阿尔茨海默病发病机制的研究

【关键词】  阿尔茨海默病;前体蛋白;载体蛋白E类

    阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD)是发生于老年期或老年前期的慢性进行性神经退行性疾病，病理特征为以神经细胞内神经纤维缠结、细胞外淀粉样蛋白沉积所导致的老年斑及神经元缺失.德国学者Alois Alzheimer［1］于1907年观察到了一位精神疾病患者的特殊临床表现和病理改变，并对此进行了首次报道.随着人类寿命的延长，众多国家已经或即将进入老龄社会，老年性疾病已成为社会关注和相关学科研究的热点.

    1  与AD有关的基因

    1.1  前体蛋白基因  前体蛋白（Amyloid precursor protein，APP）基因定位于21号染色体长臂，由19个外显子组成.APP基因转录后经不同剪接方式可生成若干种APP亚型.老年斑的核心成分主要是β?淀粉样蛋白(amyloid protein beta，β?AP)，是含有39～43个氨基酸的疏水肽，其相对分子质量为4.0ku，三维结构呈β型折叠，具有强自聚性，易形成极难溶解的沉淀.研究发现，β?AP可诱导大鼠和人的小胶质细胞分泌炎症因子和化学因子，促进自由基的细胞损伤效应，加重细胞因子引起的炎症反应等.β?AP对神经细胞具有营养和毒性双重作用，即在低浓度时对未分化的不成熟神经元有神经营养作用，而在高浓度时不仅对已分化的成熟神经元有神经毒性作用，还可提高许多物质的毒性如兴奋性氨基酸神经递质，作用机制与破坏细胞钙离子内环境平衡有关.大量的体内外研究均证实，β?AP尤其是聚合成纤维形式的β?AP对神经元的毒性作用表现在破坏细胞膜的完整性，干扰细胞内环境的稳定，诱导细胞发生凋亡［2～4］.β?AP由淀粉样前体蛋白通过某种降解途径而产生，是跨膜糖蛋白，包含细胞外的相对分子质量达27ku的N?端和细胞内的相对分子质量达17ku的C?端，广泛分布于体内各组织，尤以脑、肾、心肌及脾脏中含量较高.β?AP位于β?APP的跨膜部位，细胞外有28个氨基酸，跨膜区有15个氨基酸.β?APP在体内的裂解存在2种途径，即非淀粉源途径和淀粉源途径，其中非淀粉源途径是指在α?分泌酶作用下β?APP的第16位氨基酸残基处发生裂解，产生不完整的β?AP分子；淀粉源途径则是指先在β?分泌酶作用下，于β?AP氨基端发生裂解，产生包含完整β?AP序列的β?APP C?端片段，再于γ?分泌酶的作用下，于β?APP的近羧基端发生裂解产生完整的β?AP分子.

    1.2  早老素基因  AD病因学研究表明，AD发病与突变型早老素基因（presenilin，PS）有关.PS?1定位于14号染色体（14q24.3）上，PS?2定位于1号染色体（1q31～q42）上.已发现PS?1有37个不同错义突变和1个框内剪接点突变，而PS?2仅有2个错义突变，最有效的突变是外显子9剪除突变［5］.PS?1基因缺陷则可通过抑制β?APP的γ?分泌酶发生裂解而减少β?AP的形成［6］，PS?2与PS?1类似.神经病研究也发现，脑内Aβ1?42（43）显著沉积的患者均有PS?1或PS?2基因突变.PS?1和PS?2属进化保守基因家族成员，疏水外型是具有大量跨膜区域的整合膜蛋白，基因产物位于内质网和高尔基体上，提示PS可能在分泌通路上调节蛋白质的转运和合成.由此推论，在具有PS?1或PS?2突变基因的患者身上所观察到的过量的β?AP42是由PS?1或PS?2蛋白质的功能异常所导致的.据近年报道，PS?2的表达水平是神经元凋亡的决定因素，它对早发性AD和普遍的迟发性AD均具有相同的作用.在PC12细胞中发现在离体条件下反义PS?2的转染可对抗凋亡，而当撤走基质中的神经细胞生长因子时，PS?2的过度表达则可促进细胞凋亡.用PS?2的反义mRNA调节PS?2可降低由APP717突变而产生的细胞凋亡，且PS?2过度表达可促进由β?AP1?42片段引起的细胞凋亡.

