Aβ对阿尔茨海默病影响机制的研究进展

王金秀，高 凡，孙慧珍，张莎莎，姚丽华，*

(江西科技师范大学a.生命科学学院；b.体育学院，中国江西南昌330013)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一种不可逆的神经系统疾病，由于其病因机制的复杂性和多样性，目前尚无有效干预手段。AD早期症状为轻度的记忆障碍，随着病情的发展，患者可出现严重的行为障碍和认知障碍。已有证据表明，β 淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)在胞外的过度沉积，将加快氧化应激和神经炎症级联反应等进程，从而诱发神经细胞的凋亡，这提示Aβ在AD的发生和发展过程中起着重要作用[1～4]。近年来，关于Aβ在AD多病因机制方面的研究开展甚多，并取得了很大进展，基于此，本文就近年来Aβ参与AD的多病因机制研究进行回顾与探讨，以期为进一步促进AD在基础与应用等方面的深入研究提供一定的资料参考。

1 Aβ及淀粉样前体蛋白简介

1.1 淀粉样前体蛋白的生理作用及致毒作用

淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)是一种跨膜蛋白，广泛分布在脑组织，主要由中枢神经系统中的非神经元细胞合成。APP可以通过调节突触传递和胞内钙稳态来保护神经系统，对维持大脑正常生理活动具有重要作用[2]。另外，APP经α-分泌酶裂解产生的可溶性片段APPsα，可以活化突触囊泡结合蛋白，增强囊泡释放效果，影响突触可塑性，同样具有神经保护作用[2]。有研究表明，在中枢神经系统中，APP主要在神经元的突触部分和星形胶质细胞中表达[1，5]。D-丝氨酸是一种重要的胶质细胞递质，也是N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)的一种主要内源性配体，其与NMDAR的甘氨酸位点结合可以增强谷氨酸对NMDAR的激动作用。研究发现，APP缺陷转基因小鼠在树突棘的结构可塑性方面表现出D-丝氨酸依赖性损伤[6]。这提示，APP可以调节D-丝氨酸在神经系统内环境中的表达平衡，并且其对神经系统的调节作用可能与神经系统兴奋性水平的调控有关。此外，进一步的研究还发现，APP介导的NMDAR过度激活，可能与其诱发兴奋性神经毒性密切相关。NMDAR的过度激活可以通过抑制α-分泌酶活性，提高β-分泌酶的活性及含量，从而增加Aβ的生成，进一步诱发兴奋性神经细胞的死亡[3]。

1.2 Aβ来源与分布

Aβ是通过β-分泌酶和γ-分泌酶连续裂解APP产生的含有39～43个氨基酸残基的多肽[4]。β-分泌酶在Aβ序列的β位点切割APP，分泌并释放β-N端片段(APPsβ)和C99片段多肽。C99片段经γ-分泌酶裂解分泌并释放胞内域片段AICD(APP intracellular domain)和 Aβ 肽链(图 1)，这些Aβ肽链最终在胞外形成Aβ纤维[5]。γ-分泌酶裂解位点不同会产生不同长度的Aβ肽链，其中两个最常见的残基亚型是拥有40个氨基酸的Aβ40和拥有42个氨基酸的Aβ42，目前研究表明Aβ42的聚集活性和毒性是促使AD发展的主要致病因子[4]。

图1 Aβ的形成途径APP经β-分泌酶裂解产生一种可溶性的β-N端片段(APPsβ)和 C 端片段 C99 片段多肽(CTFβ)；C99 片段经 γ-分泌酶裂解产生胞内域片段AICD和Aβ肽链。Fig.1 The formation pathways of AβAPP is cleaved by β-secretase，liberating APPsβ (N-terminal fragment，a shorter ectodomain，soluble APPβ)and C99(C-terminal fragment-β，CTFβ).Then C99 is cleaved by γ-secretase，liberating AICD(APP intracellular domain fragments)and Aβ.

