阿爾茨海默病的Aβ級聯機制研究進展

李明成,周 君,米彩云,王虎平

(甘肅中醫藥大學,中國甘肅 蘭州 730000)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種中樞神經系統退行性疾病,其病程長、發展呈漸進性且不可逆,早期僅表現為短期記憶能力的受損,而長期記憶尚保存完好,隨著病情進展到中、晚期,患者常會有記憶、語言、認知功能的喪失及人格改變等精神行為癥狀,最終死于肺部感染、褥瘡等并發癥。目前,AD的發病機制尚不明確,存在tau蛋白過磷酸化、神經細胞膜代謝功能異常等多種假說。主流理論β-淀粉樣蛋白(amyloid βprotein,Aβ)級聯學說認為,Aβ在腦內過度聚集沉積產生的老年斑(senile plaque,SP)及其所誘導的一系列病理反應是引發AD的重要環節[1]。醫學界基于此學說開展了大量針對Aβ和SP清除的藥物研究工作,然而研究中出現的藥物無效或嚴重的不良反應迫使研究人員不得不終止實驗[2～4],Aβ級聯學說也因此受到質疑。這不僅揭示了AD復雜的發病機制,也表明了深入探索Aβ引發AD的一系列機制的必要性。本文就近年來Aβ參與推進AD病情發展的機制研究進行回顧與探究,以望為進一步集成化、整體性研究AD的Aβ級聯機制提供支持。

1 Aβ簡介

1.1 Aβ的生成

眾多研究證實,腦內Aβ的過度生成是誘發AD的核心因素[5]。因此,維持體內Aβ生成與清除的動態平衡是防治AD的關鍵。研究表明,Aβ生成與淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)密切相關[6]。APP屬單次跨膜蛋白,主要分布在腦內,其余表達于外周組織器官如肝、腎、皮膚等。生理條件下,APP經非Aβ源性途徑(即α-分泌酶途徑)代謝:首先,APP由α-分泌酶水解為可溶性的片段sAPPα和羧基端的C83;隨后,C83又經γ-分泌酶水解為P3和APP胞內結構域(APP intracellular domain,AICD)(圖 1)。因 sAPPα具有神經保護作用,且P3為易被降解的不完整Aβ分子,故該途徑對機體不會產生有害影響[7～8],然而,最新研究表明AICD可能介導AD病理學改變[9～10]。病理條件下,與Aβ生成息息相關的腫脹神經軸突內的β-位點剪切酶-1(β-site APP cleavage enzyme-1,BACE-1)活性異常上調[11],這時APP主要經淀粉樣變途徑(即β-分泌酶途徑)代謝:首先,APP經BACE-1酶切割為β-APP和C99;隨后,C99又經γ-分泌酶作用生成Aβ40(約90%)和Aβ42(約 10%)兩種主要形式(圖 1)。其中,Aβ40常易進入腦血管,誘發腦淀粉樣血管病,加重AD病理[12],而Aβ42具有很強的疏水性,容易聚集成寡聚體,對軸突和突觸產生毒性作用,導致神經元變性壞死及突觸功能障礙,誘發AD病理變化[13]。

圖1 Aβ的生成過程生理條件下,腦、肝、腎、皮膚產生的APP,經α-分泌酶水解為sAPPα和C83,C83又經γ-分泌酶作用產生神經保護性質的P3和誘導AD病理改變的AICD;病理條件下,APP主要經β-分泌酶切割生成β-APP和C99,后者再經γ-分泌酶水解為引發AD病理改變的Aβ40和Aβ42兩種主要形式。Fig.1 The production process of AβUnder physiological conditions,APP produced by the brain,liver,kidney,and skin is hydrolyzed by α-secretase into sAPPα and C83,and C83 is activated by γ-secretase to produce neuroprotective P3 and AICD that induces pathological changes in AD.Under pathological conditions,APP is cleaved by β-secretase to generate β-APP and C99,and the latter is hydrolyzed by γ-secretase into Aβ40and Aβ42that cause AD pathological changes.

