β-淀粉样蛋白与老年痴呆症

马晓飞

宝鸡职业技术学院医学分院，陕西宝鸡 721013

老年性痴呆症即阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD），是老年人最常见的一种慢性大脑退行性变性疾病。1907年首先由德国神经病理学家Alosis Alzheimer描述。临床表现为不同程度的记忆力丧失，语言困难，定向力障碍，认知力降低，人格及行为和情感活动异常，进行性智力障碍，以至于生活不能自理，完全呆傻，最后全身衰竭，并发感染而亡。

1 流行病学及病理概况

据统计全球有AD患者1700万～2500万人，美国为200万～400万人，患病率为4%～6%，是仅次于心血管病、癌症和脑卒中之后的第四大导致死亡的疾病。我国老龄人口以年均3.2%的速度递增，大大高于人口增长速度，60岁以上老年人口已超过1.3亿人以上，预计到2015年将达到2.16亿人，约占总人口的16.7%，年均净增老年人口800多万人。由北京等六城市的联合调查证明：我国AD发病率（4.2%）与西方国家接近。与AD有关的主要高危因素包括高龄、低教育水平、居住农村、遗传因素、慢性感染、免疫缺陷、环境毒素、代谢异常及内分泌减弱等。其病理学特征主要表现为大脑皮层和海马区大量淀粉样老年斑块（senile plaques，SP）沉积、神经元纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）及特定脑区选择性神经元和突触丢失[1-2]。与之相应的AD病因学的研究形成了以β-淀粉样肽（Aβ）、tau蛋白及神经元缺失机制为主的三大研究领域。老年斑（SP）的主要成分是由直径为5～10 nm的微丝组成的 β-淀粉样蛋白（β-amyloid protein，Aβ）。 其他成分有载脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）和来自胶质细胞的一些蛋白成分如β-抗胰蛋白酶 （ACT）、白细胞介素-1β（interleukin-1，IL-1β）和丁基胆碱脂酶等[3]。

2 Aβ的来源、分布和降解

Aβ是含39～43个氨基酸残基的多肽，也有报道检测到有46个氨基酸肽链的Aβ46[4]。由于其为β-片层结构，分子量4 kDa，经氨基酸测序，被命名为Aβ，呈疏水性。Aβ来源于其前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）。断裂后产生残基多肽。APP基因位于第21号染色体长臂（21q21），它至少由18个外显子组成。分子量为105～140 kDa。编码Aβ位于第16和17外显子。APP基因在转录后由于不同的剪接产生10多种不同的mRNA和365～770个氨基酸残基的蛋白质异构体 ， 包 括 APP695、APP770、APP751、APP750、APP714、APP733、APP752、APP677等。其中APP695和APP770是人脑内的主要存在形式。在神经细胞APP是以跨膜受体蛋白结构形式存在于细胞内外。APP有两条生理性代谢途径。一条途径由α-分泌酶（αsecretase）将Aβ内部Lyst-16-Leu-17间的肽键切断，以阻止Aβ的产生，同时产生一个较大的分子量约100 kDa的可溶性N-末端片段和一个9 kDa的APP C端部分分泌到细胞之外，称之为分泌性APP（APPsa），可发挥一定生理作用，与细胞分化、形态改变等有关，并有促神经存活、抗兴奋性氨基酸毒性作用，所以APPsa减少在AD中与神经元退变有关。这是APP加工的主要途径。有人发现Aβ本身尚具有一定的生理功能[5]。进一步的研究发现，正常人脑中APP可由δ-分泌酶（δ-secretase）裂解产生Aβ序列，所以正常人的脑脊液中也可查到Aβ，但这种正常的Aβ是可溶性的，并不在大脑中积聚。Aβ从可溶状态到不溶状态的转变是AD发病机制中的关键环节[6]。另一条途径是由β-内分泌酶（β-secretase）和γ-内分泌酶（γ-secretase）完成[7]。由两种分泌酶从细胞外和细胞膜内裂解APP产生Aβ。多数AD患者的β-分泌酶含量升高或活性增强[8]。β-分泌酶主要裂解APP695中的Met-595和ASP597间膜外氨基端肽键，γ-分泌酶主要裂解Aβ39-43位的跨膜羧基端的任一肽键而产生分子长短不等的完整Aβ分子。由于Aβ的C-末端最后几个氨基酸残基具有很强的疏水性，所以，C-端越长越易沉积。因此，γ-分泌酶是决定Aβ产生及其毒性作用的关键。β-分泌酶已被证实是膜结合的天冬氨酰蛋白酶，γ-分泌酶确定为 presenilin-1、presenilin-2[9-10]。