大量Aβ与伴侣蛋白分子结合形成Aβ纤维，少数则以游离状态在血液、脑脊液和脑间质液之间循环。正常生理情况下，脑间质液中Aβ的含量较血液和脑脊液中高。有研究表明，Aβ的生成和清除关系与致毒作用之间存在重要联系，当Aβ的生成率高于清除率时，过多的Aβ将在脑组织中沉积，从而诱发神经毒性[7～8]。通常，脑内过多的Aβ可以通过血脑屏障、血-脑脊液屏障及脑脊液和脑组织间液的淋巴引流作用转运至外周血液。Aβ被转运出脑后，在脑脊液及血液等外周系统降解[8～9]。另外，血液循环中的Aβ可以通过转胞吞作用经血脑屏障进入中枢[8]。血液、脑脊液和脑间质液之间的循环机制对Aβ清除具有很大导向作用，有利于脑间质中Aβ的对外转移，进而增强胞内外Aβ的清除效果，保护大脑的正常生理机能[7]。

2 Aβ与AD的病理关系

2.1 Aβ对线粒体功能障碍的作用

线粒体在细胞产能和调控细胞代谢方面具有重要作用，同时还参与了细胞钙稳态、活性氧(reactive oxygen species，ROS)及细胞凋亡等方面的调节。在AD早期患者中，线粒体功能障碍被认为是其潜在的病理性特征[10]，神经细胞伴有严重的线粒体代谢紊乱及动态失衡。研究发现，Aβ可以利用线粒体外膜复合物转位酶进入线粒体，与多种线粒体蛋白质相互作用。例如:Aβ可以与线粒体呼吸链重要的复合物Ⅰ、络合物Ⅳ结合，导致ROS大量生成，造成线粒体产能障碍，并最终引起突触丢失和细胞死亡[11]。

最近的研究表明，Aβ可以通过介导线粒体功能障碍来加快AD进程[10，12，13]。在线粒体外膜结构中，Aβ可以通过以下途径来推动AD的进程。1)Aβ能够与线粒体外膜中的动力相关蛋白1(dynaminrelated protein 1，Drp1)相互作用。Drp1是促进线粒体正常分裂的重要物质，随着Aβ的累积，Drp1活性持续升高，使神经元中的线粒体异常分裂，从而诱发线粒体功能障碍并引起突触丢失[12]；2)Aβ能够与线粒体外膜的电压依赖性阴离子通道1(voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)直接作用[13]。该过程由线粒体VDAC1的N-端结构域介导，这将导致抗凋亡的己糖激酶蛋白分离，同时增强通道电导和细胞色素c释放，诱发线粒体功能障碍和线粒体凋亡；3)Aβ能与线粒体外膜中的亲环蛋白D(cyclophilin D，Cyp D)相互作用，并在AD患者脑皮质内形成复合物，引起线粒体功能障碍和神经元紊乱。Aβ与Cyp D的相互作用还将通过降低线粒体膜电位影响线粒体呼吸链的电子传递过程，引起严重的氧化应激并促进细胞色素c的释放，从而损害线粒体轴突转运，导致突触丢失和线粒体凋亡[14](图2)。

图2 Aβ对线粒体功能紊乱的作用Aβ的累积使Drp1活性持续升高，引起神经元中的线粒体异常分裂，从而诱发线粒体功能障碍并引起突触丢失；VDAC1位于线粒体外膜上，控制线粒体内外的物质转运，Aβ与VDAC1直接作用可以增强通道电导，改变线粒体膜通透性，并释放细胞色素c，最终诱发线粒体功能障碍和线粒体凋亡；Aβ与线粒体外膜中的Cyp D相互作用可以促进线粒体通透性转换孔的形成，释放细胞色素c，破坏线粒体轴突转运，导致突触丢失和线粒体凋亡。Fig.2 Effects of Aβ on mitochondrial dysfunctionAccumulation of Aβ leads to continuously increasing Drp1，causes excessive mitochondrial division in neurons and induces mitochondrial dysfunction and synaptic loss.VDAC1，located in the mitochondrial outer membrane，regulates substance transform between the inner and outer membrane of mitochondria.Direct interaction of Aβ with VDAC1 can increase the channel conductance，induce mitochondrial permeability transition and cytochrome c release，and cause mitochondrial dysfunction and apoptosis.Interaction between Aβ and Cyp D enhances the formation of mitochondrial permeability transition pores and the release of cytochrome c，disrupts mitochondrial axon transport，consequently causes synaptic loss and mitochondrial apoptosis.

