糖代謝酶與阿爾茨海默病關系的研究進展

趙 嵐 韓景獻 于建春

(天津中醫藥大學第一附屬醫院針灸研究所分子生物學實驗室 名中醫韓景獻教授工作室，天津 300193)

目前為止，阿爾茨海默病(AD)的具體機制仍不十分明確。研究表明，AD患者腦中普遍存在葡萄糖利用降低和代謝異常，并且代謝能力的下降與癡呆程度成正比〔1〕。AD患者在出現認知功能減退以前，大腦皮層的糖代謝就已經出現異常。Wang等〔2〕也認為糖代謝下降是AD的早期標志，且下降的幅度與癡呆的程度有關。糖代謝障礙與AD關系密切，是導致神經元退變的共同通路，它與AD腦神經元的丟失、老年斑的形成、神經纖維纏結等都有密切的聯系。

1 糖酵解途徑關鍵酶與AD的關系

腦細胞需要保持一定的酵解速度以保證能量的供應，而糖酵解過程直接取決于己糖激酶和磷酸丙糖異構酶等關鍵限速酶的影響，調節這些酶的活性就可以影響糖酵解的進程。

1.1 己糖激酶(HK)與AD 進入細胞后的葡萄糖首先發生磷酸化，HK是催化此不可逆反應的糖酵解途徑中第一個限速酶。Marcus等〔3〕應用PET觀察并評估AD患者腦糖代謝，以及葡萄糖利用率和HK的磷酸化程度，結果顯示AD患者腦內葡萄糖代謝水平和HK磷酸化程度明顯降低，在微血管中由于2DG親和力降低而導致 HK活性減弱。Ohta等〔4〕觀察了靜脈注射〔14C〕2-脫氧-D-葡萄糖后，快速老化癡呆小鼠(SAM)P8腦內葡萄糖的變化(脫氧葡萄糖通過葡萄糖載體從血中進入腦組織，經HK磷酸化生成2-脫氧-D-葡萄糖-6-磷酸)。結果表明，注射葡萄糖后，SAMP8小鼠皮層、海馬和紋狀體中2-脫氧-D-葡萄糖-6磷酸濃度顯著低于同齡正常老化小鼠SAMR1，而SAMP8與SAMR1腦血流速度和葡萄糖載體數量又未見明顯差別，提示癡呆小鼠腦葡萄糖代謝障礙與HK活性降低有關。

1.2 磷酸丙糖異構酶(TPI)與AD TPI是糖酵解過程中的關鍵酶，催化3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮之間的互相轉變，此反應的平衡極端地偏向于磷酸二羥丙酮一側(平衡常數：22)。在糖酵解的過程中，TPI能把經醛縮酶生成的磷酸二羥丙酮轉變為3-磷酸甘油醛，若TPI缺失或活性降低，可能引起磷酸二羥丙酮的積累，進而抑制酵解過程。

AD患者能量產生減少〔5〕，可能是通過糖酵解蛋白TPI的活性異?；蚧虮磉_降低而導致〔6，7〕。在神經變性疾病中糖酵解相關基因的表達下降，AD機體TPI輕微下調〔8〕。TPI活性下降，無法維持腦細胞的正常生存，而引起神經退行性變。國外研究顯示，在TPI缺陷的匈牙利家族中，兩個相同種系但表型不同的兄弟(其中一人神經障礙)，TPI活性極低(＜5%)，與正常人比較，紅細胞中磷酸二羥丙酮升高20～40倍，這種蛋白突變與TPI缺陷和其他常見的神經疾病中的神經變性發展進程密切相關〔9〕。TPI突變引起的TPI缺陷能夠引起進行性神經功能障礙、神經退行性變和早期死亡〔10〕;重度TPI缺陷患者常常存在著神經退行性變，這種神經退行性變的產生不但與ATP減少有關，而且與毒性分子積累密切相關〔11，12〕。

在SAMP8生長發育的早期，2月齡小鼠TPI的表達就明顯低于正常老化小鼠SAMR1，提示SAMP8在生長發育的早期存在能量代謝障礙。TPI活性下降能夠抑制糖酵解水平并引起葡萄糖代謝率的降低〔13〕。與同月齡SAMR1相比，6月齡和12月齡SAMP8海馬中TPI表達明顯上調〔14〕;Poon等〔15〕研究顯示，TPI在SAMP8腦中表達顯著上調，推測是氧化應激引起該酶的活性下降，而蛋白表達代償升高，提示SAMP8腦中存在著糖代謝障礙，這可能是其學習記憶增齡性衰退的重要原因。

