端粒-端粒酶在神经退行性疾病中的研究进展

吴志悦， 薛晓帆， 曾景蓉， 黄安琪综述， 许二赫审校

神经退行性疾病是一类与年龄相关的神经系统疾病，其特征是异常蛋白的聚集及神经元缺失，最终导致认知和（或）感觉运动功能障碍。其发病机制较复杂且病因较多，其中年龄递增作为生命周期中不可干预的事件，是大多数神经退行性疾病患病的主要危险因素之一［1］。近年来，人们不断探究与衰老相关的生物学特征，尝试寻找一种可预测患者发病风险、疾病进展速度以及患病严重程度的生物标记物，虽然取得了一些进展，但成果仍旧有限。有研究指出，加速的端粒损耗和端粒酶活性降低是生物过早衰老的一个指标，较短的端粒与人群全因死亡率［2］、年龄相关疾病发病率增加、痴呆症进展加快以及患阿尔茨海默病的总体风险较高均有关［3］。因此，本文重点综述了端粒长度、端粒酶活性与神经退行性疾病的相关性研究的最新观点，探究其能否作为神经退行性疾病的一种生物标记物，同时，初步探讨端粒-端粒酶系统在神经退行性疾病中的潜在作用机制。

1 端粒-端粒酶系统

端粒是真核生物染色体末端的特殊帽状结构，由高度保守的（TTAGGG）DNA重复序列及相关蛋白组成［4］。它能够保护染色体末端免受损害及融合，在维持基因组稳定性方面具有重要作用［5］。由于滞后链的不完全DNA复制、氧化损伤和其他因素［6］，端粒长度会缩短，当到达Hayflick界限时，会触发DNA损伤信号，引起细胞周期停滞并导致细胞衰老或细胞凋亡［7］，端粒也因此被科学家们称为“生命时钟”，同时端粒长度也是人们预测细胞衰老和一些年龄相关疾病的生物标记物。端粒长度是生理（连续细胞分裂［8］）、遗传（维持端粒所需的基因［9］）和环境（如氧化应激、炎症反应［10］）等因素的综合体现，因而形成了与衰老及年龄相关疾病的复杂关系。有研究提示，随着年龄增长，端粒会以相对恒定的速率缩短，期间若伴随与年龄增长相关的疾病发作，端粒缩短会进一步加速［8］。

端粒酶是由端粒酶RNA模板（telomerase RNA component，TERC）和逆转录酶催化亚单位（telomerase reverse transcriptase，TERT）两种核心成分组成［11］。它的典型功能是以自身RNA为模板逆转录合成端粒DNA重复序列，恢复和维持端粒长度，这也称作“端粒酶活性”［12］。最新研究表明TERT具有多种不依赖于端粒的非经典功能，如能从细胞核穿梭至线粒体从而降低氧化应激反应和抵抗细胞凋亡［13］。同时，越来越多的研究表明，TERT对大脑和有丝分裂后的神经元具有保护作用，能够抵抗各种刺激因子，如氧化应激、细胞凋亡和神经退行性因子［如β-淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）、α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）、tau蛋白等］，但具体的机制尚不清楚［12］。有研究发现端粒酶激活剂能提高神经元内TERT水平，通过自噬机制降解脑毒性蛋白以改善神经退行性变的相关症状［13］。

2 端粒-端粒酶系统与阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是老年人最常见的痴呆类型［14］，以Aβ沉积形成的老年斑、神经原纤维缠结为两大核心病理特征［15］。AD是最具代表性的与衰老相关的疾病之一，而端粒学说认为端粒长度是衰老的标志，因此研究人员探究了AD与端粒之间的关系。大多数研究使用外周血白细胞（peripheral blood leukocytes，PBLs）端粒长度来反映AD患者的衰老水平。先前的一项研究表明，AD患者PBLs和小脑神经元细胞的端粒长度存在直接相关性［16］。因此，可以认为PBLs的端粒长度能够反映AD患者脑内神经元的端粒长度。但目前关于端粒长度对AD认知功能影响的研究结果并不一致，我们推测其部分原因可能是研究设计类型、测定端粒长度方法等等的差异性。