Aβ是各种细胞APP代谢过程中的正常产物。中枢神经系统（CNS）中所有神经细胞包括神经元、星形细胞、小胶质细胞、少枝胶质细胞和内皮细胞均可表达APP和产生Aβ。但在正常情况以α-分泌酶途径为主。Aβ的产生和降解保持平衡。人的星形细胞能产生大量APP751/APP770和硫酸软骨素蛋白多糖（CSPG）-APP，可能是脑组织Aβ的主要来源。加之载脂蛋白E（ApoE）也主要在星形细胞表达，因此星形细胞具有重要意义。小胶质细胞仅产生少量的APP。大多数生成的Aβ为Aβ40。同一区域不同形态和分子结构的Aβ40神经毒性有明显差异[11]。但数量较少而肽链较长的Aβ42/Aβ43可以聚集成纤维丝而更易聚集，可催化并与Aβ40一起形成淀粉样斑。内质网是生成Aβ42/Aβ43的主要场所，Aβ40产生于此后的分泌性细胞器（secretory compartments），如高尔基体网络（trans-Golginetwork）。正常时Aβ的产生和降解保持平衡，且体内有一些因素保持Aβ的可溶性。Aβ的降解与潜在活性的金属蛋白酶（latent metalloproteinase）活性有关。该酶可明显降低Aβ的含量。其激动剂氨苯乙酸汞（aminophenyl mercuric acetate，APMA）可使M17细胞培养中Aβ下降75%以上，但可被抑制剂EDTA和O-Phenanthrolene阻断。在AD脑中Ca2+依赖的金属蛋白酶增加，这些基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPS）MMP-9在海马锥体细胞中表达，存在于接近细胞外的Aβ老年斑块附近，MMP-9激活时可裂解Aβ跨膜区中的Leu34-Met35，降解Aβ。但AD脑中未被激活的这些酶增加，酶激活的缺乏可能与不溶性Aβ沉积有关。Aβ40可能促进MMP-9、MMP-2、MMP-3的产生，也是星形细胞胶凝酶有力的诱导剂。明胶酶（gelation）A具有α-分泌酶的作用，也能裂解可溶性APP，产生分泌性APPsa，免疫组化证明此酶仅存在于脑白质的小胶质细胞，可能与防止Aβ沉积有关。新近研究显示，insulysin酶能降低AD小鼠大脑内相关蛋白质的水平，从而降低AD发病的危险[12]。

3 Aβ的神经毒性

Aβ是AD病理进程中真正的罪魁祸首，但可溶性Aβ本身并无神经毒性，当β-折叠形成丝状纤维聚集物变为不溶性沉淀后则具有神经细胞毒性作用，Aβ42/Aβ43聚集毒性更强。动物的Aβ保持稳定的可溶状态，故人Aβ的一级结构是神经细胞毒性作用的决定因素。

3.1 胆碱性神经元损伤

向海马与大脑皮质投射的基底前区脑胆碱能系统神经元及突触的大量损伤、丧失是AD患者记忆、认知能力减退的主要原因。Aβ激活蛋白激酶GSK-3/糖原合成酶激酶-3β，引起tau蛋白及线粒体丙酮酸脱氢酶磷酸化，使酶活性降低，致丙酮酸转化为乙酰辅酶A（actyl coenzyme A）减少，从而使乙酰胆碱（ACh）合成减少[13]，琥珀酸脱氢酶抑制，供能减少，造成胆碱能神经元及突触损伤、退变、递质传递障碍，胆碱能系统活性下降。而ACh的减少又导致Aβ的产生增多，形成恶性循环。Meynet基底核等前脑底部神经受损，ACh受体破坏，致脑电活动减慢，记忆功能障碍。胆碱能M受体激动剂可打断此恶性循环，使Aβ形成减少，tau蛋白异常磷酸化减弱。小鼠实验证实，Aβ可以损伤胆碱能神经元。体外神经元培养证明，拟胆碱药可缓解Aβ的神经毒性作用。乙酰胆碱脂酶（acetylcholinesterase，AchE）抑制剂仍是AD的主要治疗药物。

