肝脏X受体参与阿尔茨海默病胆固醇代谢异常机制的研究进展

王 凯，唐永萍，黄 伟，徐海伟 综述，范晓棠 审校

(第三军医大学：1.学员旅17队；2.生理学教研室；3.西南医院眼科；4.组织胚胎学教研室,重庆 400038)

阿尔茨海默病(AD)是一种以记忆减退、认知、语言障碍及人格改变为主要症状的神经系统退行性疾病，多发于65岁以上老年人，病理改变以细胞外β淀粉样蛋白(β-amyloid peptide，Aβ)、老年斑或神经炎斑、神经元细胞质内出现神经纤维缠结为特征。AD发病机制中Aβ瀑流学说(Aβ cascade theory)备受关注[1]：Aβ是各种细胞淀粉样前体蛋白(amyloid protein precursor,APP)加工的正常产物，正常时Aβ产生与降解保持平衡，Aβ产生与降解的失衡引起脑内Aβ沉积，APP经β分泌酶和γ分泌酶一系列连续切割后形成分子长短不等的Aβ分子，Aβ在AD脑中异常沉积后，通过过氧化损伤、神经细胞凋亡、炎症反应等发挥其神经毒性作用。胆固醇代谢通过影响Aβ的代谢过程而参与AD的发生和发展。其中重要的胆固醇代谢相关因子包括载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)、ATP结合转运蛋白A1(ATP binding cassette transporter A1,ABCA1)等。肝脏X受体(liver X receptors，LXRs)可通过调控ApoE、ABCA1以及其他胆固醇代谢基因的表达而影响脑内胆固醇水平。近来报道内源性LXRs的激活可通过胆固醇代谢影响APP剪切生成Aβ以及Aβ清除的过程，提示LXRs在AD的发生过程中发挥重要的作用，有可能成为AD治疗的新靶点。本文就LXRs调节胆固醇代谢参与AD的发生进行综述。

1 胆固醇代谢异常在AD发生中的作用

脑内的胆固醇大部分属原位合成，中年以后神经元的胆固醇合成能力逐渐下降，脑内的胆固醇合成主要依赖于星形胶质细胞和少突胶质细胞。大部分脑内胆固醇通过ApoE介导出脑,同时约40%脑内胆固醇依赖胆固醇24 S-羟化酶CYP46转变为24 S-羟胆固醇，进而穿过血脑屏障[2]，上述途径维持着脑内胆固醇的动态平衡。

越来越多的实验表明,胆固醇代谢异常在Aβ的产生和异常沉积过程具有核心作用。流行病学研究提示中年人群血浆胆固醇过高可能直接导致AD发病风险增加[3]，高胆固醇促进脑内Aβ沉积的动物模型可被广泛复制。随着探索的不断深入，Abramov等[4]通过实验发现了影响Aβ沉积的因子不是脑内所有胆固醇，而是神经元细胞膜上的胆固醇。而Raja等[5]研究发现胆固醇乙酰基转移酶(A-cholesterol acyltransferase,ACAT)改变细胞膜胆固醇和胆固醇酯的比例，抑制ACAT后胆固醇酯水平下降,进而调控APP酶解途径减少Aβ合成，提示Aβ与ACAT、胆固醇脂水平的关系似乎比与胆固醇更为密切。

Fassbender等[6]利用环糊精选择性地移除海马区细胞膜胆固醇，结果显示Aβ生成受抑，提示脂筏(细胞膜上富含脂质和胆固醇的微结构域)可能是调控Aβ沉积的重要元件。膜筏作为一个结构和功能区域，聚积着多种参与信号分子[7]。β分泌酶和γ分泌酶介导的APP降解反应已从脂筏中被分离出，说明脂筏可能通过调控APP剪切过程来影响Aβ沉积，APP同时存在于膜筏内和膜筏外，其中位于膜筏内的APP经由Aβ源途径产生Aβ，而在膜筏外的APP经由非Aβ源途径产生无毒性的片段。细胞膜上的胆固醇水平可以调节γ分泌酶的活性，低的胆固醇水平有利于APP经非Aβ源途径分解，减少Aβ的产生。

作为胆固醇代谢中所有低密度载脂蛋白受体家族配体的ApoE，脑内细胞外胆固醇是通过ApoE微粒与神经元脂蛋白受体相关蛋白结合后而转运[8]。既往遗传学研究已认可ApoE基因是散发型AD发病最重要的遗传因子。有文献发现ApoE脂质化受ABCA1影响，而ApoE脂质化水平直接引起动物脑中Aβ负荷增加。Bell等[9]通过实验证实ApoE和ApoJ共同调节则Aβ从血脑屏障中清除，并且ApoE脂质化促进了ApoE协助Aβ清除的程度，同时也减少了小纤维形成和沉积。随后Jiang等[10]证明无论是在体内环境还是体外介质，脂质化ApoE通过蛋白酶促进蛋白水解反应易化了可溶性Aβ的清除，进一步证明高脂质化程度的ApoE明显促进Aβ水解，其结果是减轻脑血管和组织的淀粉样沉积，即ApoE脂质化程度才是决定细胞代谢功能和稳定性最重要的参数。总而言之，目前，研究比较公认的是，低脂质化ApoE促使Aβ的沉积，而高脂质化ApoE加速Aβ降解[11]，脂质化ApoE水平是脑内Aβ沉积和清除的重要调节器。

