中枢胰岛素信号与β-淀粉样蛋白稳态研究进展

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(南华大学医学院生理教研室，湖南 衡阳 421001)

·文献综述·

中枢胰岛素信号与β-淀粉样蛋白稳态研究进展

金鑫，田绍文*，侯立力*

(南华大学医学院生理教研室，湖南 衡阳 421001)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)的主要神经病理特征表现为β-淀粉样蛋白(Aβ)堆积形成的老年斑和Tau蛋白过度磷酸化形成的神经纤维缠结。临床研究发现糖尿病患者并发AD的风险显著增高，提示胰岛素信号异常可能是诱发AD的重要机制之一。本文从胰岛素信号与Aβ稳态的角度探讨了胰岛素信号异常在AD发生发展中的作用。

阿尔茨海默病； 胰岛素； β-淀粉样蛋白； Tau蛋白

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是以进行性记忆等认知功能减退为主要特征的神经退行性疾病。随着全球人口老龄化进程的加速，AD已经成为发病率最频繁的神经退行性疾病之一，给患者个人、家庭与社会带来严重的经济和社会负担[1]。AD的临床表现通常包括记忆、视觉空间技能和复杂认知的损伤以及进行性全身性适应功能破坏[2]。截至目前，AD发生发展的神经病理机制并未完全阐明，临床上用于AD治疗药物仅能缓解而不能逆转或治愈AD症状[3]。因此，阐明AD的神经病理机制以寻找新型、有效、低毒的治疗药物一直是一个巨大的挑战。β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)堆积形成的老年斑和Tau蛋白过度磷酸化形成的神经纤维缠结是AD的主要神经病理特征。近年来，临床研究发现糖尿病患者并发AD的风险显著增高，提示胰岛素信号异常可能是诱发AD的重要机制之一[4]。本文从胰岛素信号与Aβ的角度探讨了胰岛素信号异常在AD发生发展中的作用。

1 中枢Aβ生理与毒性作用

Aβ是β-淀粉样前体蛋白(APP)水解产生的多肽，可由低密度脂蛋白受体相关蛋白1运出大脑；Aβ也可在外周合成，通过糖基化终产物相应受体进入中枢。Aβ透过血脑屏障的双向运输以及由金属蛋白酶介导的Aβ清除作用使Aβ维持在一定的浓度范围内[5]。在一定浓度下可溶性Aβ主要是单体状态，因此寡聚体主要在局部位置(如细胞膜)和病理条件下产生。在体外，Aβ的多种组装形式如原纤维、环形结构、小核、淀粉样派生扩散性配体及球状体已有研究报道[6]；在体内，研究表明与淀粉样斑块相比，可溶性Aβ寡聚体与痴呆的程度关系更为密切。

近年来的研究结果表明，生理浓度的Aβ在神经元突触传递与突触可塑性调节过程中发挥着重要作用。Kamenetz及其同事首次报道，Aβ在激活的神经元内分泌量增加，并能调节兴奋性突触传递[7]；APP裂解酶基因敲除小鼠在Aβ生成降低后出现行为学损伤[8]和突触功能异常[9]。纳摩尔剂量的Aβ能够增强大鼠海马的突触可塑性和记忆能力[10]。急性Aβ处理能可逆增加海马活性突触的数量，而持久抑制Aβ清除则导致海马活性突触数量的降低[11]，表明Aβ对海马突触功能的调节依赖于Aβ生成与清除之间的动态平衡。另一方面，非生理浓度的Aβ可发挥神经毒性作用。研究表明Aβ天然寡聚体处理海马细胞可阻断突触传递功能，并快速可逆地干预习得性行为的记忆过程[12]。此外，其它实验也证实了Aβ寡聚体的神经毒性，如合成或天然Aβ处理细胞，过表达APP培养细胞以及APP转基因小鼠实验等[13]。与淀粉样斑块相比，可溶性Aβ寡聚体与AD有更紧密的联系[14]，表明寡聚体是Aβ发挥神经毒性的主要存在形式。上述研究结果表明，Aβ稳态调节在Aβ生理与毒性过程中发挥着关键性作用。

