运动提高沉默信息调节因子2相关酶1改善阿尔兹海默症

陈 珂， 张宪亮， 杜黎涛

(山东大学体育学院， 济南 250000)

阿尔兹海默症(Alzheimer’s disease, AD)是一种进行性认知功能减退的神经退行性疾病，已成为继肿瘤、心血管病后，对人类生命健康造成重大威胁的第3大杀手[1,2]。随着人口老龄化加快，AD患者数量迅速增长。据估计到2050年，全世界AD患者数量将超过1.062 亿[3]。尽管对AD研究不断深入，但临床上尚未有效根治AD的方法。流行病学研究[4,5]表明，身体活动和痴呆症之间存在一定的剂量关系，即身体活动水平增加，患老年痴呆症的比率下降。所以，运动作为一种非临床干预手段，在一定程度上能够预防AD。深入研究发现，运动可通过减少Aβ沉积、抑制Tau蛋白过度磷酸化，减缓AD发病[6]。然而，目前仍不清楚其确切机制。

沉默信息调节因子2相关酶1 (silent mating-type information regulation 2 homolog 1, SIRT1)作为细胞内关键转录调节因子，在应激状态下可调控下游细胞分子表达，参与和衰老相关疾病的发生发展，特别是其在改善认知障碍中的作用日益明显[7]。研究发现，SIRT1在改善AD认知障碍中涉及到多种机制，例如：脑内Aβ沉积、Tau蛋白过度磷酸化、线粒体生物发生、线粒体自噬、炎症反应以及突触可塑性改变等进程[8,9]。但目前并不清楚这些机制是否参与了运动对AD认知障碍的预防及延缓作用。本文将以SIRT1为靶点，从Aβ沉积、Tau蛋白过度磷酸化等以上6个角度，探寻运动预防并缓解AD的分子机制。

1 沉默信息调节因子2相关酶1简述

沉默信息调节因子2(silent information regulator 2, SIR2)是一种烟酰胺腺苷二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)依赖性脱乙酰基酶类。在哺乳动物中已经鉴定出7种SIR2蛋白(SIRT1～SIRT7)。其中，SIRT1是氨基酸序列最接近SIR2的同系物，主要在心血管、脑内等器官组织中广泛表达。SIRT1蛋白结构主要由大结构域(Ross mann折叠组成，保守性较高)与小结构域(1个锌结合结构域和1个螺旋构件组成，保守性较低)两部分组成。其中，大结构域是NAD+的催化域，具有去乙酰基酶的活性。SIRT1发挥去乙酰化作用是通过绑定NAD+以及目标蛋白质的Nε-乙酰赖氨酸，随后将乙酰基或其他酰基从目标蛋白质赖氨酸残基的Nε-氨基中分离出来实现的。SIRT1是一种核蛋白，在41～46个残基中含有核定位信号(KRKKRK)。然而，也有研究认为，SIRT1在细胞内同时定位于细胞质以及细胞核中[10]。在受到分化刺激的影响下，SIRT1可以在细胞质以及细胞核中穿梭[11]。低能量状态(例如禁食、运动)会通过调节NAD+/NADH-比值来增加SIRT1活性[12]。活化后的SIRT1不仅能够使多种组蛋白以及FoxO家族成员、肿瘤抑制蛋白p53和核转录因子-κB (nuclear factor kappa B, NF-κB)等非组蛋白去乙酰化，还可与各种底物相结合[13]。这种广泛的靶点说明SIRT1具有多种生理调节功能，能够参与细胞代谢、细胞寿命调节以及基因修复等，在神经保护、肿瘤发生、衰老等生命过程中均发挥重要作用[14]，可有效改善AD、帕金森症和亨廷顿症等神经退行性疾病。

