脑白质的改变与脑老化

杨 光 肖 岚 (第三军医大学组胚教研室,重庆 400038)

年龄依赖的认知功能减退(age-related cognitive decline,ARCD)是脑老化的一种重要特征,表现为记忆和执行功能的减退等现象,被认为是阿尔兹海默病(Alzheimer disease,AD)等疾病发生重要的前提条件。过去对认知功能降低原因的研究多集中于脑萎缩、神经元的减少等灰质变化上。近年来的一系列研究发现脑白质的退行性改变可能是造成脑老化的重要因素。本文主要就脑白质在老年认识功能减退中的变化和作用进行综述。

1 老年大脑白质影像学改变

在 MRI(magnetic resonance imaging)技术出现以后,对脑体积及功能区域的研究有了较大发展。早先的研究发现老年人群较青年人群的脑体积减少,其中灰质区减少3%,白质区减少11%,尤其是在胼胝体及额叶更为明显。在大样本健康成人脑白质的研究中,其额叶白质体积与年龄关系曲线呈二次回归关系,约50岁前白质体积一直少量增加,而后出现比较明显的持续下降,这表明白质的体积与年龄具高度相关关系,另需指出的是灰质体积并未出现年龄相关的改变〔1〕。同样在以灵长类猕猴的实验发现,行为测试显示年龄导致的执行功能受损的猕猴其胼胝体前部、上纵束及扣带回体积明显减少,这些部位是执行功能区域重要的皮质间通路〔2〕。

2 老年大脑白质的病理学改变

早期研究的焦点集中于神经元的计数和形态学上的改变。事实上,在对猕猴的主视皮质(17区)和额叶皮质(46区)的神经元计数显示神经元的数目并未随年龄改变。虽然神经元存在与年龄相关的突触减少和神经递质受体的表达改变,但因年龄并不会导致神经元总数的改变,因此单纯的年龄导致的神经元改变不能完全解释年龄依赖的认知功能减退〔3〕,于是老化过程中胶质细胞的数量形态逐渐受到关注。

2.1 年龄依赖的脑白质炎症反应 现已证实大脑炎症反应的中枢环节是小胶质细胞的激活。通过标记猕猴和小鼠脑内的MHCII发现老年大脑内活化的小胶质细胞数量增多,特别是在脑白质区域尤为明显,而这种现象还伴随着认知能力减退。小胶质细胞可以通过补体成分C3和C4以共价形式与髓鞘结合,其中C3a是强效的炎症趋化因子。小鼠如果缺少C3a受体(C3aR)的表达,其白质的炎症反应将被减弱。这种补体与髓鞘的结合被认为是多发性硬化及其他神经变性疾病的典型病理学特征。现发现随年龄增加这种结合明显增多,因此被认为是老年脑内炎症反应的关键启动环节〔4〕。

除了小胶质细胞的活化,在老年猕猴大脑白质区普遍发现反应性的星形细胞即GFAP(glial fibrillary acidic protein)阳性的细胞数增多,体积增大。在老年人类和啮齿类动物大脑内均发现GFAP的m RNA和蛋白表达上调,但星形胶质细胞的数量并未增加。反应性星形胶质细胞也可通过合成炎症分子导致炎症反应,并且其数量增长同样与年龄有关〔5〕。

此外值得注意的是老年大脑内出现的泛素含量升高现象。用免疫电镜技术发现,泛素阳性的高密度区出现在胶质细胞,而且肿胀的髓鞘能被泛素染色所标记,显示白质的泛素免疫反应性较灰质高〔6〕。由于泛素蛋白质复合物可显示原发性的蛋白降解,其在老年大脑和神经元变性疾病中的出现,说明年龄相关的蛋白酶体功能障碍而导致遗留了大量的未降解的潜在无功能蛋白复合物参与了脑老化过程。

2.2 老年髓鞘的形态变化 在一项针对丹麦人的研究中发现,有髓神经纤维的总长度每10年约减少10%,而一生则可减少45%。这表明髓鞘的长度减少较白质体积减少程度更大,提示老化时髓鞘结构异常,引起的传导功能降低可能参与了老化认知功能损害,老化时的髓鞘退变和破坏与神经传导速度有关,这可能是认知活动减慢的重要原因〔7〕。此外老化时常见的髓鞘异常有髓鞘板层结构分离,髓鞘内囊泡形成以及含有一些致密电子密度颗粒,有研究提示其与认知能力降低有关〔8〕。

3 老年髓鞘的生化和代谢改变

髓鞘的功能正常维持需要髓鞘的各种组分比例和量保持一种动态平衡。老年大脑的炎症反应、髓鞘的崩解变性、异常蛋白质的分解均可打破这种平衡,从而导致髓鞘的功能异常。

3.1 髓鞘成分的改变 髓鞘的主要成分为各种脂质和蛋白质,通过尸检发现老年脑白质中主要脂质成分,包括磷脂质、胆固醇、脑苷脂、脑硫质等的含量呈曲线减少。值得注意的是神经节苷脂的变化,在20～50岁间变化平稳,而70岁后则有明显下降〔9〕,现已证实神经节苷脂的含量和组成变化是影响脑老化的重要因素〔10〕。利用放射性核素替换髓鞘脂质成分来测试代谢率,发现髓鞘脂质代谢可分为两部分,约60%的髓鞘脂质成分代谢速率较快,而剩余40%的髓鞘脂质则相对缓慢。其中脑苷脂和神经节苷脂GM1的代谢率明显升高,提示老年髓鞘的代谢速率较青年快〔11〕。

