胆固醇代谢通路相关基因与Alzheimer’s病相关性的研究进展

赵琼，柏峰

·综述·

胆固醇代谢通路相关基因与Alzheimer’s病相关性的研究进展

赵琼，柏峰

Alzheimer’s病(AD)是最常见的老年期痴呆，表现为渐进性认知、功能、行为退化，以老年斑、神经纤维缠结为主要病理特征。2010年中国AD患者已高达569万，预计到2050年患病人数将是目前4倍[1]。目前AD病机不明，尚无根治措施，已经成为严重的社会公共卫生问题。

AD患者尸检研究[2]发现，约有90%的患者在生前存在动脉粥样硬化等血管疾病。Pappolla等[3]认为，外周血高胆固醇水平会增加AD发病风险。基础研究[4]发现，长期给予高胆固醇饮食导致淀粉样蛋白(Aβ)在家兔的CNS中广泛积聚，而去除饮食中的胆固醇可以阻止这一病理现象的发生。临床研究[5]进一步证实，他汀类药物通过降低胆固醇水平可抑制痴呆的进展。因此，胆固醇分布及代谢异常可能影响AD的发生，且该通路被认为是多种基因共同参与、综合作用的结果。本文旨在综述胆固醇代谢通路相关风险基因在AD发病机制中的可能作用。

1 胆固醇颅内代谢

胆固醇参与细胞膜构成，同时是重要的信号分子，对维持生物膜的结构和功能有重要作用。CNS占人体总体质量的2%，但拥有人体中25%的胆固醇。脑内胆固醇主要分布在神经元、胶质细胞及髓鞘之间的质膜中。由于外周的胆固醇无法通过血-脑屏障(BBB)，脑内胆固醇主要由乙酸盐在星形胶质细胞中合成。

在星型胶质细胞中游离胆固醇(FC)由醋酸盐结合载脂蛋白E(ApoE)通过ATP-结合盒(ABC)输出。神经细胞通过低密度脂蛋白受体(LDLR)控制FC-ApoE复合体。在晚期胞内FC被释放向质膜脂质筏。过多的FC一部分被转化为24-羟胆固醇后被分泌；一部分被乙酰辅酶A胆固醇酰基转移酶(ACAT1)转化为胆固醇脂储存在细胞质内；最后一部分通过ATP-结合盒A1(ABCA1)合成载脂蛋白A1(ApoA1)流出到CSF。这一胆固醇通过ABCA1流出途径受Aβ分泌调控。Aβ产物的抑制会升高细胞内胆固醇水平及减少胆固醇外流。β淀粉样前蛋白(APP)裂解形成Aβ，并在脂质筏释放。Aβ结合ApoE后可被LDLR相关蛋白1(LRP1)调控。部分脑内Aβ是由晚期糖基化终末产物受体通过BBB流入，此流入途径不依赖ABCA1[6]。

由此可见，APP运输、溶蛋白性裂解及其裂解产物Aβ的聚集与毒性作用等AD核心病理过程均与生物膜有关，受到胆固醇代谢调节。

2 胆固醇代谢相关基因在AD中的作用

多中心独立全基因组关联研究(GWAS)、大样本荟萃分析及AlzGene数据库提示， ApoE、丛生蛋白(CLU)、ABC转运蛋白7抗体(ABCA7)、分拣蛋白相关受体1(SORL1)、胆固醇酯转运蛋白(CETP)、胆固醇24-S羟化酶(CYP46A1)、ABCA1、LDLR等脂质代谢相关基因亦与AD有关[7-13]。

2.1 ApoE ApoE是重要的的载脂蛋白之一，编码基因位于染色体19q13.2，编码三种等位基因ε2、ε3和 ε4。Strittmatter等[14]于1993年首次发现ApoE ε4基因是散发性AD(LOAD)的主要风险因素。进一步研究发现，ApoE ε4基因与LOAD发病风险性具有量效关系，即携带一个ApoE ε4等位基因将增加3倍AD的患病风险，而携带两个ε4将增加12倍AD的患病风险，并且ε4可使发病年龄年轻化。相反，ApoE ε2对AD具有保护作用，在三种基因型中ε2最为罕见。

