Irisin：运动改善突触可塑性缓解阿尔茨海默症认知下降的新靶点

邓雨婷，马春莲，杨 翼

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）是常见的退行性脑病。据AD协会报告显示，2020年美国用于AD患者的医疗看护费用达3 050亿美元，预计2050年全球AD患者将超过1.5亿，将会给社会和家庭带来沉重的负担（Zhao，2020）。认知障碍、执行能力下降是AD的主要临床特征。尽管目前认知障碍的病理机制尚不完全清楚，但脑内尤其是海马内发生的突触可塑性异常参与了AD患者的认知损伤已得到证实（Moreno-Jiménez et al.，2019；Wang et al.，2020）。人体及动物研究表明，体育运动可以改善认知能力，在延缓和改善AD病程发展中发挥了重要调控作用，但其分子机制目前并未完全明确。

鸢尾素（irisin）是2012年被Boström等（2012）发现的新型肌肉因子，是由骨骼肌细胞膜Ⅲ型纤连蛋白结构域5（fibronectin type III domain-containing protein5，FNDC5）在运动状态下产生的多肽。研究发现，irisin在白色脂肪棕色化、葡萄糖稳态、胰岛素抵抗及能量代谢的调控中发挥了重要作用（Arhire et al.，2019；Boström et al.，2012；Perakakis et al.，2017），因而成为肥胖、糖尿病等代谢性疾病研究的热点。研究发现，irisin在中枢神经系统中也扮演了重要角色，有望成为治疗AD等神经退行性疾病的潜在靶点（Farshbaf et al.，2020；Lourenco et al.，2019；Zsuga et al.，2016）。

本研究围绕AD突触可塑性异常导致认知能力下降，运动促进AD大脑突触可塑性并提高认知能力，运动来源irisin对突触可塑性的调控及相关分子机制等内容进行综述。

1 运动改善AD患者突触可塑性提高认知能力

1.1 AD患者发生突触可塑性异常导致认知能力下降

突触可塑性包括神经发生和再生、轴突生长、突触发生、长时增强（long-term potentiation，LTP）等生理过程，是学习、记忆的基础，也是影响认知能力的重要因素（De‐mars et al.，2010；Skaper et al.，2017；Van Praag et al.，2002）。海马是大脑中参与学习、记忆等认知活动的重要脑区，海马内发生突触可塑性异常是AD产生认知障碍的主要原因（Hu et al.，2019；Kamat et al.，2016；Ledonne et al.，2019）。突触是神经元间传递电化学信号的重要结构，突触数量的减少及功能紊乱是导致AD等神经退行性疾病患者认知下降的直接因素（Rajendran et al.，2018）。在AD形成的早期，海马内20%～40%的突触消失并伴随突触结构蛋白表达降低，影响了神经信息的传递，导致认知能力下降（Pozueta et al.，2013；Scheff et al.，2006）。在各类转基因AD模型小鼠中发现，海马CA1区及齿状回出现年龄依赖性地突触减少、β淀粉样肽（amyloid peptide，Aβ）积累、树突棘减少及密度降低、LTP下降（Pozueta et al.，2013）。Meng等（2013）报道，海马齿状回颗粒细胞树突缩短，树突分支及树突棘减少，突起萎缩和丢失等可塑性异常加重了认知损伤。微管相关蛋白Tau（microtubuleassociated protein tau，Tau）和Aβ在海马内异常积累是AD的重要病理特征。细胞外可溶性的Tau蛋白可通过其N端结构域与突触小泡结合，减少突触小泡的释放和传递效率（Bolós et al.，2017；Zhou et al.，2017）。Tau 蛋白过表达也会导致海马内突触形态的改变及LTP的损伤（Deck‐er et al.，2015）。Aβ的过度产生及积累将直接导致纤维缠结、突触丢失、神经传导障碍和神经元丢失（Kamat et al.，2016），进而导致海马萎缩及认知能力下降（Barnes et al.，2008；Dickerson et al.，2013）。