基因突變是影響APP代謝、生成更多Aβ的重要因素。研究證實,APP基因位點(如670/671位點、711位點、716位點)的改變常會誘發更多BACE-1酶剪切APP,產生高于健康人4～10倍的完整的、游離的Aβ[14]。有研究報道,早老素蛋白-1的突變可能在AD早期阻止APP正常分解或轉運,甚至直接改變γ-分泌酶構像,加快γ-分泌酶與C99肽的相互作用,促進長鏈Aβ生成,增加Aβ42/Aβ40比率[15～16]。此外,載脂蛋白 E(apolipoprotein E,ApoE)突變是散發型AD的高風險因素。相關研究表明,單個ApoEε4基因攜帶者的AD患病風險增加3～4倍,而一對ApoEε4基因攜帶者的患病風險將提高至 9～15 倍[17～18]。究其原因,可能與 ApoEε4 和受體結合后,激活非經典絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號轉導通路,進而調控APP轉錄,影響其裂解位點,增加Aβ 水平有關[19]。

1.2 Aβ的清除

生理情況下,機體產生的Aβ可經以下途徑清除,以維持體內Aβ生理水平的穩定。1)受體介導的跨血腦屏障轉運。晚期糖基化終末產物受體和低密度脂蛋白受體相關蛋白質分別介導Aβ由血入腦、由腦入血的轉輸,參與維持大腦與外周組織器官Aβ水平的穩定[20～22];2)中樞神經系統的淋巴循環。膠質淋巴系統和腦膜淋巴管是中樞神經系統淋巴循環的重要組成部分,其在清除Aβ等大分子廢物上發揮著重要作用[23]。有研究顯示,淋巴循環功能受損將導致淋巴交換功能障礙,使得Aβ在腦內大量沉積[24];3)膠質細胞的清除作用。正常情況下,膠質細胞可發揮清除胞內Aβ的作用,但是,Aβ的不斷增多則會誘導膠質細胞釋放大量炎癥因子,引發炎癥反應,并介導Aβ生成[25];4)Aβ的降解酶系統。腦啡肽酶(neutral endopeptidase,NEP)、胰島素降解酶(insulin degrading enzyme,IDE)和內皮素轉換酶(endothelin converting enzyme,ECE)等均可清除Aβ,但在AD患者腦內,上述酶的活性常受到抑制,使得Aβ降解減少;5)外周清除途徑。Aβ可轉運到外周組織和器官經肝、腎、胃腸道和皮膚等代謝,進而降低腦內Aβ水平[26]。因此,上述任一環節的損傷或功能缺失都會造成Aβ在腦內過度沉積,引發AD病理變化[27]。

2 Aβ級聯學說與AD的病理關系

當基因發生突變或Aβ清除途徑受損時,Aβ生成與清除的動態平衡被打破,大量Aβ聚集在腦內,引發一系列病理反應。例如:Aβ作用于神經元,經多種細胞信號轉導途徑,誘導細胞大量凋亡[4]。同時,Aβ在突觸聚集,損傷突觸可塑性,阻斷長時程增強效應(long-term potentiation,LTP),降低AD患者學習記憶能力[28]。此外,Aβ的過度堆積可激活膠質細胞,活化后的膠質細胞一方面能直接吞噬突觸,造成突觸損傷和丟失,另一方面又釋放大量炎癥介質和氧化因子等有害物質,引發炎癥反應及氧化應激,并上調BACE-1活性,誘導過多Aβ生成,形成一個惡性循環,推動AD病情發展[21]。除此之外,過多的Aβ還能加速tau蛋白過磷酸化,誘發神經原纖維纏結(neurofibrillary tangle,NFT),使軸突變性壞死,導致腦組織出現萎縮乃至結構功能完全喪失,最終引發AD[29]。以上為Aβ級聯學說的主要內容(圖2)。