ApoE在CNS中参与调控脂质代谢、胆固醇转运、神经可塑性、炎症反应等过程。细胞学研究发现，ApoE与Aβ 结合可直接影响可溶性Aβ的清除和聚合[15]，同时与各种受体(如LRP1)的相互作用可间接调控Aβ的代谢[16]。动物模型研究[17]发现，ApoE参与Aβ沉积、神经炎性斑块形成等AD核心病理过程。神经病理学[18]及神经影像学[19]提示，ApoE ε4携带者与非携带者相比，促进和增加了Aβ的沉积。可见基因遗传学、细胞学、动物学和人类相关研究均提示ApoE通过APP依赖的方式影响AD的发病。

2.2 CLU CLU又称为载脂蛋白J(ApoJ)，是一种压力激活伴侣蛋白，主要作用于细胞凋亡、补体调控、脂质运输、膜保护及细胞间相互作用[20]。编码基因位于染色体8p21.1。近年发表的多项大样本GWAS研究[7,21]提示，CLU与AD发病机制密切相关。CLU与ApoE可能存在共同作用机制，如涉及类似分子通路。

CLU多个单核苷酸多态性(SNPs)与AD发病危险性相关，包括rs11136000、rs7982、rs9331896、rs9331888及rs2279-590[7,21]。研究[21]认为，rs9331888与选择性剪接转化的相关性，而rs9331888和rs11136000与外周血中CLU水平有关[22-23]。外周血CLU水平可能与大脑萎缩程度、疾病的严重程度、疾病进程有关。

CLU mRNA在AD患者脑内表达水平升高，并在Aβ中被发现[24]。CLU基因敲除小鼠可较早或更为广泛的出现Aβ沉积[25]。而Bertram等[26]研究提示，CLU可促进Aβ清除。CLU也与补体系统功能相关，CLU调节膜攻击复合物，通过补体激活阻止炎性反应[20]。神经影像学提示，CLU基因携带者与非携带者相比，表现为多脑区体积呈进行性下降，且其萎缩程度与外周血中丛生蛋白(LC)的水平相关[27]，提示CLU在AD疾病的早期可作为生物标记物的可能。另外，Desikan等[28]认为，CLU在Aβ相关脑萎缩过程中具有独立作用，在AD早期神经退变过程中起重要作用。

2.3 ABCA7 ABCA7是ABC转运体超家族成员之一，其主要功能为转运基质通过细胞膜[29]。编码基因位于染色体19p13.3。ABCA7在海马的CA1神经细胞中表达，在小胶质细胞中10倍水平表达。

GWAS研究[8,30]发现，ABCA7 SNPs与AD发生有关，如rs3764650和rs4147929。在AD患者大脑中，ABCA7 rs3764650与神经炎性斑块相关[30]。ABCA7可将脂质从胞内流出形成脂质蛋白微粒，ABCA7基因敲除影响小鼠脂质稳态，进而增加Aβ沉积[31]。体外实验[32]中，ABCA7促进胆固醇流出并抑制Aβ分泌。ABCA7通过C1补体通路调节巨噬细胞吞噬凋亡细胞[33]，增加ABCA7的表达也增加小神经胶质细胞吞噬凋亡细胞、合成基质以及Aβ清除[31,33-34]，可见ABCA7通过将胆固醇转运至ApoE或通过清除Aβ聚合物影响AD发病危险性。

2.4 SORL1 SORL1又称为低密度脂蛋白受体相关配体11(LR11)，属于空泡分拣蛋白(Vsp10p)受体家族及LDLR受体家族。SORL1是一种约束脂蛋白的受体，与囊泡从细胞膜转运物质至高尔基体内质网过程相关，属ApoE相关受体，通过胞吞途径调节脂蛋白的摄取[35]。编码基因位于染色体11q23.2。

基因组学相关研究[9,36-37]提示，SORL1 SNPs与AD发病危险性相关，包括rs11218343、 rs1784933、rs117260922、rs143571823、rs2298813和 rs2070045。一个家族相关研究[36]显示，白种人群中SORL1存在两个罕见SNP变异(rs117260922-E270K和rs143571823-T947M)增加Aβ40和Aβ42的分泌，一个常见变异(rs2298813-A528T)增加Aβ42的分泌，均被认为编码增加AD发病几率的有害蛋白。 Louwersheimer等[37]发现，SORL1 SNP rs2070045-G 等位基因与CSF tau水平及海马萎缩相关。体外实验[38]发现，SORL1调节APP参与胞吞途径，在Aβ生产过程中起重要作用。病理研究发现，SORL1与APP代谢异常相关[39]，而SORL1基因敲除小鼠表现显著Aβ沉积[40]。SORL1 mRNA 在AD患者大脑中表达水平降低[41]。SORL1在管理APP裂解及ApoE的摄取可能对维持脑内信息功能至关重要。可见SORL1可能通过参与Aβ清除、tau蛋白生成等过程影响AD的发生。

