生物信息学在阿尔茨海默病发病机制和药物设计中的应用

王大鹏，吴一芳（综述），海 舰（审校）同济大学附属同济医院神经外科，上海 200065

生物信息学在阿尔茨海默病发病机制和药物设计中的应用

王大鹏，吴一芳（综述），海 舰（审校）
同济大学附属同济医院神经外科，上海 200065

阿尔茨海默病是一种常见的神经变性疾病，临床主要表现为进行性记忆损害和认知功能障碍。然而，阿尔茨海默病的发病分子机制复杂不清，是多种基因和细胞信号传导通路相互作用的结果，且临床上缺乏有效的治疗药物，成为神经科学领域临床治疗的难点。目前，生物信息学在医学中的应用越来越广泛，采用生物信息学分析阿尔茨海默病发病相关基因芯片数据，构建相关基因和细胞信号传导通路的网络图，可系统性分析阿尔茨海默病发病机理，筛选关键信号通路、关键基因、关键酶，可为治疗阿尔茨海默病的药物设计和再利用提供新的视角，将为其治疗提供新的理论依据。

阿尔茨海默病；生物信息学；发病机制；药物设计

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）为一种常见的进展性神经变性性疾病，约占老年痴呆的50%～56%，病理改变以淀粉样肽沉积、神经元纤维缠结等为主，导致神经元变性和（或）凋亡、突触可塑性改变等，临床主要表现为认知功能障碍和进行性记忆损害[1-2]。据统计，2010年全球约3 500万人受此疾病困扰，2014年仅美国就有5百万AD患者，每年的治疗费用平均约1 720亿美元，给家庭和社会带来巨大的负担[1，3]。然而，AD发病的分子作用机制尚不清楚，且临床上缺乏有效的干预性治疗措施[4-5]，使AD成为神经科学领域研究的热点和临床治疗的难点。

生物信息学是20世纪80年代末随着人类基因组计划启动而兴起的一门新的交叉学科，涉及生物学、数学、计算机科学、医学等多种学科，以蛋白和核酸等生物大分子数据库等为研究对象，获取相关基因编码、基因调控、蛋白质和核酸结构及功能等生物信息，研究生命起源、生物进化、疾病发生发展规律等问题[6-7]。目前，在疾病发生机制和药物设计的研究中，生物信息学的应用越来越广泛且起到非常重要的作用。本文就生物信息学在AD发病机制和药物设计中的应用综述如下。

1 AD发病相关的基因和细胞信号传导通路

AD发病机制依赖于内环境的稳定，受多基因、多机制、多因素的影响，其病理变化特点包括：β淀粉样肽（β-amyloid peptide，Aβ）沉积、神经元纤维缠结、神经元缺失、白质损害、Tau蛋白过度磷酸化[8]等。在上述重要的病理改变中，β淀粉样沉淀被认为是致病的关键因素之一。Aβ肽是一种自然代谢产物，分子量为36～43 kD，具有神经毒性，多种因素致Aβ肽在脑实质内蓄积增多、清除减少，启动一系列病理淀粉样蛋白级联反应，导致广泛的神经元缺失[9]。Aβ肽的代谢与膜内淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein，APP）有关，APP的水解主要在内吞小体-溶酶体系统内进行，α、β、γ三种分泌酶与APP水解相关，APP水解后产生Aβ40和Aβ 42，促发神经元缺失以及神经元纤维缠结等。除淀粉样肽假说外，Tau蛋白过度磷酸化也认为是AD发病的关键因素之一[1-9]。Tau蛋白是一种含磷的微管相关蛋白，Tau蛋白过度磷酸化后，其活性丧失，引起微管组装紊乱、微管蛋白分子间广泛交联，影响突触和细胞间信号传递，损伤神经。基因研究表明，与AD相关的突变基因有14号染色体上的早老素1基因和1号染色体上的早老素2基因、19号染色体上的载脂蛋白E基因和21号染色体上的APP基因。不同的基因突变导致家族性或散发性AD的发生，其中早老素1基因突变可导致早发型家族性AD[10]。这些与AD相关的基因收录在AlzGene数据库（http：//alzgene.org），包括了所有关于AD遗传学、全基因组等方面的研究信息。

