阿尔茨海默病与Aβ及其衍生物的关系研究进展

王长福 肖 阳 王秋红 武立华 匡海学

(黑龙江中医药大学 北药基础与应用研究教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

阿尔茨海默病(AD)神经病理学特征为中枢神经纹状体和新皮质产生大量神经炎性斑块(NPs)和神经纤维缠结(NFTs)，痴呆是由于大脑患病处神经元及突触死亡所致，NPs为一复杂的细胞外结构，Aβ纤维蛋白淀粉样沉积形成核状，周围由活性星状细胞、神经胶质细胞和营养障碍的突触包绕，而NFTs则聚集在细胞内，主要由异常过度的高度磷酸化tau蛋白双螺旋细丝组成。AD患者通常表现为脑血管内大量Aβ肽呈淀粉样沉积〔脑血管淀粉样变性(CVA)〕〔1〕，散发型AD约占95%，多发生在65岁以上人群，没有明确的遗传病原学，家庭性AD(FAD)约占5%，其病因与特异性基因突变有关，FAD发病年龄较早，其侵袭性远大于散发型AD，但两者的神经病理学极为相似，因此，两者具有共同的细胞机制，目前AD的诊断除根据临床症状和尸体解剖脑组织检查老年斑(SP)和NFTs外仍无法对AD进行化验诊断。AD神经元退行性病变的机制仍未能明确，AD病因包含环境和遗传两大因素，其机制是十分复杂。目前，年龄和载脂蛋白E4(ApoE4)等位基因〔2〕被公认为散发型AD的两大高危因素，而FAD则是由至少3个不同位点的特异性基因突变所致，分别为淀粉样前体蛋白(APP)基因、早老素1(PS-1)和早老素2(PS-2)，APP 作为 Aβ 肽的前体蛋白〔3～5〕，不仅是FAD特异性因素，同时也是散发型AD发生的重要因素之一;而且多数40周岁以上的唐氏综合征(DS)患者病理与AD具有相似性，如出现Aβ淀粉样蛋白沉积〔6〕，遗传上也存在着直接联系〔7〕;NPs和NFTs并非仅存在于AD患者脑内，也存在于正常的老龄人群的脑内，但在数量上明显少于AD患者。此外，NFTs还常见于额颞叶痴呆、DS及帕金森病，因此，NFTs病理很可能是机体对基因损伤和环境因素的神经性应激反应。

1 AD的病源学:Aβ及其衍生物

以往研究中，普遍认为Aβ肽及其可溶性或非可溶性衍生物为AD的主要致病因子，Aβ肽是一类小分子蛋白，其长度从35 ～43 个氨基酸不等，以 Aβ40和 Aβ42为主〔8，9〕，在聚集条件具备时，Aβ肽链形成扩展的β片层结构，β片层结构通过氢键形成反向平行的低聚物，这些Aβ低聚物进一步聚集形成淀粉样纤维并在神经纤维网内沉积形成NPs或在血管内形成CVA，淀粉样蛋白是β片层纤维蛋白沉积的总称，这些蛋白能够与刚果红结合并表现出光学偏振特性〔10〕，因此，淀粉样蛋白并非指可溶性Aβ肽，更不是非淀粉样蛋白的低聚物，Aβ肽是由β和γ-分泌酶水解APP所产生的衍生物，β-分泌酶水解APP产生羧基端片段含有99个氨基酸残基〔11〕，该残基仍然结合在膜上，经PS/γ-分泌酶复合物〔12〕进一步水解产生Aβ肽，其中包括SP和CVA中的主要成分 Aβ1～40和 Aβ1～42;在非淀粉样肽源途径中，α-分泌酶裂解APP而产生可溶性氨基端产物(sAPP)，sAPP经γ-分泌酶水解产生胞内肽，因此该途径不能产生Aβ肽〔13〕，许多类似APP的细胞表面蛋白和受体均可被γ-分泌酶水解产生细胞内肽，更重要的是这些细胞内肽可发挥信号传导及基因表达因子的作用〔14〕。

