阿尔兹海默病致病机制及相关遗传易感基因

李小玲 杨 泽

阿尔兹海默病(AD)是一种以进行性痴呆为主要特征的中枢神经系统退行性变性疾病。主要临床表现为进行性认知功能障碍和记忆力衰退，性格和行为改变，判断力下降，社交障碍，生活自理能力丧失，最终以死亡为结局。主要的神经病理学改变包括β淀粉样蛋白Aβ沉积形成的细胞外老年斑，微管相关蛋白tau过度磷酸化导致的神经细胞内神经纤维缠结、神经元丢失、淀粉样血管改变等。目前，AD病因学和致病机制不清，且至今尚无有效的治疗及延缓疾病发展的方法。

AD是老年期最常见的痴呆类型，约占全部老年期痴呆的50%～70%[1]。根据发病年龄，AD可分为早发型AD(early-onset，EOAD，发病年龄<65岁)和晚发型AD(late-onset AD，LOAD，发病年龄≥65岁)。其中LOAD最多见，LOAD患者约占全部痴呆患者的90%以上，俗称老年痴呆。EOAD呈现家族聚集性，LOAD则以散发性为主。AD发病机制复杂，存在多种学说，如β淀粉样级联学说、tau蛋白过度磷酸化学说、线粒体障碍学说、免疫炎症、星型胶质细胞结构/功能障碍、自由及氧化应激、病毒感染等学说[2]。目前认为是遗传因素和环境因素相互作用的结果。AD的分子遗传学研究显示，在遗传方式上，EOAD呈常染色体显性遗传性遗传，致病基因包括位于21号染色体上的App基因、14号染色体上的PSEN1基因和1号染色体上PSEN2；LOAD遗传基础则相对复杂，遗传度约为60%～80%，具有多因子遗传背景[3]。目前只有位于19号染色体上的ApoE基因(ε2、ε3、ε4等位基因)是公认的LOAD致病相关基因，但ApoE基因ε4等位基因只能解释不到一半的LOAD发病风险。因此，其他AD遗传易感基因还有待发现。并且，LOAD具有显著的遗传异质性和种族差异性。多年以来，基于全基因组关联研究(GWAS)、全外显子组测序(WES)、全基因组测序(WGS)等高通量技术的大量LOAD分子遗传学研究已经报道了一系列与LOAD患病风险或疾病特征相关联的基因座(loci)、基因和单核苷酸多态(SNP)[4]。本文仅对主要的AD致病机制学说及其涉及的AD遗传易感相关基因做一综述。

1. App代谢及Aβ斑块形成

该机制涉及Aβ生成和聚积增多、降解和清除减少。Aβ寡聚肽主要有两种形式，一种是由40个氨基酸残基组成的蛋白片段，称之为Aβ40，一种是由42～43个氨基酸残基组成的蛋白片断，称为Aβ42。研究发现，Aβ42相对于Aβ40，具有更强的聚集能力以及更易聚积形成老年斑[5]。一方面，Aβ生成和聚积增多，导致Aβ斑块形成。Aβ是由一种I型跨膜蛋白淀粉样前体蛋白经连续酶促加工产生的。大部分的淀粉样前体蛋白App被α分泌酶切割，产生不可溶性Aβ寡聚肽，被称为非淀粉样蛋白原性途径。目前推测α分泌酶由ADAM9、ADAM10和TACE/ADAM17组成。相反，小部分的淀粉样前体蛋白App由β分泌酶酶切加工，产生可溶性App-β(sAPP-β)和β-c末端片段(β-CTF)。β分泌酶组成成分主要包括BACE-1和组织蛋白酶D。β-CTF片段被γ分泌酶进一步切割产生Aβ40和Aβ42，并通过其组成型分泌途径将其转运至细胞表面[6]。γ分泌酶的活性需要四种成分：PS-1(早老素-1)或PS-2、PEN-2(早老素增强剂-2)、Nicastrin和APH-1，其中PS-1和PS-2对酶活性至关重要。若α分泌酶切割淀粉样前体蛋白减少竞争性β分泌酶活性切割增加，则Aβ过度生成。另一方面，Aβ清除和降解功能障碍可增加神经毒性Aβ聚积。而Aβ的降解和清除主要由小胶质细胞等中枢神经系统内免疫细胞完成。研究表明，App及其修饰基因、PSEN1、PSEN2、ADAM10基因变异可调节分泌酶活性从而影响AD患病风险。同时，App、PSEN1、PSEN2不仅是家族性EOAD的致病基因，也是散发性LOAD的遗传易感因子[7]。