2 运动提高沉默信息调节因子2相关酶1改善AD病人的认知功能

SIRT1在运动对AD的神经保护机制中占据重要地位。与健康老年人相比，AD病人及轻度认知障碍人群血清中SIRT1浓度降低，且AD患者中SIRT1下降程度更为显著[15]。而SIRT1作为一种运动敏感性因子，运动可诱导其在血液、肌肉[16]、肝脏、心脏[17]以及海马[18]等组织中表达。运动激活SIRT1在提高神经元突触可塑性、抑制神经炎症、改善认知等方面发挥重要作用[19]。Hayek等[20]发现，乳酸是介导“血-脑”的关键信号因子，其通过内皮单羧酸转运体穿过血脑屏障进入脑组织。运动可释放乳酸激活SIRT1，通过过氧化体增殖物激活型受体γ辅激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)/纤维蛋白Ⅲ型结构域蛋白质5(fibronectin typeⅢ-domain containing protein5，FNDC5)途径上调海马中脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, Bdnf)表达，提高小鼠学习记忆水平。张宪亮[21]证实，跑台训练可以提高AD转基因小鼠脑内SIRT1蛋白表达，改善小鼠空间记忆能力和识别新物体能力。人体研究也发现，轻度认知功能障碍患者血清中SIRT1 水平下降[22]，但经常参加体力活动能够显著提高外周SIRT1表达，改善认知功能[23]。上述研究表明，运动干预能够刺激骨骼肌分泌乳酸，经循环途径作用于中枢神经系统以及其它外周靶器官激活SIRT1，增加“血-脑”中SIRT1表达，发挥神经保护作用，缓解AD认知障碍。

3 运动通过调控沉默信息调节因子2相关酶1延缓AD的可能机制

3.1 运动提高SIRT1表达减少Aβ生成

淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)经β-分泌酶与γ-分泌酶作用，产生少量具有神经毒性的Aβ42以及大量的Aβ40。β-淀粉样前体蛋白水解酶1(β-site APP cleavage enzyme-1，BACE1)是β-分泌酶中发挥切割作用的主要蛋白酶。人体研究发现，AD患者血清BACE1的mRNA、总Aβ(Aβ40+Aβ42)及Aβ40/Aβ42比值相较于正常老年人显著增高，且AD中SIRT1表达明显下降[24]。动物研究发现，AD小鼠脑内SIRT1蛋白表达显著降低，BACE1蛋白表达增加，Aβ沉积显著增多。而运动能够提高APP/PS1小鼠脑内SIRT1、PGC1-α、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARγ)的蛋白质表达，抑制BACE1的mRNA及蛋白质表达，减少Aβ沉积以及脑内老年斑块[25]。进一步研究发现，SIRT1通过在lys268、293上脱PPARγ的乙酰基，继而提高PGC-1α活性，PGC-1α通过与位于BACE1启动子上的过氧化物酶体增殖物反应元件直接作用，从而抑制BACE1活性，减少Aβ沉积[26]。

APP经α-分泌酶作用，可产生具有神经保护及营养作用的αAPP和C83，C83再经γ分泌酶剪切形成不易聚集的P3，从而避免Aβ生成。人解整合素样金属蛋白酶10(AD-related disintegrin and metalloprotease10，ADAM10)是脑内主要的α-分泌酶，12周低强度跑台运动能够增加APP/NSE雌性小鼠SIRT1、维甲酸受体β(retinoic acid receptor β，RARβ)、ADAM10的蛋白质表达，抑制Rho相关激酶1(Rho-associated kinase1, ROCK1)的蛋白质表达，促进APP向非Aβ裂解途径转移，减少Aβ沉积，改善小鼠空间学习记忆能力[27]。深入研究发现，一方面，SIRT1能够激活RARβ促进ADAM10的转录，将APP处理转向α-分泌酶的途径[28,29]。另一方面，SIRT1能够去乙酰化细胞核中FoxO转录因子3a(forkhead box O3a，FoxO3a)，使其失活进而抑制ROCK1。ROCK1能够在APP的Ser655位点进行磷酸化调节。抑制ROCK1的活性可提高α-分泌酶活性，减少APP代谢途径向β-分泌酶的偏倚，增加游离型αAPPs生成，从而抑制Aβ产生[30-32]。

