Irisin/FNDC5对脑功能的影响研究进展

詹云亮 杨梦娇 高 梅

南京医科大学第一附属医院（江苏省人民医院），江苏 南京 210029

通信作者：高梅

与脑功能相关的疾病是世界上任何一个国家都无法回避的严重医疗问题，包括神经退行性疾病、精神疾病、脑卒中、脑外伤等。在这类疾病的发生、发展中，不同层面的因素都发挥了作用，从蛋白分子到系统之间的相互作用。到目前为止，对于这类疾病的治疗效果也常常不能满意，因此，各领域的专家们积极探索具有脑功能保护作用的激素。2013 年，WRANN 团队首次在文章中阐述鸢尾素（Irisin）可以通过提高脑内脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）的水平改善认知功能，开启了对Irisin在脑保护领域深入研究的序幕［1］。2019年，LOURENCO 等［2］将Irisin 应用于阿尔茨海默病的研究，证明其可修复阿尔茨海默小鼠的突触可塑性及缓解记忆损伤，这些发现进一步使Irisin成为神经功能研究领域的热门因子。

Irisin 是一种由含Ⅲ型纤连蛋白域蛋白5（fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5，FNDC5）裂解而来，存在于血液循环中的多肽。LOURENCO等［2］在实验中利用免疫印迹和质谱分析方法鉴别FNDC5 中包含的各种多肽，发现FNDC5/Irisin 以多种形式存在于大脑中，且具有不同的表观分子量，表明它们可能是经历翻译后修饰或存在不同形式的聚合体。Irisin主要由运动中的肌肉纤维产生，并受过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子-1 α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）基因调控［3］。在动物实验中研究者发现，Irisin 可通过促进白色脂肪组织转变为棕色脂肪组织改善小鼠的能量代谢。因此，学者们早期主要关注的是它在内分泌领域的影响［4］。而Irisin 作为一种调节机体生化代谢的物质，也可对神经组织产生影响。在脑代谢方面，已有多项研究表明，FNDC5 可通过血-脑屏障间接提高脑内BDNF 水平以增强大脑功能。若直接向实验动物脑内注射Irisin 也可增加ATP 的产生促进脑代谢，给因病无法运动的老年人脑保护提供了一条可能的新途径［5］。在神经内分泌方面，有学者发现，Irisin 可通过下丘脑-腺垂体-性腺轴影响生殖系统的功能［6］，认为Irisin 是启动青春期的重要因素。最后，在神经发育方面，若在神经元前体细胞中敲除FNDC5 则可以抑制小鼠胚胎干细胞向神经元的分化和星形胶质细胞的成熟［7］，HASSANZADEH 等［8］发现，浦肯野细胞中FNDC5 表达的变化也可能与小脑的神经发生有关。这些结果均表明，Irisin 从多方面影响生物体的神经功能。

1 Irisin与神经退行性疾病

神经退行性疾病是由神经元或其髓鞘的丧失所致，随着时间的推移而恶化，最终导致功能障碍。由于缺乏明确的治疗方法扭转神经元的逐渐退化，这些疾病被认为是不治之症。近期的生物医学研究发现，这些疾病在亚细胞水平上有许多相似之处，包括异常蛋白质组合（如蛋白质构象病）和程序性细胞死亡。因此，有学者猜想，针对某一种神经退行性疾病的治疗进展也可能改善其他脑疾病［9-10］。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种常见的神经退行性疾病，随时间推移病情逐渐恶化，在所有痴呆症中60%～70%是由AD 造成的。AD 最常见的早期症状是难以记住最近的事件，进而出现包括语言问题、迷失方向（包括容易迷路）、情绪波动、失去动力、自我忽视和行为异常［11］。随着病情进展，他们往往不得不退出家庭和社会，逐渐丧失身体功能至最终死亡。关于AD的形成机制，目前的共识归咎于脑内异常tau 蛋白和老年斑块。而Irisin 作为阿尔茨海默病的潜在治疗因子，目前有两个机制备受关注。第一，通过Irisin 前体FNDC5 调节BDNF 的表达来改善学习记忆功能。WRANN的团队发现，使用siRNA在皮层神经元中干扰FNDC5的表达会导致BDNF表达的减少，且BELVIRANLI 等［12］通过大鼠的莫里斯水迷宫试验证实运动在海马区产生的BDNF 可以保护老年大鼠空间学习和记忆功能。综合这两个实验的结果，提示阿尔茨海默病的记忆学习能力下降有可能是BDNF缺乏导致的。现有研究表明，BDNF一方面抑制AD 中Aβ蛋白介导的神经元毒性反应，另一方面改善Aβ蛋白造成的大脑学习功能下降［13-14］，由此可以看出FNDC5/BDNF 这个信号通路的治疗潜力。第二，Irisin促进神经干细胞分化成神经元，并促进星形胶质细胞的成熟。这种促神经元发育的机制或许可以为神经退行性疾病提供研究的新方向［7］。除了这两种潜在的治疗机制，LOURENCO 等［2］还观察到Irisin 可增强AD 小鼠的神经元长时程后增强效应（long-term potentiation，LTP）及保护突触可塑性。同时，在离体人脑切片实验中发现，重组Irisin 可以刺激人皮质切片中的cAMP/PKA/CREB 通路——在记忆形成中发挥重要作用的信号途径，提示Irisin在AD实验模型中提供记忆保护的可能机制［2］。对于阿尔茨海默病的发病机制，还有一个著名的tau 蛋白假说。磷酸化的tau蛋白相互缠绕形成神经纤维缠结，失去促进微管装配形成的生物学功能并失去维持微管稳定的作用。为了研究Irisin 对阿尔茨海默病患者tau 蛋白的影响，ABD-ELRAHMAN 等［15］随机插入人类微管相关蛋白质tau（microtubule-associated protein tau，MAPT）基因到“tau 敲除”小鼠中去，以此作为受tau 蛋白影响的动物模型。实验的结论非常有趣，腹腔注射鸢尾素治疗降低了雌性小鼠海马磷酸化tau 水平，但对雄性无效，故性别不同导致的药物效果差异也应在未来的阿尔茨海默病治疗中引起重视。

