时钟基因BMAL1在认知功能障碍机制中的研究进展

余 愿 侯家保 刘旭珂 夏中元

随着我国国民经济的飞速发展和生活质量的提升，老龄化人口数量急剧增加，而老年人容易罹患的脑血管病、路易体病(Lewy body disease)、额颞叶变性、创伤性脑损伤、感染等诸多疾病均会引起认知功能障碍，逐渐成为威胁老年人健康的因素，降低了老年人的生活质量。同时，认知功能随着年龄的增长和疾病的影响而逐渐下降，最终导致不可逆的阿尔茨海默症等认知功能障碍。昼夜节律是维持人体结构和功能健康的重要基础，其可以调控正常人睡眠、学习、记忆进而对认知产生影响，其中脑和肌肉arnt样蛋白1(brain and muscle arnt-like protein 1，BMAL1)在整个昼夜节律的正常运行中起到重要作用，当敲除BMAL1时会对认知功能产生影响。本文对BMAL1调控认知功能的研究进展进行综述，旨在探究时钟基因BMAL1对认知功能障碍的研究机制，从而进一步预防和治疗认知功能障碍，提高人们的生活质量。

一、认知功能障碍

认知是机体对外部信息获取、认识并进行加工处理的过程，它包括学习、记忆、语言、思维、精神、情感等一系列社会心理行为，目前主要的神经认知领域包括学习和记忆、执行功能、复杂注意力、知觉或运动功能、语言和社交认知[1]。认知功能障碍指人在任意一个或多个认知领域中比之前原有的功能水平下降，其主要表现包括谵妄、轻度认知功能障碍和痴呆，这些症状具有不同的临床特征和诱因，常见的诱因有阿尔茨海默病、脑血管病、路易体病、额颞叶变性、创伤性脑损伤、感染和酗酒等[2]。临床上多见为轻度认知功能障碍，它是介于衰老和痴呆之间认知功能下降的过渡阶段，患有轻度认知功能障碍的人群比普通人群出现痴呆的风险更大。据不完全统计，在中国60岁以上人群中，轻度认知障碍的患病率约为15.5%，随着年龄的增长，患有轻度认知障碍的概率逐渐增加，且女性的患病风险比男性更高，并且伴随着大脑海马的萎缩、β淀粉样蛋白产生和降解的不平衡、炎症的激活以及与记忆相关区域的神经系统功能逐渐衰弱，最终导致认知功能障碍[2]。这严重影响了中老年群体的生活质量，增加了社会负担。但是，目前尚无有效的方法治疗认知障碍，只能通过干预措施减少患病因素和预防痴呆。任何引起中枢神经系统功能紊乱的因素如脑血流减少、缺氧、神经炎症均可导致认知功能下降，因此，研究认知功能障碍的发病机制对预防和治疗认知障碍具有深远的意义。

二、认知功能障碍与时钟基因BMAL1

时钟基因BMAL1可以维持血压、调节血管、代谢、免疫和治疗癌症，在改善认知功能方面也起到了重要作用。近年来，研究人员不断深入研究BMAL1在昼夜节律中调节认知功能机制，发现当BMAL1异常时可通过神经炎症、氧化应激、改变突触可塑性等病理生理引起中枢神经系统功能紊乱，进而导致认知功能障碍。

