端粒-端粒酶在神經退行性疾病中的研究進展

吳志悅， 薛曉帆， 曾景蓉， 黃安琪綜述， 許二赫審校

神經退行性疾病是一類與年齡相關的神經系統疾病，其特征是異常蛋白的聚集及神經元缺失，最終導致認知和（或）感覺運動功能障礙。其發病機制較復雜且病因較多，其中年齡遞增作為生命周期中不可干預的事件，是大多數神經退行性疾病患病的主要危險因素之一［1］。近年來，人們不斷探究與衰老相關的生物學特征，嘗試尋找一種可預測患者發病風險、疾病進展速度以及患病嚴重程度的生物標記物，雖然取得了一些進展，但成果仍舊有限。有研究指出，加速的端粒損耗和端粒酶活性降低是生物過早衰老的一個指標，較短的端粒與人群全因死亡率［2］、年齡相關疾病發病率增加、癡呆癥進展加快以及患阿爾茨海默病的總體風險較高均有關［3］。因此，本文重點綜述了端粒長度、端粒酶活性與神經退行性疾病的相關性研究的最新觀點，探究其能否作為神經退行性疾病的一種生物標記物，同時，初步探討端粒-端粒酶系統在神經退行性疾病中的潛在作用機制。

1 端粒-端粒酶系統

端粒是真核生物染色體末端的特殊帽狀結構，由高度保守的（TTAGGG）DNA重復序列及相關蛋白組成［4］。它能夠保護染色體末端免受損害及融合，在維持基因組穩定性方面具有重要作用［5］。由于滯后鏈的不完全DNA復制、氧化損傷和其他因素［6］，端粒長度會縮短，當到達Hayflick界限時，會觸發DNA損傷信號，引起細胞周期停滯并導致細胞衰老或細胞凋亡［7］，端粒也因此被科學家們稱為“生命時鐘”，同時端粒長度也是人們預測細胞衰老和一些年齡相關疾病的生物標記物。端粒長度是生理（連續細胞分裂［8］）、遺傳（維持端粒所需的基因［9］）和環境（如氧化應激、炎癥反應［10］）等因素的綜合體現，因而形成了與衰老及年齡相關疾病的復雜關系。有研究提示，隨著年齡增長，端粒會以相對恒定的速率縮短，期間若伴隨與年齡增長相關的疾病發作，端?？s短會進一步加速［8］。

端粒酶是由端粒酶RNA模板（telomerase RNA component，TERC）和逆轉錄酶催化亞單位（telomerase reverse transcriptase，TERT）兩種核心成分組成［11］。它的典型功能是以自身RNA為模板逆轉錄合成端粒DNA重復序列，恢復和維持端粒長度，這也稱作“端粒酶活性”［12］。最新研究表明TERT具有多種不依賴于端粒的非經典功能，如能從細胞核穿梭至線粒體從而降低氧化應激反應和抵抗細胞凋亡［13］。同時，越來越多的研究表明，TERT對大腦和有絲分裂后的神經元具有保護作用，能夠抵抗各種刺激因子，如氧化應激、細胞凋亡和神經退行性因子［如β-淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）、α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）、tau蛋白等］，但具體的機制尚不清楚［12］。有研究發現端粒酶激活劑能提高神經元內TERT水平，通過自噬機制降解腦毒性蛋白以改善神經退行性變的相關癥狀［13］。

2 端粒-端粒酶系統與阿爾茨海默病

阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）是老年人最常見的癡呆類型［14］，以Aβ沉積形成的老年斑、神經原纖維纏結為兩大核心病理特征［15］。AD是最具代表性的與衰老相關的疾病之一，而端粒學說認為端粒長度是衰老的標志，因此研究人員探究了AD與端粒之間的關系。大多數研究使用外周血白細胞（peripheral blood leukocytes，PBLs）端粒長度來反映AD患者的衰老水平。先前的一項研究表明，AD患者PBLs和小腦神經元細胞的端粒長度存在直接相關性［16］。因此，可以認為PBLs的端粒長度能夠反映AD患者腦內神經元的端粒長度。但目前關于端粒長度對AD認知功能影響的研究結果并不一致，我們推測其部分原因可能是研究設計類型、測定端粒長度方法等等的差異性。