圖2 Aβ級聯學說主要內容基因突變或Aβ清除途徑受損導致Aβ過度生成,大量的Aβ介導神經元損傷、凋亡和突觸功能障礙,同時刺激膠質細胞活化?；罨哪z質細胞產生炎癥反應和氧化應激,從而誘導Aβ大量生成,形成一個惡性循環,加劇神經元損傷和突觸功能障礙。此外,Aβ還加速tau蛋白過磷酸化,促進NFTs形成,引發軸突變性壞死,導致腦組織萎縮、結構功能喪失,最終引發AD。Fig.2 The main content of Aβ cascade theoryGene mutation or Aβ clearance pathway is impaired,and excessive Aβ is produced,which mediates neuronal damage,apoptosis and synaptic dysfunction.At the same time,it stimulates glial cell activation,produces inflammatory response and oxidative stress,and induces the massive production of Aβ.A vicious circle aggravates neuronal damage and synaptic dysfunction.In addition,Aβ also accelerates the formation of NFTs by tau protein hyperphosphorylation,triggering axonal necrosis,leading to brain tissue atrophy,loss of structure and function,and ultimately leading to AD.

2.1 Aβ與神經元凋亡

神經退行性病變是誘發AD患者記憶認知功能衰退的重要原因,而神經元的凋亡在其中扮演重要角色。研究發現,Aβ在腦內的積累是誘發神經元凋亡的中心環節,Aβ可參與介導線粒體凋亡通路、死亡受體通路和內質網凋亡通路,三者共同誘導神經元細胞凋亡。

線粒體是細胞動力工廠,為細胞提供必要的能量,參與細胞分化、凋亡等過程,是線粒體凋亡通路的控制中心,而Aβ介導的細胞內鈣超載是啟動線粒體凋亡通路的關鍵因子。研究證明,APP裂解產生的一部分Aβ可停留于神經元脂質雙層中,并進化成Aβ寡聚物,誘導神經元膜上形成通道樣的活性孔,促使鈣離子內流增加[30]。同時,Aβ可通過調節鈣通道上N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)介導的鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ、鈣調磷酸酶、蛋白磷酸酶1及環磷酸腺苷應答元件結合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)等信號通路,誘導細胞內鈣超載[31]。鈣穩態的失衡,一方面可升高線粒體膜上的促凋亡蛋白Bax(Bcl2-associated X)水平,降低抗凋亡蛋白Bcl-2(B cell lymphoma 2)的表達,使線粒體外膜透化,釋放細胞色素c,后者與細胞凋亡蛋白酶激活因子-1、胱天蛋白酶-9(caspase-9)結合成凋亡體復合物,并激活caspase-3,啟動caspase蛋白酶級聯反應,介導細胞凋亡[32];另一方面可加快Aβ與Aβ結合乙醇脫氫酶的相互作用,誘導活性氧(reactive oxygen species,ROS)等有害物質產生,引發線粒體損傷,并刺激BACE-1酶、γ-分泌酶裂解APP生成更多Aβ,形成惡性循環[33～34]。此外,線粒體融合與分裂的動態平衡是維持其形態、結構功能穩定的重要方式。Aβ刺激會造成線粒體融合蛋白1(mitofusin 1,Mfn1)和Mfn2顯著下降,而分裂相關因子高度上調,引起線粒體外膜通透性增強,使細胞色素c大量釋放,激活caspase-3,最終觸發細胞凋亡程序[35]。

