阿尔茨海默病遗传及信号通路研究进展

周 阳,王啸晨 综述 严丽荣, 韩邦兴 审校

阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)病理学表现为神经元丢失、突触功能障碍、来源于淀粉前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)生成的β淀粉样蛋白(amyloid-beta peptide，Aβ)聚集沉积引起的老年斑(senile plaque，SP)和聚集的磷酸化微管稳定蛋白质(tau)引起的细胞内神经原纤维缠结(neurofibrillary tangle，NFT)[1]。依照发病年龄分为两种亚型：早发性AD(early-onset familial AD，EOAD，发病年龄<65)和迟发性AD(late-onset familial AD，LOAD，发病年龄>65)。APP和两个早老素蛋白(presenilin，PSEN)、PSEN1、PSEN2是EOAD的3个基因。载脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)为LOAD的主要危险因子。LOAD由多基因和环境相互作用引起，全基因组关联分析(GWAS)联合多人群的研究为发现LOAD风险位点提供新途径，最近30多个风险位点被鉴定。

1 EOAD基因

1.1 APPAPP是Aβ的前体。Aβ来源于APP，被β-分泌酶复合物(β-site APP cleaving enzyme 1，BACE1，也称作β-secretas1e)和γ-分泌酶复合物酶切。BACE1酶切APP，产生膜绑定C99和分泌型的sAPPβ片段，C99进一步被γ-蛋白酶酶切产生淀粉蛋白胞内区域(AICD)和Aβ[2]。正常情况下产生Aβ40；非正常Aβ42增加，Aβ42对神经元毒性更大。γ-分泌酶使APP氨基酸中苏氨酸48(T48)为初始切口，剪切则生成Aβ42；如果初始切口在亮氨酸49(L49)，则生成Aβ40。APPTM突变导致T48氨基酸发生变化，使γ-分泌酶倾向剪切产生Aβ42[3]。瞬时受体电位6(transient receptor potential canonical 6，TRPC6)能特异性调控γ-分泌酶复合物对APP的切割，减少Aβ产生，不影响γ-分泌酶复合物对Notch的剪切[4]。

1.2 PSEN(PSEN1和PSEN2)PSEN是天冬氨酰蛋白酶复合物的组成部分，是γ-分泌酶复合物催化核心，负责γ-分泌酶酶切APP。PSEN主要功能包括：① 影响APP代谢过程。PSEN调节APP蛋白水解，使Aβ蛋白释放。② 影响细胞凋亡。PSEN调控Notch和Wnt信号通路。Notch受体加工与APP酶切相似，Notch受体被γ-分泌酶酶切产生Notch胞内域(Notch intracellular domain，NICD)，NICD与转录因子作用，进入细胞核，调控基因转录。

2 LOAD基因

GWAS使在全基因组范围内寻找易感基因成为可能，许多LOAD易感基因被鉴定。这些易感基因跟免疫、内吞、胆固醇代谢、APP代谢、Aβ加工、金属离子、细胞周期、氧化应激、Ca2+失调、线粒体能量代谢障碍、突触功能障碍、中间神经元功能障碍和网络异常等有关(表1)。

2.1 免疫相关LOAD基因

2.1.1补体受体1基因(complement receptor 1，CR1) CR1位于1号染色体1q32区域。CR1含C4b和C3b补体绑定位点，参与蛋白质免疫复合物清除。CR1参与清除Aβ，在神经炎症中CR1也起作用。CR1高表达和免疫复合物高清除率有关，血浆Aβ42清除依赖于C3b绑定到CR1上。CR1通过原纤维Aβ诱导的C3补体级联反应和AD有联系。

表1 与LOAD 相关的基因

2.1.2CD33抗原(CD33 antigen，CD33) CD33位于19号染色体19q13.3区域。CD33通过自身网格蛋白依赖的内吞作用引起免疫细胞-细胞之间作用。CD33在免疫细胞中高表达，具有调节免疫、清除小胶质细胞功能。CD33通过突触传递和干预炎症，激发IL-6、单核细胞肿瘤坏死因子α(TNF-α)的释放，抑制Aβ清除，导致Aβ堆积在患者大脑中。

2.1.3EPH-A型受体1(ephrin type-A receptor 1，EPHA1) EPHA1位于7号染色体7q34区域。EPHA1属于酪氨酸激酶受体的ephrins亚家族，通过细胞间黏附作用，配体ephrins-A与EPHA1结合，使酪氨酸磷酸化，激活酪氨酸激酶，介导信号传递。EPHA1跟细胞膜过程、突触障碍、免疫系统相关，这些与AD相关。