2.1 端粒長度與AD 目前大量研究證實，端?？s短可能是AD的危險因素。Abou-Elela等［17］發現與健康人、輕度認知障礙（mild cognitive impariment，MCI）患者相比，AD患者端粒長度更短，而羥基脫氧鳥苷（8-Hydroxydeoxyguanosine，8-OhdG）水平更高。Lee等［18］指出AD患者端粒衰減速度明顯快于正常對照組和MCI組，但平均白細胞端粒長度（leukocytes telomere length，LTL）未見明顯差異。2019年一項傘形評價指出，僅限于病例對照研究的薈萃分析中較短的端粒長度與糖尿病或AD發病呈中等關聯［19］。近期的一項薈萃分析也得出較一致的結論：相比對照組，AD組的LTL更短，但端粒酶活性可能更高［20］。最近的孟德爾隨機化（Mendelian Randomization，MR）研究表明基因預測的較長端粒對 AD 起到保護性作用［21-24］。這些結果均支持較短端粒者可能更易罹患AD，但將疾病的嚴重程度與端粒長度相關聯還需更多證據。晏玉奎等［25］利用多元統計，模擬不同程度認知功能障礙患者的端粒時間-速度函數變化關系，發現輕中度AD患者較重度AD患者的端粒衰減速度減慢或者前者具有較長的DNA端粒，進一步說明癡呆與端粒長度縮短有一定量變關系，Abou-Elela等也得到與其相似的結論［17］。另外也有研究調查了端粒長度能否預測MCI向AD的轉化，2016年的一項Meta分析以及Koh等隨訪了2年的MCI A+（即淀粉樣蛋白正電子發射斷層掃描顯像或腦脊液分析確定的淀粉樣變性）的患者，都提出了較短端粒的MCI患者可能出現更快速的認知功能下降，更易向AD轉化［26，27］。類似的是，Scarabino等［28］研究結果表明LTL縮短結合血漿IL-1β和IL-18升高能監測疾病從MCI到AD的發病進展。

但是，也有部分研究結果并不支持端?？s短作為AD進展的一個強有力的生物標記物的論點。有趣的是，Mahoney等［29］發現在AD神經病理相關生物標記物陽性的個體中，基線端粒越長，認知下降越快，而在上述生物標記物陰性個體中并未發現這種關聯，這提示端粒長度與認知水平之間的關系，可能取決于是否存在神經病理性標記物。意外的是，2022年一項橫斷面研究納入了2 573例認知正常但多數具有AD家族史的參與者，通過MR分析發現僅在載脂蛋白E-?4（APOE-?4）非攜帶者中，基因預測的端粒越長，腦脊液中Aβ水平越低，神經絲輕鏈水平越高，這提示APOE-?4等位基因可能調節端粒長度對AD相關腦脊液生物標志物的影響［3］。早年一項研究初步調查了AD患者前驅期的端粒改變，結果發現進展為AD的MCI患者相比穩定在MCI狀態的患者端粒更長［30］。另外的一項韓國橫斷面研究表明，與健康老年人相比，MCI和AD患者的端粒長度并沒有更短，這支持了端?？s短與AD發病沒有直接關系的觀點［26］。同時，一項美國長壽家庭參與者的橫斷面研究發現，LTL與癡呆及非癡呆患者的認知水平無關［31］。上述研究結果均難以支持較短端粒能夠加速AD的發病、進展及預測MCI轉化為AD的假設，可能需要更大樣本和不同的患者亞組來進行進一步驗證［32］。

