proBDNF 及其基因多态性Val66Met 与抑郁障碍认知损害关系的研究进展

方静 黄芹 周莉 李家磊 莫敏

抑郁障碍是常见的精神疾病之一，以情绪低落、思维迟缓和意志活动减弱等为主要的临床表现。2008 年，世界卫生组织（WTO）将重性抑郁障碍（Major Depressive Disorder,MDD）列为全球第三大疾病负担，并预测该疾病在2030 年成为全球第一大的疾病负担[1]。国际疾病分类第十次修订本（International Classification of Diseases-10,ICD-10）也将注意力降低作为诊断抑郁障碍的附加症状。近年来，相关研究[2]认为BDNF 基因多态性Val66Met 及其前体蛋白（proBDNF）水平可能影响认知障碍的发生、发展过程，但尚未完全阐明。认知功能的损害将导致抑郁障碍患者的社会功能低下，因此，阐明重要的病因机制能为临床提供更为有效的治疗。现对proBDNF 及其基因多态性Val66Met 与抑郁障碍认知功能损害间关系的研究进展进行综述。

1 BDNF 相关的生物学特性

1982 年，Barde 等[3]从猪脑中纯化了一种新的神经营养因子并发现该神经营养因子能使鸡胚感觉神经元存活并促使神经纤维生长，也是维持成熟中枢系统及周围神经系统的神经元生存及生理功能所必需的。BDNF 具有多种生物特性，例如调节突触连接、递质传递、可塑性以及调节海马长时程增强（Long Term Potentiation,LTP）[4，5]。BDNF 最 初 合 成 分子量为32KDa 的proBDNF，在突触中经细胞内和细胞外酶切割后产生分子量为14KDa 的成熟型脑源性神经营养因子（mature for Brain-Derived Neurotrophic Factor，mBDNF）等。而proBDNF 和mBDNF 分别通过与p75 神经营养因子受体（p75NTR）和酪氨酸激酶B 受体（tyrosine kinase B，TrkB）结合在神经突触结构、可塑性以及传递递质等方面发挥着相反的作用[6]。Je 等[7]通过向小鼠神经肌肉接头分别注入proBDNF和mBDNF 进行药理实验后发现，proBDNF 促进突触消除，mBDNF 延迟突触消除。BDNF 蛋白水解转化作用决定了“惩罚信号”与“奖励信号”，proBDNF 充当“惩罚信号”，激活p75NTR 抑制突触传递以及引起神经末梢回缩，而神经元驱动金属蛋白酶分泌、活化以促使proBDNF 转化为mBDNF，这便是末端竞争的奖励信号[7]。NR2B 是海马长时程抑制（long term depression，LTD）唯一的N-甲基-D-天门冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受体亚基，未切割的proBDNF 通过调节NR2B 亚基的表达来促进LTD，proBDNF 激活p75NTR 以增强LTD,而mBDNF 激活TrkB 促进LTP 并抑制LTD[8]。

2 proBDNF 与抑郁障碍以及认知功能

BDNF 又称为“忘忧药”，其在抑郁障碍和焦虑障碍中有积极作用，抗抑郁药可增加抑郁障碍患者BDNF 水平；proBDNF 在精神疾病中起着相反作用，proBDNF 水平的升高可能会引起情绪障碍[9]。向野生型小鼠显微注射proBDNF 后增加了小鼠的抑郁样行为,而向慢性不可预知性应激（Unpredictable Chronic Mild Stress,UCMS）大鼠的脑室内（ICV）和腹膜内（IP）注射proBDNF 抗体显著逆转了其抑郁样行为并恢复了探索活动和脊柱生长[4，10]。同样，向UCMS 小鼠前扣带回皮层（ACC）中注射抗proBDNF逆转了抑郁样行为以及增加了大脑中的觅食行为和BDNFmRNA 的量，而注射抗BDNF 却没有明显改变[11]。Chen 等[12]的研究报道，经proBDNF 处理的小鼠在Morris 水迷宫测试得分更差，表明其记忆力与学习能力下降；而经proBDNF 抗体治疗的小鼠在各项测试中得分最高，得出proBDNF 可作为空间学习等认知功能的抑制因子，并且使用免疫荧光染色还发现proBDNF 抑制细胞增殖。因此，注射特异性proBDNF 抗体可能是治疗情绪障碍及改善认知的新型治疗方法。