2.1.4原钙黏蛋白(protocadherin 11 X-linked，PCDH11X) PCDH11X位于X号染色体Xq21.3区域，编码细胞外结构域(7个钙黏蛋白重复)和(RRVTF)保守基序细胞质结构域蛋白。该基序参与PCDH11X与胞浆磷酸酶、PP1α和突触可塑性。细胞质区域含一个富含丝氨酸β-连环蛋白(β-catenin)结合序列，该序列参与新神经元形成的分子信号转导。通过参与β-catenin、PP1α氧化和改变突触，PCDH11X和AD相关。

2.1.54次跨膜蛋白A基因簇(membrane-spanning 4-domains, subfamily A，MS4A) 该家族包括MS4A4A、MS4A4E和MS4A6E，3个基因都位于11号染色体11q12.2区域。MS4A编码含有4次跨膜区的蛋白，结构上类似CD20。CD20具有调节Ca2+内流，激活B-细胞抗原受体。过表达MS4A家族基因可以提高T细胞活化和促进T细胞在血脑屏障的转运，活化的T细胞与小胶质细胞相互作用使小胶质细胞激活，导致促炎症因子的释放和神经元的损伤；MS4A家族成员MS4A4B可以调控T细胞凋亡，过表达MS4A4B可降低T细胞凋亡，导致免疫系统功能障碍[5]。

2.1.6骨髓细胞触发受体2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2) TREM2位于6号染色体6p21.1区域，编码跨膜糖蛋白，与酪氨酸激酶绑定蛋白(TYRO protein tyrosine kinase binding protein，TYROBP)结合形成复合物[6]。TREM2参与小胶质细胞吞噬Aβ，在大脑中起抗炎作用，TREM2活性降低使炎症反应增强导致大脑损伤[7]。DNAX活化蛋白12(DNAX-activating protein of 12 ku，DAP12)稳定TREM2的C-端片段(TREM2-CTF)，DAP12的D50A突变导致其不能稳定TREM2-CTF，沉默TREM2或DAP12会加剧小胶质细胞中脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)引起的炎症反应[8]。APOE被鉴定为新型TREM2配体，APOE高亲和力绑定TREM2，该绑定通过原发性小胶质细胞依赖性的TREM2增加细胞吞噬。rs75932628-T中APOE绑定TREM2数量减少，引起脑内清除Aβ作用下降及脑脊液中总tau增加，导致AD[9]。

2.2 胆固醇代谢相关LOAD基因

2.2.1载脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE) APOE位于19号染色体19q13.2区域，是LOAD的重要危险因子，编码与脂质转运有关的蛋白。APOE有3个亚型(ε2、ε3和ε4)，区别在于一级结构112和158位点氨基酸不同。这些差异影响APOE蛋白结构及其与血脂、受体和Aβ绑定。APOE参与胆固醇运输到神经元，晶状体形成、突触发育、轴突导向和长时程增强。脑中APOE基因毒性机制包括特异性亚型毒性、APOEε4介导的Aβ聚集和tau过度磷酸化。CSF诱导Aβ聚集延迟和APOEε4相关，CSF依赖APOEε4阻碍Aβ42聚集，表明不是APOEε4蛋白本身而是HDL在脑脊液为延迟因子[10]。

2.2.2簇集蛋白或丛生蛋白(clusterin，CLU) CLU位于8号染色体8p21-p12区域，鉴定为载脂蛋白J(apolipoprotein J，APOJ)。CLU通过血脑屏障，主要功能为Aβ清除、脂质运输、炎症反应和细胞凋亡。CLU成为自APOEε4被鉴定以来第一个确定的LOAD易感基因。APOE将Aβ从脑转移到血浆，CLU可能与APOE共同参与Aβ在脑和血浆之间的转运[11]。

2.2.3分拣蛋白相关受体1(sortilin-related receptor 1，SORL1) SORL1位于11号染色体11q23.2-q24.2区域。SORL1编码I型跨膜嵌合蛋白，属于LRP家族，与空泡分选蛋白10家族(vacuolar protein sorting 10 protein，Vps10p)同源性很高。SORL1在LRP结构域包含低密度脂蛋白受体A类区域、β螺旋和纤连蛋白-3区域。SORL1通过其低密度脂蛋白受体A类区域的互补型重复与APP作用，使APP不能通过分泌酶剪切途径来抑制Aβ形成[12]。Glu270Lys和Thr947Met突变体在加勒比西班牙裔LOAD患者被报道，所有突变都增加Aβ40和Aβ42的分泌[13]。SORL1可能是一个敏感因子而不是一个决定性基因。