另外，研究人員和臨床工作者逐漸認識到，不僅要及時準確地對AD患者進行診斷，要確定患者是否具有AD患病風險或及時發現那些處于AD前驅期的個體，以便早期干預更為關鍵。一項研究表明，較短LTL能至少在發病前8年預測非APOE-ε4攜帶者AD的發病率［33］?；诓±龑φ?、MR研究的證據表明，LTL越短，AD的發病風險越高［34］，但也有部分研究得到了相反的結論［26，31］。值得注意的是，另一項鹿丹特前瞻性研究發現，LTL與AD患病風險存在非線性U型關聯，較短LTL和較長LTL均與AD患病風險增加有關［35］，這在非APOE-ε4攜帶者前瞻性隊列中也得到證實（盡管較長LTL與AD發病率增加并不具有統計學差異，P= 0.28）［33］。

2.2 端粒酶與AD 端粒酶具有延長端粒及維持端粒穩定性的功能。由于其顯示出對大腦神經元的保護作用，因此越來越引起神經科學領域研究者的關注。Spilsbury等［36］證明，TERT蛋白可以在AD患者神經細胞的線粒體中積累，并可能具有抵抗tau病理蛋白沉積的保護作用。相似的是，端粒酶復合物通過增強神經營養蛋白和可塑性相關基因的表達來保護海馬神經元免受Aβ42的毒性損傷［37］。Shim等［38］在AD小鼠模型中發現TERT能在基因啟動子上與β-連環蛋白和核糖核酸聚合酶II相互作用，并上調突觸信號通路及與學習過程相關的基因網絡，達到保護大腦神經元健康的作用。體內外試驗初步證實TERT可在嚙齒動物和人類中發揮神經保護作用。但目前的相關研究仍較有限，因此，未來需要更多的試驗來進一步探究AD患者體內TERT蛋白的水平及作用機制，以確定端粒酶激活劑能否作為預防或改善AD癥狀的新療法。

2.3 潛在機制 年齡增加作為AD重要的發病風險因素之一，AD患者年齡增長可能伴隨端?？s短，但并不是所有老年人都患AD，這也提示我們端?？s短可能只是AD發病的協同因素而非主要因素。關于端粒長度變化的機制以及端粒長度的變化如何導致了AD的發生發展尚未闡明，但有學者提出了一些假說：首先，AD發病機制中一個重要事件是神經免疫反應，研究提示AD的神經炎癥狀態和外周免疫系統的同時參與，可能促進了與星形膠質細胞和小膠質細胞增殖有關的白細胞分裂和端?？s短［39］。其次，一項小鼠轉基因模型支持了AD是一種全身性疾病，外周血細胞端?？s短是AD疾病進展的系統性表現，比腦組織中端粒變化更早更明顯，該研究提出一個與氧化應激無關且尚未確定的機制：AD通過促進細胞增殖導致端?？s短［40］。再者，既往有學者提出線粒體功能障礙可能是神經退行性疾病的發生發展的另一重要機制，有研究證實TERT可能通過減少氧化物的產生和改善線粒體功能來提供神經元對病理性tau蛋白的抵抗［36］。但有關端粒-端粒酶系統與AD潛在的病理生理機制的研究還較少，且多探討的是端粒長度與AD的關系，AD中端粒更長的患者其背后的病理機制仍有待闡明。

