系统生物学在认知功能障碍研究中的应用

徐奚如， 张彪， 顾晓群

1. 南京中医药大学附属医院， 南京 210029；2. 南京中医药大学第一临床医学院， 南京 210046

认知功能障碍是指机体认识和获取知识的智能加工过程出现异常，从而引起记忆、学习、语言、行动等功能严重改变的病理过程[1]。认知功能障碍的发病机制非常复杂，目前国内外学者从基因、蛋白质、微生物等层面对其发病机制进行研究，并取得了一定的突破，但目前对于认知功能障碍缺少较为系统的认识，因此有必要进行综述概括。

系统生物学是研究生物系统所有组成成分的构成，以及分析这些组成成分的相互关系，并通过计算生物学、系统论以及实验支撑建立数据模型作为描述、预测机体生理功能和行为的科学，其主要内容包括代谢组学、蛋白质组学、基因组学以及肠道微生态等。研究发现，代谢紊乱可导致中枢神经系统功能失调，进而影响机体正常的认知能力[2]，且机体的认知功能受多种基因、蛋白质调控[3,4]，此外肠道微生态失调也可致使认知功能障碍疾病发生[5]，由此可以看出，认知功能障碍的完整性研究应与系统生物学整体观的理论不谋而合。因此，为了更深入全面的了解认知功能障碍，现从系统生物学的代谢组学、蛋白质组学、基因组学与肠道微生态部分对认知功能障碍进行综述，以期为认知功能障碍研究提供系统的参考。

1 代谢组学在认知功能障碍中的应用

代谢组学是研究机体内代谢物与其生理病理变化关系的一种方法，是系统生物学的组成部分。代谢组学的核心思想是利用现代分析技术对机体的内源性小分子代谢产物，如小分子糖、脂类、氨基酸和尿液等进行定量测定，并从中探索这些小分子代谢产物的变化与机体不同生理病理状态的关系[6]。代谢组学在生命科学研究中具有重大意义，目前其在认知功能障碍的诊断、发病机制以及疾病进展中得到广泛应用，现将其在认知功能障碍中的应用报道如下。

1.1 脂类代谢与认知功能障碍的关系

脂肪主要由甘油和脂肪酸组成，为生命活动储存能量是其主要的生理功能。近年来，众多学者通过探讨血清脂肪酸谱与老年认知障碍的关系发现，脂类代谢异常与神经系统的认知性疾病密切相关。研究表明，帕金森病患者血清内的低密度脂蛋白水平要明显低于正常人[7]；且在阿尔茨海默症等认知功能障碍患者的神经组织及血清中，n-3多不饱和脂肪酸水平下降较为明显[8]；以及在老年代谢综合征合并轻度认知功能障碍的患者血清中高密度脂蛋白胆固醇、甘油三酯水平明显低于正常人[9]。另外，通过调整认知障碍患者体内的脂类相关蛋白水平，可起到改善患者认知功能的作用，如认知障碍患者通过摄入亚油酸、花生四烯酸等n-6多不饱和脂肪酸，可降低体内血胆固醇水平、改善认知功能[10]。

1.2 糖代谢与认知功能障碍的关系

葡萄糖是机体最重要的供能物质，其通过有氧氧化或糖酵解途径产生ATP，为生命活动提供足够的能量。机体绝大多数生命活动的形成均经过脑部的神经中枢做出决定，脑是机体消耗能量最大的器官，而葡萄糖是脑内能量的主要来源，因此糖代谢与机体的认知功能有着密切的联系。研究表明，糖代谢紊乱是糖尿病的主要特征，而糖尿病是发生认知功能障碍的一个独立危险因素[11,12]；Ma等[13]在探讨血糖和细胞因子水平升高对奥氮平诱导的肥胖大鼠认知功能受损情况研究时发现，大鼠体内血糖水平的升高可促进药物对细胞的毒性，从而导致大鼠认知功能发生障碍。此外，多数认知障碍的机体，其糖代谢也伴有不同程度的变化；阿尔兹海默病的发病与海马区认知功能受损密切相关[14]，研究发现，81%的阿尔茨海默病患者伴随有糖代谢异常[15]；陈亚萍等[16]研究表明，麻醉状态下自主神经活性受到抑制，而围术期实施麻醉术的患者极易发生糖代谢紊乱。

