不同形态脑源性神经营养因子与阿尔茨海默病关系研究进展

许曼玉 综述，许志强 审校

(陆军军医大学第三附属医院(野战外科研究所)神经内科，重庆 400042)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是中枢神经系统的进行性退行性变性疾病。AD的特点是认知功能下降，包括进行性远、近记忆力障碍，分析判断能力下降、日常生活能力下降、精神情绪改变、行为障碍、意识混乱模糊等。典型的AD患者大脑的神经病理学变化主要包括：Tau蛋白过度磷酸化形成神经纤维缠结，β淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)沉积形成老年斑。研究表明，脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)及其前体即脑源性神经营养因子前体(brain-derived neurotrophic factor precursor，proBDNF)在中枢神经系统退行性疾病起重要作用，尤其是AD。近年来脑源性神经营养因子前肽(BDNF propeptide，pBDNF)已显示出与proBDNF具有相似的功能，在AD的发生和发展中起着重要作用。本文主要总结BDNF、proBDNF及pBDNF的表达、功能及其在AD发病中的作用。

1 BDNF、proBDNF及pBDNF的表达

BDNF首先被合成前体物质proBDNF，后被纤溶酶和基质金属蛋白酶(MMPs)裂解，MMPs包括MMP3、MMP7、MMP9等。proBDNF也能在细胞内被激素原转化酶和弗林蛋白酶(Furin)裂解，以释放出成熟的BDNF(mBDNF)和BDNF前肽段(pBDNF)。

在内质网合成proBDNF后，神经元主要以诱导型分泌方式将含有proBDNF的囊泡转运至树突或轴突末端，分别通过L型和N型钙离子(Ca2+)通道调节释放。proBDNF集中存储在海马神经元突触前末端的致密中心囊泡中，并通过突触活动释放。BDNF被顺行性运输通过海马CA3区到达CA1区、基底前脑、杏仁核，这些部位都是AD患者大脑中发生神经元纤维退行变性的区域。proBDNF与BDNF广泛存在于中枢神经系统内，包括海马、下丘脑、灰质后角表层、三叉神经核、孤束核、杏仁复合体等神经末梢处，同时他们也存在于一些周围神经组织内。

pBDNF与BDNF及proBDNF一样，在兴奋性突触前的致密中心囊泡中储存与运输，离体海马神经元中发现，pBDNF也以诱导型方式分泌。研究表明，晚期胚胎与出生后早期小鼠体内pBDNF水平微乎其微，出生5 d后，小鼠脑内可以检测到pBDNF的存在。小鼠1月龄左右时，pBDNF水平急剧增加，在成年期(3～9月龄)pBDNF进入平台期不再产生明显变化[1]。proBDNF在生长期脑内水平较高，成年期脑内则是mBDNF与pBDNF含量更加丰富，甚至在成年人脑内pBDNF水平是proBDNF的10余倍[2-4]。

2 BDNF、proBDNF及pBDNF的作用

2.1BDNF的作用 在神经元内，BDNF主要与酪氨酸蛋白激酶受体B(tyrosine kinase receptor B，TrkB)结合，激活细胞内信号通路，包括有丝分裂蛋白激活酶(Ras/mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI-3-K/AKT)信号通路、磷脂酶C(phospholipase C，PLC)信号通路，产生下游信号影响神经元。TrkB是一种参与细胞再生、存活和N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptors，NMDARs)NMDA的磷酸化的特异性高亲和力受体。当BDNF与TrkB结合时，它促进细胞增殖、分化和存活，并有助于增加多种神经元的兴奋性，BDNF也促进突触形成、突触传递。大脑中BDNF的合成对突触可塑性有独特作用，突触通路的使用或不使用会导致神经元之间连接加强或减弱，从而导致轴突和树突棘的突触增加或减少。长时程增强作用(long-term potentiation，LTP)是影响突触连接的重要因素，BDNF对此起关键作用。

