阿尔茨海默病病因及发病机制研究进展

叶民

阿尔茨海默病病因及发病机制研究进展

叶民

叶民 教授

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是发生于老年和老年前期、以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的中枢神经系统退行性病变，临床上表现为记忆障碍、失语、失用、失认、视空间能力损害和计算力损害、人格和行为改变等。AD是老年期最常见的痴呆类型。流行病学调查显示：>65岁的老年人AD的患病率在发达国家约为4%～8%，我国约为3%～7%，女性高于男性[1]。AD的病因至今未完全清楚，一般认为AD是复杂的异质性疾病，多种因素包括遗传因素、神经递质、免疫因素和环境因素等可能参与致病。AD的发病机制目前主要有β淀粉样蛋白(beta-amyloid, Aβ)学说、Tau蛋白学说、神经血管学说等，随着研究的不断深入，细胞周期调节蛋白障碍、氧化应激、炎症机制、线粒体功能障碍、细胞自噬等多种学说被提出，为我们进一步认知AD提供了更广阔的思路。

1 基因突变

根据是否有家族史又可分为家族性AD(familial Alzheimer’s disease, FAD)和散发性AD(sporadic Alzheimer’s disease, SAD)。在FAD中,淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)、早老素(presenilin, PS) 已是明确的致病基因[2],对于占PD 90%以上的SAD,主要的影响基因包括载脂蛋白E(apolipoprotein E, ApoE)基因、簇集蛋白(clusterin,CLU)基因、补体受体1(CR1)基因和磷脂结合网格蛋白装配蛋白(PICALM)基因等[3]。随着AD 遗传研究方面的发展,许多新的与AD 相关基因位点被发现,包括胆固醇代谢基因(包括CH25H、ABCA1和CH24H)[4],甾醇氧-酰基转移酶1(Soat1)和前列腺素内过氧化物合酶2(Ptgs2)[5]以及血管紧张素转化酶(angiotensin converting enzyme, ACE)基因[6]等,然而也有研究表明胆固醇代谢基因、Soat1对AD发病影响不大[7-8],近年也有研究表明,微小RNA(microRNA)与 AD的发病机制密切相关,microRNA在AD及基因翻译表达中扮演重要角色[9]。人体19 号染色体中ApoE4基因是人体正常基因。李国辉等[10]通过研究发现,在AD 发病提前的病人中,ApoE4基因出现频繁,且患AD 概率与ApoE4基因的频繁出现率成正相关,是发生AD 的危险因子,人体中22 号染色体中SLC25A38 基因是一种氨基酸载体,有研究发现,SLC25A38 蛋白与神经元退行和神经细胞的凋亡密切相关,该蛋白介导线粒体基质与膜间隙,以及膜间隙与细胞质之间的溶质转运,是线粒体正常工作所需的物质保障。如果SLC25A38 基因发生突变,它的功能受损,会导致脑内物质失衡,发生神经系统性病变[11-12]。

2 β淀粉样蛋白学说

Aβ是由其前体蛋白(β-amyloid precursor protein, APP)切割加工后形成的。APP是体内广泛存在的一种跨膜蛋白,现研究已经明确APP可以经由外排和内吞2条途径进行切割分解,介导外排途径的分泌酶是α-分泌酶,它主要水解APP687和688氨基酸残基间的肽键,形成不含完整Aβ片段的α-APPs,α-APPs可以抵抗兴奋性氨基酸毒性,保护神经存活,这条途径是正常生理条件下进行APP分解的主要途径。而内吞途径是由β-分泌酶和γ-分泌酶介导的,APP经过这2个酶的序贯切割后形成大量的Aβ40和少量的Aβ37、Aβ38、Aβ39和Aβ42,在这所有的产物中Aβ42是最易发生聚集的[13-15]。Aβ42 是一种不溶性多肽,更易形成老年斑;Aβ40 则更易形成典型的纤维[16]。AD 病人脑中APP主要经β分泌酶途径降解, 产生不溶性的Aβ片段导致Aβ 寡聚体形成、沉积,产生神经毒性,同时引发由脑内胶质细胞参与和介导的炎症反应,造成脑内神经细胞的损伤和死亡,最终导致AD的发病。

Aβ不仅可由脑实质的神经元、胶质细胞等产生,还可由血管内皮细胞等多种细胞生成。脑实质内外的Aβ 可以通过血脑屏障(blood brain barrier, BBB) 进行交换。Aβ 主动转运跨越BBB 与多种蛋白受体有关。晚期糖基化终产物受体(receptor for advanced glycation endproducts, RAGE)使血液中的Aβ 跨越BBB 进入脑实质,在大脑中沉积[17],而AD 病人脑组织内表达上调,且与疾病的严重程度及年龄相关。脑实质内的Aβ 由低密度脂蛋白受体(low density lipoprotein receptor related protein, LRP)-1运输到血管内皮细胞上,再由三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP) 结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette, ABC) 转运体从血管内皮细胞运输进入血液。研究表明,AD 病人脑血管内皮细胞上ATP结合盒转运蛋白G2 (ABCG2)表达升高[18]。当Aβ跨膜转运的功能障碍,影响脑实质内Aβ 产生和降解失衡,通过直接神经毒性或者介导炎症反应,同样导致AD的发生。