2 Irisin与抑郁症

主要抑郁症（major depressive disorder，MDD）简称抑郁症，是一种精神障碍疾病，其特征是有至少2 周的情绪低落、自卑，在正常人感觉愉快的活动中失去兴趣或快乐，偶尔也会有妄想或幻觉，可对一个人的工作生活产生负面影响。2017 年约1.63 亿人（占世界人口的2%）患抑郁症，受影响人的比例从日本的7%到法国的21%不等。2019年，北京大学第六医院黄悦勤教授在《柳叶刀·精神病学》发表研究文章称，在中国抑郁症12 个月的患病率为3.6%，而终身患病率则达到6.9%，以此估算，中国约有9 500 万的抑郁症患者［16］。抑郁症给国家社会带来不稳定因素及经济负担，研究Irisin与抑郁症的关系也是一个尝试解决这个问题的方法。在动物行为学实验中，SITENESKI 等［17］发现，中枢神经系统中随Irisin 剂量的增加会逐渐减少小鼠在尾巴悬挂试验及强迫游泳试验中的静止时间，说明中枢Irisin的含量增加与小鼠抑郁的程度减少是同步的。在基因层面，脑室内Irisin注射治疗1 h后，海马区和前额叶皮质中PGC1α基因表达降低，6 h 后表达提高，提示Irisin 可能在管理情绪的脑区中发挥与时间相关的促基因转录作用。从能量代谢的层面上看，与未应激的大鼠相比，慢性压力组大鼠前额叶皮层的2-脱氧葡萄糖摄取显著降低，而这个过程可被Irisin所逆转。Irisin治疗显著增加了慢性压力组大鼠前额叶皮质的ATP 水平。HUANG等［18］认为，Irisin可能通过增加慢性压力组大鼠大脑前额叶皮质层的葡萄糖摄取和代谢调节能量代谢和抑郁样行为。脑卒中后抑郁（post-stroke depression，PSD）是脑卒中后引起的一种最常见的情绪障碍，严重影响脑卒中患者的心理健康，降低患者的生活质量，精神错乱可能会对长期预后产生持久的影响，延缓患者的功能恢复，增加复发率和病死率［19］。TU 等［20］在2015-01—2016-12 关于脑卒中后抑郁患者的临床队列研究中发现，Irisin 水平与卒中量表NIHSS 分数呈负相关（Spearman 相关系数r=—0.343，P＜0.001），且与其他生物标志物相比，如高敏C 反应蛋白（hs-CRP）、同型半胱氨酸（Hcy）、年龄和血清素，Irisin在预测脑卒中后抑郁方面表现出更强的鉴别能力。最近的一项研究表明，JAK/STAT和STAT3 通路在诱导海马NMDA受体依赖的长期抑郁中有关键作用［21］，而Irisin 可以降低海马中STAT3 的激活［22］。因此，Irisin具有一定的缓解抑郁作用，可能与改善脑部代谢及提高情绪管理的脑区活性有关。

