胰岛素和胰岛素样生长因子-1及其受体在阿尔茨海默病发病中的作用

刘 琴 晏 勇

(重庆医科大学附属第一医院神经内科，重庆 400016)

至2012年为止，美国大约有540万阿尔茨海默病(AD)患者，并且每69 s就会产生1例AD患者，到2050年，这个时间可能缩短至33 s〔1〕。流行病学调查发现糖尿病患者的AD发病率较无糖尿病者明显升高〔2〕。Akiko等〔3〕研究证实糖尿病患者的认知功能与大脑内的胰岛素信号受损有关。在AD的离体实验及动物实验中均发现胰岛素受体(IR)和胰岛素样生长因子-1受体(IGF-1R)分布异常〔4〕。AD患者的尸解发现大脑中IR、IGF-1R、胰岛素受体底物蛋白(IRS)-1和IRS-2表达水平显著下降〔5〕。现就IR和IGF-1R信号通路在AD发病中的作用做一综述。

1 IR和IGF-1R信号通路

胰岛素主要由胰腺分泌，IGF-1主要由肝脏生成。目前认为大脑可分泌少量的胰岛素及IGF-1，但是脑内的胰岛素和IGF-1主要来自外周循环系统。已有研究发现AD脑内胰岛素和IGF-1水平均降低，而补充胰岛素及IGF-1可显著改善AD症状，说明胰岛素及IGF-1与学习及记忆有关。

IR和IGF-1R同属受体酪氨酸蛋白激酶系统。早在1986年就发现IR和IGF-1R信号通路参与糖代谢、摄食、体重、生育、繁殖、学习、记忆、注意力的控制和调节，参与人体诸多生命活动过程。IR和IGF-1R广泛分布在人类大脑，其中IR主要分布在下丘脑、海马、嗅球及与认知功能密切相关的皮质脑区，而IGF-1R分布在垂体、脉络丛和下丘脑区域。IR和IGF-1R是具有4个亚基(2个α和2个β亚基)的跨膜蛋白。胰岛素和IGF-1分别与IR和IGF-1R的α亚基结合，促进细胞膜内的β亚基激活区域内的接头蛋白(IRS-1/IRS-2、Shc)磷酸化〔6〕而发挥作用。IR和IGF-1R主要信号通路包括两条，分别为磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/激活蛋白激酶C(PKC)/丝/苏氨酸蛋白激酶/AKT/蛋白激酶B(PKB)通路和Shc(含SH2蛋白)/Ras/Raf/丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路。

2 AD患者脑中IR和IGF-1R信号通路受损

研究表明，AD患者大脑中胰岛素和IGF-1及其受体水平均下降、且受体分布异常。AD颞叶皮层中IR、IGF-1R、IRS-1和IRS-2存在显著缺陷，其缺陷程度与AD的严重程度有密切关系〔7〕。Moloney等〔8〕研究发现在AD的神经元中IRS-1和IRS-2水平显著下降，其下降与IRS-1(Ser312)磷酸化失活和IRS-1(Ser616)磷酸化失活增加有关。同时研究发现在AD大脑中IR的mRNA水平和胰岛素受体酪氨酸激酶活性降低〔9〕。AD中除了IR、IGF-1R及其受体底物蛋白水平降低外，还发现IR和IGF-1R分布发生改变，如IR在神经元树突分布减少，而在神经元胞体的分布则膜内化〔10〕，在神经胶质细胞表达水平没有明显改变；IGF-1R在神经元分布是远离质膜，在IRS-1/2活性降低和灭活IRS-1的AD神经元中也有类似的发现。在神经胶质细胞IGF-1R表达增加。IR及IGF-1R的膜内化可影响胰岛素及IGF-1与其结合，导致IR和IGF-1R信号通路受损。Aileen和 Moloney等〔7，8〕的研究中也证实AD神经元中存在IR和IGF-1R信号通路受损，认为其与AD中神经元变性可能有关。以上研究表明AD患者脑中存在IR及IGF-1R信号通路受损，而且与AD的发病及病程进展有关。