1.3 磷酸甘油酸變位酶(PGAM)與AD PGAM是糖酵解過程中的另一個關鍵酶，催化3-磷酸甘油酸C3位上的磷酸基轉變到C2位上生成2-磷酸甘油酸之間的可逆反應。臨床研究表明，AD患者海馬中PGAM1的活性顯著降低〔6〕?；A研究顯示，PGAM在6月齡 SAMP8小鼠的表達低于 SAMR1，提示SAMP8在生長發育的早期存在能量代謝障礙。

2 三羧酸循環關鍵酶與AD的關系

三羧酸循環是葡萄糖的最終代謝通路，由葡萄糖分解產生的乙酰CoA，進入三羧酸循環被降解成為CO2和H2O，并釋放能量滿足機體需要葡萄糖。由于ATP的合成和分解是能量利用的關鍵環節，AD患者能量代謝障礙與三羧酸循環關鍵酶密切相關。

2.1 異檸檬酸脫氫酶(IDH)與AD IDH是三羧酸循環中的關鍵調節酶，其活性下調可使ATP生成減少，從而引起能量代謝障礙，該酶在對抗細胞氧化損傷也發揮著關鍵作用〔16〕。IDH是三羧酸循環中的關鍵酶，在ATP能量產生及其他生物合成等方面都有重要作用，并且在調節線粒體氧化-還原平衡及對抗氧化損傷也具有一定的作用〔17〕。

Kil等〔18〕報道，AD患者的腦內線粒體三羧酸循環中關鍵酶的測試結果顯示IDH的活性下降27%，致使ATP生成減少，不能為細胞有效地提供能量。有研究顯示，與同月齡SAMR1相比，6月齡和12月齡SAMP8海馬中αIDH表達水平顯著下調，提示SAMP8腦中存在能量代謝障礙，治療后，該酶表達水平顯著上調，提示可能通過抑制IDH的表達，進而改善SAMP8的能量代謝障礙〔15，19〕。

2.2 琥珀酸脫氫酶(SDH)與AD SDH是呼吸鏈的重要酶，催化琥珀酸脫氫形成延胡索酸，在電子傳遞過程中發生氧化磷酸化作用，生成ATP。SDH與ATP的合成密切相關，其活性的高低和線粒體氧化磷酸化直接相關，能夠反映線粒體的功能狀態。SDH活性下降，三羧酸循環受阻，使氧化磷酸化過程中能量轉化過程受影響，從而導致能量生成減少，組織能量代謝障礙。有研究顯示，癡呆大鼠海馬線粒體SHD活性較正常大鼠明顯降低〔20〕。

3 丙酮酸脫氫酶(PDH)與AD的關系

腦內的膽堿能系統被認為是參與學習和記憶過程的重要神經遞質，而乙酰膽堿的合成與腦內的葡萄糖代謝通路密切相關，腦內乙酰膽堿合成所需的乙酰輔酶A幾乎完全是由糖代謝通路提供的。葡萄糖經酵解產生丙酮酸后，進入線粒體，在PDH作用下氧化脫羧生成乙酰輔酶A，進入三羧酸循環，經一系列氧化、脫羧，最終產生能量、CO2和H2O。由于1分子的葡萄糖可以生成36個ATP分子，但卻只能產生2分子的乙酰輔酶A，所以早期腦內葡萄糖代謝障礙對ATP的生成影響不太大，但對乙酰膽堿合成的影響卻非常明顯。AD病人腦細胞中，PDH的活性明顯降低，影響能量代謝〔21〕?；A研究顯示，PDH自2月齡在SAMP8的表達低于SAMR1，因此會導致Ach的合成障礙，可能與6月齡SAMP8出現的學習記憶功能減退密切相關。

4 結語

綜上所述，糖代謝酶在AD的發生和發展過程中發揮重要作用。雖然糖代謝與AD的研究已經具有了一些初步的報道，但仍有許多問題尚待進一步闡明，例如糖代謝酶在腦組織的特異性分布，糖代謝酶發揮作用的除代謝以外的其他作用途徑等。了解糖代謝酶在AD中的作用，研究認知功能障礙與腦葡萄糖代謝之間的關系，不僅使我們對AD患者能量代謝機制的認識更加深入，有助于探討神經精神障礙的生物學基礎，而且為AD的診斷、治療和預防開拓了新的思路。從糖代謝酶的角度去認識、理解AD，并通過改善糖代謝相關酶的結構和功能來干預AD，將為AD患者認知能力、記憶能力、生活質量的提高提供新的措施與方法。

1 Drzezga A，Riemenschneider M，Strassner B，et al.Cerebral glucose metabolism in patients with AD and different APOE genotypes〔J〕.Neurology，2005;64(1)：102-7.