2.5 CETP CETP是一种疏水等离子体糖蛋白，在调节胆固醇脂转移中有重要作用。CETP在三酰甘油从高密度脂蛋白(HDL)到极低密度脂蛋白转运过程中，提供平衡交换条件以及调节HDL水平[42]。编码基因位于染色体16q21。

研究[43]表明，CETP SNPs rs708272和rs5882在增加AD发病风险起决定性的作用。尤其一项大样本白种人CETP基因相关荟萃分析[11]显示，CETP rs5882与增加AD易感性相关。另有研究[44]显示，CETP rs5882通过增加神经炎性斑块影响AD发病的危险性。同时，CETP与人体HDL胆固醇水平循环明确相关。HDL对去除细胞内超载胆固醇必不可少，发挥潜在的抗动脉粥样硬化作用(如从外周血逆向转运胆固醇至肝脏)。然而，降低高胆固醇细胞中HDL胆固醇水平会促进Aβ产生以及老年斑沉积，从而增加AD的发病风险[45]。可见CETP可能通过参与Aβ沉积及神经炎性斑块等AD核心病理过程影响AD的发生。

2.6 CYP46A1 CYP46A1属于细胞色素P450超家族，是一种重要的胆固醇代谢酶，编码基因位于染色体14q31.1。

目前CYP46A1基因多态性(如rs8003602，rs3783320，rs7157609，rs754203)是否增加AD风险仍有争议[46,12]。一项大样本荟萃分析[12]显示，rs754203依赖ApoE ε4增加危险性。神经元内胆固醇代谢平衡主要依靠自身合成和代谢，神经系统内过剩的胆固醇需要通过CYP46A1转化成为24-S羟胆固醇(24OH)，而24OH有神经毒性作用。CYP46A1主要在大脑内表达，最重要的功能是调节富脂细胞膜胆固醇转移，从而抑制脂质筏β-分泌酶活性阻断Aβ生成通路，在AD神经变性过程起作用。最新研究[47]支持CYP46A1通过抑制细胞内APP转运从而抑制Aβ的生成。CYP46A1基因敲除小鼠表现出对空间、联想和运动功能严重缺陷[48]，而在水迷宫测试中CYP46A1超表达小鼠模型与对照组相比空间记忆力有显著改进[49]，可见CYP46A1可能为AD保护基因。

2.7 ABCA1 ABCA1是ABC转运体超家族成员之一，调控胆固醇流出与APOA1与ApoE等脂质自由受体结合而不是与大部分HDL微粒结合[50]。编码基因位于染色体9q31.1。

目前ABCA1基因多态性(如s2230806、rs4149313、rs2230808)与AD是否存在遗传相关性尚有争议[50]。基于此结果的一项大样本荟萃分析[51]显示，ABCA1与AD无相关性。病理学研究[52]也发现，rs2230806和rs1800977与大脑组织中淀粉样沉积物无关联。但是，一项基于中国汉族人群研究[53]表明，ABCA1 rs2230806表达较高水平HDL胆固醇及APOA1，其中K等位基因携带者可能有降低AD风险的作用。ABCA1对于AD可能是保护基因。

ABCA1参与调控脑内细胞胆固醇流出与游离载脂蛋白结合过程。ABCA1对AD的最大意义在于其对ApoE的酯化及稳定功能。实验室及临床数据[15]提示，ApoE涉及Aβ聚集、毒性、清除等过程。动物实验数据[54]显示，ABCA1基因敲除小鼠模型增加薄壁组织Aβ。相反，ABCA1基因超表达小鼠模型表现较少的Aβ[55]。因此，ABCA1作为ApoE的调控器，很有可能参与AD发病过程。