3 端粒-端粒酶系統與帕金森病

帕金森?。≒arkinson disease，PD）是第二大神經退行性疾病，具有廣泛的運動和非運動癥狀，典型的病理學改變是黑質致密部多巴胺能神經元的丟失及神經元內包涵體形成［41］。PD發病機制尚不清楚，有研究表明與衰老、遺傳易感性和環境等因素相關［41］。大量研究發現，PD病理過程中伴隨著慢性神經炎癥的發生，這提示了炎癥反應可能加速了疾病的進展。因此，研究人員推測PD中氧化應激損傷與炎癥反應可能會加速端粒磨損。不僅如此，作為重要的非運動癥狀之一，帕金森病癡呆（Parkinson disease dementia，PDD）往往在疾病晚期出現，且與年齡呈正相關。因此，與衰老相關的端粒-端粒酶系統是否能夠早期識別PD認知障礙的發生風險，能否作為PD患者認知障礙的一種生物標記物，也逐漸引起研究者的關注。有幾項研究調查了端粒長度與PDD之間的關系，這為我們理解PDD的潛在病理生理機制提供了一些見解。這些研究中端粒長度主要是在PBLs中測量，而關于PD患者中樞神經細胞的檢測目前還較少。由于端粒長度受檢測的組織樣本類型的影響較大，建立組織樣本明確的縱向隨訪也是未來研究的方向?？傮w來說，相比AD，目前人們對端粒-端粒酶在PD中的研究仍較少，且得出的結論爭議性較大，屬于研究相對空白的領域。

3.1 端粒長度與PD 目前國內外關于PD與端粒長度的研究結果并不一致，以往的研究認為較短與較長的端粒長度都可能與PD相關［42-44］，但也有研究在腦黑質組織中沒有發現神經細胞端粒長度的差異［42］。2020年一項首個針對中國人群的病例對照研究發現，PD患者的LTL明顯短于對照組，且越短的端粒長度罹患PD風險越高（OR= 9.54），同時端粒長度對PD的影響是獨立于LRRK2基因多態性的［45］。Levstek等［46］首次調查了端粒長度與PD臨床特征的關系，發現有癡呆和無癡呆的兩組PD患者中端粒長度存在顯著差異，其中端粒越短的PD患者，癡呆風險越高（P= 0.024），但在校正年齡及病程的影響后，這個相關性卻不再有統計學差異（P= 0.059），但數據仍有趨勢。2020年一項隨訪研究發現，基線和隨訪18個月時的PD患者端粒長度明顯低于正常對照組，且端粒越短的PD患者與隨訪36個月后癡呆的發生風險相關，這表明了較短的端粒長度可能對PDD的發生具有預測潛力［47］。

2022年來自瑞典、倫敦的一項橫斷面研究表明，相比健康對照組，PD患者血液和前額葉腦組織神經細胞的端粒更長，且血液中端粒長度與左旋多巴等效日劑量、病程呈正相關［48］。同時，Chen等［49］于2020年在MR框架中研究了37 688例PD患者和449 056例對照者，結果并沒有證實端粒較長與PD風險較高相關，這與2016年一項薈萃分析結果相似，該研究也未證實956例PD患者和1 284例對照組之間端粒長度有顯著差異［50］。而既往的一項隨訪研究卻發現，基線時端粒更長的PD患者在3年內發展為癡呆的風險更高，但沒有觀察到對照組和PD患者在基線時端粒長度的差異以及隨訪過程中端粒衰減速度的不同［51］?？偟膩碚f，端粒長度或端粒動力學變化與PD發病風險、臨床癥狀的進展之間的關系還沒有得到充分的研究，結果相對較少且具有爭議性。

3.2 端粒酶與PD 如前所述，TERT已在神經系統中顯示出保護作用。Wan等［52］研究指出，端粒酶激活劑導致TERT表達增加，其通過激活自噬降解了毒性α-syn，最終達到預防或延緩疾病進展的作用，例如顯著改善了PD轉基因小鼠模型的步態和運動協調等功能。這一臨床前模型的結果具有較大前景，目前急需進行PD的臨床試驗以確認增加TERT水平對神經退行性疾病的有益作用。