此外需要注意的是年龄相关的髓鞘蛋白变化。虽有文献报道髓鞘碱性蛋白(myelin basic protein MBP)存在年龄相关的减少〔12〕,但对存在认知障碍的猕猴研究中发现 MBP、蛋白脂质蛋白(proteolipid protein,PLP)及髓鞘相关糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)并未出现预计的年龄相关变化。与之相对的是髓鞘少突胶质细胞特殊蛋白(myelin oligodendrocyte specific protein,MOSP)和2-3环核苷酸磷酸二酯酶(2′3′-cyclicnucleotide phosphodiesterase,CNPase)在老年大脑中含量增加〔13〕。髓鞘对轴突的紧密压缩需要MBP替换CNP,因此老年大脑内增多的CNPase可导致髓鞘的结构疏松和空泡形成。而缺乏 CNPase的小鼠可导致年龄依赖的神经胶质瘤病〔14〕,则说明CNPase对髓鞘及轴突的维持具有重要作用。与CNPase增长同时发现的是CNPase及MOSP的蛋白降解作用,相当数量的CNPase及MOSP水解片段在老年大脑中被发现。蛋白酶体系统异常和钙蛋白酶-1(calpain-1)活性的异常升高可以解释这一现象〔15〕。因此老年大脑的 CNPase增加是由于年龄依赖的髓鞘和轴突维持需要及蛋白水解酶体系统异常两方面因素而致。

3.2 髓鞘的再生修复能力的改变 少突胶质细胞是中枢神经系统(central nervous system,CNS)髓鞘形成细胞,起源于CNS室周区及室下区有增殖能力的神经上皮细胞,即神经祖细胞(neural progenitor cell,NPC),发育过程依次历经NPC、少突胶质先祖细胞、少突胶质细胞前体细胞(oligodendroglia precursor,OPC)、幼稚少突胶质细胞、成熟少突胶质细胞几个阶段。在此过程中,随着内外环境的改变,一系列特异性的转录因子被激活或抑制从而调控OL的发生、增殖、迁移并最终分化为成髓少突胶质细胞。

在病理性髓鞘损伤后,髓鞘可由NPC、OPC有效修复。研究表明髓鞘形成效率的下降主要因为OPC的募集和分化障碍,而少突胶质细胞的募集主要由转录因子所调控的各种生长因子所调节的。与少突胶质细胞募集有关的生长因子,例如PDGF、FGF和TGF-b在老年均表达下调〔16,17〕。因此老年状况下少突胶质细胞的转录因子调节作用对解决髓鞘修复障碍具有重要意义。其中几种转录因子如SOX2(维持神经干细胞分化潜能)、Olig2(促进NPC分化为OPC)、Olig1(促进 OPC分化为幼稚少突胶质细胞细胞)、SOX10(促进OPC分化为幼稚少突胶质细胞细胞)、Hes5(抑制OPC分化)。Id2/Id4(抑制 OPC成熟)是髓鞘修复的关键转录因子。其中已被证实的是在cuprizone诱导的老年小鼠脱髓鞘模型中发现在髓鞘修复时OPCs大量分化为星形胶质细胞而非如青年小鼠般分化为少突胶质细胞,这一现象与Olig2的核浆表达有关〔18〕。

3.3 影响髓鞘修复的表观遗传因素 表观遗传学(epigenetics)是研究在基因组DNA序列没有发生改变的情况下,基因的表达和功能发生可遗传的变化,并最终导致表型变化的机制和规律。其研究内容主要包括DNA的甲基化、组蛋白的共价修饰、microRNAs(miRNA)等对基因表达的调控作用。

在真核细胞中,核小体为组成染色体的基本结构单位,由组蛋白和大约150个bp的DNA组成的直径约10 nm的球形小体,其核心由H2A、H2B、H3和 H4四种组蛋白各两个分子组成八聚体构成,核心颗粒间通过一个组蛋白H1的连接区DNA彼此相连。通过修饰组蛋白末端残基,例如甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等,改变染色体结构,导致基因表达改变,从而影响细胞命运决定。

组蛋白的修饰主要通过几种酶的作用,包括组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase,HMT)、组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase,HAT)、组蛋白脱乙酰基酶(histone-Deacetylase,HDAC)。发育中生物的组蛋白大多数处于乙酰化的状态且染色体结构较为松弛,有利于基因的转录。HDAC可将核小体H3组蛋白去乙酰化,使染色体更紧密,导致OPCs的分化抑制基因表达下调。在胚胎期OPC的研究中发现抑制HDAC可导致OPCs分化抑制因子形成抑制基因的表达,最终导致 OL形成障碍〔19〕,因此组蛋白修饰与髓鞘修复的关系逐渐受到重视。在老年小鼠大脑的脱髓鞘反应的修复期,HDAC的表达降低,同时观察到髓鞘抑制因子如SOX2、Hes5、Id2、Id4等基因的表达较青年小鼠高,成熟OL少,而抑制HDAC活性后同样能观察到此现象〔20〕。

4 展 望

在对于脑老化的研究从神经元丢失的认识逐渐发展到白质的改变。而衰老时白质改变的认识也经历了从大体形态、生物化学分子成分的变化、转录因子调节到表观遗传的影响等环节。虽然对衰老时白质改变已有了系列的研究,但每个环节都还存在未解决的问题,尤其是对髓鞘修复过程中复杂的分子调控机制的探索仍有大量疑问,特别是最近发现缺少miRNA-219和miRNA-338两种少突胶质细胞特殊的miRNA将导致少突胶质细胞成熟障碍〔21〕,其与老年白质改变的关系目前还未见报道。而解决这些问题将为预防、治疗脑老化提供新思路和策略。

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