1.3 氨基酸代谢与认知功能障碍的关系

氨基酸是蛋白质的基本组成单位，参与机体多项生命活动物质的合成，在机体的神经传导、学习、记忆和受体功能等方面发挥着重要的作用。氨基酸代谢紊乱可对中枢神经系统产生潜在的影响，并且可导致脑部区域神经元损伤，造成机体记忆、学习等认知功能发生障碍。研究发现，在阿尔茨海默病和轻度认知功能障碍的机体内，氨基酸代谢发生明显的异常[17]。在神经系统中，主要以氨基酸为媒介的神经递质进行信息传递作用，其中天门冬氨酸和谷氨酸作为兴奋性神经递质的代表，与神经元的记忆力、突触的适应性以及生物体的认知功能密切相关[18]，研究发现天门冬氨酸和谷氨酸大量释放，可加速神经元细胞过度兴奋，导致神经系统产生严重的兴奋性神经毒性，促进阿尔茨海默病的发生[19]。目前氨基酸代谢与认知功能关系被不断的揭示，检测氨基酸水平可作为评估机体认知功能的一个有力方式，研究发现γ-氨基丁酸1a是分泌型APP的突触受体[20]，谷氨酸和γ-氨基丁酸含量可间接反映麻醉幼儿术后认知功能损伤的情况[21]。谷氨酸与认知功能障碍的关系如此密切，究其原因，笔者认为，可能与谷氨酸是脑内含量最丰富的兴奋性神经递质，且不能通过血脑屏障有关。脑缺血时，谷氨酸在突触间隙大量释放，过度激活谷氨酸相应的受体，使部分受体在正常生理刺激下引起的效应扩大，引发突触后神经元过度兴奋并最终坏死的“兴奋性毒性”作用。

1.4 嘌呤代谢与认知功能障碍的关系

尿酸是嘌呤代谢的终末产物，也是血浆抗氧化的主要成分，具有清除氧自由基、增强过氧化物歧化酶活性、防止细胞过氧化、保护DNA的作用。研究发现，尿酸的水平变化与认知功能关系密切，刘佳等[22]认为血尿酸在一定水平内对认知功能具有保护作用；李梁蜜等[23]认为较高的尿酸水平可改善阿尔茨海默患者的记忆功能。然而，有学者认为尿酸是认知功能障碍的重要因素之一，如王兴盛等[24]通过多因素分析后发现，高尿酸水平仍是慢性肾脏疾病患者认知功能障碍的独立危险因素。

2 蛋白质组学在认知功能障碍中的应用

蛋白质组学是研究蛋白质组成及其动态变化的一门新型科学，旨在蛋白质水平探究生理、病理过程的发生机制，为疾病的发病机制、诊断以及治疗提供依据，自该学科提出后，使得认知功能障碍类疾病的研究逐步深入。2001年，Schonberger对阿尔茨海默病患者脑组织中多个结构的蛋白水平进行检测，结果发现，与正常对照组相比，在阿尔茨海默病患者的海马、小脑、额叶皮质以及感觉皮质区，多种蛋白表达均显著上调。在老年腔隙性脑梗死患者机体中，蛋白质病变程度越高，患者合并认知功能障碍的可能性就越大[25]。

机体的病理变化极易在蛋白质组变化中得到反映，近年来，检测蛋白质含量在评估认知功能的严重程度中发挥着重要的作用。有研究发现，在轻度认知功能障碍的相关性研究中，血清磷酸化TAU蛋白浓度与轻度认知功能障碍的发生呈正相关[26]，血清磷酸化TAU蛋白的caspase-3依赖蛋白水解裂解导致神经纤维缠结，并在正常衰老过程中导致认知障碍。李楷等[27]研究显示，在急性脑梗死后认知功能障碍患者中具有较低的表达，并且表明血清淀粉样蛋白A在该病患者中具有一定的临床应用价值。艾滋病认知障碍患者血清检测中有17种蛋白丰度增加，包括几种与糖代谢相关的酶，其中Western blot检测证实，相比于认知正常的艾滋病患者，在认知障碍患者中6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶和L-plastin表达量明显增加[28]。

目前调控蛋白质组在改善患者认知功能障碍的过程中受到越来越多的关注。研究表明，β-微管蛋白Ⅲ能够促进脊髓神经干细胞分化为神经元[29]，热休克蛋白能够提高溶酶体质膜的稳定性，进而减少神经细胞的死亡[30]，侯敏等[31]采用覆盆子处理阿尔茨海默小鼠模型，结果显示覆盆子治疗阿尔茨海默病的作用机制可能与其上调β-微管蛋白Ⅲ、热休克蛋白等其他蛋白表达有关。β-淀粉样蛋白是一种酸性水解酶，在脑缺血损伤后表达量上调，研究发现，七氟烷通过上调海马组织中β-淀粉样蛋白含量对大鼠的认知功能产生毒性作用，而二至丸可通过促进能量代谢与囊泡运输，来减少β-淀粉样蛋白的生成从而改善阿尔茨海默病患者的认知功能[32-33]。

3 基因组学在认知功能障碍中的应用

基因组学是指对所有基因进行核苷酸序列分析、基因定位、基因功能分析的科学。阿尔茨海默病具有高度遗传性，近年有研究通过对临床诊断的迟发性阿尔茨海默病进行的全基因组关联荟萃分析(genome-wide association study, GWAS)，确认了20个以前的迟发性阿尔茨海默病风险基因位点。通路分析表明影响淀粉样前体蛋白和β淀粉样蛋白加工的遗传变异不仅与早发常染色体显性阿尔茨海默病有关，而且与迟发性阿尔茨海默病有关[34]。另一项大规模全基因组关联研究表明，基于亲代诊断的阿尔茨海默病与阿尔茨海默病患者间具有显著地遗传关联(rg=0.81)。基因表达分析表明，脂质相关过程和淀粉样前体蛋白降解是疾病相关的重要生物学机制[35]。