死亡受體是一種胞外富含半胱氨酸區域,且胞質區含有一同源氨基酸構成的死亡結構域(death domain,DD)的特殊蛋白質受體,為細胞外部信號觸發凋亡的主要途徑。其能夠與凋亡信號密切結合,激活凋亡啟動子caspase-8,進而活化凋亡執行子caspase-3,觸發細胞凋亡反應。Fas/FasL系統是重要的細胞死亡受體凋亡通路。生理條件下,細胞型Fas相關死亡域樣白介素-1β轉換酶抑制蛋白能夠與銜接蛋白分子(Fas-associated death domain,FADD)和caspase-8結合,從而阻止Fas/FasL觸發的細胞凋亡程序[36]。然而,AD患者腦內Aβ的大量積累會激活c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK),并增強活化轉錄因子2的表達,從而上調Fas/FasL水平,促使Fas與其配體FasL大量結合成三聚體,介導胞內DD和FADD聚合,并與caspase-8相互作用生成死亡信號復合物,最終激活caspase-8和caspase-3,啟動細胞凋亡程序[37]。此外,有研究顯示,Aβ可通過誘導Toll樣受體4/6與CD36結合形成復合物,以及核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)生成,引發炎性反應,介導炎性體銜接蛋白與caspase-8相互作用,從而損傷線粒體[38]。同時,Aβ經ROS/JNK/p53途徑上調凋亡因子含量,激活caspase-8,并將Bid裂解為tBid,促進Bax向線粒體轉移,引起細胞色素c的釋放,從而激活線粒體凋亡通路[39]。因此,死亡受體通路和線粒體凋亡通路是相互聯系、不可分割的,共同介導細胞凋亡反應。

內質網(endoplasmic reticulum,ER)參與蛋白質的合成、修飾、加工及轉輸,胞內未折疊或錯誤折疊蛋白質的出現,可導致ER功能穩態失衡,形成內質網應激(endoplasmic reticulum stress,ERS),并啟動未折疊蛋白質反應(unfolded protein response,UPR),從而停滯大多數蛋白質翻譯,增強折疊能力,加快清除錯誤蛋白質,維持ER內環境的穩態[40]。然而,Aβ的錯誤折疊過多常會造成持續不可逆的ERS,使ER穩態失衡,觸發ER凋亡通路。研究證明,Aβ引發的鈣超載,不僅介導線粒體凋亡通路,還會刺激ERS中的經典標志性蛋白質分子糖調節蛋白78與UPR的3個蛋白質受體:蛋白激酶樣內質網激酶(protein kinase RNA-like ER kinase,PERK)、肌醇必需酶 1α (inositolrequiring enzyme 1α,IRE1α)和活化轉錄因子 6(activating transcription factor 6,ATF-6)分離,并相應激活PERK-真核細胞起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α,elF2α)通路、IRE1α 通路及 ATF-6通路,使一系列促凋亡因子(如C/EBP同源蛋白、死亡受體 DR5、JNK、p38 和 IRE1α)上調,并下調抗凋亡蛋白Bcl-2活性,加速細胞凋亡[41]。此外,持續不可逆的ERS還可直接活化ER特異性凋亡因子caspase-12,進而活化下游caspase-9和caspase-3,引發細胞凋亡反應[42～43]。

2.2 Aβ與突觸功能障礙

突觸是神經元連接靶細胞并向其傳遞信號的關鍵部位,主要由突觸前膜、突觸后膜和突觸間隙構成。神經沖動傳導時,突觸前膜中富含神經遞質的突觸小泡移動到前膜并釋放其中的神經遞質,后者通過突觸間隙與突觸后膜上的受體結合,完成一次信號轉導。突觸功能受損時,神經沖動傳導受阻,從而誘發AD患者記憶認知功能缺陷。Aβ引發的突觸興奮性與抑制性信號轉導失衡是突觸受損的標志,在Aβ干預神經母細胞瘤細胞的實驗中研究人員發現,Aβ可能通過抑制γ氨基丁酸轉運體和升高谷氨酸(glutamic acid,Glu)轉運體,誘導突觸抑制性與興奮性神經遞質紊亂[44]。Glu濃度的升高會加快Aβ與突觸可塑性密切相關的NMDAR受體、代謝型谷氨酸受體5(metabotropic glutamate receptor 5,mGluR5)的相互作用,導致NMDAR受體和mGluR5受體激活。NMDAR受體的激活將引發鈣離子失調,觸發p38 MAPK級聯反應,抑制CREB、細胞外信號調控的蛋白激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)等通路,介導突觸可塑性和LTP損傷[45～46];同時又加劇突觸線粒體損傷,使ATP合成減少,造成突觸功能紊亂。mGluR5受體的激活將介導p38 MAPK、JNK和細胞周期蛋白依賴性激酶反應,抑制LTP,增強長時程抑制(long-term depression,LTD)效應,并改變突觸形態,進而加重AD患者記憶認知功能障礙[47]。此外,Aβ還可通過減少腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的表達,改變突觸后樹突棘形態,增加細長型而減少短粗型,從而延長樹突棘長度,降低其密度,引發突觸功能障礙[48～49]。