2.1 端粒长度与AD 目前大量研究证实，端粒缩短可能是AD的危险因素。Abou-Elela等［17］发现与健康人、轻度认知障碍（mild cognitive impariment，MCI）患者相比，AD患者端粒长度更短，而羟基脱氧鸟苷（8-Hydroxydeoxyguanosine，8-OhdG）水平更高。Lee等［18］指出AD患者端粒衰减速度明显快于正常对照组和MCI组，但平均白细胞端粒长度（leukocytes telomere length，LTL）未见明显差异。2019年一项伞形评价指出，仅限于病例对照研究的荟萃分析中较短的端粒长度与糖尿病或AD发病呈中等关联［19］。近期的一项荟萃分析也得出较一致的结论：相比对照组，AD组的LTL更短，但端粒酶活性可能更高［20］。最近的孟德尔随机化（Mendelian Randomization，MR）研究表明基因预测的较长端粒对 AD 起到保护性作用［21-24］。这些结果均支持较短端粒者可能更易罹患AD，但将疾病的严重程度与端粒长度相关联还需更多证据。晏玉奎等［25］利用多元统计，模拟不同程度认知功能障碍患者的端粒时间-速度函数变化关系，发现轻中度AD患者较重度AD患者的端粒衰减速度减慢或者前者具有较长的DNA端粒，进一步说明痴呆与端粒长度缩短有一定量变关系，Abou-Elela等也得到与其相似的结论［17］。另外也有研究调查了端粒长度能否预测MCI向AD的转化，2016年的一项Meta分析以及Koh等随访了2年的MCI A+（即淀粉样蛋白正电子发射断层扫描显像或脑脊液分析确定的淀粉样变性）的患者，都提出了较短端粒的MCI患者可能出现更快速的认知功能下降，更易向AD转化［26，27］。类似的是，Scarabino等［28］研究结果表明LTL缩短结合血浆IL-1β和IL-18升高能监测疾病从MCI到AD的发病进展。

但是，也有部分研究结果并不支持端粒缩短作为AD进展的一个强有力的生物标记物的论点。有趣的是，Mahoney等［29］发现在AD神经病理相关生物标记物阳性的个体中，基线端粒越长，认知下降越快，而在上述生物标记物阴性个体中并未发现这种关联，这提示端粒长度与认知水平之间的关系，可能取决于是否存在神经病理性标记物。意外的是，2022年一项横断面研究纳入了2 573例认知正常但多数具有AD家族史的参与者，通过MR分析发现仅在载脂蛋白E-ɛ4（APOE-ɛ4）非携带者中，基因预测的端粒越长，脑脊液中Aβ水平越低，神经丝轻链水平越高，这提示APOE-ɛ4等位基因可能调节端粒长度对AD相关脑脊液生物标志物的影响［3］。早年一项研究初步调查了AD患者前驱期的端粒改变，结果发现进展为AD的MCI患者相比稳定在MCI状态的患者端粒更长［30］。另外的一项韩国横断面研究表明，与健康老年人相比，MCI和AD患者的端粒长度并没有更短，这支持了端粒缩短与AD发病没有直接关系的观点［26］。同时，一项美国长寿家庭参与者的横断面研究发现，LTL与痴呆及非痴呆患者的认知水平无关［31］。上述研究结果均难以支持较短端粒能够加速AD的发病、进展及预测MCI转化为AD的假设，可能需要更大样本和不同的患者亚组来进行进一步验证［32］。

另外，研究人员和临床工作者逐渐认识到，不仅要及时准确地对AD患者进行诊断，要确定患者是否具有AD患病风险或及时发现那些处于AD前驱期的个体，以便早期干预更为关键。一项研究表明，较短LTL能至少在发病前8年预测非APOE-ε4携带者AD的发病率［33］。基于病例对照、MR研究的证据表明，LTL越短，AD的发病风险越高［34］，但也有部分研究得到了相反的结论［26，31］。值得注意的是，另一项鹿丹特前瞻性研究发现，LTL与AD患病风险存在非线性U型关联，较短LTL和较长LTL均与AD患病风险增加有关［35］，这在非APOE-ε4携带者前瞻性队列中也得到证实（尽管较长LTL与AD发病率增加并不具有统计学差异，P= 0.28）［33］。

2.2 端粒酶与AD 端粒酶具有延长端粒及维持端粒稳定性的功能。由于其显示出对大脑神经元的保护作用，因此越来越引起神经科学领域研究者的关注。Spilsbury等［36］证明，TERT蛋白可以在AD患者神经细胞的线粒体中积累，并可能具有抵抗tau病理蛋白沉积的保护作用。相似的是，端粒酶复合物通过增强神经营养蛋白和可塑性相关基因的表达来保护海马神经元免受Aβ42的毒性损伤［37］。Shim等［38］在AD小鼠模型中发现TERT能在基因启动子上与β-连环蛋白和核糖核酸聚合酶II相互作用，并上调突触信号通路及与学习过程相关的基因网络，达到保护大脑神经元健康的作用。体内外试验初步证实TERT可在啮齿动物和人类中发挥神经保护作用。但目前的相关研究仍较有限，因此，未来需要更多的试验来进一步探究AD患者体内TERT蛋白的水平及作用机制，以确定端粒酶激活剂能否作为预防或改善AD症状的新疗法。