2.8 LDLR LDLR是大脑中ApoE-脂蛋白颗粒代谢的主要受体，主要调控LDL胆固醇代谢。编码基因位于染色体19p13.2。

人体LDLR基因缺乏可引起家族性高胆固醇血症，小鼠LDLR基因缺乏将升高胆固醇水平并导致动脉粥样硬化[56]。LDLR基因敲除小鼠大脑中ApoE增加，但海马及CSF中胆固醇水平不受影响[57]。Katsouri等[58]在AD模型小鼠实验中发现，缺乏LDLR基因促进星型胶质细胞及小神经胶质细胞增生，增加Aβ沉积，此过程不依赖ApoE途径，认为可能与神经炎性反应相关。在LDLR超表达小鼠模型中，ApoE水平降低50%～90%，Aβ聚合减少，细胞间隙Aβ清除增加，LDLR转基因小鼠神经炎性斑块反应减弱[59]。这些发现提示升高LDLR水平可能对AD提供可能的治疗策略。

3 总结及展望

目前GWAS研究及其相关荟萃分析在LOAD遗传学已取得重要突破，ApoE、CLU、ABCA7、SORL1、CETP、CYP46A1、ABCA1、LDLR等胆固醇代谢相关基因影响AD的发生。其中基因变异直接或间接参与Aβ途径、神经炎症反应、内吞作用、补体级联反应、tau蛋白异常磷酸化等病理过程：(1)多基因共同作用改变胆固醇水平及分布，从而影响AD的发生风险，可评估基因多态性与血浆脂蛋白水平的遗传相关性进一步揭示基因的效应。(2)各基因在AD及胆固醇代谢过程的作用环节具有差异性，如ApoE和CLU可通过与Aβ结合而影响其聚合和裂解过程；SORL1可通过调节APP参与胞吞作用影响Aβ的生成。(3)ApoE ε4是目前LOAD唯一确定的危险基因，其他基因可能通过影响ApoE ε4的功能参与AD的发病。如CLU是ApoE的同系物，涉及相似的分子通路，LDLR和SORL1是ApoE的受体，CYP46A1调节ApoE ε4表达增加AD发病危险性。总之，胆固醇代谢在AD发病机制中起重要作用，但胆固醇代谢通路相关基因在AD发生过程中的确切生物学机制函待进一步探究。

[1]Chan KY, Wang W, Wu JJ, et al. Lancet, 2013, 381: 2016.

[2]Bangen KJ, Nation DA, Delano-Wood L, et al. Alzheimers Dement, 2015, 11: 394.

[3]Pappolla MA, Bryant-Thomas TK, Herbert D, et al. Neurology, 2003, 61: 199.

[4]Sparks DL, Scheff SW, Hunsaker JC, et al. Exp Neurol, 1994, 126: 88.

[5]Solomon A, Kivipelto M, Wolozin B, et al. Dement Geriatr Cogn Disord, 2009, 28: 75.

[6]Allinquant B, Clamagirand C, Potier MC. Curr Opin Clin Nutr Metab Care, 2014, 17: 319.

[7]Harold D, Abraham R, Hollingworth P, et al. Nat Genet, 2009, 41: 1088.

[8]Hollingworth P, Harold D, Sims R, et al. Nat Genet, 2011, 43: 429.

[9]Bertram L, Lange C, Mullin K, et al. Am J Hum Genet, 2008, 83: 623.

[10]Lambert JC, Ibrahim-Verbaas CA, Harold D, et al. Nat Genet, 2013, 45: 1452.

[11]Chen JJ, Li YM, Zou WY, et al. DNA Cell Biol, 2014, 33: 807.

[12]Li L, Yin Z, Liu J, et al. J Neurol, 2012, 260: 1701.

[13]Olgiati P, Politis AM, Papadimitriou GN, et al.Int J Alzheimers Dis, 2011，2011: 832379.

[14]Strittmatter WJ, Saunders AM, Schmechel D, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 1993, 90: 1977.

[15]Kim J, Basak JM, Holtzman DM. Neuron, 2009, 63: 287.

[16]Verghese PB, Castellano JM, Garai K, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013, 110: E1807.

[17]Fagan AM, Watson M, Parsadanian M, et al. Neurobiol Dis, 2002, 9: 305.

[18]Rebeck GW, Reiter JS, Strickland DK, et al.Neuron, 1993, 11: 575.

[19]Reiman EM, Chen K, Liu X, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009, 106: 6820.

[20]Jones SE, Jomary C. Int J Biochem Cell Biol, 2002, 34: 427.

[21]Lambert JC, Heath S, Even G, et al. Nat Genet, 2009, 41: 1094.

[22]Szymanski M, Wang R, Bassett SS, et al. Transl Psychiatry, 2011, 1: e18.

