认知功能障碍相关基因的研究进展

林月蓉综述， 林献忠审校

认知功能障碍相关基因的研究进展

林月蓉综述， 林献忠审校

认知(cognize)是指人脑接受外界信息，经过加工处理，转换成内在的心理活动，从而获取知识或应用知识的过程。它包括记忆、语言、视空间、执行、计算和理解判断等方面。认知功能障碍(cognitive dysfunction)是指上述几项认知功能中的一项或多项受损，并影响个体的日常或社会能力，可表现为学习或记忆障碍、失语、失认、失用、痴呆、精神或神经活动改变等。认知功能障碍发生的影响因素有很多，如器质性疾病、年龄、教育水平、基因、精神疾病等。如今随着基因检测技术的提升，对基因与疾病的研究越发深入，基因可能诱发或者延缓认知功能障碍的发生，且与术后认知功能障碍(postoperation cognitive dysfunction，POCD)也有相关性，现就基因与认知功能障碍的相关性进行综述。

1 载脂蛋白E(Apolipoprotein epsilon，APOE)

APOE位于19号染色体，由299个氨基酸残基构成，主要在肝脏和脑组织中产生合成，广泛分布于血浆乳糜微粒、极低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白β中。Utermann等于1975年首次发现APOE基因具有多态性，分别为APOEε2、APOEε3、APOEε4[1]，可形成三种纯合子(ε2/ε2，ε3/ε3，ε4/ε4)和三种杂合子(ε2/ε3，ε2/ε4，ε3/ε4)共六种APOE基因表型。它通过与受体相互作用参与脂类的转化、代谢及传输过程，同时在神经修复方面也有重要作用。

APOEε4已被证明为晚发型阿尔茨海默病(LOAD)的独立危险因素[2]。Jenny等对181例LOAD患者和181例正常对照者进行病例对照研究探究多种基因与阿尔茨海默病的关系时也证实APOEε4是LOAD的危险因素，可致LOAD的发病年龄提早[3]。而APOEε4基因与一般认知功能的关系仍存在争议。Davies等做了一个样本量为53949的全基因组关联Meta分析，表明APOEε4与一般认知功能间存在显著关联[4]。Richard等发现在未患有痴呆或轻度认知功能障碍的人群中，APOEε4影响年龄相关性记忆的表达，APOEε4携带者在60岁前即出现记忆减退[5]。另外还有研究学者对APOEε4携带者和未携带者进行了神经心理学检测，发现两者间智力水平、语言记忆、非言语实践记忆、认知处理速度无明显差异，而在执行能力方面APOEε4携带者较未携带者差，APOEε4携带者需要更多的时间去完成连线测试B(TMT-B)[6]。而Shinyan的研究则表明在老年人中，携带APOEε4者比未携带者认知功能差，相反地，在年轻人中，携带APOEε4者有更好的认知功能[7]。

APOEε4基因与阿尔茨海默病的相关研究目前也正在进行，Chen等对75例老年人进行了认知功能评估、静息态功能磁共振成像扫描和弥散张量成像扫描，其中35例APOEε4携带者、40例未携带者。影像学结果显示APOEε4携带者的白质网络连接效率出现了广泛下降，旁海马区域的连接效率减低，从而对APOEε4携带者的记忆力造成了影响[8]。Risacher等从ADNI数据库中抽取了594例参与者，其中APOEε4阳性者217例，APOEε4阴性者377例，对他们脑组织β淀粉样蛋白沉积(Aβ)、脑脊液β淀粉样蛋白1-42(Aβ1-42)数据进行统计分析，发现APOEε4阳性者较APOEε4阴性者全大脑皮质Aβ沉积明显而脑脊液中Aβ1-42减少，这说明APOEε4可促使脑组织Aβ沉积[9]。但Yen Ying Lim等在对84例血液高β淀粉样蛋白(Aβ)水平的老龄人进行了长达54 m的研究发现APOEε4携带者的记忆能力较未携带者明显下降，此研究排除了脑组织Aβ沉积致认知减退的因素，这意味APOEε4引起的阿尔兹海默症和记忆减退不仅仅是由其对A?沉积的影响所致，还有其他的作用机制[10]。

APOEε4不仅与正常人认知功能、AD的发病相关，同时也与POCD密切相关。有研究表明，APOEε4与术后1 w POCD即短期POCD的发生风险呈显著相关，而并不增加长期POCD发生的概率[11]。Cai等进一步对APOEε4与不同麻醉方术后功能间关系的研究指出，对于单纯吸入麻醉的患者，APOEε4携带者术后认知功能与未携带者有显著差异，而全凭静脉麻醉的患者，无论是否携带APOEε4基因术后认知功能无显著差异[12]。Karsten等发现对于心脏手术术后的APOEε4阳性患者5 y后认知功能恢复程度较APOEε4阴性患者差，而对于非心脏手术，APOEε4基因与认知功能的变化无显著关系[13]。Hanne等对APOEε4与非心脏手术后认知功能障碍的相关性研究也为阴性结果，但是他们认为此结论是由于样本量过小导致，术后认知功能障碍的患者数较预期少，影响了统计结果[14]。所以目前而言，就APOE基因与POCD间相关性仍存在异议，需要进一步的验证。