2. Tau蛋白过度磷酸化及神经原纤维缠结形成

该通路主要涉及微管相关蛋白tau蛋白结合增加和降解减少两方面。Tau蛋白是低分子量的微管相关蛋白，主要分布在神经轴突，可促进并稳定微管聚合，维持正常的神经元轴突转运，是细胞骨架主要成分，具有稳定神经元细胞、输送营养物质的作用。若tau蛋白被异常磷酸化，可降低其与微管的结合能力，极易形成双螺旋纤维丝，进而形成神经纤维缠结，破坏神经细胞功能。研究表明，tau蛋白编码基因MAPT基因变异与包括AD、帕金森病PD在内的tau蛋白相关神经退行性病发病风险都存在相关性[8]。与tau蛋白毒性调节相关的黏着斑激酶编码基因PTK2B也被发现与AD发病风险相关[9]。黏着斑激酶参与调节肌动蛋白细胞骨架重组、细胞极化、细胞迁移、黏附、扩散等，在神经肽激活受体或神经递质促进钙离子内流及其下游信号以调节神经元活动的过程中起中间信号的作用。

3.胆固醇代谢/分布失衡

Aβ寡聚体聚积通过一种可能涉及蛋氨酸金属催化氧化的机制产生活性氧ROS，当这个过程发生在细胞膜附近时，脂质过氧化当这个过程发生在细胞膜附近时，细胞膜脂质过氧化即被促发，进而膜葡萄糖和谷氨酸转运蛋白功能受损，线粒体功能障碍，ATP水平下降等。Aβ诱导的氧化应激在突触内发生时，可影响神经元功能和存活。ROS诱导的细胞膜损伤会破坏膜完整性，增加包括钙离子在内的几种离子的通透性，而钙内流是引发神经变性的一个关键因素。

ApoE等位基因是目前已被证实的常染色体显性家族性AD的致病基因之一，也是散发性LOAD疾病风险关联性最强的遗传因子。继发现ApoE基因编码的载脂蛋白E(ApoE)在胆固醇代谢中居于中心地位，提示胆固醇代谢失稳态可能参与AD致病机制以来，LOAD相关的GWAS研究陆续报道了一些编码三磷酸腺苷结合盒转运子A7(ABCA7)、编码丛生蛋白(CLU)、编码分拣蛋白相关受体1(SORL1)等胆固醇代谢调节基因的遗传变异可能与AD发病风险相关[10～12]。ApoE基因的不同等位基因型对AD风险的影响差异很大程度上源于ApoE对脑和脑血管中Aβ的聚积产生的不同影响。ApoE ε4可能加速大脑老化的机制被认为与抗氧化剂和神经保护特性的降低有关。在神经细胞中，ApoE与其受体LDL受体相关蛋白结合LRP，进行脂质转运[13]。另一种LDL受体α2-巨球蛋白编码基因A2M基因变异也被发现可增加LOAD患病风险[14]。多项研究显示，参与调控胆固醇代谢的雌激素受体(ERs)编码基因ESR1和ESR2基因的遗传多态也具有LOAD疾病易感性[15，16]。

4.免疫炎症

AD神经病理学显示，神经炎症和免疫反应失调是AD神经病理学的一个中心特征。我们在前文提到Aβ的降解和清除过程主要由小胶质细胞完成。Aβ寡聚化及纤维化，和神经元凋亡释放的分子可激活小胶质细胞，小胶质细胞继而产生ROS、谷氨酸盐、TNF-α和IL-1等免疫因子等分子继而引发神经细胞毒性[17，18]。