APP在细胞内大致的分解切割途径如下:在内质网合成的APP在经过高尔基体的修饰加工后被运往细胞膜表面,在细胞膜表面的APP大部分被α-分泌酶切割,而没被切割的APP则通过其胞质尾与衔接蛋白AP2相互作用,经过网格蛋白介导的内吞重新被运回内体。运回内体的APP又会被进一步运往溶酶体或者重新被运回高尔基体并再运送到细胞膜表面[19-21]。

APP在细胞内的循环通路指出,通过内吞途径进入细胞的APP会被分选到不同的细胞器内,如高尔基体、质膜、内体、溶酶体[22-23]。而β-内分泌酶对APP的切割分解主要发生在内体[24-25]。因此,APP是否被分选运输到内体以及在内体内驻留时间的长短对Aβ42生成起着决定性作用。在生理状态下,分选到内体的APP借助于囊泡分选蛋白-10(Vps10)家族的成员分选蛋白受体(SorLA)以及逆膜运输复合体(retromer)被逆向运输到高尔基体,除此之外,SorLA还会进一步保持APP驻留于高尔基体内[26-27],从而避免其被进一步分解切割为Aβ42。

Retromer的主要功能是介导蛋白从内体逆向运输回高尔基体,无论是新合成的蛋白还是被检索重新利用的蛋白均受其分选转运,也就是说retromer在整个分泌途径中扮演着分选者的角色,现研究表明retromer在Wnt的分泌、细胞自噬的清除、磷酸水解酶的检索中都占有重要的地位[28-30]。

2005年,研究者就已经发现AD病人海马区Vps35和Vps26的含量较正常人明显减少[31];随后的动物实验也证明将Vps26敲减会导致小鼠脑部Aβ表达增加、海马区突触功能下降,最终出现记忆的损害[32]。这些研究都表明retromer的功能受损对AD的疾病发生有着不可推卸的责任。由此可见APP的正常切割、运输、降解是AD的早期防线。

3 Tau蛋白学说

细胞外大量老年斑的形成及细胞内神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFTs)是AD特征的病理改变[33]。异常过度磷酸化的Tau蛋白是NFTs最主要的成分,已有研究表示异常的Tau蛋白大量聚集于退行性病变的神经元与AD病人的病程进展呈正相关[34]。由此可见Tau蛋白在细胞内大量聚集是导致AD病人发病并进一步促进疾病发展的关键因素。

Tau蛋白是一种微管相关蛋白,它可以与微管蛋白结合并促进其形成,与成型的微管结合保持其稳定性,而异常磷酸化的Tau蛋白与微管结合的能力仅仅是正常的1/10,并丧失了稳定微管的能力,不能正常促进正常微管装配功能,还与具有生理功能的Tau蛋白竞争结合,他们大量聚集并形成成对螺旋丝(paired helical filaments,PHF),并从微管上夺取相关蛋白,破坏正常的微管系统,导致正常微管解聚,细胞死亡。研究表示AD病人脑中受累的神经元微管结构广泛被破坏,正常轴突转运受损,突触丢失神经元功能受损,最终导致脑神经退行性病变[35]。

目前研究已经发现Tau蛋白存在的过度磷酸化位点,主要位于N-末端(Ser198-Thr217)和C-末端(Ser396-Ser422)及与微管结合重复的区域。并且已经发现3种不同类型的Tau蛋白(C-Tau, P-Tau, PHF-Tau)可用于检测AD病人,他们可能代表神经原纤维退化的不同阶段,可以进一步作为疾病进展的标志物。

Tau蛋白的异常过度磷酸化与β-淀粉样蛋白生成之间很可能存在相关调节促进的机制,Tau蛋白的磷酸化、NFTs形成对Aβ的沉积有促进作用,反之Aβ的沉积可能会进一步恶化异常磷酸化的Tau蛋白与微管结合的能力,加速微管系统破坏,共同加重AD的临床症状,促进病程进展。