LTP是一种持久的增强现象，发生在两个神经元信号传输中。LTP是广泛认可的与学习记忆关联的突触可塑性的最佳模型，也是陈述性记忆的形成机制。研究证明，当BDNF水平缓慢升高，TrkB信号通路持续激活时，可导致LTP升高，神经突触活动及学习记忆过程加强[5]。相反，诱导发生LTP的兴奋刺激也可促进BDNF基因的表达，空间记忆引发的刺激也可促进BDNF基因的表达，进而再次促进LTP并形成良性循环。除此之外，BDNF还和晚期时相型长时程增强(late phase long term potentiation，L-LTP)有着特殊的关系。例如，L-LTP可以诱导强θ波，促进皮层和海马神经元中BDNF的合成与释放。BDNF减少会抑制L-LTP，BDNF水平的增加是维持L-LTP所必需的。

作为离子型谷氨酸受体，NMDAR在突触传递和突触可塑性的调节中起重要作用，特别是对于LTP，一种可能的学习和记忆机制。NMDA受体分子由两个GluN1亚基和两个GluN2亚基或GluN3亚基组成，TrkB能够通过调节GluN2B亚单位的磷酸化来调节NMDA功能，正常的BDNF mRNA水平的调控也通过胆碱能神经的支配和NMDA受体完成。BDNF基因表达和cAMP应答元件结合蛋白(CREB)的活动由Ca2+通过突触NMDA受体诱导发生。相反，Ca2+穿过突触外NMDA受体，诱发谷氨酸释放或者缺氧/缺血状态，导致占优势地位的CREB通路关闭，阻碍BDNF表达。由此可见，BDNF、TrkB受体、NMDA受体三者相互作用、相互影响，共同促进学习记忆能力，它们在神经元的保护及神经元突触可塑性的调节中起重要作用。

2.2proBDNF的作用 proBDNF主要通过与p75神经营养因子受体(p75 neurotrophin receptor，p75NTR)[6]和Sortilin受体复合物[7]结合介导细胞凋亡。Sortilin在前体神经生长因子诱导的神经细胞凋亡过程中有重要作用，当缺失p75NTR或者Sortilin的时候，凋亡过程被阻滞。这表明proBDNF是通过与Sortilin/p75NTR复合受体作用，从而引起神经元凋亡。p75NTR是属于肿瘤坏死因子家族的非特异性低亲和力受体，参与细胞凋亡，它介导AD的多种病理过程，例如Aβ神经毒性和老年斑产生、沉积和清除。proBDNF的作用与BDNF相反，它通过p75NTR信号通路诱发细胞凋亡。proBDNF具有神经毒性作用：抑制神经细胞生存、突触结构瓦解，加速感觉神经元凋亡，减缓小脑颗粒细胞迁移，抑制感觉神经元和运动神经元神经突触生长，在神经元的生长分化过程中，它影响特定区域的选择性凋亡。proBDNF可通过p75NTR，促进长时程抑制(1ong term depression，LTD)，或裂解为mBDNF促进L-LTP。细胞膜上NMDA的亚基NR2B参与proBDNF诱导LTD，当NMDA的NR2B亚基活性被特异性抑制时，LTD被阻断。也有研究表明proBDNF可能诱导LTP，起双相调节作用。proBDNF可通过减少丝状伪足的数量及缩短长度来改变生长锥形态和运动。proBDNF还通过与p75NTR结合来促进不活跃的末端回缩，而mBDNF与TrkB结合，促进活跃末端的稳定存在，其在神经元突触连接中起重要作用。新生小鼠小脑颗粒细胞迁移定位中，proBDNF与p75NTR一起抑制新生细胞迁移，mBDNF可促进迁移[8]。proBDNF的以上作用可被其前结构域抗体中和。