1.2 运动改善AD患者海马突触可塑性提高认知能力

运动可以调控AD海马神经元数量、突触结构，预防或减缓认知能力下降（Kim et al.，2016）。10周自由跑轮运动可减少双转基因AD小鼠海马磷酸化Tau蛋白的表达，增加海马内神经元数量，改善小鼠的空间记忆能力（Tapia-Rojas et al.，2016）。12周中等强度的跑台运动可有效抑制AD小鼠海马Aβ的沉积，减少CA1区和CA3区树突棘的丢失，提高行为学表现（顾博雅等，2020）。3个多月的自由转轮运动可以缓解Aβ诱导的神经元丢失，促进Tg4-42转基因AD小鼠海马CA1区神经元增殖16.5%，提高小鼠的运动及记忆能力（Hüttenrauch et al，2016）。Kim等（2016）发现，6周中等强度跑台运动可增加海马齿状回的神经发生，减少海马神经细胞凋亡，防止衰老所致的记忆障碍。5周中等强度游泳运动可以促进海马齿状回颗粒细胞增殖，增加CA1区突触密度，降低突触间隙宽度，提高大鼠空间认知能力（马春莲等，2018）。分子水平的研究发现，运动可以促进海马突触结构蛋白的表达。4周中等强度跑台运动可以上调海马突触可塑性相关蛋白N-甲基-D-天冬氨酸受体1（N-methyl-D-aspartate receptor 1，NMDAR1）、突触素（synaptophysin，SYN）的表达，改善大鼠的认知和记忆功能（Li et al.，2019）。8周跑台运动可显著促进AD模型大鼠海马SYP、突触后致密区蛋白95（postsynaptic density protein 95，PSD95）的蛋白表达，增加海马神经元树突密度，改善大鼠的记忆能力（刘涛等，2016）。16周有氧运动可以显著促进APP/PS1转基因AD小鼠突触数量，上调海马α型钙调蛋白依赖型蛋白激酶Ⅱ（calcium calmodulin dependent protein kinase II alpha，CaMKⅡα）的蛋白表达，上调α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propi‐onic acid receptor，AMPAR）的谷氨酸受体 1（glutamate re‐ceptor，GluR1）亚基的活性，促进海马突触可塑性（於来康等，2017）。此外，电生理学研究发现，运动还可以促进海马突触传递效率。在Aβ1-42诱导的AD大鼠模型中，Aβ1-42诱使大鼠海马齿状回和CA1区晚期LTP和兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）严重受损，抑制CA1区群体峰电位（population spike，PS），损伤大鼠长时程空间记忆，而4周中等强度跑台运动缓解了Aβ1-42诱发的LTP、EPSP损伤和SP的抑制程度，促进了海马齿状回和CA1区脑源性神经生长因子（brain-derived neuro‐trophic factor，BDNF）蛋白的表达，逆转了AD大鼠的记忆损伤（Dao et al.，2016）。

2 运动来源irisin参与认知能力的调控

2.1 运动促进循环irisin水平及海马irisin的表达

irisin是物种间非常保守的肌肉因子，分布于动物和人体的骨骼肌、神经、血管等组织（Boström et al.，2012；Gür et al.，2017；Huh et al.，2012），由 FNDC5分泌后进入血液、脑脊液参与体内的生理及病理调节。研究发现，久坐者血液irisin浓度为3.6 ng/ml，长期有氧训练者血液iri‐sin浓度为4.3 ng/ml（Jedrychowski et al.，2015）。相比久坐者，10周耐力运动能使骨骼肌FNDC5 mRNA显著上调，血清 irisin水平增加2倍（Boström et al.，2012）。关于超重者的研究发现，8周抗阻运动提高了受试者的人体形态学指数、肌肉力量和最大摄氧量（V.O2max），上调了循环irisin水平（Kim et al.，2016）。12周步行运动提高了男性腹型肥胖患者血清irisin及高密度脂蛋白水平（代成刚等，2020）。动物研究也发现，3周自由转轮运动可以显著上调小鼠循环 irisin 水平（Boström et al.，2012），4周跑台运动及8周负重爬梯可显著提高大鼠血清irisin水平和骨骼肌 FNDC5的表达（刘子铭 等，2018；Reisi et al.，2016），12周抗阻运动能提高糖尿病小鼠骨骼肌irisin水平（Kim et al.，2017）。有研究发现，单次运动也可以强度依赖性地促进血清irisin水平。在总能量消耗相同情况下，20 min一次性高强度（80%V.O2max）运动后即刻血清irisin浓度显著高于40 min低强度（40%V.O2max）运动组，高强度运动后6 h血清irisin浓度比运动前提高了18%，19 h后提高了 23%（Tsuchiya et al.，2014）。此外，在相同摄氧量情况下，一次性离心运动比向心运动更易于激活大鼠骨骼肌irisin上游信号过氧化物酶体增殖物激活受体C辅激活因子 1-α（peroxisome proliferator-activated receptor-C coacti‐vator-1a，PGC-1α）、FNDC5的表达，并且训练停止后能在更长时间内促进irisin的分泌（刘阳等，2018）。