ABCA1是近来备受关注的转运蛋白，它通过其独特的超分子结构作用于ApoA-I而影响细胞内胆固醇的流出[12]。多个实验组通过使用基因转染和基因敲除的方法控制模型动物脑内APP和ABCA1表达，证实了ABCA1的表达可以抑制AD发病。ATP结合转运蛋白G1(ATP binding cassette transporter G1,ABCG1)广泛地表达于中枢神经系统的神经元、星型胶质细胞和小胶质细胞。体外实验和基因敲除小鼠的研究均表明,ABCG1基因的表达上调,可以促进细胞内胆固醇向高密度脂蛋白的转移,说明ABCG1与ABCA1一样,促进细胞内胆固醇外流[13],进而影响AD发病。由此，ABCA1、ABCG1、ApoE都是胆固醇代谢影响AD的关键因子。

2 LXRs调节脑内胆固醇代谢

LXRs是核受体家族成员，通过配体结合方式，作用于靶基因的调控区从而调节转录。哺乳动物LXRs有2种亚型：LXRα和LXRβ。LXRs分子具有5个结构区域：(1)N末端氨基端配体非依赖的转录活化域(activation function domain,AF1)；(2)含2个锌指的DNA结合域(DNA binding domain,DBD)；(3)铰链区；(4)疏水的配体结合域(ligand binding domain,LBD)；(5)C末端羧基端配体依赖的转录活化区域(AF2)[14]。内源性的LXRs配体是胆固醇代谢衍生物，包括22(R)-羟化胆固醇、20(S)-羟化胆固醇、24(S)-羟化胆固醇、27-羟化胆固醇。人工合成的LXRs配体包括TO901317和GW3965等。LXRs与视黄醛X受体(retinoid X receptors,RXRs)结合形成异二聚体,能够被LXRs或RXRs配体激活后启动转录从而调节靶基因的转录。LXRs的靶基因的转录激活步骤如下：(1)配体缺乏时,辅阻遏物(如SMAT和N2CoR)与LXR/RXR结合抑制转录；(2)配体与LXR/RXR结合后,诱导构象发生改变,使辅阻遏物解离,产生基础转录;(3)辅激活物补充结合到活化的LXR/RXR上,转录被完全激活[15]。

LXRs是胆固醇敏感的感应器，胆固醇含量的升高可以触发LXRs发生一系列代谢效应以防止细胞内胆固醇超载，LXRs激活后触发的效应包括：(1)胆固醇逆转运。胆固醇逆转运始于胆固醇超载刺激细胞产生羟化固醇，而羟化胆固醇是LXRs的内源性配体，活化内源性LXRs引起下游胆固醇转运因子(ABCA1和ABCG1)的改变，介导胆固醇转运出细胞。其中ABCA1促使其接受的胆固醇转移到高密度脂蛋白(high density lipoproteins，HDL)或者载脂蛋白A-I上，而ABCG1却只能促使胆固醇与HDL结合。LXRs介导的这种胆固醇逆转录过程，保证了细胞内胆固醇的正常稳态。(2)减少小肠吸收胆固醇入血；LXRs激动后可以上调小肠上皮ABCG5和ABCG8的表达，促进胆固醇从粪便排泄，使肠源性吸收的胆固醇含量变少。(3)抑制细胞对胆固醇的摄取与合成。LXRs缺乏小鼠肝脏中甾醇调节元件结合蛋白-2(sterol regulatory element binding protein-2,SREBP-2)高度表达,而SREBP-2的靶基因参与3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A(HMG-CoA)还原酶和合成酶的合成，从而影响胆固醇合成。最近发现,LXRα可通过直接沉默2种胆固醇合成相关酶类：羊毛甾醇14α去甲基化酶和鲨烯合成酶的表达而抑制胆固醇的生物合成[16]。同样在脑内，LXRs作为胆固醇重要调节器而备受关注，Zelcer等[17]通过激动脑内LXRs，观察到ABCA1和ABCG1的明显上调，ABCA1介导细胞的胆固醇与载脂蛋白结合,ABCG1介导胆固醇转变成HDL，从而共同引起了细胞内胆固醇流出。Cao等[18]实验进一步证实了此过程，LXRs上调神经元和胶质细胞内的ABCA1水平，继而引起胆固醇流出，此外，脑内LXRs通过配体结合方式调节神经元和胶质细胞中的ABCA1水平导致细胞内的胆固醇减少的同时，也促进星形胶质细胞和小胶质细胞的ApoE合成。相反，LXRs敲除动物脑中一系列代谢因子缺陷导致了脑内胆固醇的聚集。