2 线粒体外膜转运酶40基因(TOMM40)

TOMM40位于第19号染色体，其编码一种蛋白即线粒体外膜转运酶40，参与蛋白质进入线粒体的转运过程，而线粒体是哺乳动物细胞内唯一含有DNA的细胞器，是ATP产生的重要场所，为细胞活动提供能量。TOMM40表达异常将导致线粒体功能障碍，组织中氧自由基增多，造成脑组织损伤。

TOMM40内含子6的rs10524523位点具有多态性，根据重复T序列(poly-T)的长度分为S型(T≤20)，L型(T=21-29) 和 VL型(T≥30)。国外相关研究报道指出TOMM40rs10524523位点poly-T重复序列的长度与晚发性阿尔兹海默症的发病年龄有关，VL poly-T与LOAD的早发病有关，而相对的S poly-T人群LOAD发病年龄较晚[15]。TOMM40(rs10524523)不仅影响LOAD的发病年龄，Johnson等通过测量个体语言记忆能力还发现其可显著减低APOEε3/ε3健康中老年人的认知功能[16]。由于TOMM40毗邻APOE基因，并与其连锁不平衡遗传，且通常而言APOEε4与L poly-T相关联，APOEε3与S/VL poly-T相关联，遂为了排除APOE基因对认知功能的影响，研究TOMM40是否为认知功能的独立影响因素，Kathleen等对APOEε3/ε3的个体进行了TOMM40 rs10524523重复T序列的长度及认知功能的检测，发现S/S组的记忆力、注意力、执行能力都显著强于S/VL组[17]。Richard等进一步探索了APOE与TOMM40之间的关系对认知功能的影响，指出在小于60岁的人群中TOMM40对认知功能的影响大于APOE，而对大于60岁的人群则相反[18]。但也有研究表明，TOMM40(rs10524523)对阿尔茨海默病发病年龄的影响并不能排除来自邻近基因的影响[19]。所以TOMM40对认知功能影响的独立性还需要进一步更可靠的证据来证明。

3 KLOTHO(KL)基因

KL基因于1997年由Kuro从衰老表现的模型小鼠中成功克隆，人体中也存在KL基因，位于第13号染色体(13q12)，全长50kb，由5个外显子构成。其可通过选择性拼接产生两种蛋白产物，一种为膜型klotho蛋白，另一种为分泌型klotho蛋白，人的分泌型klotho蛋白全长549个氨基酸残基，在多个器官、组织中存在，如血清、大脑、海马、肾脏等。分泌性klotho蛋白在大鼠体内不仅可以保持血管完整性、减少炎症反应，还能够通过提高细胞解毒有害活性氧的能力，来提高生物体对氧化胁迫的抗性，后者在人类细胞中也可以出现[20，21]。KL基因对主动脉粥样硬化、心血管事件风险、骨质疏松情况等都有影响，目前已有研究证实分泌型klotho蛋白是一种抗衰老调节激素[22]。

目前研究发现KL基因对认知功能有影响。Nagai等通过对野生型和KL基因变异型小鼠的研究表明小鼠海马组织KL基因的表达减少可能是导致小鼠认知功能受损的一个重要危险因素，在他们的研究中还发现7 w大的KL基因变异型小鼠出现视觉识别记忆和联想恐惧记忆受损，而6 w大的KL基因变异型小鼠这些记忆能力并无减退，这说明KL基因变异对记忆的损伤与年龄相关，而且主要影响长期记忆，而非短期记忆[23]。

KL基因影响认知功能的机制目前尚不明确，有研究发现KL基因在哺乳动物细胞中具有抗氧化应激能力，尿液中8-羟化脱氧鸟苷含量是氧化损伤DNA的生物标志物，KL基因过表达小鼠尿液8-羟化脱氧鸟苷的水平是野生型小鼠的一半，这意味KL基因过表达可以减少DNA氧化应激损伤[21]。同样的，Nagai通过对野生型和KL基因缺失型小鼠进行研究发现6～8 w的KL基因缺失型小鼠其大脑皮质细胞DNA氧化损伤增加，给予KL基因缺失型小鼠抗氧化剂维生素E喂养后新物体识别实验小鼠对新奇物体偏爱性较未予维生素E组增加，而野生型小鼠无明显变化，而且维生素E使KL基因缺乏型小鼠缩短的冷冻时间增加[23]。因此，KL基因改善小鼠认知功能的原因可能与其抗氧化作用有关。

KL基因有400多个单核苷酸多态性(SNPs)，不同基因型对认知功能也有不同的效应，目前研究最多的是KL-VS，其由6个SNPs构成，位于外显子2附近，Dubal等对3个独立样本共718人进行研究发现KL-VS无痴呆和认知功能减退的携带者比未携带者血浆中KL基因水平高且认知功能更好，而且KL-VS是独立于年龄、性别、APOEε4的认知功能影响因素[24]，但Jonas对1480位92～100岁的丹麦人进行研究却得出了一个相反的结论，携带KL-VS基因的老年人认知功能较未携带者低[25]。