LOAD分子遗传学研究分别识别了CR1、CD33、MS4A、CLU、ABCA7、PTGS2、EPHA1等基因的常见变异以及TREM2基因的罕见变异等疾病风险相关遗传变异。其中，免疫调节相关的CR1基因编码补体激活(RCA)家族的受体成员凝集素蛋白，其可调节可溶性Aβ向不溶性Aβ的形式转化，还参与Aβ的清除过程，直接影响Aβ的形态、聚积和清除，因而在Aβ途径中扮演重要角色[19]。PTGS2基因也称为环加氧酶2基因COX2,在中枢神经系统的炎性细胞中普遍表达，该基因的多个变异已被证明关联LOAD患病风险[20]。

5.突触功能障碍

突触功能完整性对淀粉样前体蛋白App的正常处理过程至关重要，突触内吞活动异常和神经递质释放障碍导致的神经细胞凋亡也被认为是AD发病机制的核心之一。GWAS研究鉴别出的与内吞作用和突触功能相关的LOAD风险基因包括BIN1、PICALM、CD2AP等。其中，BIN1基因座是ApoE基因座外LOAD关联性最强的LOAD易感基因座,BIN1基因编码的桥联整合蛋白1参与网格蛋白介导的内吞、膜泡运输和调节膜曲率等过程[21，22]。PICALM基因编码的磷脂酰肌醇结合网格蛋白装配蛋白，也参与网格蛋白介导的内吞，对于突触前膜释放神经递质和清除Aβ十分重要，同时也与磷酸化tau蛋白、自噬相关的蛋白水平相关[23]。CD2AP基因编码CD2相关蛋白,这种支架蛋白同样参与内吞和膜泡运输以及动态肌动蛋白重塑等过程。有研究显示,神经元的神经突长度、复杂度、生成的锥形伪足数与CD2AP的表达相符[24]。

6.其他

AD致病机制还涉及铝金属中毒、病毒感染、小胶质细胞和星形胶质细胞结构和功能障碍、中间神经元介导的脑网络异常等机制[25]。AD致病机制是非常复杂的，是多种因素、多个关键环节共同作用的结果。因此，病理机制上，不同致病通路可能汇聚同一个靶点环节；分子遗传学上，同一基因编码的产物可能同时参与多个通路。例如，自由基增多、脂质过氧化、钙稳态失调、细胞色素C释放等都可引发氧化应激增强，线粒体功能障碍。而线粒体功能障碍作为AD不同致病通路的共同靶点，是神经细胞能量代谢异常和神经元凋亡的基础[26]。线粒体相关基因TOMM40，位于ApoE基因座内，编码外部线粒体膜转移酶40，可其他基因产物如ApoE(ApoE)、淀粉样前体蛋白(App)协同作用，参与降低神经细胞线粒体能量代谢和线粒体迁移率，参与Aβ毒害神经元过程[27]。再比如，CLU基因同时参与细胞周期、炎症反应、脂质运输、细胞凋亡、激活神经元营养因子等多个病理生理学过程。同时，其编码的丛生蛋白(clusterin)可与Aβ结合并阻止Aβ聚集,并且丛集素能增强溶酶体对Aβ的降解,并通过血脑屏障清除Aβ，因而在Aβ的聚积和清除过程中发挥重要作用[19，28]。

随着老龄化进程加速推进，AD罹患人数急剧增加，成为继心血管病、脑血管病和肿瘤之后，威胁老年人健康的重要疾病原因，已成为严重的社会和医疗卫生问题。自1906年首次报告1例51岁女性病例以来，AD载入医学史册已近110年，但其病因和发病机制尚不清楚，迄今尚无有效治愈或控制病情进展的方法，因此开展发病机制的研究意义重大。开展基于高通量测序技术的全外显子组、全基因组、转录组、表观遗传组等多组学系统研究和基于多种族、大样本、强统计分析效能的GWAS研究meta分析，可有助于识别真正的AD致病/风险相关基因变异和阐明其分子遗传学致病机理。