4 神经血管假说

20世纪已有假说提出动脉粥样硬化是AD的可能发病机制之一,现随着研究的进展,越来越多的证据指出血管神经病变与AD存在许多共同的危险因素,近年的研究发现他们拥有相同的易感基因:ApoE等位基因是心血管危险因子,它可以增加AD的发病风险;也已有研究发现低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP)参与到Aβ的生成,并参与脑内的Aβ的清除。在寻求AD发病因素中,脂代谢紊乱同样不可忽视,比如高血清胆固醇浓度与AD的发病率增加有关[36],实验表明老年斑内存在胆固醇聚集的现象。高同型半胱氨酸血症是心脑血管发病的独立的危险因素,现有研究发现其也是AD发病的独立危险因素[37],高同型半胱氨酸可增加海马神经元对神经毒物的敏感性,增高氧化应激损伤,最终加速神经元的凋亡。除此之外,动脉粥样硬化的相关危险因素,比如血小板活化,胆碱乙酰化酶活性降低,精氨酸加压素的分泌异常、肾素血管紧张素系统(RAS)紊乱等均参与到AD的进程,加重认知障碍,但具体相关发病机制仍未完全明确。

5 氧化应激学说

氧化应激在阿尔茨海默病发病机制中扮演重要的角色,大脑比其他器官对氧化应激更易受损。由于线粒体功能障碍、炎症、Aβ蛋白产生等导致神经元氧化[38]。在AD 病人脑中,各区神经元细胞中色素氧化酶活性降低,脑细胞中活性氧生成增加,自由基结合血浆中胡萝卜素和维生素A、E 加快,使抗氧化物质减少,同时自由基介导Aβ毒害神经细胞。Aβ引起的自由基紊乱是氧化应激参与AD过程的重要环节[40]。

6 细胞周期假说

细胞周期假说认为神经元细胞从G0期进入G1期是突触重构过程中必需的组成部分,正常人在正确的调控机制下可由G1期返回G0期,AD病人由于其调控机制存在缺陷, 神经元由G1期通过DNA复制S期进入G2期,进入G2期的细胞已不能回到G0期,而是会通过类似凋亡的机制走向死亡,并且以病态形式停滞在G2期相当长一段时间,这期间将产生一系列的病理产物(如Aβ沉积、Tau蛋白等)[40]。

7 5-羟色胺(5-HT)与AD

最近有研究表明5-HT受体在认知功能的调节上具有关键作用, 某些5-HT 受体调节剂可能具有修复丢失的神经元的作用,进而改变疾病的进程[41]。与AD相关的受体主要有5-HT1A,5-HT2A, 5-HT2C, 5-HT3, 5-HT4, 5-HT6[42]。其中5-HT1A,5-HT3,5-HT6受体可能是通过增加乙酰胆碱功能发挥作用, 而5-HT2A, 5-HT2C,5-HT4受体则是通过各种机制来增加脑脊液中sAPPα的生成,减少Aβ的产生,进而减少神经细胞的凋亡。

8 脂质代谢异常与AD

血清中高脂肪和高胆固醇均是AD发病的危险因素[43]。杨连勇[44]认为胆固醇增高会加速AD的进展,其机制为:胆固醇会抑制α-分泌酶的活性, 增强β-分泌酶和γ-分泌酶的活性,减少可溶性APP的生成, 增强水解APP 的能力, 产生大量的Aβ, 并且胆固醇还会影响Tau蛋白的代谢。他汀类降脂药物可显著降低AD发生的危险性, 并且可预防或延缓AD 的进展。尽管胆固醇在AD 的进展中起着重要作用, 但是它对于维护神经元的生理状态也有着重要作用, 如果完全清除胆固醇会影响轴突和树突分支的形成[45]。

9 细胞自噬与AD

自噬(autophagy)是 1962 年由 Ashford 和 Porter 发现细胞内有“自己吃自己”的现象后提出的,是指细胞受损后,损伤或衰老的细胞器或蛋白质被运送到溶酶体内,需降解的细胞器、蛋白质等形成自噬，最后与溶酶体融合形成自噬溶酶体降解其所包裹的内容物。

因为自噬可以降解损伤衰老及功能异常的细胞器和相关蛋白,而细胞外大量老年斑的形成及NFTs是AD特征的病理改变,这就表示自噬在AD的发病中占有一定的调控作用。现进一步研究发现:自噬溶酶体系统可通过CCN2调控γ-分泌酶的活性,在AD病人脑中,Aβ的过度生成可能由神经纤维网广泛自噬的增加导致,而且细胞实验也已发现自噬可以抑制Aβ诱导的神经毒素而发挥神经保护作用。但是具体的分子机制及相关病理过程仍需探索。

但是以上结果足以证明自噬与神经退行性病变的产生如帕金森疾病、AD等有密切相关。虽然目前还不能确定AD是否能通过靶向治愈,但是关于细胞自噬的治疗是相当有前景的。

综上所述,AD的发病机制目前主要有Aβ毒性学说、Tau蛋白学说、血管因素学说及基因学说等,而其发病机制可能涉及到多种学说,由此可见 AD的发病机制异常复杂,涉及多条分子信号通路,包括Aβ、Tau蛋白及突触异常等;各机制之间相互联系,共同促使神经元变性。今后的研究需全面揭示多种发病机制之间的联系以同时阻断多条信号通路等。目前而言,AD防治研究依然任重而道远。

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