3.2 运动可能通过SIRT1改善Tau蛋白过度磷酸化

AD病理条件下，Tau蛋白在微管结合域发生异常翻译后修饰，例如磷酸化、乙酰化、泛素化和糖基化等。乙酰化和泛素化均发生在赖氨酸残基中，异常乙酰化可抑制泛素介导的磷酸化Tau的蛋白质水解，且乙酰化异常修饰会干扰Tau蛋白与微管的结合，导致其功能障碍，增加Tau蛋白异常集聚倾向[33]。Min等[34]发现，SIRT1能在多个位点直接去乙酰化Tau蛋白，使其容易受泛素的影响降解为多个残基，抑制Tau蛋白引发的病理症状在体内扩散。敲除Sirt1，则导致Tau蛋白发生过度乙酰化，磷酸化的Tau蛋白聚集程度增加；相反，促进Tau脱乙酰化可消除磷酸化Tau蛋白。这提示，SIRT1介导Tau蛋白去乙酰化能抑制磷酸化Tau蛋白的募集。另有研究表明，SIRT1-PGC1α信号可显著降低Tau(Ser396)的磷酸化水平提高认知功能，减轻AD症状[35]。与此相悖的是，Lu等[36]认为，SIRT1与Tau蛋白磷酸化呈正相关：SIRT1去乙酰化环磷腺苷效应元件结合蛋白质(cAMP-response element-binding protein，CREB)，降低Ser133处CREB的磷酸化水平从而抑制其活性，进而抑制O-GlcNAc转移酶(O-GlcNAc transferase，OGT)的蛋白质表达，使Tau蛋白的O-GlcNAc糖基化减少，导致Ser199、Ser214处Tau蛋白磷酸化水平增加。

Um等[37]对Tg小鼠进行3个月的跑台训练，发现运动能够降低AD小鼠中Ser202、Ser404、Thr231等多个位点Tau蛋白磷酸化水平。Wu等[38]采用TgF344-AD小鼠进行8个月的跑台训练，发现运动能够降低Tau蛋白过度磷酸化，减轻转基因小鼠焦虑抑郁行为。体育锻炼被广泛认为是SIRT1的激活剂以及热量限制的模拟物[39,40]。SIRT1能够去乙酰化Tau蛋白以减少磷酸化Tau蛋白集聚[34]。因此，运动通过提高SIRT1水平减少Tau蛋白磷酸化。Bayod等[41]采用雄性大鼠进行36周中等强度跑台训练，证实运动可激活SIRT1，降低海马中Tau蛋白磷酸化程度，减弱神经退行性变。提示运动改善Tau病理可能与SIRT1相关。但是，Mankhong等[42]则认为，运动对Tau相关病理的改善与SIRT1无关，有氧训练对Tau乙酰化的抑制作用可能通过除SIRT1以外，其他未知的乙酰化-去乙酰化机制介导。综上，运动可激活SIRT1，但其是否参与了Tau蛋白的异常磷酸化尚未有具体结论，需要进一步研究。

3.3 运动提高SIRT1表达促进线粒体生物发生

AD的细胞和动物模型中发现，细胞和机体耗氧量下降，减弱了ATP的产生以及线粒体生物发生[43]。线粒生物发生减弱则会导致线粒体功能发生障碍，进而首先损伤高耗氧量的大脑。线粒体转录调控因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)以序列非特异性方式以及序列特异性方式与mtDNA相结合，保护mtDNA免受高氧化还原环境的影响而突变，从而影响mtDNA的完整性和数量[44,45]。提高SIRT1蛋白的表达，可以增加TFAM蛋白表达和mtDNA数目，并可减轻AD鼠海马细胞损伤；注射SIRT1抑制剂后，则会减少TFAM表达以及mtDNA数量[46]。