2.2.4ATP结合盒转运A7(ATP binding cassette 7，ABCA7) ABCA7位于19号染色体19p13.3区域。在巨噬细胞中ABCA7 mRNA和蛋白质表达均受脂质浓度调控(LDL诱导、HDL抑制)。体外ABCA7抑制Aβ分泌和刺激胆固醇外流。ABCA7表达受固醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory element binding protein，SREBP)调控，表明ABCA7参与吞噬作用。ABCA7敲除的APP转基因小鼠吞噬细胞使Aβ聚集成二聚体或三聚体，表明ABCA7的敲除减弱吞噬细胞清除Aβ能力。ABCA7也参与调控APP的加工进程[14]。

2.3 内吞相关LOAD基因

2.3.1α2巨球蛋白(alpha2 macroglobulin，A2M) A2M位于12号染色体12p13.3-p12.3区域。A2M编码一种蛋白酶抑制剂，介导Aβ的降解和清除。A2M基因突变增加Aβ沉积，增加AD风险。A2M通过以下途径和AD相关：A2M和Aβ相互作用阻止Aβ纤维生成；A2M和Aβ复合物促进A2M绑定的Aβ清除与降解；A2M和Aβ复合物引起其受体LRP介导的内吞作用，运输Aβ到溶酶体从而降解Aβ。

2.3.2磷脂酰肌醇结合网格蛋白装配蛋白(phosphatidylinositol binding clathrin assembly protein，PICALM) PICALM位于11号染色体11q14区域。PICALM参与囊泡相关膜蛋白2(vesicle associated membrane protein 2，VAMP2)的运输，在内吞、记忆形成和突触融合起重要作用。PICALM调控Aβ绑定LRP-1及运输Aβ到RAB11和Rab5，引起Aβ内皮细胞跨膜转运和清除[15]。PICALM缺陷小鼠没有明显的神经系统表型，但铁代谢异常，表明PICALM涉及APP加工。过表达PICALM的转基因小鼠Aβ沉淀增加，表明PICALM调节APP内化及随后Aβ产生，导致大脑Aβ增加。

2.3.3组织蛋白酶D(cathepsin D，CTSD) CTSD位于11号染色体11p15.5区域，编码天冬氨酸溶酶体蛋白水解酶，体外表现类似γ-和β分泌酶活性。通过自噬或内吞介导的蛋白质水解CTSD调控神经细胞稳态。Aβ、亨廷顿蛋白(huntingtin)和α-突触核蛋白都是CTSD底物。CTSD的活性与胆固醇和糖胺多糖代谢有关，从而和神经细胞可塑性有关[16]。CTSD通过剪切APP，参与Aβ清除，抑制其积聚、纤维化和Aβ的生成，缓解AD病情。AβPP/PSEN1小鼠小脑的THP-1细胞中CTSD的下调显著降低Aβ清除能力，过表达CTSD可以恢复Aβ清除能力[17]。

2.3.4桥联整合蛋白(bridging integrator 1，BIN1) BIN1位于2号染色体2q14.3区域，参与受体介导的突触小泡内吞作用。BIN1调节tau蛋白影响AD，敲除果蝇AMPH(BIN1同源基因)将抑制tau蛋介导神经毒性。BIN1也参与转运、内吞、炎症反应、大脑免疫、细胞凋亡和瞬时钙电位。大脑中SORL1、HLA-DRB5-DRB1、ABCA7、BIN1和SLC24A4的甲基化与病理AD相关，SORL1和ABCA7转录与tau蛋白缠绕密度有关，BIN1转录和Aβ负相关[18]。BIN1敲除将损害内涵体运输，降低BACE1溶酶体降解，增加BACE1水平导致Aβ增加[19]。

2.3.5动力绑定蛋白(dynamin-binding protein，DNMBP) DNMBP位于10号染色体10q24区域。DNMBP具有GTPase活性，调控运输动力蛋白到肌动调节蛋白上，聚集在突触中。大鼠脑中突触囊泡群周边DNMBP密度非常高，DNMBP与突触丰富蛋白质共定位，突触囊泡群是网格蛋白介导的内吞和突触前肌动蛋白集中区域。

2.3.6CD2关联蛋白(CD2 associated protein，CD2AP) CD2AP位于6号染色体6q12.3区域。CD2AP参与受体介导的内吞及负责调节肌动蛋白细胞骨架，内吞可改变脂质的内稳态及APP加工处理，这解释了CD2AP多态位点rs9349407或与之连锁的位点可导致LOAD患病风险。CD2AP基因敲除小鼠溶酶体功能受损，表明CD2AP调控囊泡运输到溶酶体。PS1APP小鼠大脑中敲除CD2AP导致Aβ42/Aβ40比例降低，然而单拷贝的CD2AP的表达并不影响Aβ沉淀和聚集，表明CD2AP影响Aβ水平和Aβ42/Aβ40比例，对Aβ代谢影响微弱[20]。