在AD、血管性痴呆等病理情况下，乙酰胆碱水平降低、谷氨酸释放异常、钙离子内流增加、氧化应激、神经炎症反应、相关细胞信号传导通路异常，如丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs），环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）、磷脂酰肌 醇-3-激 酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）、细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinases，ERK）等[11-13]；脑组织中相关受体配体表达异常，如大麻素受体1型（cannabinoid，CB1）明显减少以及瞬时受体电位香草醛亚家族1（transient receptor potential cation channel subfamily V member 1，TRPV1）表达异常，并伴有炎性细胞因子的释放如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、环氧 化 酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）、氧自由基、核转录因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）等[14-15]，诱导血管性损伤、神经变性或凋亡、胶质细胞活化等，导致患者记忆损害和认知功能障碍。

2 生物信息学在AD发病机制研究中的应用

AD发病机制复杂多样，可能与血管性危险因素、患者年龄、伴发疾病等因素相关，早发型和晚发型的发病机制亦存在差异。如何在大量的研究数据中，合理的分析数据，探索关键信号或致病因素，为AD的临床治疗提供理论依据，成为生物信息学和神经科学交叉研究的热点。生物信息学借助多种系统软件，通过序列比对分析、功能基因组与基因表达数据的分析、蛋白质结构的预测以及药物设计等研究方法，使其在医学和生命科学领域的应用越来越广泛[16]。

在AD发病相关基因的研究中，李长征等[17]人利用String、KEGG、Panther等在线分析软件对从基因芯片公共数据库GEO中的AD基因芯片数据进行生物信息学分析，发现在34个差异表达基因所编码的蛋白质中，有25个蛋白与蛋白存在相互作用的关系，其中以钙通道家族基因（CACNAII、CACNA1A、CACNA2D1、CANA1C、CACNA1G）为主。此分析与MacDonald[18]和Ronco等[19]的研究结果相符，提示着钙通道家族基因在神经递质传导、细胞间信号转导、线粒体功能等方面影响神经细胞的功能和存活，与AD和痴呆的发病密切相关。分析同时得出，与AD发病相关的基因，涉及23个细胞生物学通路，主要包括刺激神经的配体-受体相互作用通路、钙离子信号通路、MAPK信号通路、长时程增强（LTP）、长时程抑制（LTD）、血管平滑肌收缩通路[17]。我们前期研究表明，内源性CB1水解酶抑制，通过增强LTP，可改善慢性脑低灌注大鼠认知功能障碍[20]。神经变性性疾病AD的临床表现主要为认知功能障碍，而慢性脑低灌又是导致AD和血管性痴呆认知功能障碍的重要因素[21]。据此推测：LTP受损是导致AD患者认知功能障碍的重要原因之一，此推测结果同样也符合采用生物信息学方法分析数据所得的相关结论。而采用高通亮全基因组相关性研究可发现与AD发病相关的易感基因，如磷脂酰肌醇结合网格蛋白转配蛋白（PICAIM）、Protocadethin11X连锁（PCHDH11X）和烟碱样乙酰胆碱受体（CHRNB2）等基因[22]。因此，采用生物信息学技术研究AD的发病机制有重要的指导意义。

3 治疗AD的相关药物

由英国国家卫生与保健优化研究所（National Institute for Health and Care Excellence，NICE）推荐治疗AD的药物有四种，其中三种药物为乙酰胆碱酯酶抑制剂（acetylcholinesterase inhibitors，AChEi）分 别 为 多 奈 哌 齐（donepezil）、加 兰 他 敏（galantamine）和卡巴拉汀（rianstigmine），另一种药物为新型的作用于谷氨酸受体的美金刚（memantine）[23]。但对不同程度的AD，药物的选择、剂量和药效是不同的。AchEi类药物在轻中度AD患者长期治疗中（6个月以上），约50%的患者有效，疗效维持时间约1.5年左右。多奈哌齐对于中重度AD患者，药物剂量为23 mg/d时较10 mg/d效果更佳[24]，而随机双盲对照临床试验表明美金刚对中重度AD患者无明显作用[25]，但也有研究认为美金刚28 mg/d对中重度AD患者安全有效[26]。