几乎所有的机体组织都表现出基因调控的昼夜振荡，而驱动昼夜节律有效运转是基于一个复杂的转录-翻译负反馈环路，其中转录因子BMAL1在整个转录翻译过程中至关重要。时钟基因BMAL1编码BMAL1蛋白，它与时钟(circadian locomotor output cycles kaput，CLOCK)形成异二聚体，其结合周期(period，PER)家族基因和隐花色素(cryptochrome，CRY)家族基因的启动子E-box，进而激活这些基因的转录，同时PER和CRY形成复合物可负反馈抑制BMAL1/CLOCK的活性，形成转录-翻译负反馈环路[3,4]。REV-ERBα(reverse viral erythroblastosis oncogene product α)和维甲酸孤儿受体(retinoic acid-related orphan receptors，RORS)代表的是另一个额外的循环，REV-ERBα负调控BMAL1的表达，而RORS正调控BMAL1的表达[4]。BMAL1的缺失会破坏核心时钟振荡转录与翻译功能，引起昼夜节律紊乱，导致大脑中广泛的胶质细胞激活、神经炎症和氧化应激[5]。当从组胺能神经元细胞中选择性的敲除BMAL1会促使日间产生更高的组氨酸脱羧酶，导致小鼠出现睡眠-觉醒节律紊乱、睡眠剥夺后恢复睡眠功能受阻、记忆力受损等不良反应[6]。这些不良反应会对蛋白质翻译产生负面影响，其中睡眠剥夺严重损害大鼠的学习记忆，同时伴有REV-ERBα、BMAL1表达含量的下降，而使用REV-ERBα激动剂SR9009可有效改善记忆功能[7]。

Snider等[8]研究发现，敲除前脑神经元中的BMAL1而保持视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)完整时，小鼠对新物体的识别和记忆都出现了障碍。同时Yoo 等[9]在阿尔兹海默症患者受损的大脑皮质中发现星形胶质细胞中的BMAL1和CLOCK蛋白水平明显升高，而BMAL1和CLOCK的过表达可以通过抑制胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)引起星形胶质细胞的功能损害，进而导致认知功能障碍。因此，时钟基因BMAL1对维持正常的大脑形态和功能有重要作用，一旦BMAL1表达失调，即可导致一系列神经疾病的发生。

三、时钟基因BMAL1导致认知功能障碍的机制

时钟基因BMAL1可在不同的脑部区域对生物体的学习和记忆进行调节。海马组织是学习和记忆的重要部位，在小鼠海马中，长时程增强(long time potentiation，LTP)需要通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，CAMP)依赖通路激活转录因子反应元件结合蛋白(camp-response element binding protein，CREB)[10]。而CAMP/MAPK/CREB转录通路会在海马组织发生昼夜振荡，BMAL1缺失的小鼠海马中MAPK活性减少，CAMP的昼夜振荡降低，小鼠情景性恐惧记忆的维持被抑制，均表明海马中记忆所需的关键信号事件依赖于BMAL1[11,12]。BMAL1缺失的小鼠会表现出明显的神经变形，包括严重的自发性星形胶质病、氧化损伤增加、突触退化、大脑功能连续受损、海马神经发生改变以及学习和记忆受损[13, 14]。因此，时钟基因BMAL1异常会损害认知功能，本部分将结合认知功能障碍的发病机制展开叙述。

1.氧化应激：BMAL1缺失的小鼠表现出生理和行为昼夜节律紊乱，学习和记忆障碍，这与大脑中活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加，以及氧化应激增加和加速老化密切相关，说明BMAL1异常可通过调节小鼠大脑的氧化还原紊乱来参与神经元损伤[14]。神经元对氧化应激介导的损伤十分敏感，活性氧自由基和氧化损伤标志物水平升高是氧化应激的表现。胫骨骨折术后的老年大鼠出现海马和前额叶皮层蛋白氧化应激增加，抗氧化活性降低，线粒体相关蛋白酶功能受损，脑源性营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)水平降低，记忆功能障碍[15]。

由于ROS是大脑中神经元活动增加的副产物，时钟基因BMAL1可能会调节抗氧化还原的相关基因表达与大脑的代谢活动变化，正常昼夜节律功能的紊乱，使大脑更容易受到氧化损伤，从而促进神经退行性变。BMAL1驱动大脑中氧化还原相关基因的转录，包括醌氧化还原酶1(quinone oxidorreductase 1，Nqo1)和线粒体醛脱氢酶2(aldehyde dehydrogenase 2，Aldh2)，Nqo1和Aldh2都是细胞抗氧化反应的关键介质，并与神经退行性变密切相关，在小鼠中Aldh2的缺失可导致氧化应激增强和神经元死亡，而Aldh2活性降低被认为是帕金森病多巴胺能神经退行性变的原因[14, 16]。Nqo1催化活性醌类和氧化蛋白的还原，防止ROS介导的细胞毒性，在阿尔兹海默症的部分脑区呈上调[11]。因此，Aldh2和Nqo1表达受损可能参与条件性BMAL1 敲除脑的神经元氧化还原进程。在体内和体外BMAL1表达降低会加重氧化应激引起的神经元死亡，最终导致记忆力减退，认知功能下降。

