離脂肪酸受體1(free fatty acid receptor 1),可通過與其配體軟脂酸結合而活化。給予神經母細胞瘤SK-N-MC細胞軟脂酸刺激后,細胞中GPR40下游的PI3K/Akt/mTOR/HIF1-α和PI3K/Akt/NF-κB途徑被激活,轉錄因子HIF1-α和NF-κB結合到BACE1的上游啟動子區,進而上調BACE1的表達。相反,給予細胞GPR40特異性抑制劑或敲低GPR40的同時再給予軟脂酸刺激,則可抑制此兩條途徑的激活,進而轉錄抑制BACE1的表達[18]。以上結果表明,軟脂酸通過與受體GPR40結合,激活下游信號途徑,使轉錄因子HIF1-α和NF-κB活化,從而上調BACE1的表達；3)通過抑制NAD+依賴的SIRT1(sirtuin 1)活性來增加BACE1的表達。SIRT1具有去乙酰化酶活性。軟脂酸可減少原代培養的海馬神經元細胞對葡萄糖的利用率,并使其轉而利用軟脂酸作為能量來源。這種變化提高了線粒體對軟脂酸的氧化效率,使得NAD+被大量消耗而減少。由于NAD+是SIRT1的輔酶,所以NAD+的減少會降低SIRT1的活性,使得NF-κB不能去乙酰化而維持活化狀態,從而轉錄激活BACE1的表達[19]；4)通過激活轉錄因子CHOP(C/EBP homologous protein)-NF-κB途徑來增加BACE1的表達。已知,軟脂酸既能激活CHOP,也能激活NF-κB。相關研究顯示,敲低CHOP能夠抑制軟脂酸對NF-κB的激活,進而抑制其對BACE1的轉錄活性,使BACE1表達降低；而敲低NF-κB卻未能影響軟脂酸對CHOP的誘導,表明軟脂酸對CHOP的誘導位于NF-κBBACE1的上游,因此,軟脂酸能夠通過激活CHOPNF-κB來增加BACE1 的表達[16]。

此外,軟脂酸刺激星型膠質細胞產生的條件培養基又是如何上調神經元中BACE1的表達？現有研究證明至少有兩條途徑在其中發揮作用。一條是p25/Cdk5-STAT3-BACE1途徑,該途徑從轉錄水平上調BACE1的表達。給予此條件培養基后,神經元中的鈣含量明顯增加。鈣含量的增加提高了鈣依賴性蛋白酶(calpain)的活性。Calpain活性升高的直接后果是,calpain的裂解產物p25水平增加。p25可以增強細胞周期素依賴性激酶5(cyclin-dependent kinase 5,Cdk5)的活性,而Cdk5又能夠使轉錄因子STAT3磷酸化而活化。STAT3作為BACE1的上游調節因子,其活化可轉錄激活BACE1的表達[17]。另一條是SMase-神經酰胺-BACE1途徑,該途徑從翻譯后水平上調BACE1的表達。神經酰胺既是細胞膜的重要組成成分,又能作為第二信使,參與細胞增殖、分化、凋亡、炎癥等多種信號過程。研究報道,神經酰胺能夠通過增加BACE1的乙酰化水平,減少BACE1的降解,從而增加其蛋白質水平[20]。神經酰胺可由酸性或中性鞘磷脂酶(sphingomyelinase,SMase)水解細胞膜的組成成分鞘磷脂產生。在用軟脂酸刺激膠質細胞所獲得的條件培養基中,炎癥因子TNF和IL-1的水平增加。將此培養基給予神經元,神經元中SMase的活性增強,神經酰胺含量增加,BACE1的蛋白質水平升高；而用抗體中和條件培養基中的TNF或IL-1后再給予神經元時,細胞中SMase的活性降低,神經酰胺含量減少,BACE1的蛋白質水平降低[21]。這些結果表明,軟脂酸可通過刺激星形膠質細胞釋放炎癥因子,增加神經元中神經酰胺的產生,從而上調BACE1的蛋白質水平。

3 長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與Aβ的聚集

由BACE1裂解APP產生的Aβ為單體分子,多個Aβ單體進一步聚合為寡聚體、多聚體,直至纖維體,沉積在神經細胞表面,形成淀粉樣斑塊,進而損傷神經細胞,加重AD的進程[22]。因此,目前認為,Aβ聚集形成老年斑是AD的核心病理改變。其實,腦中存在抵抗Aβ聚集的因素,人血清白蛋白(human serum albumin,HSA)就是其中之一。HSA可直接結合Aβ寡聚體,這種結合能夠阻礙其他Aβ單體與此寡聚體的結合,因而也就抑制了Aβ纖維的生成[23]。既然HSA有抑制Aβ聚集的作用,那是否對AD有治療效果呢？給一種阿爾茨海默病模型小鼠——3xTg小鼠的腦室注射HSA后發現,不僅小鼠的認知障礙得到改善,而且腦中淀粉樣斑塊的數量、tau蛋白的磷酸化程度、神經炎癥等均有明顯減低,表明HSA對AD小鼠確實有治療作用。進一步的研究發現,這種治療作用是通過HSA與Aβ單體的直接結合來實現的,提示HSA不僅能夠結合Aβ寡聚體,而且能夠結合 Aβ 單體[24]。

而軟脂酸卻能干擾HSA與Aβ單體的結合。HSA也是脂肪酸的轉運蛋白質。研究發現,軟脂酸可以競爭Aβ與HSA的結合。當HSA結合軟脂酸后,Aβ與HSA的結合能力減弱,從而失去HSA對其聚集的抑制作用,使得Aβ更傾向于聚集而導致纖維化[25]。

4 總結與展望

雖然長鏈/極長鏈飽和脂肪酸導致AD發生的具體分子機制還有許多細節有待填充,比如:除了上述機制,這些脂肪酸還通過哪些機制影響Aβ的生成和聚集？除了影響Aβ的生成和聚集,這些脂肪酸是否也能通過與Aβ直接結合[26],來促進AD的發生？但長鏈/極長鏈飽和脂肪酸在AD的發生發展中發揮重要作用已是不爭的事實。鑒于此,開發相應的藥物來降低神經細胞中長鏈/極長鏈飽和脂肪酸水平,或阻斷其發揮作用的途徑,比如:抑制GPR40受體與脂肪酸的結合,或者抑制此受體對下游信號通路的激活等等,將為AD的治療帶來新的希望。