运动不仅能促进循环irisin的水平，还能促进海马iri‐sin的表达。Siteneski等（2020）发现，4周跑台运动上调了雌性小鼠海马irisin的表达水平，促进了海马齿状回腹侧及背侧区域神经元的增殖、分化及存活，降低了悬尾和强迫游泳时间，产生抗抑郁效果。Lourenco等（2019）发现，5周游泳运动显著促进了AD小鼠海马irisin表达水平，缓解了Aβ1-42造成的记忆障碍。Uysal等（2018）在雄性Balbc小鼠进行6周自由转轮运动后，取其全脑（除小脑外）进行研究发现，运动显著促进小鼠脑内irisin水平并降低了焦虑水平。Wrann等（2013）发现，30天自由转轮运动促进了海马内PGC-1α和FNDC5的基因表达，海马内细胞骨架活性调节蛋白（activity-regulated cytoskeleton-associated protein，ARC）、原癌基因c-Fos（proto-oncogene c-Fos，cFos）、含锌指转录因子 268（zinc finger-containing tran‐scription factor 268，Zif268）等反映神经元活性的基因也发生显著上调，但运动对海马外其他脑组织PGC-1α和FNDC5的基因表达没有影响，提示海马内神经元活性及irisin的表达是受运动调控最敏感的脑区。Belviranli等（2018）研究发现，衰老所致认知障碍与大鼠海马FNDC5表达下降有关，而90天自由转轮运动可以促进大鼠海马FNDC5 mRNA表达，改善衰老引起的认知障碍。Leardini-Tristao等（2019）也发现，自由转轮运动促进了转基因AD模型小鼠海马FNDC5的表达，改善了认知障碍。Azimi等（2018）在大鼠海马内注射Aβ1-42诱导大鼠出现空间学习、记忆障碍，海马FNDC5表达抑制，而4周中等强度跑台运动可以上调海马FNDC5 mRNA水平，改善大鼠的空间学习、记忆障碍。

2.2 irisin促进突触可塑性提高认知能力

突触可塑性是认知能力的基础，研究发现irisin直接参与了突触可塑性的调节。药理剂量（50～100 nmol/L）的irisin用于小鼠海马神经细胞H19-7的培养，能促进神经细胞增殖70%～80%（Moon et al.，2013）。重组irisin应用于星形胶质细胞增加了葡萄糖转运水平和腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）的磷酸化水平（Wang et al.，2016），提示irisin可能通过星形胶质细胞产生了神经保护效应。在小鼠胚胎干细胞分化过程中敲除FNDC5来抑制irisin的表达，会降低神经祖细胞的形成和神经细胞的分化（Hashemi et al.，2013）。在动物实验中，通过腺病毒将FNDC5运载到肝脏诱导血液irisin水平升高能显著促进神经细胞的存活，而用短发夹RNA（short hairpin RNA，shRNA）抑制FNDC5的表达则促进神经元存活的效应消失（Wrann et al.，2013）。连续7天腹腔注射irisin（0.5 mg/kg/天）可以保护小鼠神经细胞，缓解高浓度药物治疗诱发的细胞死亡，促进星形胶质细胞分泌细胞因子，降低小鼠细胞表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）的表达，缓解小鼠术后抑郁样表现（Hou et al.，2020）。此外，在雄性大鼠海马齿状回注射iri‐sin可促进EPSP和PS的增加（Mohammadi et al.，2019），缓解急性应激引起的焦虑样行为和记忆障碍（Farshbaf et al.，2020）。中动脉阻塞30 min后经尾静脉注射重组irisin可以降低小鼠大脑梗死体积，缓解神经功能损伤和脑水肿（Li et al.，2017）。此外，脑室内注射irisin可以剂量依赖性地减少大脑皮质和海马细胞凋亡，缓解新生大鼠缺血缺氧性脑损伤（Xu et al.，2020）。