依据AD的发病机制，针对Aβ或Tau蛋白的抗AD相关药物有PF-04360365和PF-04494700（抗Aβ肽），抗GSK-3β反义寡核苷酸和高血糖素样肽1（Glucagon-like peptide-1）（抗Tau蛋白）等，另外还有影响药物转运和选择的吡格列酮（pioglitazone）、神经性药物四氢孕酮（allopregnanolone）、缺氧诱导因子调节剂M30、胰岛素生长因子结合蛋白7（Insulin growth factor binding protein 7）、新型AChEi等[5，27-29]，这些药物尚未获得美国食品药品管理局批准上市，可作为潜在的抗AD药物。

4 生物信息学在AD药物设计中的应用

生物信息学在多种疾病的药物研发和再利用起着重要作用，如抗肿瘤药物[30]、中草药[31]等。药物的综合药理效应并非单基因特性，而是多种基因共同影响药物的体内代谢、分布以及药物间的相互作用，即药物效应的基因多态性。药物效应的基因多态性同时也反映了致病因素的多样性与复杂性。生物信息学为药物设计提供了新思路，使药物设计趋于理性化、通过疾病差异性表达基因的分析，筛选关键致病基因，减少新药设计的盲目性，进一步减少药物研究和开发过程的时间和费用。

目前，临床上尚缺乏有效的治疗AD的方法。据统计，AD患者在确诊后生存期约3～9年[32]。多种单一的分子靶向抗AD药物，临床3期试验效果并不理想，面临着药物剂量的选择和药物副作用的问题[33-34]。最近，网络医学（network medicine）倍受关注，其理念为正常生理机能系统被破坏，“输入”和“输出”的生物学网络不平衡，引起多种细胞信号通路相互作用，导致肿瘤、抑郁症等复杂疾病的发生[35]。在该概念的理论基础上，采用生物信息学方法可有效的分析、构建关键新靶点或多靶点药物相互作用网络图，为AD药物的设计和再利用提供了新的思路。Zhang等[36]通过归纳比较相关数据，发现有23种药物与AD发病基因相关，血管紧张素转化酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）抑制剂可望用于AD的治疗。多靶点药物或联合用药有着相互作用的网络，可主导并调节更加广泛的细胞防御机制和自我损伤修复的能力，从而表现出更加有效的整体效果。

5 展望

AD患者认知功能进行性下降，抗AD药物仍然面临诸多问题，第一AD发病机制复杂不清，为多种基因相互作用和细胞信号传导通路共同参与的神经病理改变[37]；研发强力有效的分子靶点药物非常困难；第二动物实验不能有效的反应药物在人体的作用效果[5]；第三临床试验认知功能改善评价标准不一，以及药物不良反应多样的问题等[33-34]。伴随着生物信息学的发展和多学科的交叉合作，采用生物信息学方法分析AD相关基因芯片数据，构建基因及转录因子间的相互作用的网络图，可从基因、转录因子、酶、信号转导通路等水平上系统性分析其发病机制，便于筛选关键信号转导通路、关键基因、关键酶，为寻找药物新靶点和多靶点联合用药以及药物再利用提供新的视角，为AD的综合治疗提供新的理论依据。

[1] Querfurth HW，Laferla FM.Alzheimer's disease[J].N Engl J Med，2010，362（4）：329-344.

[2] Cai HY，Holscher C，Yue XH，et al.Lixisenatide rescues spatial memory and synaptic plasticity from amyloid beta protein-induced impairments in rats[J].Neuroscience，2014，277（26）：6-13.

[3] Alzheimeri's A.2012 Alzheimer's disease facts and figures[J]. Alzherimers Dement，2013，9（2）：208-245.

[4] Fan LY，Chiu MJ.Combotherapy and current concepts as well as future strategies for the treatment of Alzheimer's disease[J]. Neuropsychiatr Dis Treat，2014，10（11）：439-451.