白雪松等对全麻下行胃癌根治术的30例老年患者进行术前、术后血浆klotho蛋白含量测定和简易智力评分量表(MMSE)评估后发现POCD组klotho蛋白明显下降(P<0.05)，而未发生POCD组术后klotho蛋白含量虽有下降但与术前相比没有显著意义[26]。

4 脑源性神经营养因子基因(Brain-derived NeurotrophicFactor，BDNF)

BDNF于1982年由德国生物学家Barde从猪脑中分离出，发现其有促进神经细胞增殖、再生、突触重塑及调节神经递质的释放等作用。人类的BDNF编码基因位于11号染色体短臂llpl3，由11个外显子组成，其在骨、软骨组织、中枢神经系统等广泛存在，尤其是在中枢神经系统的海马区与大脑皮质含量最高。BDNF在中枢及外周神经发育过程中促进神经元存活、分化并防止其死亡，是中枢与外周神经系统神经元维持正常生理功能的必须条件。有研究报道当BDNF基因编码区第66位密码子鸟嘌呤-腺嘌呤(G-A)碱基置换所致缬氨酸被蛋氨酸替代后，即BDNF Val66Met，会损害BDNF的正常合成与释放，导致记忆功能低下及海马的异常激活[27]。有学者在小鼠基因中敲入一个人类无功能的BDNF突变基因(Val66Met)后，发现其海马体及前额皮质中树突的功能减退，Val66Met基因阻碍了编码BDNF的mRNA在突触内的运输，影响突触的形成与成熟[28～30]。

Buchman等为了探究BDNF基因表达是否与老龄人认知功能减退相关，对500多例老龄人进行了背外侧前额皮质BDNF基因表达的检测、认知功能减退的程度以及可能的尸检，发现BDNF基因高表达可减缓认知功能减退的速度，而与轻度认知功能障碍和认知功能正常的老龄人相比，痴呆患者认知功能减退的速度减缓最明显[31]。

5 补体受体1基因(CR1)

CR1基因位于1q32，含有38个外显子，长约133kb，其翻译产生的补体受体1是一种单链多态性膜糖蛋白，相对分子质量160～260kDa，是补体激活调节蛋白超家族的一员。施万细胞表面的CR1基因可通过补体激活限制作用保护有髓鞘神经纤维免受各种补体分子和炎症因子的损伤，防止脱髓鞘性疾病的发生。

近年来有很多研究表明CR1-rs6656401、CR1-rs3818361与年龄相关性认知功能减退有关。Lambert等进行全基因关联研究发现CR1基因多态性是高加索人LOAD的遗传易感因子，其中位点rs6656401和rs3818361单核苷酸多态性可提高LOAD的发病风险[32]。

Shea等对1689例无认知功能障碍的中老年个体进行了纵向调查，结论与Lambert等的相符，CR1基因rs3818361与认知功能有显著性关系，多态性可增加认知功能减退的风险[33]。Lori等经过多年的研究亦发现CR1基因rs6656401AA/AG型与总体认知功能减退相关(P=0.011)，且排除APOEε4的影响后，此关系仍存在(P=0.02)，CR1基因rs6656401AA/AG型可加速情节记忆、语义记忆、知觉能力、视觉空间能力的减退[34]。

6 神经限制性沉默因子(Neuronal Restricted Silencing Factor，NRSF)

NRSF位于人类染色体4q12，长度约35kb，包含3个外显子和4个内含子。NRSF能结合于一个被称为神经限制性沉默元件(neuron-restrictive silencer element，NRSE)的DNA片段上，从而在转录水平抑制许多与神经元功能及发育相关的基因的表达，而存在NRSE的基因大多与神经的功能及发育有关。

NRSF在早期胚胎发育和神经发育中起重要作用，对神经元的可塑性和突触生长等方面有重要影响，从而造成人认知能力的变化[35]。Miyajima等的研究发现NRSF的4号外显子中48bpVNTR与人类的一般认知功能存在相关性，并且4个重复片段个体表现出相对较好的认知功能[36]。

7 总 结

认知功能障碍的发生是多因素相互作用的结果，基因只是其中的一个危险因素，本文阐述了 APOE、TOMM40、KLOTHO、BDNF、NRSF、CR1与认知功能障碍包括术后认知功能障碍的相关性，并且随着越来越多的研究进行及基因检测技术的提高，越来越多与认知功能有关的基因将不断被发现，对认知功能障碍的发病机制也会新的突破，为预测认知功能障碍的发生及其防治提供可能。

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1003-2754(2017)11-1038-04

Q34

2017-07-25；

2017-09-11

2015福建省卫计委医学创新课题(2015-CX-22)

(福建医科大学附属第一医院，福建 福州 350004)

林献忠，E-mail：lxzyjs@fjmu. edu. cn