Shc：含SH2的蛋白，GSK3β：糖原合成酶激酶3β，IDE：胰岛素降解酶，ERK1/2：细胞外信号调节激酶1/2，Nrf2：核因子血红素2相关因子2，NF-κB：核因子κB ，ROS：活性氧

3 IR和IGF-1R信号通路在AD发病中的作用

3.1IR和IGF-1R信号通路影响了Aβ生成、tau蛋白磷酸化 研究发现胰岛素或IGF-1参与调节了Aβ的形成和降解，减少tau蛋白磷酸化，其主要机制是胰岛素或IGF-1通过介导下游信号途径影响Aβ的代谢过程，主要包括PI3-K/PKB和MAPK信号途径。Zhang等〔10〕研究发现IGF-1刺激α-分泌酶裂解淀粉样前体蛋白(APP)而减少Aβ生成；其机制可能与IGF-1激活PI3-K/AKT和MAPK/ERK1/2信号通路、降低了PC12细胞中β淀粉样前体蛋白裂解酶1(BACE-1)表达有关。而胰岛素缺乏可能通过BACE-1翻译上调以及与其底物(APP)结合增加使APP的降解有利于Aβ生成〔11〕。Zhao等〔12〕研究认为脑内胰岛素和IGF-1及其受体功能降低促进Aβ聚集和突触丧失。而Cohen和Freude等〔13～15〕对不同动物模型进行研究均发现胰岛素及IGF-1信号(IIS)下降降低了Aβ蛋白毒性。在敲除果蝇中的DAF-2基因(与哺乳动物IR及IGF-1R基因同源)也有类似发现。目前认为可能存在两种解毒机制：一种是热休克转录因子(HSF)-1使Aβ低聚物解聚并且水解其解聚产物；另一种是DAF-16调节Aβ聚集成分子量高、毒性低的聚合物。研究也发现中断Tg2576小鼠的IIS减少了Aβ总量，增加了tau蛋白磷酸化，而且可以改善Tg2576小鼠的行为缺陷。IGF-1可以通过抑制GSK-3β和活化mTOR(哺乳动物的帕罗霉素靶点)反馈调节有活性的IGF-1受体水平。活化GSK-3β保持IGF-1R水平稳定是减少tau蛋白第396位丝氨酸磷酸化的关键。可见胰岛素及IGF-1受体信号通路在AD的形成和进展中具有十分复杂的作用。

胰岛素和IGF-1能增加脑组织中胰岛素降解酶(IDE)活性而降低Aβ含量。IDE是Aβ降解的主要酶之一。IDE可增加胰岛素受体和AKT磷酸化，降低GSK3活性，减少tau蛋白磷酸化及Aβ形成。果蝇的胰岛素降解酶或人类的胰岛素降解酶能抑制与Aβ或者APP的细胞域(AICD)聚集有关的病理过程，降低Aβ所诱导的神经毒性作用〔16〕。AD脑组织中IDE的活性、含量及其mRNA的表达明显下降、 Aβ含量增高。Zhao等〔17〕研究发现胰岛素可能通过PI3K通路诱导IDE增加。胰岛素还可促进Aβ向细胞外分泌来调节细胞外Aβ的浓度〔18〕。说明胰岛素及IGF-1受体信号通路不仅调节Aβ的生成还调节了Aβ的清除。

3.2IR和IGF-1R信号通路减轻炎症反应和氧化损伤 IR和IGF-1R信号通路除了参与调节Aβ代谢及tau蛋白磷酸化外，还可降低机体的炎症及氧化应激反应。已知肿瘤坏死因子(TNF)α可作用于钙调磷酸酶使转录因子FOXO3去磷酸化，从而激活星形胶质细胞中的NFκB炎症信号，目前研究发现IGF-1可通过产生转录因子过氧化物酶体增殖激活受体γ，使Foxo3失活并取代了Foxo3在TNFα所刺激的星形胶质细胞中，抑制NFκB炎症信号，这种可逆性的拮抗作用可能驱动了AD的病程，即使在AD的严重阶段〔19〕。也有研究认为胰岛素通过激活胰岛素信号通路中关键的转录因子如活化状态的核因子相关因子2(Nrf2)和NF-κB，减少ROS生成并且加强ROS清除，从而发挥抗氧化作用〔20〕。由此可见胰岛素/IGF-1及其受体信号通路可减轻炎症反应及氧化损伤，促进神经元存活。