3 Irisin与2型糖尿病导致的认知损伤

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一种以糖代谢紊乱为主的代谢性疾病，截至2019 年中国约有1.16亿人患糖尿病。糖尿病既可以造成各种心血管事件，也与轻微认知损伤有密切联系。Irisin 的出现为代谢性疾病的研究开辟了新领域。研究发现Irisin可提升脑组织中BDNF的含量，间接预防2型糖尿病导致的痴呆［18］。糖尿病患者的Irisin 水平比正常人要低，这或许也从反面说明Irisin对正常代谢及脑功能的保护作用［23］。除提高BDNF这个途径外，NAKANO等［24］认为还有两个途径可改善糖尿病导致的认知障碍，第一个途径是调控星形胶质细胞活动，第二个途径则是调节触发神经炎症级联反应的信号通路。星形胶质细胞的激活与认知功能障碍密切相关已经是领域内的共识，最近的一份报告表明，修复受损的星形胶质细胞可以改善由链脲佐素（streptozocin，STZ）诱导的DM 小鼠的认知障碍，所以WANG 等［22］在实验中用星形胶质细胞激活标志物——胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）反映星形胶质细胞是否在这些DM小鼠中受到调控，免疫印迹法检测发现，STZ 处理诱导GFAP 蛋白表达显著增加，而Irisin可抑制GFAP蛋白水平的上调。先前的研究表明，海马体中突触前囊泡蛋白突触蛋白（synaptotagmin，SYP）的丢失与人类患者的认知能力下降相关［22］。STZ导致DM小鼠中SYP的表达降低，而Irisin共处理可有效逆转这个过程。这两个结果提示Irisin 可抑制DM小鼠星形胶质细胞的激活，防止突触蛋白的丢失，以此缓解DM 对大脑的损伤。在信号通路方面，先前的研究已经很好地证实STAT3在神经炎症中的作用［25］。STAT3是参与许多细胞因子级联反应的关键因素之一，包括IL-6、IL-10和TNF-α。WANG等［24］用蛋白免疫印迹法检测到Irisin降低DM小鼠脑海马组织中p38、STAT3 和NF-κB 蛋白的激活，说明Irisin可以调控神经炎症级联反应的信号通路。综上所述，Irisin作为一种调控代谢的因子，具有治疗2型糖尿病所致认知损伤的潜力。

4 Irisin与脑卒中

脑卒中是一种临床常见的急症，会导致大脑的某些部分停止正常工作。卒中的迹象和症状可能包括身体一侧无法移动或感觉、理解或说话的问题、头晕或一侧视力丧失。卒中的症状可能是永久性的，除偏瘫及大小便失禁外，由脑缺血造成的功能损伤更是引起临床医生的高度关注。生理上Notch 信号通路决定发育中的大脑神经祖细胞的命运，并调节细胞的增殖。而在脑缺血的研究中，它的激活与神经干细胞的增殖、调节小胶质细胞的激活、中枢神经系统的炎症反应以及神经元凋亡均有关。YANG等［26］研究发现，啮齿动物脑缺血损伤后Notch信号通路上调，在此基础上，有研究发现Irisin 可通过激活经典的Notch信号通路，缓解缺血后炎症和减少神经元凋亡［27］。此外，有研究发现，Klotho 基因信号通路的变异与特定脑区皮质体积的增大有关。右脑背外侧前额 叶 皮 层（right dorsal lateral prefrontal cortex，rDLPFC）是一个与执行能力相关的脑区，且易受结构和功能衰退影响，这一结构与病理性衰老和精神疾病相关。而Klotho 基因杂合变异的人比正常人拥有更大的rDLPFC 体积，故这类人有更好的短期记忆、更佳的执行能力和较高的信息处理率［28］。JIN 等［29］深入研究Irisin 对Klotho 基因信号通路的影响，结果表明，Irisin 可通过上调Klotho 基因的表达来减轻氧化应激，从而改善脑缺血损伤后的认知功能障碍。该结果也再次强调了Klotho 基因信号通路的激活与脑保护相关。除Notch 信号通路和Klotho 基因信号通路外，LI等［30］的免疫印迹分析显示，Irisin可增强大脑中动脉闭塞小鼠脑组织中ERK1/2和Akt的磷酸化水平，表明ERK1/2和Akt信号通路也是Irisin起作用的可能途径，于是使用拮抗剂U0126 和MK-2206 抑制ERK1/2 和Akt 信号通路，并通过小鼠平衡木试验发现被Irisin 改善的神经功能再次恶化；此外，Irisin对脑中TNF-α和IL-6 mRNA 上调的抑制作用也被拮抗剂显著抑制［31-36］，提示Irisin 在缺血性脑疾病中的保护作用不仅仅是调节有关细胞增殖的信号通路，也有对脑内神经炎症因子的抑制作用［37-44］。

5 总结与展望

Irisin在多种临床常见的脑功能相关疾病中具有重要作用，但目前Irisin改善神经功能的机制其实并没有完全研究透彻，大部分研究只停留于Irisin促进BDNF的表达而改善大脑功能，只有少部分的实验表明有特定的信号通路参与其中。此外，到目前为止，研究Irisin 与自闭症、精神分裂症、癫痫及脓毒症脑病等疾病关系的文献数在国际各大数据库中几乎为零。虽然Irisin 与脑中BDNF 同步增加或减少，但目前关于Irisin通过血-脑屏障的机制尚不清楚。参考其他运动因子（如乳酸）的机制，通过单羧酸转运体2（monocarboxylate transporter 2，MCT2）进入海马神经元，并诱导信号级联（SIRT1-PGC-1α-FNDC5-BDNF），使老鼠海马区中BDNF水平增加。研究肌肉-脑轴的学者们设想可能存在针对Irisin/FNDC5 的特殊转运体帮助其通过血-脑屏障。最后，Irisin的细胞受体仍未确定，这也是限制对下游信号机制研究的关键点，有待进一步研究。