β淀粉样蛋白在神经退行性疾病中作用研究进展

王艺璇

(复旦大学附属华山医院 神经内科，上海 200040)

神经系统变性疾病如阿尔茨海默病、帕金森痴呆等在中老年人群中发病率越来越高，这类神经系统变性病除了运动症状外，还会导致其他比较严重的非运动症状：认知和运动迟缓、执行能力障碍以及记忆障碍，而以认知功能障碍尤为明显。例如帕金森病约有80%的患者最终会发展成为帕金森病痴呆[1]。而AD分类亚型中路易小体痴呆更是在认知功能障碍患者中占到了20%[2]。典型的帕金森病、路易小体痴呆病理改变都包含有α-syn的异常聚集，但上述疾病还与β淀粉样蛋白有关。

在PDD患者中，AD的病理改变同样很普遍。有研究[3]认为神经元纤维缠结(Neurofibrillary tangles,NFT)和β淀粉样老年斑(β-amyloid senile plaques,SP)病理改变或上述两种病理改变同时出现合并皮质路易小体(cortical Lewy bodies ,CLBs)、边缘系统路易小体(limbic Lewy bodies, LBs)就组成了PDD神经病理学的主要构成，并且是帕金森痴呆认知障碍的主要原因 。另外有两项PET研究[4]发现在DLB中不断增多的皮质Aβ聚集量与AD相似，这就说明DLB皮质Aβ积存量造成了该病的认知损伤。与前面研究相同，还有研究[5]发现在PDD、DLB中的β淀粉样蛋白负荷量会不断上调。从上述发现我们可以看到，Aβ在神经退行性病变中认知功能的影响起到关键作用，而Aβ是通过何种共同机制损伤神经突触、诱导神经细胞死亡，最终导致认知损害一直是人们关注的焦点。我们就Aβ在引起认知功能障碍的不同机制上进行论述，同时还讨论如何从其他疾病机制见解中为探究阿尔茨海默病的分子基础提供线索。

1 Aβ的产生和Aβ1-42

β淀粉样蛋白(amyloid β,Aβ)是一种分子量约为4KD的跨膜蛋白，由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein ,APP)水解产生，包括APP 细胞膜外的28个氨基酸和跨膜部分的12个氨基酸,且位于APP 的疏水部分，因而极易形成难易溶解的沉淀。在人体中有两条针对APP的代谢途径[6]。第一条途径由α分泌酶作用于APP的Aβ序列16-17位氨基酸，水解后再由γ分泌酶作用，产生较小片段p3和胞内片段(APP intracellular domain，AICD)，该途径产物对神经细胞产生神经营养和神经保护作用；另一条途径最终产物主要为Aβ，此途径是APP在β分泌酶(β-secretase ,又称β-site amyloid cleavage enzyme ,BACE)对其第一位氨基酸序列水解后,产生一个大的N端片段(sAPP β) 和小的跨膜片段(C99) ,后者经γ分泌酶( secretase) 在Aβ序列的第40、第42 位氨基酸部位作用,产生39～42个氨基酸的肽段，即Aβ。针对Aβ的神经细胞毒性作用，可通过加速神经细胞凋亡、影响胆碱能神经系统、诱发氧化应激与自由基产生等对神经细胞产生影响。

而有研究[7]发现，可溶性Aβ是组成AD细胞外老年斑的典型成分，这些缠结物由Aβ1-40和Aβ1-42组成，并认为是造成神经毒性及AD病理改变的原因，其中可溶性、分子量在8-24kD β淀粉样寡聚体诱发了神经细胞功能障碍。

2 Aβ寡聚体的早期研究

可溶性Aβ寡聚体结构包含多种聚集形态，从小的二聚体至大的由数十个Aβ单体组成的原纤维体(protofibrillar)。Aβ寡聚体成为痴呆发生及进展的可能原因，而且在富含大分子量和小分子量的Aβ寡聚体准备液中，十二聚体和二聚体的Aβ种类已成为Aβ寡聚体毒性研究的主要方面。当Aβ寡聚体包含大约12单体时,发现它和人脑提取物结构一致，并且在原代神经细胞中该Aβ寡聚体可与细胞紧密结合[8]，而大分子量型的Aβ寡聚体更倾向于攻击神经元。在寡聚体范围的最小类型中，二聚体的Aβ最近有从AD患者大脑中提取纯化，并发现在活体实验中可以抑制海马切片的长时程增强(long-term potentiation, LTP)，同时诱发Tau高度磷酸化等其他一些能引起原代神经细胞变性的作用[9]。