3 LXRs通过调节胆固醇代谢影响AD的发生和进展

Fukumoto等[19]观察到LXRs激动剂可使Neuro2A细胞Aβ分泌增多，同时伴有ABCA1表达的上调；自Koldamova等[20]研究发现，LXRs激动剂TO901317作用于APP23小鼠后，ABCA1表达上调，同时观察到APP剪切过程由β分泌酶途径向α分泌酶途径转换，最终导致脑Aβ生成量明显减少；与之矛盾的是Riddell等[21]的研究，他们使用LXRs激动剂TO901317处理20周龄的Tg2576 AD小鼠，观察到海马区ABCA1和ApoE的增加，同时Aβ42水平的降低，然而APP剪切过程未曾受抑，Aβ水平降低的原因是LXRs激动后引起的脂质代谢改变直接促进了Aβ的清除；另一方面，ABCA1缺乏的APP/PS1动物失去对LXRs激动剂GW3965的应答，证实LXRs影响AD过程中ABCA1的不可或缺[22]，同时提示了LXRs调控AD发病时中间因子不可忽略的作用。众多学者为阐明LXRs影响AD发病过程探索不息，虽然结果未完全一致，可以明确的是，ABCA1和ApoE密切影响着Aβ的生成、转运和清除，LXRs激动通过促进上述基因表达必将对Aβ沉积起到重要的调控作用，LXRs影响AD与ABCA1、ApoE、胆固醇代谢密切相关。LXRs-ABCA1-ApoE-Aβ轴可能是LXRs对Aβ沉积的合理解释，令人遗憾的是，更进一步的分子机制和信号网络仍未阐明。

4 LXRs抑制AD中的神经炎症反应

尽管免疫反应不是AD的标志，但是越来越多的证据却表明Aβ的沉积和NFT引起脑内一系列的神经炎症反应。例如，AD脑组织中炎性介质水平明显升高，并可以检测到识别老年斑的抗体。局部炎症由老年斑周围聚集的活化小胶质细胞和反应性星形胶质细胞介导，小胶质细胞与Aβ反应导致了一系列炎性介质释放，神经炎症带来的直接结果是小胶质细胞作为一种吞噬细胞协助清除脑内Aβ的能力下降。此外，已被证实的是，ApoE与胆固醇代谢都将参与炎症反应的调节。

Zelcer等[17]利用APP/PS1鼠体内实验对LXRs调节AD动物模型炎症反应进行探索后发现，LXRs的激活可有效抑制由于Aβ刺激引起的炎症反应的发生，GW作用于BV2细胞和小胶质细胞，明显减少由于LPS刺激引起的iNOS和Cox2 蛋白的表达。Lefterov等[23]利用Aβ处理体外培养的小胶质细胞，iNOS和炎性因子IL-6释放增加，而LXRs激动剂TO901317与GW3695能够反转这一效应。这些都暗示着LXRs影响神经炎症的可能机制：LXRs是Aβ引起炎症反应的抑制剂，LXRs抑制炎症后带来小胶质细胞吞噬功能的恢复，小胶质细胞又可以协助清除脑内沉积的Aβ，LXRs抑制神经炎症可能引起一个良性循环。遗憾的是，LXRs调节神经炎症的信号通路至今仍未阐明。

5 LXRs激动剂治疗AD的应用前景

LXRs参与AD发生、发展的重要意义已被广泛接受，鉴于目前世界范围内还没有针对AD的有效药物，LXRs激动剂的临床应用被寄予期望。目前的研究尚处在细胞和动物实验阶段，LXRs激动剂作为临床药物预防AD发病或改善AD症状的探索尚少，LXRs的亚型特异性、组织学特异性、配体的生物有效性等都是药物研发的关键点。值得关注的还有LXRs激动剂作为药物的不良反应，例如升高三酰甘油水平、增加冠心病风险、参与肝脏脂肪形成、引起肝脏肿大等。

[1]Jucker M,Walker LC.Pathogenic protein seeding in Alzheimer disease and other neurodegenerative disorders[J].Ann Neurol,2011,70(4):532-540.

[2]Milagre I,Olin M,Nunes MJ,et al.Marked change in the balance between CYP27A1 and CYP46A1 mediated elimination of cholesterol during differentiation of human neuronal cells[J].Neurochem Int,2011,21(2):268-270.