外周irisin能透过血脑屏障进入中枢神经系统，参与中枢神经系统结构和功能的调节（Dun et al.，2013；Lou‐renco et al.，2019；Zsuga et al.，2016）。血清 irisin水平与认知功能呈正相关（Belviranli et al.，2016；Küster et al.，2017）。临床上，预后良好的急性中风患者血清irisin水平高于预后不良的患者（Tu et al.，2018）。野外定向和五项全能运动员血清irisin水平显著高于久坐者，认知表现也优于久坐者（Belviranli et al.，2016）。脑缺血小鼠的血浆irisin浓度和骨骼肌FNDC5的水平降低，而2周运动可增加其骨骼肌irisin水平，并减少脑梗死面积及神经炎症，保护神经元免受损伤（Li et al.，2017）。在AD模型中，irisin水平在海马和脑脊液中下降，LTP和新物体识别记忆损伤，运动能促进突触可塑性保护记忆功能；阻断外周或脑内irisin会减弱运动对AD小鼠突触可塑性的调节及对记忆的保护作用，而恢复中枢或外周irisin水平可改善AD小鼠的突触可塑性和记忆功能（Lourenco et al.，2019）。

3 运动来源irisin促进认知能力的可能机制

3.1 运动激活irisin/BDNF通路促进突触可塑性

PGC-1α是与热量产生、能量消耗、线粒体生成、血管增生等密切相关的转录因子，运动对身体有益作用的研究很多都与运动增强PGC-1α的表达有关（Miller et al.，2019）。关于irisin最初的研究发现，irisin的分泌受PGC-1α调控，转基因小鼠骨骼肌PGC-1α的过表达诱发FNDC5蛋白表达增强并分泌irisin，从而促进白色脂肪棕色化和组织产热增加（Boström et al.，2012）。此后不久，关于神经组织的研究发现，神经组织FNDC5基因表达受PGC-1α调控，敲除了 PGC-1α的转基因 PGC-1α（-/-）小鼠大脑中FNDC5基因表达下降（Wrann et al.，2013）。BDNF在神经系统中具有广泛的调节作用，可以促进神经细胞的增殖、分化、存活，增加突触密度及复杂性，增强突触传递效率，在大脑认知活动中发挥重要调控作用（Huie et al.，2012；Kowiański et al.，2018）。BNDF 可促进 SYN、PSD95的表达，减轻AD小鼠神经元突触损伤，提高学习和记忆能力（尹传红等，2020）。在原代皮层神经元中，FNDC5的表达显著上调了BDNF的基因表达，敲除FNDC5基因会降低BDNF的基因表达（Wrann et al.，2013）。FNDC5过表达还可增强神经祖细胞增殖及神经细胞的成熟，该效应与BDNF表达增强有关（Forouzanfar et al.，2015）。随着研究的不断进行，irisin与BDNF的关系日益清晰。Kim等（2018）发现，16周水中运动促进了老年女性血清irisin和BDNF水平，并且血清irisin和BDNF存在显著的相关性。通过腺病毒载体将FNDC5运载到肝脏使血液中irisin水平增加用于模拟运动对irisin水平的调节，可以诱导海马BDNF和其他神经保护性基因表达增加（Siteneski et al.，2018）。此外，在具有轻度认知障碍（mild cognitive impair‐ment，MCI）的2型糖尿病大鼠血清中，irisin水平显著降低，血清糖化血红蛋白（glycosylated hemoglobin A1c，GH‐bA1c）和糖基化终产物（advanced glycation end products，AGEs）水平显著增加，而海马中irisin的过表达显著促进了血清BDNF水平并降低了GHbA1c和AGEs水平，敲除海马内irisin，BDNF的表达水平降低（Huang et al.，2019）。连续14天腹腔注射irisin（0.5 ug/g体重），可以诱导小鼠大脑内BDNF mRNA水平的升高（Natalicchio et al.，2020）。以上研究提示，PGC-1α的过表达会促进irisin前体蛋白FNDC5表达，上调血液及脑内irisin水平，而BDNF又是irisin调控的下游靶蛋白，运动或许是通过激活PGC-1α/irisin/BDNF通路促进海马突触可塑性从而提高认知能力。