2.神经炎症：神经炎症现已成为神经系统损伤的主要致病机制之一，神经炎症是由血-脑脊液屏障(blood brain barrier，BBB)破坏后，星形胶质细胞和小胶质细胞的激活，BDNF下调导致的，其后果表现为神经元死亡和认知功能障碍[17]。BMAL1敲除会引起脑周细胞功能障碍，脑周细胞是维持BBB的重要基础，其功能异常可引起BBB的通透性升高，导致年龄依赖性的脑周细胞覆盖的BBB丧失，损伤认知功能[18]。星形胶质细胞和小胶质细胞都具有昼夜节律性，BMAL1缺失时胶质纤维酸性蛋白表达增加导致星形胶质细胞活性增强，肌动蛋白结合蛋白水平降低，Rho-GTP激活降低，这些形态学改变可能导致神经元突触功能改变，诱发昼夜节律紊乱的认知功能障碍[19]。当条件性敲除星形胶质细胞中的BMAL1时，可通过GABA信号通路使小鼠的昼夜运动行为改变以及认知能力下降[20]。BMAL1还可通过调节小胶质细胞介导的中枢神经炎症，维持多巴胺能神经元的存活和多巴胺信号通路的正常功能[21]。

组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)参与学习和记忆的调控，神经炎症可通过小胶质细胞激活增加海马神经元中HDAC2的表达，HDAC2的高表达降低了BDNF和c-fos的转录，导致记忆受损，而抑制HDAC2的表达能减少炎性细胞因子和小胶质细胞的激活[22]。因此，抑制海马体中的HDAC2是一种治疗炎症诱导认知缺陷的可行途径。MS-275可通过抑制HDAC降低海马中HDAC2的表达和HDAC的活性，减轻大鼠海马神经炎症，从而有效改善术后认知功能障碍[23]。

Curtis等[24]研究发现，BMAL1通过活化核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信号通路在巨噬细胞炎性反应调控中调节促炎性细胞因子。NF-κB是炎性反应中最重要的核转录因子之一，在脂多糖刺激的胶质细胞中处于高度激活状态，细胞内氧化还原相关蛋白可调节NF-κB激活，小胶质细胞中ROS的适度减少可以抑制NF-κB的激活，进而抑制小胶质细胞介导的神经炎症[21]。研究表明，BMAL1可调节白细胞介素-6(interleukin 6，IL-6)的表达和分泌，并且单核细胞中的BMAL1可调控CCL2、IL-1β、IL-6和IFN-γ等炎性细胞因子的循环水平，BMAL1缺失会导致单核细胞和巨噬细胞中CCL-2和CCL-8 mRNA表达升高[25, 26]，因此昼夜节律失调或BMAL1低表达会导致循环系统中促炎性细胞因子水平升高。此外，海马或皮质的局部炎症可以直接抑制周围神经元和胶质细胞中BMAL1的表达，导致BMAL1介导的氧化应激相关基因的表达受损，并使这些细胞发生神经变性，从而引起神经元坏死[27]。由此可知，BMAL1可通过调控神经炎症来影响认知功能，但时钟基因并不是唯一诱导因素，其他影响因素的相关机制还有待于进一步研究。