2.3pBDNF的作用 既往认为，pBDNF只作为一种分子伴侣参与BDNF蛋白的正确折叠，近年研究表明pBDNF本身具有重要作用。YANG等[9]发现，pBDNF在C6神经胶质瘤细胞中表达，pBDNF抑制C6细胞增殖，促进C6细胞凋亡。ANASTASIA等[1]研究表明，当人类BDNF基因存在单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)时，原本第66号密码子上的缬氨酸(valine)可被置换为蛋氨酸(methionine)，Met-pBDNF能够快速改变神经元的形态，并作为配体诱导神经元生长锥收缩与破坏，Val-pBDNF对生长锥没有明显作用。同时还发现p75NTR是触发pBDNF信号所必需的受体，但pBDNF仅与SorCS2受体结合，在生理情况下，p75NTR与SorCS2复合物是存在的。由此猜测，Met-pBDNF/SorCS2复合物以某种方式激活p75NTR，诱导生长锥收缩。ANASTASIA等[1]同时还发现，Val-pBDNF能够促进海马LTD，Met-pBDNF则抑制海马LTD。Val-pBDNF与NMDA结合，促进GluA2亚单位的内化从而促进LTD，并且pBDNF成功占用NMDA受体，防止它再与其他配体结合。这说明Val-pBDNF是NMDA受体的上游信号分子并调控神经元可塑性。GUO等[10]证明Val-pBDNF通过线粒体通路与caspase-3途径减少海马神经元树突棘密度，并再次证明pBDNF虽未与p75NTR直接结合，但p75NTR是pBDNF负调节中不可缺少的成员。以上研究结果表明，生理情况下，成年期脑内pBDNF含量多于proBDNF，而且具有与proBDNF相似的凋亡作用。

3 BDNF、proBDNF及pBDNF与AD的联系

3.1BDNF在AD发生、发展中的作用 多项研究证实，BDNF mRNA与蛋白在AD患者脑内含量明显低于健康人，即使在轻度认知功能障碍阶段，BDNF水平也会降低，并与认知水平呈正相关。AD患者脑内的TrkB受体mRNA与蛋白也被发现有不同程度降低。

研究表明，Aβ能够抑制proBDNF的蛋白水解过程，影响突触间信号的传递，从而减少BDNF产生。除此之外，由于AD患者大脑内乙酰胆碱神经元功能受损和Aβ积聚，导致氧化应激反应和炎症，氧化应激通过细胞内钙的升高直接损害神经元。小神经胶质细胞被激活产生炎症，炎性细胞因子可以阻断BDNF的产生[11]。Aβ可以损伤轴突运输、突触功能、直接下调BDNF表达及合成等[12]，这些都与BDNF的生成、分泌、运输有关，因此在AD患者脑内可以明显发现BDNF水平下降，与Aβ的毒性作用密切相关。同时，发现Aβ促进缩短型TrkB受体mRNA的产生并促进全长TrkB受体的分解[13]，阻碍BDNF/TrkB多种下游信号通路，因此Aβ能够在多个方面损害BDNF与TrkB，导致AD患者脑内BDNF水平下降。相反，BDNF能够改善Aβ引起的神经损伤，例如突触密度下降、突触营养不良，神经元固缩和海马萎缩。AD患者脑中的Aβ沉积是导致BDNF减少的关键因素，脑内高水平BDNF可以减缓认知功能下降速度和AD的病变进展[14]。

Tau是一种微管相关蛋白，具有很高的含磷量，高表达于中枢神经系统的神经元中，并参与神经元可塑性和神经网络形成。高度磷酸化的Tau蛋白是AD患者的标志性神经病理学改变，Tau蛋白结构和功能变化导致轴突长度和功能变化，促进AD患者神经元的退化，损伤患者的认知记忆功能。过量或者发生病理改变的Tau蛋白能够抑制BDNF产生，不需要Tau蛋白发生基因突变或者形成神经纤维缠结(neurofibrillary tangle,NFT)，就能产生神经毒性[15-16]。实验证明BDNF可以迅速降低Tau蛋白磷酸化，Trk抑制剂可以破坏去磷酸化过程，表明BDNF和TrkB可使Tau蛋白去磷酸化。可以看出，低水平的BDNF和Tau蛋白过度磷酸化与AD病理变化密切相关。