2.2 Aβ与神经凋亡

神经细胞的大量凋亡被认为是造成AD患者认知功能障碍的主要原因，其中Aβ介导的氧化应激、突触丢失和细胞色素c释放是Aβ兴奋性毒性诱导神经细胞凋亡的主要特征[4]。Aβ可以通过多种途径诱导氧化应激反应，如通过增强烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，Nox)活性及其 mRNA的表达，生成大量ROS，介导神经细胞氧化应激，引起Ca2+浓度升高，从而导致神经细胞损伤、凋亡或坏死[15]。此外，Aβ还可以通过激活神经元细胞中丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)的信号通路，诱发高水平的氧化应激反应和释放细胞色素c，介导神经细胞凋亡和神经元结构退化[16～18]。同时，Aβ诱导的氧化应激反应还将提高促神经凋亡蛋白的活性，降低抗凋亡蛋白的活性，从而介导神经细胞凋亡。

在正常生理条件下，脑组织对Aβ引起的氧化应激反应具有一定的抵抗作用，其中抗氧化酶系(主要包括超氧化物歧化酶、硫氧还原蛋白、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶和过氧化氢酶)可以通过清除自由基、促进过氧化氢分解、清除脂质过氧化物等来降低氧化应激效应，起到关键的保护作用。但是，过量的Aβ沉积却抑制了抗氧化酶系的活性，使胞内氧化应激持续增强，最终诱发神经细胞凋亡和神经系统失调。此外，基于AD小鼠模型的研究发现，胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2)的异常活化与细胞凋亡之间也存在着重要联系，Aβ可以异常活化ERK1/2，活化后的ERK1/2再与胞浆和胞核内的底物蛋白(细胞蛋白、核蛋白、转录因子及几种MAPK激活蛋白激酶)作用[19]，引起特定蛋白质的异常表达，进而导致细胞功能紊乱及诱发神经元凋亡[20]。

2.3 Aβ与神经炎症反应

胶质细胞功能缺陷在Aβ聚集诱发的神经毒性机制中扮演着非常重要的角色。小胶质细胞是中枢神经系统的巨噬细胞[21]，Aβ经小胶质细胞吞噬后，可以激活NLRP3炎症小体和caspase-1，使机体释放白细胞介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)，诱发炎性反应，进一步引起AD的病理变化及功能障碍。星形胶质细胞被过度活化后，会产生大量的炎症调节因子，同时合成并分泌大量IL-1β和肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α，TNF-α)，诱发炎症反应，使星形胶质细胞自噬能力下降，阻碍其清除脑内过多的Aβ。小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生是AD的重要病理特征[22]。先天免疫系统在AD病理生理学中的重要作用是近年来值得深入研究的领域[23]。

小胶质细胞是脑组织中的天然免疫细胞，小胶质细胞未被Aβ活化前，可以通过调节突触可塑性、修剪不必要的突触连接、清除死亡的神经元和细胞碎片，与轴突、树突密切接触，感知神经元微环境的变化，从而正向调整细胞的生存环境[24]，对神经系统发育和功能稳定起到重要的调节作用。Aβ对小胶质细胞的活化及它们之间的相互作用是介导神经炎症反应的始动因素[24～25]。炎症反应最初有助于维持体内平衡，但当这些补偿机制转变为慢性的、不可逆的病理过程时，脑组织中持续的神经炎症反应将加速AD的进程。另外，有研究表明，Aβ可以通过与多个不同受体结合来活化小胶质细胞，产生促炎症因子，释放细胞毒性介质(如ROS、含氮化合物、花生四烯酸代谢物和组胺等)，从而介导神经炎症和神经元丢失[26]。体外实验表明，Aβ与小胶质细胞的相互作用可以加速ROS的生成，增强胞内氧化应激水平，诱发神经炎症[26]。Aβ介导的小胶质细胞神经毒性反应可能是间歇性的，这与AD发病缓慢的病理特征具有相似性。Aβ与小胶质细胞的持续作用将改变细胞微环境，促使神经元产生促炎症因子，从而影响神经元之间正常的信息传递，加剧神经系统的紊乱[24]。除此之外，促炎性因子TNF-α和IL-1β还可以通过提高β-分泌酶的活性来增加Aβ的生成量，形成一个正反馈调节回路，持续介导神经炎症反应，进而加速AD进程。