1987 年的一项研究首次发现CVA沉积可能促使AD的发生，主要原因在于CVA沉积可损害血脑屏障，同时导致脑血管微出血，使神经毒血清产物易进入神经纤维网，从而激发了神经退行性级联反应、NFTs形成〔1〕，然而后续研究发现，许多AD患者并没有脑血管损伤，这说明AD神经退行性病变并不受CVA沉积存在与否的影响，Aβ级联假说认为Aβ以神经炎性斑块的形式沉积下来激发了神经毒性级联反应，继而导致神经退行性病变、NFTs及 AD 的发生〔15，16〕，在过去 20几年的研究中，有关NPs的神经毒性机制并未形成一致观点，Aβ沉积可继发神经元功能障碍使许多学者怀疑这类结构是导致AD发生的主要原因〔17～19〕，但NPs与 AD和神经元损伤程度均无显著相关性〔20～22〕，所以它并非是导致AD患者神经退行性病变的主要原因，而且更重要的原因在于一些正常的老龄人与AD患者的Aβ沉积水平相同〔22〕，实验研究亦表明转基因动物脑内大量产生Aβ沉积并未引起神经退行性病变〔23〕，而且一些 APP过表达的转基因小鼠表现出神经突触和电生理异常并不依赖于Aβ沉积水平〔24〕，而这种异常可能仅仅是因为外源性 APP过表达所致，此外，一项临床研究显示，成功清除AD患者脑内Aβ沉积后，既没有改善患者的认知能力也无法阻止其精神恶化进程〔25〕，这说明NPs很可能不是AD神经退行性病变认知能力下降的根本原因，因此治疗或改善AD患者认知功能下降不能单纯通过清除脑内Aβ沉积。

2 AD神经退行性病变与Aβ肽及其寡聚体

基于Aβ肽的研究理论认为细胞内或细胞外的可溶性寡聚体为Aβ肽类毒性成分，原因在于Aβ寡聚体体外可干预神经突触可塑性，体内试验可损伤实验动物的记忆功能〔26～28〕，但这些模型所得出的结论是基于过表达APP的细胞株或转基因动物，所模拟病理条件并不适于AD，因为AD患者的APP没有明显的过表达〔4〕。另外，过表达APP的转基因动物模型其行为学异常也不能完全归因于Aβ肽类，APP代谢可产生大量衍生物，其中一些其他衍生物同样具有神经毒性〔29〕，值得一提的是，动物脑内过表达蛋白所产生的毒性通常包含其他因素，如过表达蛋白转运功能异常，因此，目前还不清楚APP转基因模型的行为学异常是否为Aβ肽单纯导致还是APP毒性代谢物的衍生物或过量的外源性APP干预细胞通路所致;更重要的是，可溶性Aβ肽类是正常人体血清及脑脊液的成分，最新研究报道甚至认为其中一些Aβ肽还具有许多有益的生物学功能〔30～32〕，而且可溶性Aβ及其寡聚体的水平与AD疾病进程也无明显相关性，也没有鉴定出的专属性的受体介导Aβ寡聚体的毒性效应，因此，Aβ及其寡聚体激发AD神经退行性病变这一理论的根本缺陷在于其与AD疾病的相关性缺乏可靠的数据支持。

由于可溶性Aβ与AD疾病缺乏相关性，这使得AD患者脑内Aβ肽凝聚并沉积形成淀粉样蛋白的原因也无法得到清晰的阐述，虽然APP表达及Aβ产生增加可促进淀粉样蛋白的形成，但这两个条件却不是AD患者脑内Aβ淀粉样沉积所必需的，如散发型AD病例中，脑内Aβ淀粉样沉积时并未伴随APP表达及Aβ产生增加，而更为合理的解释应该是神经退行性使得大脑无法将Aβ肽保持在可溶状态。假设正常人的神经元细胞可产生某种因子来抑制Aβ肽的凝集并维持其可溶性，AD使神经元无法产生这一因子或产生量降低，从而使可溶性Aβ肽凝聚并沉积，因而可溶性Aβ肽的浓度也随之降低，这一假设可能性相对较小，但与AD患者脑脊液中可溶性Aβ肽含量降低这一结论是一致的〔33，34〕，相反，转基因动物模型中 Aβ肽淀粉样变性仅仅是因为Aβ肽含量过高所致。一项新的研究报告显示APP的细胞外代谢产物可激活死亡受体DR6从而引发神经元变性，由此得出结论为APP-DR6体系可诱导AD神经元细胞死亡〔35〕，但这一结论仅能说明APP过表达的AD模型中神经元缺失的原因〔23，24，26，36〕，即 DR6 结合的 APP 片段增加可诱导神经元细胞死亡。