近年来“神经营养学说”得到了广大学者的支持，认为神经营养因子是抑郁障碍中的病理生理关键因素。Zhou 等[13]使用了ELISA 和Western blot 方法评估重性抑郁障碍患者的血清、淋巴细胞proBDNF 及其受体等水平，结果提示血清中的proBDNF、sortilin 和p75NTR 高于对照组并与抑郁障碍程度呈正相关，而血清中mBDNF、TrkB 低于对照组并与抑郁障碍程度呈负相关。从而发现proBDNF/ p75NTR/ sortilin 和mBDNF/ TrkB 信 号通路之间存在平衡失调，并且可能参与了抑郁障碍的发生机制。Bai 等[10]建立了UCMS 大鼠模型，发现大鼠脑中的proBDNF、sortilin 和p75NTR 表达均上调，而在大鼠新皮质和海马中的mBDNF 和TrkB均表达下调，这与Zhou 等[13]的研究结果一致。同样在一些动物模型实验中，再次证明了大鼠海马中BDNF/proBDNF 的比率显著提高了突触可塑性并且减少了抑郁样行为的发生[14]。

在一些抑郁障碍的研究中，proBDNF 水平升高并不是因为BDNF 转录增加导致的，而是由于抑制了proBDNF 蛋白水解[10，15]，因此蛋白酶处理proBDNF 的过程在神经营养蛋白发挥其生物学作用中起关键作用。抗抑郁药物提高proBDNF 的蛋白水解切割酶水平以促进proBDNF 向mBDNF 的转化以及促进神经元的可塑性[15，16]。在丰富环境（Enriched Environment，EE）和标准环境（Standard Environment，SE）大鼠海马中的proBDNF、组织纤溶酶原激活剂（tissue-Plasminogen Activator，tPA）表达没有差异，但在EE 大鼠海马中的基质金属蛋白酶-9（Matrix Metalloproteinase-9，MMP-9）水平明显上调，这可能有助于proBDNF 向BDNF 的转化，导致EE 大鼠中的BDNF 蛋白水平增加，最终减轻了焦虑与抑郁样行为[15]。也有研究[17]认为，体力活动可增加海马中的p11（Calpactin-1 light chain）和tPA 的 mRNA 表达，从而促进更高的proBDNF切割速率，产生高水平的mBDNF，最终改善其学习以及空间记忆能力等认知功能。学习无助（LH）和慢性轻度应激（CMS）小鼠模型海马中的BDNF 水平降低，并且在水迷宫任务中的空间认知能力也有所下降，但服用抗抑郁药物治疗后，其认知功能又有所改善[18]。Diniz 等[16]提出的“连续分类假设”则认为抗抑郁药可能会根据需要来调节TrkB/p75NTR 的信号传导，找到一种平衡能促进更有效的神经元网络，避免神经元的冗余。应激小鼠中proBDNF 水平升高但经过抗抑郁药物氟西汀治疗后，其proBDNF 又有所下降[10]。proBDNF 可能作为抑郁障碍的生物标志物，并可能成为治疗抑郁障碍的潜在治疗靶点[10]。这些发现在不同程度上提示了proBDNF 水平的改变与抑郁障碍患者认知障碍存在一定联系。

3 BDNF 基因多态性Val66Met

近年来，随着对BDNF 研究的增多，其基因多态性也引起了学者们的极大兴趣。BDNF 基因位于染色体11p13～14，BDNFVal66Met 多态性位于BDNF 基因编码的前结构域密码子66 位上，当鸟嘌呤突变为腺嘌呤，导致甲硫氨酸取代了缬氨酸[19，20]。该基因多态性存在3 种单倍体分布，分别为Val/Val、Val/Met 和Met/Met[20]。Cattaneo 等[14]从孕周为15～17 周的139 名健康妊娠女性中获得羊水（Amniotic Fluid,AF），发现Met 携带者相对于非携带者的BDNF 蛋白水平显著降低，其结果提示该多态性在大脑结构和功能以及精神障碍易感性的个体差异中发挥着重要作用。该多态性对大脑系统的发育以及可塑性有重要影响，可能作为大脑表达的修饰遗传因素之一[21]。前结构域具有调节突触的结构与功能作用，与proBDNF 的作用类似[22]。