2.4 其他功能LOAD基因

2.4.1结合生长因子受体蛋白2相关结合蛋白2(GRB2-associated binding protein 2，GAB2) GAB2位于11号染色体11q14区域。在中枢神经系统中，GAB2抑制GSK-3(glycogen synthase kinase-3)激活和减少tau磷酸化，降低NFTs形成。GAB2抑制tau蛋白过度磷酸化，阻止AD发生，相反在神经组织中GAB2抑制后，tau蛋白聚集增加。

2.4.2尿纤溶酶原激活物(plasminogen activator urinary，PLAU) PLAU位于10号染色体10q22.2区域，编码尿激酶型纤溶酶原激活剂(urokinase-type plasminogen activator，uPA)，将无活性的纤溶酶原转化为有水解酶活性的纤溶酶，纤溶酶涉及APP加工和Aβ清除。AD患者大脑皮质和海马纤溶酶水平降低表明纤溶酶的下调可能是导致AD患者大脑中Aβ沉积的原因。PLAU过表达可提高血纤溶酶含量，防止Aβ对大脑的神经毒性，表明PLAU可能是AD的候选风险因子。

2.4.3非受体型酪氨酸蛋白激酶1(tyrosine kinase, non-receptor 1，TNK1) TNK1位于17号染色体17p13.1区域。TNK1调控细胞增殖、生存和发育，在Ras-Raf1-MAPK通信号通路中起负调控功能。TNK1促进TNF-α诱导的细胞凋亡。因此TNK1可能调控TNF-α通路和神经细胞死亡。

2.4.4钙平衡调节蛋白1(calcium homeostasis modulator 1，CALHM1) CALHM1位于10号染色体10q24.33区域。CALHM1表达和活化诱导Ca2+内流，引起细胞外Ca2+浓度降低，胞内Ca2+浓度升高。线粒体上也存在Ca2+通道，突变的CALHM1引起线粒体Ca2+超载。P86L多态位点损害细胞膜及核膜Ca2+通透性，增加胞质和核Ca2+浓度，激活caspases 3和7途径抑制ERK/CREB通路，增加Aβ脆弱性[21]。CALHM1敲除小鼠大脑中胰岛素降解酶(insulin degrading enzym，IDE)活性降低，大脑和神经元中Aβ浓度增加[22]。缺乏CALHM1的小鼠无法释放ATP给大脑传递味觉信息，CALHM1最初认为负责控制细胞内Ca2+水平，现在很可能在大脑等区域参与ATP介导的细胞间通讯[23]。

2.4.5线粒体外膜转移酶40(the outer mitochondria membrane 40 homolog，TOMM40) TOMM40位于19号染色体19q13区域，距离APOE约15 kb，对于蛋白质进入线粒体起重要作用，其可变长度多态性可预测LOAD发病年龄。TOMM40的异常使核编码蛋白质运输到线粒体受阻，引起线粒体功能障碍，导致产生大量氧自由基，影响脑功能。

此外，GWAS发现INPP5D、PTK2B、MEF2C、FERMT2、SLC24H4-RIN3、NME8、CUGBP -CELF1、CASS4、ZCWPW1、HLA-DRB5-DBR1和PLD3也与LOAD有关[24]。

3 AD的信号通路

除了淀粉蛋白假说外，免疫炎症、APP代谢(酶切和运输)、Aβ加工(产生、聚集和清除)、突触功能障碍、内吞、氧化应激、血管假说、胆固醇代谢、细胞周期、Ca2+失调、线粒体能量代谢等与AD相关。最近Palop提出中间神经元功能障碍和网络异常学说[25]。胰岛素信号通路受损、糖代谢失控、氧化应激、蛋白加工异常和炎症途径刺激在AD和2型糖尿病(T2DM)是共同特征，因此Rani et al[26]认为AD是一种特异性脑糖尿病状态。

APP合成后被BACE1酶切生成分泌型的sAPPβ片段和C99。PSEN酶切C99产生Aβ和AICD。APP回收再循环通路中，APP和SORL1结合，APP-SORL1复合物被VPS35、VPS26和VPS29组成的回收复合物运输到内涵体-高尔基体。PICALM参与APP内吞途径、突触融合和触小泡膜检索，在APP回收中起作用。一旦Aβ产生，单个Aβ聚集形成二聚体、三聚物、低聚物、原纤维和大的不溶纤维，随后淀粉蛋白斑、营养不良和突触功能异常等AD症状出现。