2 中枢胰岛素信号

研究表明，中枢胰岛素信号在神经元存活、突触形成、神经递质受体转运、突触传递及突触可塑性调节等过程中发挥着重要作用[15]。中枢胰岛素主要有两个来源，一是外周胰腺β细胞合成分泌的胰岛素通过血脑屏障转运至脑内；二是海马、前额叶及嗅球等部位神经元也能合成分泌胰岛素。中枢胰岛素受体分布广泛，如在啮齿动物的嗅球、大脑皮层、边缘系统、海马、下丘脑和小脑中均有胰岛素受体表达[16]。与外周胰岛素受体不同，中枢胰岛素受体分子量较低且具有不同的糖基化位点；此外，胰岛素过量并不能引起中枢胰岛素受体表达下调，表明中枢与外周胰岛素受体表达可能存在不同的调控机制。有研究表明，上述差异可能与胰岛素受体mRNA的选择性剪接及翻译后修饰有关[17]。胰岛素受体基因含22个外显子，外显子11的选择性剪接可产生两种胰岛素受体亚型：A亚型主要分布于造血细胞、胎儿组织和神经组织等；B亚型主要分布于肝脏、脂肪组织和肌肉组织等。A亚型受体与胰岛素的结合能力高于B亚型且A亚型受体具有更快的内化和循环能力[18]。

与外周受体相似，中枢胰岛素受体也是由两个胞外α亚基和两个跨膜β亚基组成的异四聚体。胰岛素与α亚基结合后，引起β亚基酪氨酸残基的自磷酸化，进而诱导特异支架蛋白的募集。胰岛素受体招募的主要支架蛋白是胰岛素受体底物1/2(IRS-1/2)和Shc。IRS-1/2负责大部分的中枢胰岛素和胰岛素样生长因子信号的多种效应，其中IRS-1在大脑皮层和海马有大量分布，而IRS-2主要分布于弓状核和海马部位[19]。研究发现，胰岛素可通过诱导IRS-1和IRS-2多处位点的磷酸化实现对下游信号的精细调节。磷酸化修饰的IRS-1/2酪氨酸残基是调节合成代谢和胰岛素促生长功能等相关蛋白的停泊位点；而IRS-1/2的丝氨酸苏氨酸残基的磷酸化对胰岛素信号通路既有正向和负向的调节作用，也有两者的结合效应。其中被丝氨酸激酶磷酸化的下游信号通路包括mTOR，S6K及非典型的PKCζ[20]。研究表明能够激活胰岛素受体的蛋白主要诱导PI3K/Akt通路和Ras/ERK通路的信号级联传导[21]。PI3K/Akt信号主要参与代谢功能，即脂质和蛋白质的合成。Ras/ERK信号主要介导细胞存活，增值和基因的表达。

3 中枢胰岛素信号对Aβ稳态调节

大量动物与临床研究结果表明，中枢胰岛素信号异常是AD病变的一个重要特征之一[15]。中枢胰岛素信号异常可在多个环节上影响Aβ的稳态。

3.1胰岛素水平与Aβ稳态胰岛素能直接参与Aβ代谢和清除进而影响Aβ稳态。研究表明，胰岛素降解酶(Insulin Degrading Enzyme，IDE)在胰岛素调节Aβ稳态过程中发挥着重要作用。IDE在大脑，肝，肾脏以及肌肉组织均有高水平表达，其表达受胰岛素调节；胰岛素通过激活PI3K信号通路增加IDE表达水平[22]。IDE主要通过降解Aβ参与Aβ的稳态调节；IDE水平降低可影响Aβ的清除率，进而导致Aβ稳态的失衡。临床研究发现，AD患者脑组织中IDE的mRNA水平、蛋白含量及活性均显著下调，提示IDE与AD的发生发展密切相关。动物研究表明，IDE基因敲除小鼠中Aβ水平显著升高[23]。Tg2576转基因胰岛素抵抗模型小鼠海马和大脑皮层内IDE水平及活性显著降低而Aβ水平显著增加[22]。进一步研究表明，胰岛素和胰岛素样生长因子似乎共同参与调节脑内Aβ的水平，而改变其相互作用可能会促进Aβ的寡聚化。胰岛素亦可通过PI3K促进APP代谢和增加APP的分泌率。此外，胰岛素能够增加APP/Aβ从反面高尔基网向细胞膜的转运进而降低Aβ在细胞内的堆积[24]。