越来越多的研究证实，机体的认知功能受基因的调控，现已发现脑源性神经营养因子可参与神经突触重塑，与学习记忆等认知功能相关[36]；即刻早期基因在电刺激或生理刺激下，可在中枢神经系统中大量表达，其产物c-fos和c-jun基因参与调节细胞内信号转导，调控神经细胞的多项生理活动，包括中枢神经系统的学习记忆功能、被动及主动回避反应等[37-38]。神经细胞粘附分子可减少轴突之间的粘附能力，加强轴突对信号的识别、反应能力，研究发现其与嗅觉功能有着密切的联系[39]。GAP-43基因在轴突生长分化、神经元信号传导和神经递质释放等过程中起着重要的作用，有学者通过电针刺激，上调基因GAP-43表达，促进损伤突触的修复，改善了阿尔茨海默病大鼠的学习记忆能力[40]。

在认知功能障碍类疾病的发病过程中，一系列的致病基因被不断的发现，通过外显子测序发现VPS35基因是第一个被明确与帕金森病有关的致病基因，α-突触核蛋白基因聚集形成的小体是帕金森病发生病理改变的关键。对氧磷酶1Q192R多态性192Q等位基因能防止低密度脂蛋白被氧化，进而增加阿尔茨海默病的发病风险[41]。载脂蛋白E除了能够调节脂蛋白平衡外，还在神经生物学中发挥着重要的作用。研究发现，认知障碍的患者血浆载脂蛋白E水平低于正常人，而最终发展为痴呆症的患者该蛋白含量最低[42]。CREB1(cAMP-response element binding protein 1)基因沉默可导致血管性痴呆小鼠认知功能障碍加重[43]。

基因组学研究一直是生命科学领域的研究热点，近年来在该学科的基础上探究认知功能障碍疾病的发生、发展机制逐渐成为研究的新领域，基因组学的发展正在指导基因层面精准治疗认知功能障碍，给人类的医疗和健康带来了非常美好的前景。

4 肠道微生态与认知功能障碍的研究

肠道微生态是探索微生物群结构、功能与宿主关系的科学，同时也是系统生物学的一部分。肠道菌群被视为“隐藏的器官”，对机体的生理过程有着重要的作用。随着肠道微生态研究的不断深入，其与认知功能障碍性疾病的关系也陆续被揭示。Yano等[44]研究显示，特定肠道细菌可通过合成血清素影响人的情绪、调控抑郁症。近年研究发现，学习记忆能力减退、精神分裂症和自闭症等多种认知功能性障碍表现与肠道菌群组成发生改变关系密切[45-46]。

研究发现多种菌类是机体认知功能障碍的推动因子，如肠道中的蓝藻细菌等合成的神经毒性物质丙烯酰胺，可通过激活N-甲基-D-天冬氨酸受体，降解谷胱甘肽，导致阿尔茨海默病发生神经病变[47]。肠道内乳酸杆菌高丰度可能是轻度认知功能障碍潜在的危险因素[48]。此外，Kang等[49]研究发现，高脂饮食饲养的大鼠表现出较高的焦虑水平，而焦虑程度与厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门的细菌数量呈正相关。但在机体也存在改善认知功能的菌群，如瑞士乳酸菌NS8可以提高海马5-HT和脑源性神经营养因子的表达，并对动物模型认知功能具有明显的改善作用[50]；Sanchart等[51]研究发现LactobacillusfutsaiiCS3与CS5型乳杆菌可以产生大量的γ-氨基丁酸，而γ-氨基丁酸在阿尔茨海默病患者中含量降低，由此可以看出L.futsaiiCS3与CS5在改善阿尔茨海默病患者的认知功能中起到助推作用。

5 展望

系统生物学研究是系统的、定向的、高通量的干涉和分析，它以基因组学、转录组学和蛋白质组学为基础，还包括了糖组学、代谢组学等[52]。系统生物学在认知功能研究中的应用是对认知系统内基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等构成要素的整合，是从基因到细胞、组织、器官、个体的各个层次的整合。系统生物学的研究重视各组学的时序性，从基因的激活到转录，到蛋白质的修饰，再到生化代谢，都是一个动态的过程。代谢组学、蛋白质组学、基因组学以及肠道微生态，都是认知功能障碍系统研究中的重要环节，需要充分重视并运用系统生物学的理论和方法，整合分析多个维度与多个层次的生命组学的动态变化，来研究认知功能障碍的发病规律，从而整体地、精确地认识认知功能障碍这一疾病，提高研究效率。

系统生物学尚处于发展阶段，但其在探究认知功能障碍中所表现出的活力和优势具有较高的应用价值。根据系统生物学归纳总结，代谢紊乱、蛋白质和基因调控水平以及微生物失调均在认知功能障碍的发病机制中发挥着重要作用，这为深入探究有效治疗认知功能障碍性疾病提供了更多思路。同时，我们相信随着系统生物学不断的发展成熟，其在认知障碍性疾病的研究方法和临床应用将会有更大的进步。