衰老相关性认知功能减退分子水平研究进展

王柳清 王虹 张守成

认知功能减退是人体衰老的特征之一，这些认知能力主要包括注意力、推理能力、学习能力和近远期记忆能力、执行能力、对周围环境的感知力等。轻度认知功能减退常见于正常的衰老个体，而中重度认知功能减退多见于合并有神经退行性变的病人。人群调查显示，约40%的60岁以上人群合并有不同程度的认知功能减退，影响病人的生活质量。在对AD和PD的研究过程中发现，并非所有的老年人都合并有认知功能减退，所以进一步探索年龄相关性认知功能减退的发病机制，对了解神经退行性疾病的康复有重要价值。年龄（衰老）相关性认知功能减退主要是指伴随衰老过程出现的非神经变性疾病所致的认知功能减退，主要表现为记忆力下降和反应灵敏度下降［1］。衰老相关性认知功能减退的分子机制目前仍不甚明了，且个体差异较大，是近十年来健康领域研究热点之一，本文主要从分子水平探讨衰老相关性认知功能减退的发病机制。

1 衰老过程中脑组织结构变化

导致年龄相关性认知功能减退的原因是多方面的，是一个多因素参与的不断累积的过程。其中，基因表达在脑功能衰退中发挥了重要作用［2］，可从细胞水平到行为水平对认知功能产生影响。衰老过程中，脑的形态结构上有脑沟脑回的结构性变化，显微镜下可观察到神经元纤维缠结等，但个体差异较大，如荷兰神经科学家对113岁老妇Hendrikje van Andel-Schipper进行了认知力评估，发现其认知功能优于60～75岁的老年群体，Hendrikje van Andel-Schipper于115岁时病逝，研究者对其脑组织进行的病理分析显示，她的脑组织中几乎没有神经元纤维缠结现象，且血管及神经元改变约相当于60～80岁的健康人群［3］。

脑功能老化过程中还伴随神经突触的可塑性降低。既往研究多将年龄相关性认知功能减退归因于神经突触的连接不稳、可塑性下降等，较少归因于神经元功能退化。但实际上，神经元内的基因表达却在潜移默化地随年龄发生变化［4］。尽管目前对神经退行性疾病的基因表达已有大量研究，但大脑老化过程中基因表达如何影响认知过程仍知之甚少。通常情况下，在人类及灵长类动物大脑皮层中会各自经历不同的年龄相关基因表达变化模式。在老化过程中，在神经元生长或存活状态下，压力应激和炎症反应相关性基因表达上调，线粒体功能却渐趋老化［5-6］。脑功能老化过程中还有结构性区域差异和性别差异［7-8］，如额上回、海马CA1区等易受影响，并表现出大量的基因改变［8］。功能核磁检查研究显示，男性和女性的脑神经自发活动存在差异，这种差异可能是导致男女性别在行为和认知领域存在性别差异的原因［9］，也直接导致两性在脑功能老化方面并不同步。

2 性激素及其受体影响

衰老过程也伴随着体内激素水平的变化。对类固醇激素及其受体功能的研究初步显示，性别对年龄相关性认知功能减退有重要影响［4］。性激素主要包括睾酮、雌激素和孕酮等，其体内含量及比例被认为是加速大脑老化的重要因素之一。其中，雌激素对认知功能的影响最为突出，女性绝经后雌激素的缺乏常是导致其海马功能结构异常变化的重要因素，并进一步对病人的认知功能造成影响［10］。雌激素主要通过其细胞内受体（包括α及β受体）发挥作用，影响神经元的生长、分化、迁移和突触形成等过程。但研究发现，这些受体编码基因（如 PELP1、RIP140、BAF60）水平在大脑老化过程中明显减少，且受雌激素、生长激素、甲状腺素等基因调控［11］。现已有大量研究证明，年龄相关性认知功能减退者和神经退行性变病人中雌激素受体均减少，如在啮齿类动物模型中，老年雌鼠雌激素α受体及β受体均减少，与其海马内神经突触减少呈平行关系［12］；而临床研究中发现，AD病人前额叶中雌激素α受体与其认知功能障碍呈线性相关［13］，提示衰老相关性认知功能减退与AD有共同的发病机制。

3 AD相关性基因

年龄相关性认知功能减退随着病情加重，有演变为AD等神经退行性病变的风险。传统观点认为，大脑结构和功能老化为晚发型AD的重要危险因素，实际上微观水平如基因及细胞水平也有AD相关性危险因素。如淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）、早老素 1（amyloid precursor protein，PS1）和 PS2等是引起家族性AD的原因，而载脂蛋白E（amyloid precursor protein，apoE）4等位基因则会增加个体易感性［4］，这些候选基因同时也会增加健康个体发生年龄相关性认知功能减退的风险。

3.1 突触可塑性基因 既往研究多认为，认知功能减退主要是由于神经元的形态学变化及神经突触可塑性所致。记忆力是认知功能的重要组成部分，主要包括陈述性记忆及工作记忆等，其中前者主要与海马功能有关，后者主要与前额叶皮质背外侧有关，均会随着年龄增长发生功能减退［14］。突触间的相关连接是学习和记忆过程的核心，几乎所有物种在衰老过程中都会产生突触可塑性变化，影响各个方面的认知力，如老龄啮齿类动物可表现出辨别力、时空记忆力、恐惧记忆、联想记忆减退等，而灵长类动物多表现为工作记忆、情景记忆能力下降。因此，研究编码突触可塑性相关性基因对进一步了解认知功能的形成发展、增强衰退等至关重要。