BDNF Val66Met基因多态性与多种神经精神疾病相关，并且还与AD相关。Met等位基因携带者具有较低的认知功能并影响细胞中BDNF的转运和分泌。影像学研究显示，Met等位基因携带者且ApoEε4携带者在脑中的Aβ沉积比普通人更多[17]。Met等位基因可作用于散发性AD患者和常染色体显性遗传性AD患者，影响突触兴奋性、神经元完整性，减少Aβ相关记忆功能，海马萎缩，海马葡萄糖代谢减少，脑脊液中Tau蛋白和磷酸化Tau蛋白增加[18]。Met基因携带者与普通个体相比，脑容量下降，颞叶结构变薄，这与AD患者情况相似[6]。

3.2proBDNF在AD发生、发展中的作用 多项研究表明，不仅AD患者，同时在精神分裂症、重度抑郁症[19]、双相情感障碍、长期慢性压力[20]等患者外周血或脑脊液中，都有不同程度的BDNF水平降低，proBDNF水平升高。这不仅反映proBDNF调控神经细胞凋亡和功能障碍，还反映了不同形式BDNF在神经精神疾病发病机制中的比例关系。笔者前期研究发现，proBDNF抑制新生颗粒细胞迁移；proBDNF抑制海马齿状回神经元的形成，损伤小鼠的学习记忆能力[21]；proBDNF能与p75NTR结合，抑制神经元轴突生长，加重小鼠脑内Aβ沉积，加重小鼠学习记忆能力的损伤[22]。加入p75NTR抗体后，发现Aβ的产生与沉积减少，这与阻碍proBDNF的作用相关。生物体内p75NTR可被肿瘤坏死因子α转化酶作用后，从细胞表面释放胞外段(p75ECD)。p75NTR在AD中具有两面性。一方面p75NTR调控Aβ的产生与神经毒性。另一方面，p75ECD作为生理性保护因子对抗Aβ的产生、沉积、神经毒性。AD患者及AD转基因鼠的大脑中p75NTR含量增高，p75ECD下降，从而脑脊液中p75ECD水平也显著下降。外源性Val-proBDNF能调节突触可塑性，抑制LTP，促进LTD，然而Met-proBDNF对LTP和LTD均无作用，也不增强突触的削弱信号，因此它在老年个体中起着保护因子的作用[23]。

3.3pBDNF在AD发生、发展中的作用 研究表明，pBDNF在重度抑郁症、精神分裂症、双相情感障碍患者的顶叶皮层及肝脏内水平明显上升，在小脑与脾脏的水平显著降低，表明pBDNF在精神疾病的病理发展中起重要作用[24]。在AD患者的海马标本中，pBDNF水平是健康人的16倍，而pBDNF/BDNF比值是健康人的30倍；Aβ1～42寡聚体蛋白可导致人类神经母细胞瘤细胞凋亡，凋亡率为20%～30%，当同时加入Met66 pBDNF时，细胞死亡率明显提高，但单独加入Met66 pBDNF时对细胞生存率无显著影响。这说明Met pBDNF与Aβ1-42寡聚体蛋白具有协同毒性作用[25]。由此可见，pBDNF在AD的发生、发展过程中，不仅本身具有神经毒性作用，而且能够与Aβ一起发挥协同毒性作用，加重AD患者神经元损伤，加速患者认知功能下降，导致AD患者病情持续恶化。

4 小 结

3种不同形式的脑源性神经营养因子：BDNF、proBDNF、pBDNF三者平衡失调在AD甚至其他神经退行性疾病中各自起着不同且不可或缺的作用；BDNF作为保护性分子，不仅有利于神经元的生长，还能起到延缓AD病情进展的作用。而proBDNF与pBDNF，能够明显促进神经元凋亡与抑制细胞生长，但他们在AD患者病情中起到的准确作用有待于更深层次的研究。