[5] Zheng H，Fridkin M，Youdim M.New approaches to treating Alzheimer's disease[J].Perspect Medicin Chem，2015，7（9）：1-8.

[6] Roos DS.Computational biology bioinformatics-trying to swim in a sea of data[J].Sciences，2001，291（5507）：1260-1261.

[7] 陈文聪，胡朝辉，朱庆义.生物信息学的进展及其在分子微生物学研究中的应用[J].分子诊断与治疗杂志，2011，3（3）：207-211.

[8] Sutovsky S，Blaho A，Kollar B，et al.Clinical accuracy of the distinction between Alzheimer's disease and frontotemporal lobar degeneration[J].Bratisl Lek Listy，2014，115（3）：161-167.

[9] Kaj Blennow，Mony J de Leon，Henrik Zetterberg.Alzheimer's disease[J].Lancet，2006，368（9533）：387-403.

[10] Dodart JC，Marr RA.Gene delivery of human apolipo protein E alters brain Aβ burden in a mouse model of Alzheimer's disease [J].Proc Nat l Acad Sci USA，2005，102（4）：1211-1216.

[11] Lee LM，Bang JH，Han JS，et al.Cardiotonic pill attenuates white mater and hippocampal damage via inhibiting microglial activation and downregulating ERK and p38 MAPK signaling in chronic cerebral hypoperfused rat[J].BMC Complement and Altern Med，2013，13（26）：334.

[12] Shu Y，Zhang H，Kang T，et al.PI3K/Akt signal pathway involved in the cognitive impairment caused by chronic cerebral hypoperfusion in rats[J].PLoS One，2013，8（12）：e81901.

[13] Kim EK，Choi EJ.Compromised MAPK signialing in human disease：an update[J].Arch Toxicol，2015，89（6）：867-882.

[14] Maroof N，Pardon MC，Kendall DA.Endocanabinoid signaling in Alzheimer's disease[J].Biochem.Soc.Trans，2013，41（6）：1583-1587.

[15] Chen RQ，Zhang J，Fan N，et al.9-THC-caused synaptic and memory impairments are mediated through COX-2 signaling [J].Cell，2013，155（5）：1154-1165.

[16] Merelli I，Pérez-Sánchez H，Gesing S，et al.Managing，analysing，and integrating big data in medical bioinformatics：open problems and future perspectives[J].Biomed Res Int，2014，2014（1）：134023.

[17] 李长征，王慧，吕蔚然，等.阿尔茨海默病相关基因的生物信息学分析[J].中华神经医学杂志，2012，11（8）：767-769.

[18] MacDonald JF，Belrose JC，Xie YF，et al.Nonselective cation channels and links to hippocampal ischemia，aging，and dementia[J].Adv Exp Med Biol，2013，961（2）：433-447.

[19] Ronco V，GrollaAA，Glasnov TN，etal.Differential deregulation of astrocytic calcium signalling by amyloid-β，TNFα，IL-1β and LPS[J].Cell Calcium，2014，55（4）：219-229.

[20] Lin Q，Hai J，Yao LY，et al.Neuroprotective effects of NSTyr on cognitive function and neuronal plasticity in rats of chronic cerebral hypoperfusion[J].Brain Res，2010，1325（14）：183-190.

[21] Zhao Y，Gong CX.From chronic cerebral hypoperfusion to Alzheimer-like brain pathology and neurodegeneration[J].Cell Mol Neurobiol，2015，35（1）：101-110.

[22] Lambert JC，Heath S，Even G，et al.Genome-wide association study identifies variants at CLU and CR1 associated with Alzheimer's disease[J].Nat Genet，2009，41（10）：1094-1099.

[23] Tan CC，Yu JT，Wang HF，et al.Efficacy and safety of donepezil，galantamine，rivastigmine，and memantine for the treatment of Alzheimer's disease：a systematic review and meta-analysis[J].J Alzheimers Dis，2014；41（2）：615-631.

[24] Sabbagh M，Cummings J，Christensen D，et al.Evaluating the cognitive effects of donepezil 23 mg/d in moderate and severe Alzheimer's disease：analysis of effects of baseline features on treatment response[J].BMC Geriatr，2013，13（6）：56.