3 FAD突变体与Aβ

现已明确FAD涉及3组不同基因突变，分别为PS-1、PS-2和APP，其中PS-1基因突变居多，PS是γ-分泌酶功能发挥的核心〔17〕，迄今已发现FAD中有150种基因突变与PS-1有关，一般来说，PS 突变体可增加神经毒性产物 Aβ42的产生〔27，36～38〕，然而，近期研究表明，相当一部分FAD的PS-1突变并不能增加Aβ42的产生〔39～41〕，因此，不是所有的 FAD 突变体都能够促进APP向Aβ淀粉样蛋白转化，而对于PS-1的突变体而言，这一作用也是不确定的;同样，有关FAD突变体可升高Aβ42/40的值使其神经毒性增加的报道也有待进一步验证，因为许多FAD突变体并不能升高Aβ42/40的值〔40〕，虽然Swedish型FAD的APP突变体使Aβ42和Aβ40的量显著升高，但并未使Aβ42/40的值发生明显改变〔42〕，甚至有些携带PS-1突变体的FAD患者体内可溶性 Aβ 肽含量及 Aβ42/40的值均无异常变化〔43〕。Aβ42体内产生神经毒性的浓度通常在pmol/L的浓度范围，而体外可检测到Aβ42神经毒性的浓度为体内产生毒性浓度的1万倍〔33，43〕，通过对Aβ42游离态和凝聚态的体外神经毒性实验显示低于1 μmol/L浓度的 Aβ42是检测不到毒性的，相反，低浓度 Aβ42具有促进神经元细胞存活、生长及分化的作用〔30～32〕。

综上表明，FAD突变体与Aβ42的产生没有相关性，说明突变体对AD的神经退行性病变的影响与 Aβ42无关〔40〕，FAD突变体导致神经退行性病变充分说明了野生型蛋白在神经元存活方面发挥着重要作用，但FAD突变体干扰神经元细胞活动并诱导其死亡的机制并不清楚。FAD的遗传基因为显性，这与FAD突变体导致神经元毒性的假说是一致的，但因其专属性很强，不可能与众多PS-1突变体均有关联。额颞叶痴呆研究发现，progranulin突变体为显性遗传，这使得功能蛋白的产生含量相对降低(单倍剂量不足)，从而导致神经退行性病变〔44〕，然而，与之不同的是FAD中没有类似突变体能够降低功能蛋白的含量，合理解释应为FAD突变基因除导致突变等位基因失去活性外，还可能导致野生型等位基因功能丧失，如突变等位基因的蛋白产物能够与野生型等位基因蛋白产物相互作用，进而影响其功能的发挥，近期的一些研究结论初步证明了FAD的这种“等位基因干扰”机制，如FAD突变体可抑制PS的生物学功能，也抑制了PS及APP形成二聚体〔45～47〕，该机制也揭示了FAD神经退行性病变显性遗传及单倍剂量不足、突变体缺乏的原因。

PS/γ分泌酶系统不仅能够促进APP通过γ裂解形成淀粉样蛋白，也能促进许多Ⅰ型跨膜蛋白的ε裂解，其中包括APP、Notch1 受体、钙黏着糖蛋白、EphB 受体及 CD44〔14，48〕，ε 裂解发生在γ裂解位点的下游，ε裂解使可溶性细胞质肽类释放，包括细胞内底物裂解产生的羧基端片段，到目前为止，已发现20多种细胞表面跨膜蛋白和受体通过PS/γ分泌酶系统ε裂解产生可溶性多肽，这些多肽一部分移至细胞核参与基因表达的调控，一部分仍留在细胞质内调控转录因子的代谢〔14，48〕，总之，除产生Aβ肽外，γ分泌酶系统也在多种信号通路中发挥重要作用，从而实现对基因表达的调控。