[23]Xing YY, Yu JT, Cui WZ, et al. J Alzheimers Dis, 2012, 29: 515.

[24]Allen M, Zou F, Chai HS, et al. Neurology, 2012, 79: 221.

[25]Demattos RB, Cirrito JR, Parsadanian M, et al. Neuron, 2004, 41: 193.

[26]Bertram L, Tanzi RE. Nat Rev Neurol, 2010, 6: 11.

[27]Thambisetty M, An Y, Kinsey A, et al. Neuroimage, 2012, 59: 212.

[28]Desikan RS, Thompson WK, Holland D, et al. JAMA Neurol, 2014, 71: 180.

[29]Kim WS, Weickert CS, Garner B. J Neurochem, 2008, 104: 1145.

[30]Vasquez JB, Fardo DW, Estus S. Neurosci Lett, 2013, 556: 58.

[31]Kim WS, Li H, Ruberu K, et al. J Neurosci, 2013, 33: 4387.

[32]Chan SL,Kim WS,Kwok JB,et al.J Neurochem,2008,106:793.

[33]Jehle AW, Gardai SJ, Li S, et al. J Cell Biol, 2006, 174: 547.

[34]Wildsmith KR, Holley M, Savage JC, et al. Alzheimers Res Ther, 2013, 5: 33.

[35]Yin RH, Yu JT, Tan L.Mol Neurobiol, 2015, 51: 909.

[36]Vardarajan BN, Zhang Y, Lee JH, et al. Ann Neurol, 2015, 77: 215.

[37]Louwersheimer E, Ramirez A, Cruchaga C, et al. Neurobiol Aging, 2015, 36: 1605.e13.

[38]Spoelgen R, Von Arnim CA, Thomas AV, et al. J Neurosci, 2006, 26: 418.

[39]Lee JH, Cheng R, Honig LS, et al. Neurology, 2008, 70: 887.

[40]Dodson SE, Andersen OM, Karmali V, et al. J Neurosci, 2008, 28: 12877.

[41]Sager KL, Wuu J, Leurgans SE, et al. Ann Neurol, 2007, 62: 640.

[42]Schierer A, Been LF, Ralhan S, et al. Pharmacogenet Genomics, 2012, 22: 95.

[43]Rodríguez E, Mateo I, Infante J, et al. J Neurol, 2006, 253: 181.

[44]Yu L, Shulman JM, Chibnik L, et al. Aging Cell, 2012, 11: 228.

[45]Khalil A, Berrougui H, Pawelec G, et al. Mech Ageing Dev, 2012, 133: 20.

[46]Li Y, Chu LW, Wang B, et al.J Alzheimers Dis, 2010, 21: 1311.

[47]Urano Y, Ochiai S, Noguchi N. FASEB J, 2013, 27: 4305.

[48]Maioli S, Båvner A, Ali Z, et al. PLoS One, 2013, 8: e68534.

[49]Kotti TJ, Ramirez DM, Pfeiffer BE, et al. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006, 103: 3869.

[50]Koldamova R, Fitz NF, Lefterov I. Biochim Biophys Acta, 2010, 1801: 824.

[51]Wang XF, Cao YW, Feng ZZ, et al. Mol Biol Rep, 2013, 40: 779.

[52]Cascorbi I, Flüh C, Remmler C, et al. Pharmacogenomics, 2013, 14: 485.

[53]Xiao Z, Wang J, Chen W, et al. Lipids Health Dis, 2012, 11: 163.

[54]Hirsch-Reinshagen V, Maia LF, Burgess BL, et al. J Biol Chem, 2005, 280: 43243.

[55]Wahrle SE, Jiang H, Parsadanian M, et al. J Clin Invest, 2008, 118: 671.

[56]Ishibashi S, Brown MS, Goldstein JL, et al. J Clin Invest, 1993, 92: 883.

[57]Fryer JD,Demattos RB,Mccormick LM,et al.J Biol Chem,2005,280:25754.

[58]Katsouri L, Georgopoulos S. PLoS One, 2011, 6: e21880.

[59]Kim J, Castellano JM, Jiang H, et al. Neuron, 2009, 64: 632.

国家自然科学基金(91332104，81201080)

210009 南京，东南大学医学院(赵琼)；东南大学附属中大医院神经内科(柏峰)

柏峰

R749

A

1004-1648(2017)04-0309-04

2015-10-21

2016-03-15)