[25] Herrmann N，Gauthier S，Boneva N，et al.A randomized，double-blind，placebo-controlled trialofmemantine in a behaviorally enriched sample of patients with moderate-to-severe Alzheimer's disease[J].Int Psychogeriatr，2013，25（6）：919-927.

[26] Grossberg GT，Manes F，Allegri RF，et al.The safety，tolerability，and efficacy of once-daily memantine（28mg）：a multinational，randomized，double-blind，placebo controlled trial in patients with moderate-to-severe alzheimer's disease taking cholinesterase inhibitors[J].CNS Drugs，2013，27（6）：469-478.

[27] Chang KL，Pee HN，Yang S，et al.Influence of drug transporters and stereoselectivity on the brain penetration of pioglitazone as a potential medicine against Alzheimer's disease [J].Sci Rep，2015，5（11）：9000.

[28] West S，Bhugra P.Emerging drug targets for Aβ and tau in Alzheimer's disease：a systematic review[J].Br J Clin Pharmacol，2015，80（2）：221-234.

[29] Li Y，Jiang LJ，Yuan L，et al.Inhibition of acetylcholinesterase（AChE）：a potential therapeutic target to treat Alzheimer's disease[J].Chem Biol Drug Des，2015，86（4）：776-782.

[30] Finley SD，Chu LH，Popel AS.Computational systems biology approaches to anti-angiogenic cancer therapeutics[J].Drug Discov Today，2015，20（2）：187-197.

[31] 谢腾，王升，马炯，等.生物信息学在中药资源研究中的应用[J].中国中药杂志，2012，37（24）：3684-3689.

[32] Ferri CP，Prince M，Brayne C，et al.Global prevalence of dementia：a Delphi consensus study[J].Lancet，2005，366（9503）：2112-2117.

[33] Doody RS，Thomas RG，Farlow M，et al.Phase 3 trials of solanezumab for mild-to-moderate Alzheimer's disease[J].N Engl J Med，2014，370（4）：311-321.

[34] Doody RS，Raman R，Farlow M，et al.A phase 3 trial of semagacestat for treatment of Alzheimer's disease[J].N Engl J Med，2013，369（4）：341-350.

[35] Santiago JA，Potashkin JA.A network approach to clinical intervention in neurodegenerative diseases[J].Trends Mol Med，2014，20（12）：694-703.

[36] Zhang XZ，Quan Y，Tang GY.Medical genetics-based drug repurposing forAlzheimer's disease[J].Brain Research Bulletin，2015，110（1）：26-29.

[37] Bedse G，Romano A，Lavecchia AM，et al.The role of endocannabinoid signaling in the molecular mechanisms of neurodegeneration in Alzheimer's disease[J].J Alzheimers Dis，2015，43（4）：1115-1136.

Application of bioinformatics in the pathogenesis and drug design of Alzheimer disease

WAND Dapeng，WU Yifang，HAI Jian
Department of Neurosurgery，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China

Alzheimer disease is a common neurodegenerative disease，which is mainly characterized by progressive memory impairment and cognitive dysfunction.However，the molecular pathogenesis of Alzheimer disease is complex and unclear，and is the result of various genes and cellular signaling pathway interactions.Lacking the effective therapy in clinical practice，Alzheimer disease has become a difficulty in clinical treatment of neuroscience field.Currently，bioinformatics has been widely applied in medical science.Using bioinformatics to analyze the related gene chip data and construct the related gene and cellular signaling transduction pathway network diagram can systematically explore the pathogenesis of Alzheimer disease and screen the key signaling pathway，gene and enzyme，which will provide a new perspective of drug design and re-use，and a new theoretical basis to treat Alzheimer disease.

Alzheimer disease；Bioinformatics；Pathogenesis；Drug design

R742

A

2095-378X（2016）01-0053-04

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.01.017

2015-12-03）

国家自然科学基金（81271212）

王大鹏（1987—），男，在读博士研究生，研究脑血管病和神经变性性疾病基础和临床

海 舰，电子信箱：haijiandoc@163.com