3.3IR和IGF-1R信号通路减轻Aβ及tau蛋白毒性作用 APP的主要代谢产物包括sAPP，Aβ及Aβ衍生的可扩散配体(ADDLs)。sAPP主要通过IGF-1R和(或)IR，激活PI3K/AKT途径，使GSK -3β活性磷酸化，产生神经保护作用，而Aβ低聚物可以通过PI3K/Akt-GSK3β信号通路逆转sAPP的神经保护作用〔21〕。Du等〔22〕研究发现高浓度(2～10 μmol/L)的纤维状的Aβ1～40可降低细胞存活、降低IR 、胰岛素受体适配蛋白-Ⅰ及蛋白激酶B的表达，且与Aβ1-40浓度及作用时间有关。Aβ还可与胰岛素竞争IR〔23〕。胰岛素主要通过IDE分解，而可溶性的ADDLs可与胰岛素竞争IDE。ADDLs是一种神经毒素,与神经突触结合后致神经细胞间无法“沟通”，进而引起记忆丧失和相关的神经损害。ADDLs主要通过对钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ(CaMKⅡ)和酪蛋白激酶Ⅱ(CK2)抑制敏感的机制造成细胞膜IRS的下调〔24〕。研究发现细胞外的ADDLs绑定到突触，减少细胞膜IR，影响胰岛素信号依赖的机制；细胞内的Aβ则干扰磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1和Akt1之间的联系，阻止Akt1活化，抑制了神经元IR信号而影响神经元存活〔25〕。调节tau蛋白磷酸化的主要蛋白激酶有GSK-3β、细胞周期蛋白依赖性激酶(Cdk5)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)。Aβ低聚物还可增加JNK活性，促使IRS -1(Ser616)磷酸化和tau蛋白(Ser422)磷酸化〔26〕。以上表明Aβ的神经毒性作用主要是封闭sAPP的神经保护作用，损害IR和IGF-1R信号通路及增加tau蛋白磷酸化等。

胰岛素可以完全阻止由细胞膜IR缺失及ADDLs所诱导的氧化应激和突触棘变性。另有研究表明胰岛素和IGF-1减少ADDLs与突触结合，阻止ADDLs诱导的胰岛素受体丢失，减轻ADDLs对突触的毒性作用〔12〕。De Felice等〔24〕研究也证实胰岛素能够抑制Aβ结合至培养的海马神经元，阻止Aβ诱导的胰岛素受体丢失和MNDA受体丢失。鼻内胰岛素治疗可提高大脑胰岛素水平，改善AD患者的记忆障碍〔27〕。胰岛素受体增敏剂(罗格列酮)也可改善AD患者的认知功能障碍。因而激活IR和IGF-1R信号通路极可能成为治疗AD的重要方法。由此可见IR和IGF-1R信号通路可减轻Aβ及tau蛋白的细胞毒性作用。但是一项有IR突变、高胰岛素血症及胰岛素抵抗特征的AD鼠的研究中并没有发现淀粉样斑块形成加速及记忆功能的损害，相反胰岛素受体突变减轻了AD鼠大脑的氧化损伤，提示胰岛素抵抗可能与AD的发病无关〔28〕。这可能与AD中IR和IGF-1R信号通路作用复杂有关。

4 小 结

综上，AD中胰岛素/IGF-1及其受体水平降低、IR和IGF-1R分布改变，导致了IR和IGF-1R信号通路受损，增加Aβ生成、tau蛋白磷酸化、炎症反应以及氧化作用，影响其神经保护作用。但是，仅从胰岛素和IGF-1、IR和IGF-1R信号通路角度研发新药治疗AD仍需要更深入更广泛的研究。

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