BDNF 前结构域在突触靶向和活性依赖分泌中起着关键作用，BDNF 活性依赖分泌而不是总体浓度参与控制突触传递以及可塑性，活性依赖的突触调节对于成年人大脑发育以及认知功能至关重要[6，23]。BDNF 前结构域的改变损害了原皮层神经元和神经分泌细胞,从而导致中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）的选择性功能损伤[2]。最早Egan 等[24]发现该多态性降低了与sortilin 相互作用，从而导致BDNF 活性依赖性分泌量减少，并且观察到该多态性主要表型之一为记忆障碍。Chen 等[2]发现该多态性杂合的人会同时表达BDNFVal 和BDNFMet,并且70%的BDNF 变体会形成异二聚体,而该二聚体无法有效地分类到分泌颗粒中,并且影响了proBDNF 与sortilin 的结合，最终导致分泌量下降。大多数含BDNF 的囊泡通过调控途径分泌至突触后的树突和棘突，调控途径失败将导致met-BDNF的囊泡不能靶向运输至神经元和突触[6]。在细胞体和树突中表达的val-BDNF-GFP（绿色荧光蛋白，Green Fluorescent Protein，GFP）神经元呈点状分布，表达的met-BDNF-GFP 神经元的却在周围核区域形成大簇，在加工和分泌以及突触定位也有明显的缺陷[6，24]。Anastasia 等[25]检测到Val66Met 置换区域附近残基发生了特定的构象变化,由Val66 前结构域的b 结构转变为Met66 的螺旋构象,而局部结构的微小变化会大大改变蛋白质的活性。Met 变体前结构域能与SorCS2 相互作用,而Val66 前结构域中的相同残基却不与SorCS2 结合[25]。SorCS2 促进proBDNF、p75 NTR 与下游信号蛋白的相互作用以促进海马神经元生长锥缩回，最终可能导致记忆力的改变以及抑郁障碍和焦虑障碍的发病率的增加[25]。因此，proBDNF 基因多态性Val66Met 可能影响proBDNF 加工、运输及分泌过程，进而影响大脑系统的发育、突触传递和连接以及可塑性。

但也有研究显示，Kailainathan 等[26]对计算机预测器以及圆二色性两方面分析未发现proBDNFVal66 和Met66 变体之间的结构有重大差异，而通过表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）也并未发现proBDNFVal66 和Met66 变体与TrkB、p75NTR、sortilin 以及SorCS2 受体结合亲和力存在明显差异。目前，对于BDNFVal66 和Met66 变体之间的差异性研究还较少，未来的研究应从生物物理、动力学、细胞学差异等领域展开。

4 BDNF 基因多态性Val66Met 与抑郁障碍及认知相关

认知障碍是抑郁障碍的核心特征之一，特别是执行功能障碍和注意力障碍[27]。认知障碍包括执行功能障碍、记忆力障碍、冲动性以及持续和选择性注意障碍[28]。部分抑郁障碍患者即便在缓解期间仍有认知功能损害，而完整的认知功能对于维持抑郁障碍患者的社会功能、生活质量和工作能力至关重要。认知障碍的发生可能与多种基因有关，认知障碍的问题还可能会影响其他方面的功能障碍。随着静息态磁共振成像（Resting State functional Magnetic Resonance Imaging,RS-fMRI））技术等影像学的发展，相关研究[21，24，28～30]发现大脑结构功能状态与认知障碍存在着一定联系，比如海马体积的减少影响海马功能。Met-BDNF 等位基因异常调节分泌可能改变了皮质发育和可塑性的过程，影响正常人大脑新皮层中灰质的体积，例如前额叶皮层的侧凸[21]。皮质形态部分的改变不仅是因Val66met短期调节的神经递质的反映，还是由于BDNF 长期介导大脑神经发育过程[21]。前额叶皮层（Prefrontal Cortex，PFC）对执行功能具有重要作用，而BDNF 在海马以及前额皮质中表达丰富[24]。