3.2胰岛素受体水平与Aβ稳态胰岛素在其受体水平依旧参与调节Aβ。研究表明AD中的胰岛素抵抗是Aβ寡聚物引起的，即Aβ寡聚物下调了神经元膜表面的IRs[25]。另外，激活IR能够通过IDE促进Aβ寡聚物向Aβ单体转化[26]。Aβ单体在发育神经元营养不足的情况下能够促进神经元的存活，并保护成熟神经元对抗兴奋性毒性死亡。该两种效应都是由胰岛素受体激活PI3K通路调节。在胰岛素所激活的生存信号通路中，如ERK1/2信号通路和PI3K信号通路[27]，Aβ单体特异激活PI3K导致Akt磷酸化和促进Akt底物GSK-3β Ser9位点的磷酸化，从而抑制GSK-3β激活。GSK-3β的抑制能够通过各种机制促进细胞存活，其机制之一就是下调β-链蛋白的降解从而激活保护基因的转录，因此神经元中Aβ单体能够引起β-链蛋白快速和大幅度增加[28]。通过抑制GSK-3β，Aβ单体能够降低Tau蛋白磷酸化水平，该作用与Tau蛋白O-GlcNAc糖基化修饰(O-GlcNAcylation)有关。而O-GlcNAcylation过程依赖糖代谢，脑内糖代谢降低与Tau蛋白病变可能导致了该过程的下降。至于Aβ能否通过神经元的糖供应来增加Tau蛋白O-GlcNAcylation有待进一步研究。

4 AD中Aβ对胰岛素信号系统的影响

Aβ本身也可以影响胰岛素信号通路。研究证实Aβ多肽能够降低胰岛素结合和受体自磷酸化，表明Aβ是胰岛素结合与发挥作用直接的竞争性抑制剂[29]。近期报道体外培养细胞试验中Aβ能够通过下调IRs引起胰岛素抵抗[30]。这些发现提示Aβ可能在AD患者脑中影响神经元的胰岛素信号。Aβ寡聚体处理培养海马神经元以及侧脑室注射Aβ寡聚体，都能在多个丝氨酸残基位点增加IRS-1的磷酸化[31]。Aβ寡聚体也能结合海马神经元，移除胞膜表面的IRs，导致IRs的数量下降及其对胰岛素的反应降低[32]。研究证实在AD患者脑内，IRs聚集于细胞内，而在正常脑内IRs都分布在神经元胞体和轴突膜上[33]。胰岛素处理能够完全阻断Aβ寡聚体引起的膜表面IRs受体丢失及随后的突触棘减少[34]。Aβ通过损伤ERK和PI3K信号导致胰岛素抵抗。Aβ寡聚体与聚和物能够结合IRS-1导致胰岛素信号损伤。胰岛素信号损伤通过抑制PI3K/Akt导致Tau蛋白过度磷酸化及增加GSK3β激活。GSK抑制的下降是由于PI3K水平降低可激活GSK3α亚基，并通过γ-分泌酶刺激Aβ的生成。Aβ寡聚物能够异常激活肿瘤坏死因子-α(TNFα)，mTOR和JNK，进而阻碍胰岛素信号IRS-1抑制位点的磷酸化和引起胰岛素抵抗[33,35]。AD大脑尸检分析发现了JNK的升高，IRS-1磷酸化抑制的增加[32]和mTOR的激活[36]。研究显示在Aβ处理的细胞和人AD大脑中，Aβ激活JNK，导致c-jun磷酸化增加及AP-1的激活[37]。这些细胞信号通路激活后导致IRS-1丝氨酸位点的磷酸化，特别是Ser312和Ser612位点的磷酸化能够导致下游胰岛素信号抑制及胰岛素抵抗[31,33]。胰岛素抵抗和Aβ堆积两种之间的相互催化导致了AD的发展。在生理状态下更好理解胰岛素与Aβ间相互连接的分子通路能够深入阐述病理下AD功能受损的分子通路。

5 结 语

随着社会步入老龄化期，AD和DM患病率将会持续增长。目前研究已经证实，AD与DM拥有共同的细胞和分子机制。由于胰岛素信号参与各种生理和病理性脑功能，因此胰岛素信号通路与AD病理的相互作用关系将更显复杂。进一步研究两者间的机制将为AD的治疗提供新策略及实质性突破。

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10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.05.025

2015-01-13；

2015-06-20

国家自然科学基金项目(81171281) (Project of National Natural Science Foundation of China，81171281).

*通讯作者，E-mail:tsw.neuro@126.com,75194172@qq.com.

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(此文编辑：蒋湘莲)