    1.3  载脂蛋白E基因  载脂蛋白E基因（apoliporotein E, ApoE）定位于19号染色体长臂，相对分子质量为34ku，其产物apoE作为配基通过受体中介参与脂质代谢，是AD的发病原因之一.apoE基因有3种等位基因，即ε2,ε3,ε4，各占8%,77%，15%.研究结果表明，apoE与散发及晚发AD有关，apoE可与β?AP结合促使后者形成单丝纤维而沉积，其中apoE4较apoE3有更强的结合力，显示出异构体的特异性.apoE4纯合子者脑内β?AP沉积量远远多于apoE3纯合子个体.体内外实验结果表明，apoE尤其是apoE4与β?AP纤维结构形成有关，在老年斑形成过程中起重要作用.

    1.4  Tau蛋白基因  微管系统是神经细胞骨架成分，可参与多种细胞功能.微管由微管蛋白及微管相关蛋白组成，Tau蛋白是体内含量最高的微管相关蛋白.在正常脑组织中Tau蛋白的功能是与微管蛋白结合促进其聚合形成微管，并与形成的微管结合，维持微管的稳定性，降低微管蛋白分子的解离，且诱导微管成束.Tau蛋白基因定位于17号染色体长臂，为含磷酸基蛋白，正常成熟脑中Tau蛋白分子含2,3个磷酸基，而AD患者脑中Tau蛋白则异常过度磷酸化，每分子内含有5～9个磷酸基，并丧失正常的生理功能［7］.有学者认为，AD患者脑中Tau蛋白异常磷酸化可能与大脑发育过程中控制Tau蛋白磷酸化的途径激活或在发育过程中特异性蛋白磷酸酯酶的失活有关.除异常过度磷酸化外，AD患者脑组织中Tau蛋白还被异常糖化/糖基化［8］，其机制尚待进一步阐明.

    2  神经毒性作用

    研究表明，Aβ是各种原因诱发AD的共同通路，是AD形成和的关键因素，可导致神经元退化和死亡.Aβ的神经毒性涉及复杂的作用机制，包括促进自由基的形成，破坏细胞内钙的稳定，降低钾离子通道的功能，增强致炎细胞因子引发的炎症反应等.

    2.1  活性氧的作用机制  氧既是维系生命不可缺少的物质，但同时又可能成为生命的杀手.中枢神经系统是最易受氧化损伤的组织，主要是因为它对氧的高度依赖性及含有丰富的不饱和脂肪酸，而后者是自由基连锁反应和脂质过氧化作用的底物［9］.在呼吸时，体内氧气中98％被正常利用，2％被转变为极其活跃的氧自由基，又称活性氧.体内活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信号传导功能，但过多的活性氧就有破坏功能，导致人体正常细胞和组织的损伤，从而引发多种疾病，如心脏病、老年期痴呆症、帕金森病和肿瘤等.活性氧可攻击细胞膜上的不饱和脂肪酸，产生可促进人体衰老的物质过氧化物；还可侵犯体内的脱氧核酸、胶原蛋白及酶，引起对人体组织细胞具有破坏性的连锁反应，引发各种老年疾病，加速人体衰老的进程，缩短人类寿命.

    2.2  一氧化氮的作用机制  一氧化氮在中枢神经系统中起信使和递质样作用，调节脑血流，对神经元具有保护作用，但脑内一氧化氮的过量释放对大脑周围神经元有毒性作用.在脑缺血的各个阶段，一氧化氮的产生量均增加，其可能机制是激活了细胞内局部神经元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase, nNOS），产生过多一氧化氮及过氧化物反应生成的硝酸盐，造成蛋白质、核酸及脂质膜的损伤，从而引起神经毒性反应［10］.研究结果表明，发生全脑缺血时，星形胶质细胞可表达NOS，产生具有神经毒性的一氧化氮［11］；在短暂局灶脑缺血大鼠及缺血培养的神经元细胞和星形胶质细胞中应用尼莫地平可降低硝酸盐/亚硝酸盐水平并抑制NOS活性.脑内存在3种NOS，即nNOS,iNOS,eNOS，其中nNOS在大脑延髓、新皮质和海马中表达，iNOS在小胶质细胞和星形胶质细胞内表达，eNOS在内皮细胞、微管及运动神经中表达，在学习和记忆中起重要作用［12,13］.

    2.3  炎症因子的作用机制  研究表明，AD的发生和伴随着慢性炎症过程，这些炎症反应可对脑组织产生损伤作用，其中小胶质细胞和星形胶质细胞起重要作用.小胶质细胞作为中枢神经系统内的免疫细胞，成为了神经炎症反应中的病因之一.AD患者脑内存在丰富的被激活的小胶质细胞，可产生过多的过氧化物、谷氨酸及一氧化氮，具有潜在的神经毒性作用［14］.已证实Aβ的神经毒性作用是被激活的小胶质细胞所释放的活性氧所引起的，同时激活的小胶质细胞和Aβ可表达TNF?α，后者可致神经元损伤.据报道，向小鼠第4脑室内注入脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)，其以聚合体形式与CD14结合，引起细胞活化，产生过多的一氧化氮、TNF?α、白细胞介素及前列腺素E2等，增强MDA受体介导的神经毒性作用和炎症反应，致使小鼠的空间记忆能力明显降低［15～18］.