3.2 神经细胞凋亡

AD的主要特征是皮质和海马区神经元数量减少。AD大鼠皮层神经元呈现DNA断裂等凋亡的特征性变化[14]。Aβ聚集成β-片层折叠结构时神经毒性明显增强，可诱导神经细胞凋亡。这是AD中选择性神经元和突触缺乏的重要原因。纤维状聚集的Aβ与APP等跨膜受体在细胞表面及分泌途径相互作用、交联，导致信号传导通路的抑制与反常激活，从而启动神经细胞死亡程序[15]。Aβ致内环境中Ca2+失衡刺激NMDA受体或者通过自由基的损伤作用导致膜通透性改变[16]，致Ca2+内流引起谷氨酸受体激活，使谷氨酸能神经元过度兴奋而死亡。也可导致NO合成增加引起神经细胞凋亡。Aβ引起AD脑易损区神经元DNA损伤，bcl-2和bax调控改变，所表达的蛋白产物异常，诱发细胞凋亡。经线粒体途径的P53蛋白质可能诱导了AD脑内神经细胞的程序化死亡[17]。Aβ可引起培养神经元即刻早期基因（immediate early genes，IEGs）包括 c-fos、c-jun、egr、fra-1、fos-B、ngfi-b 的过度表达， 引起神经元凋亡。研究发现在纤维母细胞凋亡过程中胞浆c-fos聚集，显示c-fos在AD发病中的作用，可能反映某些神经元死亡程序的开始。转录因子NF-κB的活性表达是SP斑块附近神经元存活的必要条件，失活后则对Aβ的毒性异常敏感。大量Aβ沉积使神经元NF-κB失活，同时使氧化应激超载而灭活NF-κB所启动的神经元保护基因的表达，最终诱导神经细胞凋亡[18]。

3.3 氧应激（过氧化损伤）

Aβ诱发氧化应激引起自由基损伤是其重要的神经毒性。Aβ可通过多种途径引起氧化应激[19]。Aβ诱导引起的氧应激可导致神经细胞的过氧化损伤。Aβ的毒性是通过H2O2介导的。Aβ通过进展性糖基化终产物受体（receptor of advanced glycation endoproduct，RAGE）增加体内 H2O2的累积，产生氧化损伤，引起细胞死亡。氧应激使小胶质细胞增殖，顺Aβ浓度梯度迁移，导致老年斑周围小胶质细胞聚集，形成神经炎斑，产生更多活性氧种。Aβ增加脂质过氧化，H2O2不但是羟自由基的来源，而且增加快反应转录核因子（Nuclear FactorκB，NF-κB）蛋白的异常表达，产生神经细胞膜损伤，导致神经元变性。脂质自由基清除剂Vit E等许多抗氧化剂可保护神经元免受Aβ毒性所致的类似自由基作用的细胞膜损伤。Aβ也可使细胞膜形成非选择性通道，使Ca2+内流增加，细胞内Ca2+稳态失调，氧化应激增强。

3.4 炎症反应

AD脑内有炎症反应，在SP和NFTs周围有胶质细胞增生，Aβ可刺激释放一些具有强烈神经毒性的炎性蛋白[20]。Aβ激活星形胶质细胞和小胶质细胞释放炎症细胞因子，如一氧化氮（NO）、白细胞介素-1（IL-1）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、γ-干扰素（Interferon-γ,γ-IFN），β-抗胰蛋白酶（ACT）、补体C1、C3及趋化因子、黏附因子等。NO是一种强活性的自由基气体，与O2-反应生成的氧化亚硝酸盐能引起氧化应激，使脂质过氧化，破坏神经细胞膜。同时激活NF-κB，启动相应基因转录，参与炎症反应，细胞凋亡[21]。Aβ诱导小胶质细胞产生的NO可选择性损伤大脑胆碱能神经元。IL-1能使细胞骨架蛋白-神经丝蛋白生成异常，损害神经元的功能[22]。IL-6增加ADP的过高基因表达，促进Aβ形成，Aβ又可诱导小胶质细胞IL-6的表达，形成AD免疫病理过程中的恶性循环。TNF-α通过CNS最主要的载脂蛋白ApoE参与AD的病理过程。逐多炎性因子诱导炎症反应，促进自由基生成，氧化应激，使神经细胞变性、坏死。APP也可经酪氨酸激酶通路激活单核细胞和小胶质细胞释放炎症因子，并引起Aβ产生和沉积[23]。用非类固醇类抗炎药能延缓或防止AD，如抗炎药吲哚美辛可延缓或阻止AD的发生和发展[24]。

4 结语

AD的发病机制是多种因素相互作用的结果。Aβ在AD的发生发展中起着关键性的作用。虽然对Aβ在不同领域，用不同方法，在不同水平开展了大量的研究工作，也取得了很大的进展，特别是在细胞分子水平揭示了Aβ在AD中的许多机制，但是AD的发病机制至今仍然不是十分清楚，因而还没有特效的治疗药物，还有很多问题值得进一步地探索。比如Aβ的神经毒性作用机制中的多种因素之间如何协调作用，哪些途径起主要作用，也许经过不断努力的研究会发现新的因素。随着对AD本质认识的深入，针对Aβ神经毒性的治疗也取得了进展，比如在Aβ疫苗、抗Aβ纤维化沉积、β和γ分泌酶抑制剂等药物的研究方面也富有成效，这为人类战胜AD带来了希望。

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