3.3 潛在機制 近年研究顯示，神經炎癥、氧化應激參與了PD的發生發展，端粒易受氧化應激而縮短，這與一些學者發現的PD患者端粒較短的結果一致。具體來說，端粒區域的GGG-3'DNA對氧化應激較敏感，同時活性氧產生的8-氧鳥嘌呤會導致復制問題、DNA脆性和端粒功能障礙，最終導致了細胞衰老［53］。除氧化應激之外，有研究推測，PD 患者服用的一些藥物可能對端粒長度產生影響，如左旋多巴通過增加同型半胱氨酸水平加速衰老過程，導致端粒長度變化［48］。另外，有實驗數據表明端?？s短導致了PD轉基因小鼠模型中α-syn的聚集加速和小膠質細胞反應受損，首次提示端?？s短可能參與了PD的病理學機制［54］。目前關于端粒與PD的研究結果較矛盾，部分研究結果揭示了PD中較短端?？赡芘c疾病的氧化應激、衰老加速、α-syn病理相關，但其中的因果關系仍值得進一步研究。

4 端粒-端粒酶系統與其他神經退行性疾病

另外有少數文獻報道了端粒長度與其他神經退行性疾病的關系。首先，關于肌萎縮側索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）與端粒長度的研究結果還沒有一致性。例如，先前的觀察性研究發現ALS組的端粒較對照組更短［55］，但ALS患者死后的腦組織端粒研究及一項全基因組測序研究發現ALS患者的端粒較對照組更長［56，57］。此外，Kim等［58］首次研究了額顳葉癡呆（frontotemporal dementia，FTD）與端粒長度的關系，發現所有FTD綜合征不同亞型的患者PBLs絕對端粒長度明顯長于對照組，但組間端粒長度并沒有顯著差異。ALS、FTD較長端粒的最新發現支持FTD與ALS是具有相同的臨床、遺傳和神經病理學特征的同一疾病譜的觀點。雖然有研究提出ALS患者腦中小膠質細胞端粒的延長可能是一種補償小膠質細胞較高的增殖活性的表現［56］，但仍需更多樣本量更大的研究來進一步證實上述結果的普遍性及ALS、FTD長端粒背后的機制。最后，亨廷頓舞蹈?。℉untington disease，HD）也是一種常見的神經退行性疾病，而Scarabino等［59］觀察到健康對照組及不同疾病階段（疾病前期和疾病期）的HD患者的LTL相繼縮短，這表明端?？s短與HD發病風險之間可能存在相關性。PerezGrovas-Saltijeral等［60］也發現相似的結論，并提出端?？s短可能與HD氧化應激有關。目前除AD、PD外，端粒與其他神經退行性疾病之間的研究較少，且集中在橫斷面研究，也尚未有一致的結論。如前所述，神經退行性疾病與氧化應激、衰老等密切相關，這能部分解釋短端粒與神經退行性疾病間的聯系，但到底短端粒是神經退行性疾病的伴隨表現，還是短端粒加速了神經退行性疾病的發生發展，目前尚不清楚。

5 總結與展望

綜合目前國內外端粒-端粒酶系統在各類神經退行性疾病中的研究，較多證據表明端?？s短與AD、PD等疾病狀態相關聯，但其中的因果關系、潛在機制尚未闡明。對于是否端粒短的人群更易罹患神經退行性疾病，未來仍需要應用端粒長度結合炎癥反應、氧化應激、線粒體功能等炎癥、衰老相關標記物進行縱向隨訪或許能更好地解釋年齡相關的神經退行性疾病的發病風險與端粒長度之間的關系。作為目前相對空白的研究領域，基線的端粒長度、端粒衰減速度、端粒酶活性是否決定了PD患者的運動、非運動癥狀（尤其是認知障礙）以及端粒長度與FTD和ALS之間的關系如何？以上問題都需要進一步探討。另外，TERT神經保護功能值得在動物實驗、臨床試驗中進一步驗證，以確定端粒酶激活劑能否作為神經退行性疾病的潛在治療策略。不僅如此，對于入選標準的制定、測量方法的準確性及標準化以及統計方法的選擇還需研究人員進一步明確及制定。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：吳志悅負責撰寫文章及修改；薛曉帆負責論文修改；曾景蓉、黃安琪負責文獻收集及論文修改；許二赫負責擬定寫作思路、指導撰寫文獻并最后定稿。