3.蛋白质稳态：许多神经退行性疾病的特征之一是标记蛋白的聚集，如阿尔兹海默症中异常tau蛋白和淀粉样蛋白斑块Aβ的积累，这表明负责降解受损蛋白质的系统遇到故障。蛋白酶体维持着人体正常的生物钟，其降解能表现为昼夜节律振荡，细胞内蛋白质降解的主要系统包括泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统，自噬是由溶酶体降解细胞质成分的过程，可分为微自噬、伴侣介导的自噬和巨自噬。泛素-蛋白酶体系统是由泛素与底物结合，引起蛋白酶体降解异常折叠或其他异常修饰的蛋白质。其中未折叠蛋白是蛋白异常折叠的表现形式之一，未折叠蛋白的增加会导致内质网应激，热休克蛋白(heat shock proteins，HSPs)作为分子伴侣，能去除未折叠蛋白，防止蛋白聚集，促进内质网应激恢复，维持蛋白质稳态[28]。

热休克因子1(heat shock factor 1，HSF1)DNA结合呈现出强大的昼夜节律调控，而HSF1缺失会改变昼夜节律时钟振荡的正常运行，时钟基因BMAL1与HSF1相互作用中断，SGT1/HSP90的异常也可通过泛素-蛋白酶体系统导致BMAL1的降解，昼夜节律的改变[29，30]。因此，随着时钟基因BMAL1降解，热休克蛋白功能受损可导致蛋白质稳态失衡，异常蛋白质聚集，从而影响认知功能。目前，时钟基因BMAL1如何控制大脑中的节律性蛋白降解的机制尚不清楚，但在认知功能障碍中，异常蛋白的聚集，降解系统受破坏是明确的，而时钟基因BMAL1可参与调控，进而影响认知功能。

4.突触可塑性：突触由突触前膜、突触间隙和突触后膜组成，是神经元与其他细胞连接的部位，突触连接在改善认知过程中起着关键作用，与大脑对信息的加工处理密切相关，时钟基因BMAL1可通过调节突触可塑性改变认知功能。活性调节的细胞骨架相关蛋白(activity-regulated cytoskeleton-associated protein，Arc)是突触激活的调节因子之一，其作为一种多功能活动诱导的中枢蛋白，可以调控LTP，睡眠-觉醒和昼夜节律，对学习、记忆和行为产生影响，15月龄的小鼠相比于3月龄的小鼠海马区Arc含量升高，学习、记忆功能减退[31]。

糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)是一种可以在多种组织中表达的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，其不仅参与神经发生和突触可塑性等活动，而且在海马和皮质层中表达水平最高，在小鼠海马神经元中GSK3β活性增加会降低BMAL1蛋白的表达，引起LTP水平显著降低，学习记忆出现障碍，而GSK3抑制剂氯化锂抑制GSK3β活性可提高BMAL1蛋白的稳定性，激活昼夜节律中BMAL1的转录，调节突触可塑性[32]。在突触水平上，星形胶质细胞通过神经胶质和神经递质与神经元传递信息，BMAL1敲除的小鼠在24周龄时出现突触末端退化，皮质连接功能受损，引起星形胶质细胞功能受损从而导致神经元功能障碍。研究表明，星形胶质细胞突触覆盖率的变化与突触特性和功能输出的变化直接相关，在超微结构方面，星形胶质细胞的远端涵盖了苔藓纤维出芽(mossy fiber sprouting，MFS)，MFS通过终止海马区CA3透明层中锥体神经元上齿状回颗粒细胞的轴突而产生，能参与学习和记忆的形成[33]。Ali等[19]研究发现，BMAL1-/-小鼠中MFS的星形胶质细胞覆盖率降低，这表明星形细胞BMAL1对于正常的大脑功能和体内平衡至关重要。因此，时钟基因BMAL1可通过海马和星形胶质细胞依赖的突触可塑性来调控大脑。

四、展 望

时钟基因BMAL1能通过多种机制调节人体的认知功能，现有研究表明,褪黑激素在光-暗周期能够调节视交叉上核中BMAL1和CLOCK表达的幅度，可通过结合光线和褪黑素等方法来调节昼夜节律紊乱从而改善认知功能，但关于两者之间的相关作用机制还有待深入研究。研究时钟基因BMAL1在认知功能调控中的机制有助于为潜在的疾病的防治提供线索，为揭开新的治疗靶点做准备，以时钟基因BMAL1等生物为目标可能是预防和治疗认知功能障碍的一个新方向。