    3  展望

    随着人类社会进入老龄化，AD已经成为影响老年人生活质量的主要疾病之一，发病率呈逐年上升趋势.AD的发病机制十分复杂，要彻底揭示AD的本质，从根本上AD尚待更深层次的研究.作为AD主要标志的老年斑由β?淀粉样蛋白和其他蛋白组成，后者是炎性反应的标志，如激活的小胶质细胞、细胞素及急性期反应物等，因此认为长期应用消炎药物对预防和治疗AD是有益的.非甾体类消炎药物可能通过抑制与老年斑形成有关的炎症反应，如抑制小胶质细胞活化等，影响AD的发生发展过程，但对海马神经元有毒性.

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  ［1］ Alzheimer A. Uber eine eijenartige Erkrankung der Hirnride［J］.Allg Z Psychiatr,1907,64:146.

［2］ Drouet B, Pincon?Raymond M, Chambaz J, et al..Molecular basis of Alzheimer’s disease［J］.Cell Mol Life Sci,2000,57(5):705.

［3］ Vajda FJ.Neuroprotection and neurodegenerative disease［J］.J Clin Neurosci,2002,9(1):4.

［4］ Baxter MG, Bucci DJ, Gorman LK, et al..Selective immunotoxic lesions of basal forebrain cholinergic cells:effects on learning and memory in rats［J］.Behav.Neurosci,1995,109(4):714.

［5］ Mehta ND, Refolo LM, Eckman C, et al..Increased Aβ42(43) from cell lines expressing presenilin?1 mutations［J］.Ann Neurol,1998,43:256.

［6］ Kimberly WT, Xia W, Rahmati T, et al..The transmembrane aspartates in presenilin 1 and 2 obligatory for gamma?secretase activity and amyloid?beta protein generation［J］.J Biol Chem,2000,275(5):3173.

［7］ Forloni G, Mangiarotti F, Angeretti N, et al..Beta?amyloid fragment potentiates IL?6 and TNF?alpha secretion by LPS in astrocytes but not in microglia［J］.Cytokine,1997,9:759.

［8］ Lambert MP, Barlow AK, Chromy BA, et al..Diffusible,nonfibrillar ligands derived from Aβ1?42 are potent central nervous system neurotoxins［J］.Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(11):6448.

［9］ Schippling S, Kontush A, Arlt S, et al..Increased lipoprotein oxidation in Alzheimer’s disease［J］.Free Radic Biol Med,2000,28(3):351.

［10］ Eliasson MJ, Huang Z, Ferrante RJ, et al..Neuronal nitric oxide synthase activation and peroxynitrite formation in ischemic stroke linked to neural damage［J］.J Neurosci,1999,19(14):5910.

［11］ Endoh M, Maiese K, Wagner J.Expression of the inducible form of nitric oxide synthase by reactive astrocytes after transient global ischemia［J］.Brain Research,1994,651(1?2):92.

［12］ Dela Torre JC, Stefano GB.Evidence that Alzheimer’s disease is a microvascular disorder:the role of constitutive nitric oxide［J］.Brain Res Rev,2000,34(3):119.

［13］ Law A, Gauthier S, Quirion R.Say NO to Alzheimer’s disease,the putative links between nitric oxide and dementia of Alzheimer’s type［J］.Brain Res Rev,2001,35(1):73.

［14］ Brown GC, Bal?Price A.Inflammatory neurodegeneration mediated by nitric oxide, glutamate and mitochondria［J］.Mol Neurobiol,2003,27(3):325.

［15］ Lee H, Villacreses NE, Rapoport SI, et al..In vivo imaging detects a transient increase in brain arachidonic acid metabolism:a potential marker of neuroinflammation［J］.J Neurochem,2004,91(4):936.

［16］ Rosi S, Ramirez?Amaya V, Hauss?wegrzyniak B, et al..Chronic brain inflammation leads to a decline in hippocampal NMDA?R1 receptors［J］.J Neuroinflammation,2004,1(1):12.

［17］ Rosi S, Ramirez?Amaya V, Vazdarjanova A, et al..Neuroinflammation alters the hippocampal pattern of behaviorally induced Arc expression［J］.J Neurosci,2005,25(3):723.

［18］ Rosi S, McGann K, Hauss?Wegrzyniak B, et al..The influence of brain inflammation upon neuronal adenosine A2B receptors［J］.J Neurochem,2003,86:220.?