2.3 Aβ與炎癥反應

炎癥反應貫穿AD整個病理過程,而Aβ介導的神經膠質細胞活化是引發炎癥反應的關鍵因素。神經膠質細胞是大腦中除神經元外的另一大類細胞,包含小膠質細胞(microglia,MG)、星形膠質細胞(astrocyte,AS)、室管膜細胞和少突膠質細胞,其在維持神經沖動及大腦功能的正常發揮中起著重要作用,但在某些因素的刺激下,則會介導慢性持續性炎癥反應,造成神經元損傷和突觸功能障礙,引發疾病。

MG是中樞神經系統的免疫防御細胞,能夠接觸受傷或發育不完整的神經元并吞噬其凋亡碎片,且通過精細的突觸剝離移除異常突觸,調節突觸可塑性,參與維持大腦正常發育及中樞神經系統內環境的穩態。當機體出現病原體或凋亡細胞碎片時,MG被活化為胞體大、分枝稀疏粗大的阿米巴樣吞噬細胞形態,并快速遷移到損傷部位,發揮吞噬功能,同時釋放腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白介素-1β (interleukin-1β,IL-1β)和IL-6等促炎細胞因子,以及趨化因子、ROS和活性氮自由基(reactive nitrogen species,RNS)等物質,募集更多MG和AS加入,參與維持內環境穩態。眾多研究表明,MG在AD中具有雙刃劍的功能。在AD早期,Aβ的產生可促使MG轉化為M1型促炎性和M2型免疫抑制劑兩類[50],它們一方面經清道夫受體、CD36、Fc受體、補體C1q受體和補體受體3吞噬Aβ;另一方面產生促炎因子和抗炎轉化生長因子-β,保持機體內促炎與抗炎的穩態平衡[51]。隨著病情進展,Aβ不斷增多,MG過度活化,進而上調基質金屬蛋白酶水平,破壞血-腦屏障,使白細胞進入腦內,誘發炎癥反應;同時,RNS、ROS等有害物質及TNF-α、IL-1β、IL-6等炎癥因子被大量釋放,促炎與抗炎穩態平衡被打破,引發慢性持續性炎癥反應,導致神經元損傷和大腦功能障礙[52]。此外,Aβ的沉積還會造成線粒體損傷和有絲分裂功能障礙,降低MG吞噬功能并誘發NLRP3/caspase-1依賴性神經炎癥,且抑制MG膽堿能抗炎途徑和細胞穩態因子髓樣細胞觸發受體2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2,TREM2)及 Toll樣因子的表達,加劇炎癥反應[50]。

AS是神經膠質細胞中數量、功能最多的一類細胞,能夠提供支持框架,固定神經元,并產生促進神經元生長及突觸形成的生長因子和乳酸等營養物質,修復神經系統損傷。同時,AS還能通過指引突觸或樹突的形成位置控制神經元形成,并介導Glu、D-絲氨酸和ATP等神經遞質轉運,參與維持神經元的信息傳遞功能。生理狀態下,AS可依賴于ApoE脂化,增強MG清除Aβ的能力,或上調NEP、IDE、ECE和激肽釋放酶相關肽酶7的表達,從而加快Aβ清除[53～54]。但在AD患者腦內,Aβ的沉積超出了AS的清除閾值,導致AS清除功能障礙并被激活,使其形態學發生改變并大量增殖分化,產生炎癥反應。AS通過下調MG中TREM2水平,降低TREM2穩定性,活化MG,并將AS極化為具有神經毒性的表型[55],同時釋放IL-6、IL-1β、TNF-α 和干擾素(interferon,IFN)等炎癥因子,參與炎癥反應;而 IL-1β、TNF-α 和 IFN-γ又可刺激AS上調BACE-1活性,加速Aβ生成,介導慢性持續炎癥反應[56]。