星形胶质细胞与小胶质细胞的生理功能类似，在未被激活时可以通过释放神经递质调节大脑皮层电位活动和突触可塑性，参与维持脑环境稳态、神经发生及构建灰质的调节，对神经系统起到调节作用[24]。局部切除小鼠大脑特定区域的星形胶质细胞会使得谷氨酸不能被有效清除，从而加剧细胞的兴奋性毒性，使神经发生退行性变。然而，有研究表明，星形胶质细胞的数量在衰老或AD病人的大脑[27]及AD小鼠模型[28]中并没有显著减少。这提示，星形胶质细胞对AD神经退行性变的作用比单纯的星形胶质细胞退行性变更为复杂。星形胶质细胞被Aβ活化后，对神经细胞产生毒性作用，严重干扰神经递质的正常释放，使信息传递受阻，从而破坏突触可塑性和诱发氧化应激反应，最终导致神经炎症和神经元死亡[24]。基于AD小鼠模型的相关研究发现，活化后的星形胶质细胞可以通过提高胶质纤维酸性蛋白活性来上调中枢神经系统的免疫应答，而这种高强度的应答机制在神经变性或创伤性脑损伤组织中更加显著，并能产生大量的细胞毒性介质，引发氧化应激和神经炎症反应[29]。

2.4 Aβ与谷氨酸神经毒性效应

在哺乳动物脑组织中，谷氨酸(glutamic acid，Glu)是主要的兴奋性神经递质。其参与了突触兴奋性信号传导，维持神经系统的正常生理功能[30]。谷氨酸受体分为离子型和代谢型两类，离子型受体包括 NMDAR、AMPAR(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor)受体家族，代谢型受体分为8个亚型，即mGlu1～8。研究表明，Aβ在脑组织中异常集聚时，会诱发兴奋性神经递质大量释放，过度激活突触后膜谷氨酸受体，从而介导神经元的持续性兴奋反应，诱发突触功能障碍，破坏突触可塑性，最终引起神经元的死亡[31]。

NMDARs、AMPARs和Kainate等离子型谷氨酸受体过度激活后将导致相关离子通道对钠、钾和钙的通透性增强[32]。进一步研究发现，mGlu5R和NMDAR受体过度激活在介导谷氨酸神经毒性效应方面同样具有重要作用[33～34]，mGlu5R和NMDAR受体被Aβ过度活化后，将诱发神经元持续兴奋和突触丢失[33～35]。同时，Aβ还可以通过抑制突触周边谷氨酸转运体的活性，增加细胞外谷氨酸浓度，使细胞环境稳态失衡，从而进一步诱发神经毒性[34]。mGlu5R和NMDAR在长时程增强(longterm potentiation，LTP)与长时程抑制(long-term depression，LTD)方面也具有重要影响[33]。正常生理条件下，LTP能够增强突触间连接，使其保持稳定生长，而LTD则会降低突触连接强度，诱发树突棘死亡。有研究发现，Aβ可以通过过度激活mGlu5R来抑制LTP[34]，促进LTD，从而导致突触功能障碍；而敲除mGlu5相关基因则可以减轻这种神经毒性损伤[35]。此外，NMDAR被过度激活后，可以通过与甘氨酸结合抑制LTP的生成，同时通过多种未发现的途径促进LTD，引起突触功能障碍[34～35]。

3 小结与展望

研究证明，Aβ通过介导持续性连锁反应对神经细胞产生毒性作用，如参与线粒体功能障碍、突触丢失、神经细胞凋亡、神经炎症反应等过程，使神经系统的正常功能发生紊乱。这些连锁反应与AD病理特征之间存在重要联系，但目前的研究进程离全面揭示AD分子层面的病理机制尚有较大距离。

近年来，研究者的关注点逐渐从Aβ介导的宏观病理特征转到微观分子机制方向，但研究仍有许多不完善的地方。例如:目前仍缺乏实验和理论依据来揭示具体哪种形式的Aβ发挥了关键介导作用。同时，Aβ在线粒体内部的作用机制还不清晰。此外，线粒体功能障碍与突触丢失之间是如何相互影响的？谷氨酸神经毒性与神经凋亡之间存在何种联系？等等。诸多问题还需要更多的研究来揭示其分子机制。而这些问题的解决对于揭示Aβ对AD的影响机制及AD的治疗具有重要推动作用。

总之，Aβ介导的持续性连锁反应是推动AD进展的重要原因，未来在该方向上的进一步研究有望解决或逆转AD患者的认知障碍和记忆衰退。