3 Aβ寡聚体对突触的影响

Aβ寡聚体的毒性表现在与神经突触结合上。正如上述机制一致，Aβ寡聚体可干预LTP。在原代细胞中，合成寡聚体或来源于AD患者脑或脑脊液的可溶性寡聚体表现为大量结合于海马神经细胞树突轴，在被标记后发现，大量树突寡聚体结合体会与突触后膜致密蛋白-95共存 (postsynaptic density-95,PSD-95)[10]。在AD基因改造的小鼠中，发现寡聚体也会在脑区与PSD-95共存[11],而其中兴奋性突触容易被攻击，当寡聚体与PSD-95和Homer1b/c共存，会导致谷氨酸受体与支架蛋白相互作用，以及诱发Shank家族蛋白的作用，最终累及兴奋性突触。上述寡聚体结合位点中还富含其他一些后突触蛋白，包括钙离子、钙调素依赖激酶2、脲酶、脑发育蛋白和NMDAR,这些也成为突出影响的潜在位点。

Aβ寡聚体与突触之间的作用可导致突触死亡，这一作用常伴随着对突触大小、形状和组成的影响。当神经细胞暴露于寡聚体时，可导致正常细胞上断株样、蕈样树突棘减少，并形成有细小丝状伪足或大的、分支较多的异常树突棘。在先于突触死亡前早期，寡聚体就出现突触膜上成分改变，这种突触膜上成分改变可表现为膜表面谷氨酸受体缺失,如NMDA受体、AMPA受体及其亚型，同时EphB2[12]和胰岛素受体[13]也会发生变化。在早期AD未出现细胞死亡时，表面信号传递介导的突触受体缺失要早于结构改变出现，并且发现树突棘的缺失与突触重塑功能下降一致[14]。

4 Aβ寡聚体对记忆的影响

我们都知道突触重塑与学习记忆密切相关。在转基因AD小鼠中，LTP损伤与可溶性寡聚体相关，且LTP损伤先于Aβ聚集物转变为β淀粉样斑块出现[15]。已有很多实验发现合成的可溶性寡聚体可损伤LTP，还有观点[16]认为，突出重塑能促进长时程抑制(LTD)。上述两种机制在分子层面上，通过共同涉及突触后磷酸化和谷氨酸受体转运，来影响突触成分、构象的稳定性。研究[17]发现，β淀粉样蛋白可减少LTP，增加LTD，LTD在此后可调整β淀粉样蛋白对调控转运谷氨酸受体和突触后磷酸化作用，但是这一结论以往并无论证。

在正常脑中，Aβ对突触可塑性和记忆功能有正向作用，这已在APP基因敲除小鼠(KO)发现长时程增强(LTP)中证实[18]。但是，基因敲除方法会排除Aβ其他的病理学作用，因为其余APP片段及APP本身也可能在生物学也有重要作用。例如，APP片段功能的研究[19]已经证明,sAPP的片段可能具有神经营养特性和增强突触可塑性及记忆，并细胞内的羧基末端片段(Carboxy-terminal fragments ，CTFs)可以调节基因转录，钙信号，突触重塑性和记忆。有研究[20]提出Aβ、突触可塑性和记忆之间的另外一个重要的环节是早老素功能的丧失以及多组分分泌蛋白复合物酶亚基，被发现会损伤LTP和记忆。同样在BACE1基因敲除小鼠中，通过抑制分泌功能也会损伤突触重塑和记忆。然而，除了不同的酶作用和分泌型APP的激活途径，Aβ是通过何种机制，最终导致丧失分泌功能并造成上述影响仍有待确定。

5 Aβ寡聚体作用于神经元的机制

寡聚体对神经细胞影响的依据，现有三种占主导地位的假说。

第一种假说是Aβ寡聚体可能是通过形成毒性孔隙，与神经细胞膜直接相互作用。有实验发现，Aβ多肽和寡聚体能插入胞膜并改变细胞膜成分。有研究[21]运用人工胞膜和正常细胞验证了带负电荷的磷脂可介导Aβ多肽和神经细胞薄膜间相互影响的作用，该作用甚至可能催化了寡聚体的形成。

第二种假设是毒性Aβ寡聚体在细胞间起作用，即对突触发挥毒性作用。Aβ寡聚体在神经元内形成可以先于转出，但有结果[22]提示，在活小鼠大脑组织液中Aβ单体的浓度有着昼夜周期，说明寡聚体的形成也存在细胞外这一可能性。胞内Aβ的毒性也可能依赖于聚集状态，有报道[23]称细胞内Aβ单体和核酸的氧化呈逆相关性，因此抗氧化应激为一种细胞保护机制。