运动可以提高SIRT1水平，促进线粒体生物发生，缓解线粒体功能障碍。丁小燕[47]、Steiner等[48]、Casuso等[49]采用APP/PS1雄性小鼠、雄性ICR小鼠、Wistar鼠证实，运动可以提高小鼠脑中SIRT1、PGC-1α的mRNA表达以及蛋白质水平的表达，促进线粒体生物发生。进一步研究发现，SIRT1能够与PGC-1α相互作用使其去乙酰化，提高PGC-1α的活性[50]。PGC-1α是线粒体生物发生的中心调节剂，可调控多种转录因子例如包括核呼吸因子1、核呼吸因子2和TFAM等[51]。另有研究表明，SIRT1和PGC-1α以游离蛋白质的形式存在于线粒体中，并与TFAM发生反应，形成TFAM/SIRT1、SIRT1/PGC-1α、PGC-1α/TFAM等多种蛋白质复合物，提高mtDNA活性从而正性调节线粒体功能[52]。

3.4 运动可能通过SIRT1改善线粒体自噬

线粒体自噬是指受损的线粒体被特异性地包裹进自噬体内，同溶酶体融合，被溶酶体中的降解酶降解的过程，是一种特殊类型的自噬。跑台运动可以通过SIRT1激活脑内溶酶体的功能；使用EX527抑制SIRT1活性，则导致运动产生的益处(溶酶体基因转录)降低[53]。同源性磷酸酶张力蛋白诱导激酶1(phosphatase and tensin homolog induced putative kinase1，PINK1)/Parkin通路在启动线粒体自噬中发挥重要的作用。在受损的线粒体中，PINK1位于线粒体外膜可以将细胞质的Parkin募集到受损线粒体中。Parkin引发对下游蛋白质(线粒体融合蛋白1、线粒体融合蛋白2)的泛素化，将受损线粒体碎片化，促使自噬体快速识别及包裹，将其清除[54]。运动可以增强PINK1/Parkin介导的有丝分裂吞噬功能，改善线粒体功能障碍以及Aβ诱导的认知功能下降[55, 56]。先前有研究表明，SIRT1上调FOXO3a/PINK1/Parkin信号通路改善线粒体自噬[57]。zhao等[58]认为，运动可能通过SIRT1/FOXO3a/PINK1/Parkin通路改善AD脑内线粒体自噬。目前，关于运动提高SIRT1改善AD中线粒体自噬的研究较少，需进一步讨论。

3.5 运动提高SIRT1表达抑制神经炎症

AD病理过程中，局部长期积累过多的致炎因子、炎症反应产物通过氧化应激损伤、产生兴奋性毒性物质等途径促使慢性炎症以及神经变性导致病程加重。运动提高SIRT1蛋白表达，抑制神经炎症，缓解AD。运动可以提高SIRT1蛋白表达，降低脑内NF-κB蛋白水平[59,60]。NF-κB作为一种炎症反应的关键转录因子，能够调控炎症过程中多种类型的趋化因子、细胞因子和酶，进而产生级联反应促进慢性炎症形成[61]。SIRT1可以在P65(Lys310)直接去乙酰化NF-κB并降低其过度活化，改善AD神经炎症[62]。张宪亮等[21]也证实，有氧运动可以提高SIRT1蛋白表达水平，下调TgAPP/PS1小鼠NF-κB P65的mRNA以及蛋白质水平，减少了促炎因子白细胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、白细胞介素6、肿瘤坏死因子α的mRNA水平，增加了抗炎因子白细胞介素10、肿瘤坏死因子β的mRNA水平，抵抗神经炎症。JI等[63]证实，抗阻运动能够提高胰岛素抵抗小鼠海马内SIRT1蛋白表达水平，抑制海马中NF-κB、NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein3，NLRP3)炎性小体、IL-1β以及白细胞介素18蛋白质水平，从而发挥抵抗炎症的功能。尚不清楚NLRP3炎性小体激活的具体机制，但NLRP3炎性小体的激活必需有NF-κB参与，因此运动能够通过改善SIRT1/NF-κB/NLRP3炎性小体信号通路，抑制IL-1β等炎性因子，从而发挥神经保护作用。Mee-Inta等[64]认为，SIRT1降低脑中NF-κB表达也存在其它机制，即运动后SIRT1能够激活核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2，Nrf2)进而抑制NF-κB，从而减少促炎性介质产生，以及激活PGC-1α抑制NF-κB介导的小胶质细胞活化，从而抑制神经炎症。