神经心理学测试可评估抑郁障碍患者的认知功能，在一些记忆力和执行功能测试中，Met 携带者的得分更低，并且BDNF Val66Met 与海马体体积降低有关[21，24]。首先，Hajek 等[29]的荟萃分析399 位健康受试者，发现Met 携带者的双侧海马体更小。其次，Yang 等[30]同样发现Met/Met 和Val/Met 个体均显示出与Val/ Val 个体明显的解剖差异，其额叶、颞叶、扣带状和岛状皮质的灰质（GM）较少，Met 等位基因可能会引起脑形态学改变。近年来，Huang等[28]发现MDD 患者中的左侧额上回（SFG）和左侧颞下回（ITG）中的低频波动的分数幅度（fALFF）值与WCST 中完成类别的数量以及CPT 第2 次测试得分存在显著相关性。Legge 研究小组[31]对MDD和健康志愿者进行磁共振成像扫描后发现Met 携带者额中部区域以及前扣带回的表面积减少明显，从而认为前扣带回和额中部区域皮质变薄与神经营养蛋白假说提出的关键区域一致。这些研究提示Met 携带者相应的脑区结构网络及功能连接存在异常与抑郁障碍患者的认知功能有关。

有些研究得出了不一致的结果，Kailainathan等[26]发现proBDNF Met66 对糖原合成酶激酶3-pTau 蛋白（GSK3-pTau）信号通路没有影响，并且不会影响LTP 或LTD。此外，Lisiecka 等[32]比较了健康对照者和MDD 患者的两种基因型在情绪评估神经方面的差异，在MDD 发作期间，Met 携带者较Val 纯合子的皮质区室、皮层下区域的激活增加，皮质区室与情绪信息的认知评估相关，而皮层下区域负责内脏对情绪的刺激。相关研究显示[26]，Met66变体不会导致突触信号传导减弱，但会增强脑损伤后认知的恢复以及延迟衰老期间认知功能障碍。同样，Verhagen 等[33]进行的荟萃分析却不支持BDNF Val66Met 多态性与MDD 之间存在遗传关联，但发现BDNF Val66Met 多态性在男性MDD 的神经生物学发展中可能发挥更为重要的作用。

我们推测这些结果产生不一致的原因：首先，各种族所携带Met 等位基因的频率不一致[33]；其次，在实际工作中对于抑郁障碍的诊断以及对认知功能的评估方式具有差异性，抑郁患者还可能合并其他相关精神疾病；再者，由于传统文化的特殊性，许多亚洲MDD 患者即使发现身体不适，也不愿意到医院就诊，这可能会影响数据的准确性以及真实性；最后，各研究的样本量较少以及研究的年龄范围较大也可能是产生结果不一致的原因，样本量过小将可能导致脑区结构细微的变化不能被观察到，而随着年龄增加也会导致认知功能的减退。目前，BDNF 基因多态性Val66Met 与抑郁障碍患者认知功能的研究甚少，存在着诸多争议，未来需做更多的研究进一步探讨其相互关系。

综上所述，proBDNF 水平的升高及其多态性Val66Met 在抑郁障碍认知功能损害的机制中发挥着重要作用，而抗抑郁药可降低proBDNF 水平，改善患者认知功能。虽然有大量关于BDNF 与抑郁障碍的研究，但proBDNF 的积累会导致抑郁障碍认知损害的研究较少，未来需要进一步研究proBDNF以及基因多态性Val66Met 能否作为抑郁障碍认知损害治疗的新分子靶点，从长远看，血清中的proBDNF 水平以及基因多态性Val66Met 可能能够预测疾病的发生，有助于早期预防及诊断，并对不同程度的抑郁障碍患者选择更合适的治疗方法发挥着潜在的作用，从而提供更为有效的治疗。