2.3 潜在机制 年龄增加作为AD重要的发病风险因素之一，AD患者年龄增长可能伴随端粒缩短，但并不是所有老年人都患AD，这也提示我们端粒缩短可能只是AD发病的协同因素而非主要因素。关于端粒长度变化的机制以及端粒长度的变化如何导致了AD的发生发展尚未阐明，但有学者提出了一些假说：首先，AD发病机制中一个重要事件是神经免疫反应，研究提示AD的神经炎症状态和外周免疫系统的同时参与，可能促进了与星形胶质细胞和小胶质细胞增殖有关的白细胞分裂和端粒缩短［39］。其次，一项小鼠转基因模型支持了AD是一种全身性疾病，外周血细胞端粒缩短是AD疾病进展的系统性表现，比脑组织中端粒变化更早更明显，该研究提出一个与氧化应激无关且尚未确定的机制：AD通过促进细胞增殖导致端粒缩短［40］。再者，既往有学者提出线粒体功能障碍可能是神经退行性疾病的发生发展的另一重要机制，有研究证实TERT可能通过减少氧化物的产生和改善线粒体功能来提供神经元对病理性tau蛋白的抵抗［36］。但有关端粒-端粒酶系统与AD潜在的病理生理机制的研究还较少，且多探讨的是端粒长度与AD的关系，AD中端粒更长的患者其背后的病理机制仍有待阐明。

3 端粒-端粒酶系统与帕金森病

帕金森病（Parkinson disease，PD）是第二大神经退行性疾病，具有广泛的运动和非运动症状，典型的病理学改变是黑质致密部多巴胺能神经元的丢失及神经元内包涵体形成［41］。PD发病机制尚不清楚，有研究表明与衰老、遗传易感性和环境等因素相关［41］。大量研究发现，PD病理过程中伴随着慢性神经炎症的发生，这提示了炎症反应可能加速了疾病的进展。因此，研究人员推测PD中氧化应激损伤与炎症反应可能会加速端粒磨损。不仅如此，作为重要的非运动症状之一，帕金森病痴呆（Parkinson disease dementia，PDD）往往在疾病晚期出现，且与年龄呈正相关。因此，与衰老相关的端粒-端粒酶系统是否能够早期识别PD认知障碍的发生风险，能否作为PD患者认知障碍的一种生物标记物，也逐渐引起研究者的关注。有几项研究调查了端粒长度与PDD之间的关系，这为我们理解PDD的潜在病理生理机制提供了一些见解。这些研究中端粒长度主要是在PBLs中测量，而关于PD患者中枢神经细胞的检测目前还较少。由于端粒长度受检测的组织样本类型的影响较大，建立组织样本明确的纵向随访也是未来研究的方向。总体来说，相比AD，目前人们对端粒-端粒酶在PD中的研究仍较少，且得出的结论争议性较大，属于研究相对空白的领域。

3.1 端粒长度与PD 目前国内外关于PD与端粒长度的研究结果并不一致，以往的研究认为较短与较长的端粒长度都可能与PD相关［42-44］，但也有研究在脑黑质组织中没有发现神经细胞端粒长度的差异［42］。2020年一项首个针对中国人群的病例对照研究发现，PD患者的LTL明显短于对照组，且越短的端粒长度罹患PD风险越高（OR= 9.54），同时端粒长度对PD的影响是独立于LRRK2基因多态性的［45］。Levstek等［46］首次调查了端粒长度与PD临床特征的关系，发现有痴呆和无痴呆的两组PD患者中端粒长度存在显著差异，其中端粒越短的PD患者，痴呆风险越高（P= 0.024），但在校正年龄及病程的影响后，这个相关性却不再有统计学差异（P= 0.059），但数据仍有趋势。2020年一项随访研究发现，基线和随访18个月时的PD患者端粒长度明显低于正常对照组，且端粒越短的PD患者与随访36个月后痴呆的发生风险相关，这表明了较短的端粒长度可能对PDD的发生具有预测潜力［47］。

2022年来自瑞典、伦敦的一项横断面研究表明，相比健康对照组，PD患者血液和前额叶脑组织神经细胞的端粒更长，且血液中端粒长度与左旋多巴等效日剂量、病程呈正相关［48］。同时，Chen等［49］于2020年在MR框架中研究了37 688例PD患者和449 056例对照者，结果并没有证实端粒较长与PD风险较高相关，这与2016年一项荟萃分析结果相似，该研究也未证实956例PD患者和1 284例对照组之间端粒长度有显著差异［50］。而既往的一项随访研究却发现，基线时端粒更长的PD患者在3年内发展为痴呆的风险更高，但没有观察到对照组和PD患者在基线时端粒长度的差异以及随访过程中端粒衰减速度的不同［51］。总的来说，端粒长度或端粒动力学变化与PD发病风险、临床症状的进展之间的关系还没有得到充分的研究，结果相对较少且具有争议性。