2 Wang X，Su B，Siedlak SL，et al.Amyloid-beta overproduction causes abnormal mitochondrial dynamics via differential modulation of mitochondrial fission/fusion proteins〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2008;105(49)：19318-23.

3 Marcus DL，Freedman ML.Decreased brain glucose metabolism in microvessels from patients with Alzheimer's disease〔J〕.Ann N Y Acad Sci，1997;826：248-53.

4 Ohta H，Nishikawa H，Hirai K，et al.Relationship of impaired brain glucose metabolism to learning deficit in the senescence-accelerated mouse〔J〕.Neurosci Lett，1996;217(1)：37-40.

5 Rhein V，Eckert A.Effects of Alzheimer's amyloid-beta and tau protein on mitochondrial function-role of glucose metabolism and insulin signalling〔J〕.Arch Physiol Biochem，2007;113(3)：131-41.

6 Sultana R，Boyd-Kimball D，Cai J，et al.Proteomics analysis of the Alzheimer's disease hippocampal proteome〔J〕.J Alzheimers Dis，2007;11(2)：153-64.

7 Bürklen TS，Schlattner U，Homayouni R，et al.The creatine kinase/creatine connection to Alzheimer's disease：CK-inactivation，APP-CK complexes and focal creatine deposits〔J〕.J Biomed Biotechnol，2006;2006(3)：35936.

8 Brooks WM，Lynch PJ，Ingle CC，et al.Gene expression profiles of metabolic enzyme transcripts in Alzheimer's disease〔J〕.Brain Res，2007;1127(1)：127-35.

9 Orosz F，Wágner G，Liliom K，et al.Enhanced association of mutant triosephosphate isomerase to red cell membranes and to brain microtubules〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2000;97(3)：1026-31.

10 Gnerer JP，Kreber RA，Ganetzky B.Inaugural article：wasted away，a Drosophila mutation in triosephosphate isomerase，causes paralysis，neurodegeneration，and early death〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2006;103(41)：14987-93.

11 Orosz F，Olah J，Ovadi J.Triosephosphate isomerase deficiency：new insights into an enigmatic disease〔J〕.Biochim Biophys Acta，2009;1792(12)：1168-74.

12 Park SA，Park HW，Kim NH，et al.Effects of Tau on the activity of triose phosphate isomerase(TPI)in brain cells〔J〕.Neurochem Int，2010;56(8)：886-92.

13 Castegna A，Thongboonkerd V，Klein JB，et al.Proteomic identification of nitrated proteins in Alzheimer's disease brain〔J〕.J Neurochem，2003;85(6)：1394-401.

14 董 雷，蔣 寧，周文霞，等.快速老化模型小鼠海馬蛋白質組學初步研究〔J〕.高等學?；瘜W學報，2007;28(2)：274-7.

15 Poon HF，Castegna A，Farr SA，et al.Quantitative proteomics analysis of specific protein expression and oxidative modification in aged senescence-accelerated-prone 8 mice brain〔J〕.Neuroscience，2004;126(4)：915-26.

16 Kirchner L，Chen WQ，Afjehi-Sadat L，et al.Hippocampal metabolic proteins are modulated in voluntary and treadmill exercise rats〔J〕.Exp Neurol，2008;12(1)：145-51.

17 Kim J，Kim KY，Jang HS，et al.Role of cytosolic NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase in ischemia-reperfusion injury in mouse kidney〔J〕.Am J Physiol Renal Physiol，2009;296(3)：F622-33.

18 Kil IS，Huh TL，Lee YS，et al.Regulation of replicative senescence by NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase〔J〕.Free Radic Biol Med，2006;40(1)：110-9.

19 王 杉，蔣 寧，周文霞，等.黃連解毒湯對快速老化模型小鼠海馬蛋白表達的影響〔J〕.中國中藥雜志，2007;32(21)：2289-94.

20 曾 芳，趙紀嵐，周奇志，等.電針對老年性癡呆大鼠海馬線粒體酶活性的影響〔J〕.中國老年學雜志，2006;26(1)：68-70.

21 盛樹力.老年癡呆發病機理與藥物研究〔M〕.北京：科學文獻出版社，2003：214-23.