研究报道显示FAD的PS-1突变体使许多细胞表面蛋白无法进行γ分泌酶ε裂解，如APP、Notch1受体、钙黏着糖蛋白及EphB受体，相应也减少了羧基端多肽的产生〔49～51〕，这一结论支持了FAD突变体可加速神经退行性病变这一假说〔52，53〕，然而，除PS外，功能性γ分泌酶复合物至少包含了三种其他成分，分别为 nicastrin、Aph-1 和 Pen-2〔48〕，因此，FAD 患者中，当与这3种成分缺乏时，就很难说FAD所产生的神经退行性病变与γ分泌酶的活性有关，一些实验研究也证实，在PS中，除γ分泌酶的蛋白水解功能外，还具有γ分泌酶非依赖功能，如激活细胞通路 PI3K/Akt和 MEK/ERK〔54，55〕、调控糖原合激酶及钙稳态〔56～58〕，而许多FAD的PS-1突变体还具有干扰γ分泌酶非依赖功能的作用，这充分说明FAD的神经退行性病变及tau蛋白的过度磷酸化尚存在其他机制〔55，59，60〕。总之，过去十几年的研究揭示了PS-1的专属性生物学功能，这一功能同时也受到FAD突变体不同程度的抑制作用，如能进一步揭示其机制是否为等位基因干扰有关将非常有意义。

4 FAD与APP

APP为SP和CVA的前体蛋白，与PS同样与FAD的疾病进程密切相关，目前，在APP的基因位点已发现近20种致病性基因突变，其中一些突变位于APP中Aβ序列的两端，Aβ初始序列未发生改变;另外一些突变则发生在APP残基692～694的Aβ序列上。后者使Aβ初始序列发生变化，导致神经功能紊乱，但不同于AD，如发生在APP693上的突变可促进Aβ肽聚集形成淀粉样沉积，但不会导致Aβ产物增加，该致病基因携带者导致一种严重的综合征，即遗传性脑出血，并伴有Dutch型淀粉样变性，由于血管内淀粉样蛋白的沉积不断增多导致反复脑出血〔61〕，这些患者通常没有痴呆症状，也不产生 NPs和NFTs，因此，这该疾病不属于AD，而发生在APP残基692～694上的基因突变则与AD相关，但通常也不会使Aβ产物增加，也不会使 Aβ42/40的值发生变化〔62，63〕，而一般认为，导致痴呆的APP基因突变发生在Aβ序列之外同时神经毒性产物Aβ增加，因此这一说法与一些研究结论不符，如London型APP转基因突变Aβ产物量低于Swedish型APP突变，但前者产生Aβ的毒性较强〔64，65〕，总之，这些差异使得导致AD的因素复杂化，如APP调节死亡受体等生物学功能〔35〕可能对于揭示APP突变基因加速FAD神经退行性病变机制更有意义，某些早发型FAD家族含有一对编码APP的基因位点，这说明可能APP过表达量恰好好在50%时产生神经毒性〔66〕。有关AD神经毒性机制很可能与细胞外APP衍生物对细胞的功能死亡〔35〕及APP的β羧基端片段导致DS和AD的细胞内吞功能障碍有关，但更为明确的机制还有待深入研究〔67〕。

5 小结

综上，AD的发病机制与Aβ无直接或间接的相关性，目前仍然无法清晰地揭示AD神经退行性病变的机制，例如AD累及多种神经递质系统，但无法解释为何胆碱能系统的损伤最为严重，也不清楚ApoE、年龄进程及FAD突变基因等因素是如何专属性地损伤某一神经递质系统的，虽然抗氧化和抗炎药物不能对AD的痴呆进程有明显的改善，但诸如氧化应激、炎症等环境因素也可能促使AD神经元细胞死亡〔68，69〕，AD发生时可检测到相当数量的神经元缺失或损伤，神经元一旦缺失或损伤是很难恢复的。而从大多数散发型AD病例来看，将发病原因归结为遗传和环境因素存在其合理性，FAD与散发型AD临床表现及神经病理学特征极为相似，其中后者发病率高，而目前只有FAD的突变基因是唯一确定的致病因素，这些突变基因为散发型AD的细胞及分子机制研究提供了最佳模型，因此，用于研究FAD机制的方法同样有助于散发型AD的研究。

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