3.2 端粒酶与PD 如前所述，TERT已在神经系统中显示出保护作用。Wan等［52］研究指出，端粒酶激活剂导致TERT表达增加，其通过激活自噬降解了毒性α-syn，最终达到预防或延缓疾病进展的作用，例如显著改善了PD转基因小鼠模型的步态和运动协调等功能。这一临床前模型的结果具有较大前景，目前急需进行PD的临床试验以确认增加TERT水平对神经退行性疾病的有益作用。

3.3 潜在机制 近年研究显示，神经炎症、氧化应激参与了PD的发生发展，端粒易受氧化应激而缩短，这与一些学者发现的PD患者端粒较短的结果一致。具体来说，端粒区域的GGG-3'DNA对氧化应激较敏感，同时活性氧产生的8-氧鸟嘌呤会导致复制问题、DNA脆性和端粒功能障碍，最终导致了细胞衰老［53］。除氧化应激之外，有研究推测，PD 患者服用的一些药物可能对端粒长度产生影响，如左旋多巴通过增加同型半胱氨酸水平加速衰老过程，导致端粒长度变化［48］。另外，有实验数据表明端粒缩短导致了PD转基因小鼠模型中α-syn的聚集加速和小胶质细胞反应受损，首次提示端粒缩短可能参与了PD的病理学机制［54］。目前关于端粒与PD的研究结果较矛盾，部分研究结果揭示了PD中较短端粒可能与疾病的氧化应激、衰老加速、α-syn病理相关，但其中的因果关系仍值得进一步研究。

4 端粒-端粒酶系统与其他神经退行性疾病

另外有少数文献报道了端粒长度与其他神经退行性疾病的关系。首先，关于肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）与端粒长度的研究结果还没有一致性。例如，先前的观察性研究发现ALS组的端粒较对照组更短［55］，但ALS患者死后的脑组织端粒研究及一项全基因组测序研究发现ALS患者的端粒较对照组更长［56，57］。此外，Kim等［58］首次研究了额颞叶痴呆（frontotemporal dementia，FTD）与端粒长度的关系，发现所有FTD综合征不同亚型的患者PBLs绝对端粒长度明显长于对照组，但组间端粒长度并没有显著差异。ALS、FTD较长端粒的最新发现支持FTD与ALS是具有相同的临床、遗传和神经病理学特征的同一疾病谱的观点。虽然有研究提出ALS患者脑中小胶质细胞端粒的延长可能是一种补偿小胶质细胞较高的增殖活性的表现［56］，但仍需更多样本量更大的研究来进一步证实上述结果的普遍性及ALS、FTD长端粒背后的机制。最后，亨廷顿舞蹈病（Huntington disease，HD）也是一种常见的神经退行性疾病，而Scarabino等［59］观察到健康对照组及不同疾病阶段（疾病前期和疾病期）的HD患者的LTL相继缩短，这表明端粒缩短与HD发病风险之间可能存在相关性。PerezGrovas-Saltijeral等［60］也发现相似的结论，并提出端粒缩短可能与HD氧化应激有关。目前除AD、PD外，端粒与其他神经退行性疾病之间的研究较少，且集中在横断面研究，也尚未有一致的结论。如前所述，神经退行性疾病与氧化应激、衰老等密切相关，这能部分解释短端粒与神经退行性疾病间的联系，但到底短端粒是神经退行性疾病的伴随表现，还是短端粒加速了神经退行性疾病的发生发展，目前尚不清楚。

5 总结与展望

综合目前国内外端粒-端粒酶系统在各类神经退行性疾病中的研究，较多证据表明端粒缩短与AD、PD等疾病状态相关联，但其中的因果关系、潜在机制尚未阐明。对于是否端粒短的人群更易罹患神经退行性疾病，未来仍需要应用端粒长度结合炎症反应、氧化应激、线粒体功能等炎症、衰老相关标记物进行纵向随访或许能更好地解释年龄相关的神经退行性疾病的发病风险与端粒长度之间的关系。作为目前相对空白的研究领域，基线的端粒长度、端粒衰减速度、端粒酶活性是否决定了PD患者的运动、非运动症状（尤其是认知障碍）以及端粒长度与FTD和ALS之间的关系如何？以上问题都需要进一步探讨。另外，TERT神经保护功能值得在动物实验、临床试验中进一步验证，以确定端粒酶激活剂能否作为神经退行性疾病的潜在治疗策略。不仅如此，对于入选标准的制定、测量方法的准确性及标准化以及统计方法的选择还需研究人员进一步明确及制定。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：吴志悦负责撰写文章及修改；薛晓帆负责论文修改；曾景蓉、黄安琪负责文献收集及论文修改；许二赫负责拟定写作思路、指导撰写文献并最后定稿。