[3]Shepardson NE,Shankar GM,Selkoe DJ.Cholesterol level and statin use in Alzheimer disease:I.Review of epidemiological and preclinical studies[J].Arch Neurol,2011,68(10):1239-1244.

[4]Abramov AY,Ionov M,Pavlov E,et al.Membrane cholesterol content plays a key role in the neurotoxicity of beta-amyloid:implications for Alzheimer′s disease[J].Aging Cell,2011,10(4):595-603.

[5]Raja B,Kovacs DM.ACAT inhibition and amyloid beta reduction[J].Biochim Biophys Acta,2010,18(8):960-965.

[6]Fassbender K,Simons M,Bergmann C,et al.Simvastatin strongly reduces levels of Alzheimer′s disease beta-amyloid peptides Abeta 42 and Abeta 40 in vitro and in vivo[J].Proc Natl Acad Sci USA,2001,98(10):5856-5861.

[7]Korade Z,Kenworthy AK.Lipid rafts,cholesterol,and the brain[J].Neuropharmacology,2008,55(8):1265-1273.

[8]Lee CY,Tse W,Landreth GE.ApoE promotes Abeta trafficking and degradation by modulating microglial cholesterol levels[J].J Biol Chem,2011,15(1):36-38.

[9]Bell RD,Sagare AP,Friedman AE,et al.Transport pathways for clearance of human Alzheimer′s amyloid beta-peptide and apolipoproteins E and J in the mouse central nervous system[J].J Cereb Blood Flow Metab,2007,27(5):909-918.

[10]Jiang Q,Lee CY,Mandrekar S,et al.ApoE promotes the proteolytic degradation of Abeta[J].Neuron,2008,58(5):681-693.

[11]Hirsch-Reinshagen V,Burgess BL,Wellington CL.Why lipids are important for Alzheimer disease?[J].Mol Cell Biochem,2009,326(1-2):121-129.

[12]Koldamova R,Fitz NF,Lefterov I.The role of ATP-binding cassette transporter A1 in Alzheimer′s disease and neurodegeneration[J].Biochim Biophys Acta,2010,1801(8):824-830.

[13]Wojcicka G,Jamroz-Wisniewska A,Horoszewicz K,et al.Liver X receptors(LXRs).Part I:structure,function,regulation of activity,and role in lipid metabolism[J].Postepy Hig Med Dosw(Online),2007,61(3):736-759.

[14]Im SS,Osborne TF.Liver X receptors in atherosclerosis and inflammation[J].Circ Res,2011,108(8):996-1001.

[15]Baranowski M.Biological role of liver X receptors[J].J Physiol Pharmacol,2008,59(1):31-55.

[16]Woerner M,Melchior K,Monostory K,et al.The effects of rosuvastatin and the CYP51A1 inhibitor LEK-935 on the proteome of primary human hepatocytes[J].Drug Metab Dispos,2011,38(3):421-424.

[17]Zelcer N,Khanlou N,Clare R,et al.Attenuation of neuroinflammation and Alzheimer′s disease pathology by liver X receptors[J].Proc Natl Acad Sci USA,2007,104(25):10601-10606.

[18]Cao G,Bales KR,DeMattos RB,et al.Liver X receptor-mediated gene regulation and cholesterol homeostasis in brain:relevance to Alzheimer′s disease therapeutics[J].Curr Alzheimer Res,2007,4(2):179-184.

[19]Fukumoto H,Deng A,Irizarry MC,et al.Induction of the cholesterol transporter ABCA1 in central nervous system cells by liver X receptor agonists increases secreted Abeta levels[J].J Biol Chem,2002,277(50):48508-48513.

[20]Koldamova RP,Lefterov IM,Ikonomovic MD,et al.22R-hydroxycholesterol and 9-cis-retinoic acid induce ATP-binding cassette transporter A1 expression and cholesterol efflux in brain cells and decrease amyloid beta secretion[J].J Biol Chem,2003,278(15):3244-3256.

[21]Riddell DR,Zhou H,Comery TA,et al.The LXR agonist TO901317 selectively lowers hippocampal Abeta42 and improves memory in the Tg2576 mouse model of Alzheimer′s disease[J].Mol Cell Neurosci,2007,34(4):621-628.

[22]Donkin JJ,Stukas S,Hirsch-Reinshagen V,et al.ATP-binding cassette transporter A1 mediates the beneficial effects of the liver X receptor agonist GW3965 on object recognition memory and amyloid burden in amyloid precursor protein/presenilin 1 mice[J].J Biol Chem,2010,285(44):34144-34154.

[23]Lefterov I,Bookout A,Wang Z,et al.Expression profiling in APP23 mouse brain:inhibition of Abeta amyloidosis and inflammation in response to LXR agonist treatment[J].Mol Neurodegener,2007,2(1):20-24.