既往曾报道脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）和活性调节细胞骨架相关蛋白（cytoskeleton associated protein，Arc）等神经活性诱导基因在老年人大脑突触可塑性变化中发挥了重要作用［15］。Konar等［4］在研究脑老化过程中发现了一种新的活性依赖性神经蛋白酶分子，可在神经元刺激下分泌到突触裂隙和细胞外间质中，这些蛋白酶可激活突触重塑过程并引发细胞间信号传导，进而对突触连接及突触可塑性等产生影响。

神经肽（neuropsin，NP）是另一种活性诱导丝氨酸蛋白酶，主要在海马CA1区、CA3区、杏仁核及前额叶皮层表达生成。NP基因消融可影响记忆过程中的信息存储，对长程记忆影响尤大［16］。NP可裂解免疫球蛋白超家族神经L1细胞黏附分子（L1celladhesionmolecular，L1CAM），影响海马的结构重塑［17］。L1CAM 也可通过调节海马内微管相关蛋白（microtubule-associated protein，MAP）2c的表达来影响神经突触的生长。与幼鼠相比，老年小鼠的海马、嗅球、大脑皮层等区域内NP mRNA表达量显著减少，在大脑皮层，这种减少随年龄增长而增加，但在嗅球和海马区却会因年龄增长而急剧减少。这些区域对认知功能的形成和维持非常重要，推测NP可能在年龄相关性认知功能减退过程中发挥了重大作用。

轴突生长抑制类基因是另一种影响轴突可塑性的关键性基因，如髓鞘相关神经节生长抑制蛋白Nogo-A，可与Nogo-66受体（NgR1）结合调节丝状肌动蛋白水平，并参与突触的结构可塑性。无论雌性老龄小鼠还是雄性老龄小鼠，其前脑内的Nogo-A表达量均减少，但 NgR1 变化不大［18］。

近年来，突触蛋白神经纤维蛋白（synaptic proteins neurexins，Nrxns）和神经信号蛋白（neuroligins，Nlgns）也陆续被证明与神经突触的结构可塑性有关，前者多位于突触前，后者多位于突触后，共同综合调节突触的分化、成熟和稳定等，且含量在年轻动物和老龄动物脑中有明显差异［19］。目前已发现的可能参与衰老相关性认知功能损害有关的突触蛋白除以上两种外，还有生长相关蛋白 43（growth-associated protein 43，GAP-43）［20］、突触小体相关蛋白 25（synaptosomeassociated protein of 25，SNAP-25）［6］等。

3.2 衰老相关性表观遗传学 表观遗传学是指染色质发生修饰而非DNA序列变化所产生的可遗传的基因变化。既往研究曾将衰老相关性认知障碍归因于DNA的表观遗传学变化如甲基化修饰、组蛋白乙酰化修饰等，且这些表观遗传学修饰受年龄、外界环境、生活方式等因素的影响。DNA甲基化发生在二核苷酸CpG的胞嘧啶5’C处，可引起细胞染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，是一种重要的表观遗传机制［21］。DNA甲基化可直接干扰转录因子合成，或在基因启动子处抑制蛋白生成，下调相关基因表达量。人体衰老过程中，脑内的总甲基胞嘧啶水平降低，进一步影响神经突触结构和功能的可塑性，对学习能力和记忆能力的影响尤大，进一步导致AD等神经退行性疾病［22］。研究发现，与正常衰老者相比，AD病人海马齿状回区CA1区、CA3区DNA甲基化减少。

尽管在正常衰老过程或AD病程中均会出现DNA甲基化减少，但在基因启动子处，其甲基化水平却相反。如老龄小鼠与成年小鼠相比，基因编码效应蛋白Arc启动子区的DNA甲基化被上调［23］。在老龄鼠中，DNA甲基化的这种上调与Arc表达下降、记忆存储能力下降等有关［23］。BDNF是一种与学习和记忆功能密切相关的生长因子，可影响神经元存活率及突触可塑性等。相对于老年对照组，AD病人血浆中BDNF启动子区的DNA甲基化被上调［24］，提示BDNF启动子的DNA甲基化可能影响AD病人认知功能下降机制。另外，APP基因上调导致AD病人脑内β-淀粉样蛋白沉积的原因可能也与启动子处基因高度甲基化有关［25］。

组蛋白乙酰化和去乙酰化的内稳态变化也参与AD等神经退行性疾病的发病过程，其中组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）的活性的平衡状态是影响这一过程的重要因素［26］，参与学习能力、记忆能力、工作能力等多个认知过程。对AD的研究发现，病人认知功能下降与HDAC表达增加、蛋白乙酰化水平降低等密切相关，使用HDAC抑制剂如丙戊酸等可逆转实验动物早期的认知障碍［27］。而大脑老化过程中，常出现HDAC表达增加、组蛋白乙酰化等，针对这种现象，HDAC基因现已成为延缓衰老相关认知功能减退的治疗靶点之一［28］。

综上所述，由于衰老相关性认知功能减退显著影响老年人的生活质量，日益得到临床工作人员及医学研究人员的重视。在分子水平上，衰老相关性认知功能减退是一个激素受体编码基因、AD相关基因、突触可塑性基因、表观遗传学等共同参与的多因素的动态变化过程。目前针对脑老化所致认知功能下降有多种干预治疗措施，如调节生活作息、中医养生、激素替代疗法、干细胞治疗等，但并未达到广为认同的临床收益。相信通过对认知领域的进一步探索研究，尤其是在分子层面对衰老相关性认知功能减退的研究，对开发新药、延缓痴呆进展等将大有裨益。