2.4 Aβ與tau蛋白過磷酸化

Tau蛋白表達于軸突之中,具有促進微管組裝、保持微管結構穩定性的作用,并在維持軸突生長、傳遞信號沖動及神經元可塑性中都起著廣泛作用[57],而過度磷酸化會導致其從微管中解離出來并形成NFTs,誘發神經退行性病變[58]。越來越多的證據表明,Aβ與tau蛋白之間存在密切聯系,二者在推動AD演變過程中發揮著特殊作用。在缺乏Aβ的情況下,海馬tau蛋白的沉積難以誘發AD神經退行性病變[59],而與之相反的是,在AD早期,tau病理尚未出現時,Aβ就可參與介導神經元損傷及突觸形態功能改變,并隨著Aβ的不斷沉積,其進一步誘導P-tau217和P-tau181釋放,加速tau蛋白過磷酸化,引發軸突變性壞死,最終使患者表現為癡呆癥狀[60]。在Aβ誘導tau蛋白過磷酸化的進程中,糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)扮演著重要角色。有研究報道,Aβ激活的凋亡執行子caspase-3除能誘導細胞凋亡外,還能特異性地裂解蛋白激酶B,活化GSK-3β,進而加速tau蛋白過磷酸化;同時,活化后的GSK-3β又能介導BACE-1酶和γ-分泌酶剪切APP,促進更多Aβ生成,形成惡性循環,進一步推動tau蛋白磷酸化[61～62]。此外,細胞型朊蛋白(cellular prion protein,PrPc)與Aβ具有高度親和力,能夠與低濃度的Aβ結合形成Aβ-PrPc復合體并激活酪氨酸蛋白激酶,加速tau蛋白過磷酸化[63]。因此,Aβ與tau蛋白之間并不是簡單粗暴的相加模式,而是一種相互協同的神經毒性作用,共同推動AD病程演變[64]。

3 小結與展望

綜上所述,基因突變或Aβ清除途徑受損造成的Aβ生成增多,不僅通過線粒體凋亡通路、死亡受體通路和內質網凋亡通路觸發神經細胞凋亡,還通過提高Glu水平及減少BDNF表達損害突觸可塑性,并激活膠質細胞產生炎癥反應,同時誘導tau蛋白過磷酸化形成NFTs等一系列病理反應,加劇神經退行性病變和突觸功能障礙,以致大腦功能完全喪失和AD發生。近年的研究表明,Aβ在AD中可飾演不同的角色,一方面其作為先天性免疫蛋白,發揮防止真菌、細菌及病毒感染的抗菌肽作用;另一方面感染或無菌性炎癥又可驅動 Aβ 沉積,加速 AD 進程[65～66]。因此,Aβ作為誘發AD一系列病理反應的中心環節,減少其表達成為防治AD的有效手段和方法。有研究報道,由渤健公司研發的單抗藥物aducanumab能有效進入腦內與Aβ結合,并以劑量依賴性方式降低腦內Aβ沉積,該藥物在2021年6月7日被FDA批準用于治療AD患者[67]。這是基于Aβ級聯學說研發的AD新藥的成功證明,其不僅給廣大患者帶去希望,也極大證明了Aβ級聯機制在AD發病機制中的合理性[68]。然而,關于AD的Aβ級聯機制研究尚存在一定局限性,如:功能障礙的線粒體與內質網凋亡通路之間存在何種聯系,線粒體與神經膠質細胞轉化之間如何相互影響,等等。諸多問題的解決都需要分子生物醫學技術的進步及多學科交融的理論創新來進一步闡明其發病機制。在今后研究中,既要深入探尋各自的調控靶點,更要探索構建Aβ、神經膠質細胞和tau蛋白三者甚至多者之間的相互信號網絡,為精準、全面地闡釋AD的Aβ級聯機制夯實基礎,同時也為多靶點藥物的設計、開發提供支持[69]。