3.2 运动通过irisin抑制Aβ/NF-κB通路保护认知能力

Aβ产生及清除不平衡导致大脑内的过度积累是AD的主要病理过程（Lane et al.，2018）。Aβ的过度积累诱发神经毒性，使神经元减少、突触丢失、神经传导障碍，认知功能损伤（Kamat et al.，2016）。用Aβ1-42培养海马脑片模拟AD海马的研究发现，Aβ1-42可以直接绑定海马神经细胞，降低海马树突棘的数量及复杂度，而重组irisin的应用可以降低Aβ1-42与神经元的结合，缓解Aβ1-42造成的突触丢失及损伤（Lourenco et al.，2019）。Aβ还可诱导白介素1β（integrin 1 beta，IL-1β）、白介素6（integrin 6，IL-6）、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）的表达，加重认知障碍的病理发展（李建光等，2017）。MCI老年人血清IL-6、Aβ42水平显著升高，言语能力随Aβ42水平的增加而降低，执行能力随IL-6和TNF-α水平的升高而降低（安佩林 等，2018）。Wang等（2018）发现，Aβ25-35显著降低了海马神经细胞的活性，增强星形胶质细胞释放IL-6和IL-1β等促炎因子，而用含irisin的星形胶质细胞培养基培养海马神经细胞12 h，通过抑制核因子κB抑制蛋白α（inhibitor α of NF-κB，IκBα）的磷酸化而抑制核因子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的活性，可以抑制星形胶质细胞释放IL-6和IL-1β，从而缓解Aβ25-35诱发的神经毒性。缺血再灌注会造成海马神经细胞结构损伤和凋亡增加，irisin可以缓解缺血再灌注诱导的海马神经细胞的凋亡，下调IL-1β mRNA和TNF-α mRNA的表达（Jin et al.，2019）。在链脲佐菌素（streptozotocin，STZ）构建的糖尿病小鼠模型中，突触结构蛋白表达降低，认知和记忆能力受损，而irisin的应用通过抑制NF-κB信号通路活性，下调大脑中IL-1β、IL-6的表达，上调突触结构蛋白的表达，有效缓解了糖尿病小鼠认知能力的下降（Wang et al.，2019）。血清irisin水平与认知能力呈正相关（Belviranli et al.，2016；Küster et al.，2017），运动能上调循环及海马内irisin水平（Kim et al.，2016；Siteneski et al.，2020；Tsuchiya et al.，2014）。运动或许是通过上调irisin抑制大脑中Aβ/NF-κB通路从而缓解Aβ对神经元、突触造成的直接损伤及诱发的神经毒性缓解了认知损伤。

4 小结与展望

运动是促进大脑认知能力，延缓AD、帕金森等神经退行性病变的有效手段。irisin是机体在运动状态下分泌的新型肌肉因子，72%的循环irisin来自骨骼肌（Boström et al.，2012）。运动通过上调骨骼肌PGC-1α的合成，进而促进FNDC5基因及蛋白表达，上调骨骼肌及血清irisin水平，而血清irisin可透过血脑屏障进入大脑产生神经调控作用。此外，运动也可以促进海马irisin前体蛋白的基因表达（Wrann et al.，2013），上调海马 irisin表达水平（Siteneski et al.，2020）。在脑内尤其是海马内，irisin可以激发BDNF的合成，促进海马内神经发生、突触发芽，增强突触传递效率，降低神经细胞凋亡，提高认知能力；irisin也可以阻止Aβ与神经细胞的结合，抑制NF-κB信号通路的活性及其下游TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎因子的表达，降低神经毒性，从而保护AD大脑的认知能力（图1）。

irisin与突触可塑性的科学探索为运动促进认知研究提供了新方向，为临床运动辅助治疗AD等神经退行性疾病提供了新思路。但未来关于irisin介导运动调控AD患者认知能力的研究还存在亟待解决的问题：1）不同运动强度对血清irisin水平的调控不同，能控制血清irisin到适当的水平使之对大脑产生最佳的调控效果的具体运动强度尚不清楚；2）irisin可以由骨骼肌、血管、神经等多种组织细胞分泌，irisin是否会由于组织来源不同而存在不同的分型？在大脑中起调控作用的irisin主要来自骨骼肌还是神经组织自身？解决上述问题可以针对性地制定运动处方对AD患者进行辅助治疗提高认知能力，也有利于临床开展外源性irisin注射，治疗以认知障碍为主要临床病症的神经退行性疾病。

图1 运动促进突触可塑性提高认知能力的可能机制Figure 1.Possible Mechanism of Exercise Promoting Synaptic Plasticity and Improving Cognition