第三种假设，可能与在寡聚体结合神经细胞表面特殊位点后激发有关[24]，即Aβ寡聚体相关的突触活性丧失。有证据[25]表明，皮质的线粒体功能障碍可引发不同神经元群体的特定易感性，而非Aβ寡聚体制剂导致。Aβ寡聚体似乎特异性地针对单个细胞内突触亚单位，约90%的寡聚体与突触标记共存，而一半与寡聚体结合的突触为兴奋性突触[26]，这部分的突触会随着神经元激活程度增加而增加，从而反映突触受体调节的变化。

6 Aβ寡聚体结合位点

迄今，没有一种蛋白能概括寡聚体受体的主要特性。以下是对几种有相关研究证据的Aβ寡聚体结合位点的简述。首先是无蛋白结合位点，包括GM1神经节苷脂和脂质筏。GM1神经节苷脂被认为可直接介导毒性降钙素，与寡聚体结合[27]。其次许多Aβ寡聚体朊蛋白受体已有报道，最值得注意、最具争议的Aβ寡聚体受体是细胞朊病毒蛋白，PrPC。再次还有P75神经营养因子受体，在抗体阻滞该受体后，可防止暴露于较高浓度的Aβ寡聚体后的细胞死亡[28]。最后还有EphB2受体，该缺失会诱导原代神经细胞上Aβ寡聚体的结合[29]。近些年对寡聚体介导受体内化机制的研究[30]发现，二聚体、三聚体的Aβ可与EphB2受体直接作用，导致EphB2受体内化、蛋白酶体降解及表面NMDA受体亚型NR1表达下降。也有研究[31]表明，烟碱乙酰胆碱受体、AMPA受体亚型GluR2可能也与寡聚体结合有关。

那么这么多受体是如何在寡聚体结合和突触毒性上起作用的？一种假设认为，因为Aβ寡聚体可能有多种可分布位点，因此它们会与多受体结合。另一种假设提出寡聚体可以轮流与不同的、低亲和力的受体结合。如果上述假设为真，那么每种受体分布总量就与寡聚体结合量一致。但有实验[32]发现上述受体通过一些方法去除后，寡聚体结合量仅有部分下降，这就表明控制Aβ寡聚体靶向突触的机制非常复杂。

7 糖尿病与AD间相关机制

胰岛素信号在老化大脑中AD发病机制又是另一个领域。由于胰岛素信号对突触功能和记忆可产生好的影响，于是一个新兴的研究观念：胰岛素在老年痴呆症的作用开始出现。流行病学研究[33]发现，老年痴呆症的患病率增加，尤其在患有糖尿病的患者中，这类人群发展为AD的风险增加约2倍，那么糖尿病异常的胰岛素信号就增加了老年痴呆症的风险。糖尿病的小鼠模型可表现出AD样病理学改变，包括Aβ和tau蛋白磷酸化水平升高，这可以在胰岛素治疗后降低，同时在AD转基因小鼠中可诱导1型或2型糖尿病，加速进展为AD和糖尿病的表型。表明这两者有共同的基本机制，如胰岛素功能障碍都会在糖尿病和AD产生相关性。寡聚体Aβ拮抗胰岛素的信号是因为寡聚体与神经元结合物具有降低胰岛素受体活性和减少突触胰岛素受体。另一方面，在小鼠模型中Aβ寡聚体可以通过抑制PI3K-Akt的mTOR通路[34]来对抗认知功能障碍，起到保护作用，同时这一信号通路的胰岛素激活可介导几个影响突触功能的进程：转运受体、突触重塑、和蛋白质的合成。与寡聚体毒性和胰岛素信号保护性的对立关系一致，经过胰岛素预处理的神经元可防止寡聚体的结合和毒性[35]。当年龄依赖性的胰岛素信号下降[36]，就可以增加神经元对寡聚体毒性的易感性，这为散发性AD的发展提供了一个可能的机制。在该机制中，Aβ寡聚体可以进一步阻碍已经减弱胰岛素信号的神经保护作用，导致突触的死亡和神经细胞的死亡。这一散发性AD诱导假说预测，如果在适当的时期干预，加强胰岛素信号的方法能潜在的延缓AD的发病进展。

8 结论

以上是对Aβ在阿尔茨海默病的病因学中部分作用的描述及与其他疾病间关系的阐述,尽管有越来越多的成果,但分子机制和作用仍有很多值得我们探究的地方。为了找到AD的发病原因，探究行之有效的方法给予有效预防和治疗,则需要进一步去确证AD 的发病机制 ,为以后的进一步研究打下基础。

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