Aβ激活小胶质和星形胶质细胞，包括补充系统和氧化应激。CR1有C3b和C4b补体绑定位点，在神经炎症起重要作用。CLU与APOE共同参与Aβ在脑和血浆之间的转运，CLU也参与脂质运输、细胞凋亡和炎症反应。A2M在细胞质中和APOE作用形成复合物；A2M及其受体LRP1都涉及到脑部Aβ的清除。在神经膜胆固醇新陈代谢中，CLU、APOE、ABCA7和SOR1起着重要作用。高浓度的胆固醇可以增加APP淀粉化过程，导致膜损伤；此外损伤的胆固醇代谢导致突触功能异常。GAB2抑制GSK3相关的tau蛋白磷酸化和促进神经/神经胶质细胞增殖，GAB2在阻止NFTs形成和神经元丢失中起重要作用。

Ca2+稳态及信号通路中相关因子与AD密切相关。CALHM1多态位点损害细胞膜及核膜Ca2+通透性，增加细胞质和核内的Ca2+。胞内Ca2+上升，通过钙蛋白酶(calpain)引起tau过度磷酸化，形成NFTs。CALHM1的激活引起IDE分泌加速，促进Aβ清除，降低细胞外的Aβ。线粒体上也存在Ca2+通道，过多的Ca2+被线粒体吸收，导致氧化应激反应及细胞凋亡。PSENs作为内质网中Ca2+通道，PSENs突变增加内质网内Ca2+的释放，引起胞质中Ca2+聚集，通过细胞膜Ca2+通道内流的或者内质网释放的Ca2+可以增加Aβ的产生。此外，细胞中Ca2+增加通过激活ERK信号通路导致细胞核转录区域增殖细胞周期凋亡。

氧化应激在AD通路中也起重要作用。AD中过氧化氢酶酶活减弱，导致H2O2积累，在金属离子存在的情况下发生Fenton反应，形成羟基自由基(·OH)。·OH导致脂质、核酸和蛋白质氧化，进一步诱导Cu-ZnSOD、HO-1、tau蛋白磷酸化、γ-分泌酶和BACE-1。γ-分泌酶和BACE-1酶切APP产生Aβ，损伤细胞。TOMM40的异常阻碍核编码蛋白质向线粒体转运，引起线粒体功能障碍，生成大量ROS，影响脑组织正常功能。

图1 涉及AD发病机制的信号通路

APP、PSEN1/2、APOE、TREM2、PICALM、CLU、CD2AP、EPHA1、PLD3、SORL1和自噬相关，APP是自噬底物；Aβ损坏自噬和溶酶体降解；PSEN1/2调节自噬溶酶体酸化；APOE4增强Aβ介导的溶酶体膜不稳定和通透性；TREM2回收受BECN1调控，BECN1是酵母ATG6的同系物；PICALM通过自噬调节APP-CTF和tau蛋白的降解；CLU促进LC3脂化，诱导自噬体的形成；CD2AP调节囊泡运输到溶酶体；EPHA1参与自噬的诱导；PLD3在自噬中作用不是很清楚，不过PLD1可以诱导自噬；SORL1运输Aβ到溶酶体降解[27]。AD信号通路见图1。

4 展望

AD是全球性的重大健康问题，目前的治疗手段依然对其束手无策。2018年1月，辉瑞公司发表声明，宣布结束目前进行中的神经学类疾病研究，主要集中在AD及PD的潜伏期、Ⅰ、Ⅱ期的早期临床试验。过去大部分AD模型基于Aβ毒性设计，且AD大多数研究都集中于Aβ。很多抗Aβ免疫治疗均以失败告终，很多科学家对此提出质疑：Aβ是否是AD的致病物质。不少专家认为，Aβ是疾病的结果，并不是致病原因。最近Murray et al[28]发现tau蛋白(而不是Aβ)能预测认知功能下降、病程及神经退化的发病年龄，tau蛋白的异常积累是AD患者认知衰退和记忆丧失真正源头。Brier et al[29]也表明，相比于Aβ，tau蛋白沉积才是在发病初期造成记忆衰退、痴呆等症状的重要“元凶”。

2017年10月《自然评论：药物发现》发表论文，分析截至2016年失败的AD药物研发情况。发现失败的项目主要集中在Aβ通路、Tau蛋白、神经免疫和神经传递几个方向，而胞饮、自噬等机制几乎没有临床在研项目。《Nature》最近发文就如何战胜AD，提出需要强调三点：基础研究投入更多科研经费；研发更好的诊断方法和治疗药物；获得一次真正意义上的成功坚定前进动力和信念[30]。