3.6 运动提高SIRT1表达增强突触可塑性

AD早期，突触便出现形态受损以及功能障碍。敲低小鼠海马中SIRT1同样出现神经元轴突长度变短以及轴突数量减少等形态变化，且与突触功能、脂质代谢和髓鞘形成的海马相关基因表达也发生改变。相反，大脑中提高SIRT1蛋白表达的小鼠则表现出规则的突触可塑性，记忆力显著提高[65]。因此，SIRT1对于改善AD小鼠记忆和突触可塑性是必不可少的。

运动能够提高SIRT1水平，增强突触可塑性及其功能。刘涛等[66]对AD模型鼠进行8周跑台训练，证实运动能够增加AD鼠海马组织中BDNF、SIRT1的蛋白质表达，改善长时程形成，从而提高AD鼠记忆能力。深入研究发现，SIRT1和BDNF具有协同作用，激活SIRT1可限制mir-134蛋白表达，增加海马下游环磷腺苷效应元件结合蛋白/BDNF蛋白质水平[67]。Revilla等[68]发现，6个月自主运动提高了3xTg-AD小鼠海马内SIRT1和神经胶质源性营养因子(glial cellline-derived neurotrophic factor，GDNF)蛋白质表达，增强了突触可塑性。此外，AD发病过程中，大多数突触完整性下降与载脂蛋白E4(apolipoprotein E4, ApoE4)基因相关。APOE4阳性基因型增加了AD的危险性，并且在70～79岁年龄段家族性AD中表现出最大的危险效应[69]。ApoE4转基因小鼠出现神经可塑性障碍、海马区LTP降低以及额叶皮质中Sirt1基因表达失调等现象[70]。Theendakara等[71]认为，ApoE4降低SIRT1神经保护作用，促使Tau蛋白以及APP的磷酸化，导致细胞程序性死亡。提高SIRT1蛋白表达，可显著改善携带ApoE4基因的AD鼠新物体辨别能力[72]。无论自主运动[18]还是被动运动[73]均能够提高SIRT1。说明运动可能通过增加SIRT1蛋白表达抑制ApoE4，增强突触可塑性，改善AD认知功能。

4 问题与展望

SIRT1与Aβ沉积、Tau蛋白过度磷酸化、线粒体生物发生、线粒体自噬、神经炎症反应和突触可塑性等密切相关。提示上调SIRT1是AD的潜在治疗靶点。本研究从以上几个方面，探讨了运动通过调控SIRT1改善AD的可能机制(见Fig.1)。但仍有许多问题需要进行探究：(1) 尚不知有效激活SIRT1最大阈值、最佳运动方式以及运动强度。(2) 尚不明确运动改善Sirtuin家族在AD发生中的机制。未来仍需深入探索这些分子与其调节的转录因子之间的分子调控机制，以及其在预防AD发生和改善AD病程中的主次作用。

Fig.1 The possible mechanisms of exercise in the upregulaiton of SIRT1 to improve AD Exercise increases the expression of SIRT1 to prevent and delay AD from the following aspects: SIRT1 can inhibit Aβ production, reduce tau protein hyperphosphorylation, promote mitochondrial biogenesis, improve mitophagy, inhibit neuroinflammation and enhance synaptic plasticity