林華型 盛樹力

(香港中藥與天然藥物研究所，香港特別行政區(qū))

近年來許多科學(xué)家認(rèn)為，散發(fā)性阿爾茨海默病(SAD)是一種以腦內(nèi)β-淀粉樣肽前體蛋白(β-APP)產(chǎn)生β淀粉樣蛋白(Aβ)增加并形成寡聚體為中心，這些特征表明了屬于表觀遺傳學(xué)疾病。但深層次原因可能是腦內(nèi)與認(rèn)知功能相關(guān)的神經(jīng)元胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)障礙有直接關(guān)系。因此，腦內(nèi)胰島素的生理功能受到關(guān)注〔1～4〕。

1 腦內(nèi)胰島素的生理功能

腦內(nèi)胰島素樣生長因子1受體(IGF1-R)是老化程序的信號(hào)通路，三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)和神經(jīng)酰胺兩種不同的脂類作為第二信使起到作用，但尚需證實(shí)它們下游的信號(hào)分子，導(dǎo)致Trk A top75 NTR是開啟IGF1-R下游的特殊機(jī)制。腦內(nèi)胰島素的生理功能上主要有幾方面研究進(jìn)展:①胰島素和胰島素樣生長因子1(IGF1)及其受體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成分選擇性分布于認(rèn)知相關(guān)的腦區(qū)，如海馬、內(nèi)嗅皮層等;通過PI3K-AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路支持神經(jīng)元存活和維持正常功能及增強(qiáng)突觸效應(yīng)〔4〕。胰島素不僅激活α分泌酶、減少APP產(chǎn)生Aβ，并增加具有神經(jīng)營養(yǎng)作用的sAPPα水平。胰島素使胰島素受體磷酸化，促使Aβ寡聚體結(jié)合到神經(jīng)元明顯減少。Shalin等〔5，6〕研究發(fā)現(xiàn)，胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙，則Aβ寡聚體影響突觸可塑性，必將導(dǎo)致神經(jīng)元變性而直至凋亡;②對(duì)葡萄糖代謝的區(qū)域性效果。利用正電子發(fā)射斷層掃描(PET)技術(shù)，人類從分子水平研究顯示少量胰島素使腦葡萄糖代謝增加，最明顯在皮層。這種效應(yīng)由于胰島素、胰島素受體和胰島素敏感的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的重疊分布，所以在特殊腦區(qū)如海馬和下丘腦中就存在胰島素刺激攝取葡萄糖的可能性。突觸傳遞需要突觸線粒體的供應(yīng)能量，神經(jīng)元病理性老化過程中，線粒體損傷是引起神經(jīng)元凋亡的關(guān)鍵因素之一。不同載脂蛋白E4(ApoE4)基因型攜帶者與AD平均發(fā)病年齡相關(guān)，4/4型小于70歲、2/3型為93歲，這是因?yàn)锳poE4蛋白極易酶解成C端截?cái)嘈推芜M(jìn)入線粒體而導(dǎo)致線粒體損傷;③促進(jìn)Aβ從神經(jīng)元胞內(nèi)釋放，Aβ結(jié)合到IGF-1誘導(dǎo)的載脂蛋白被轉(zhuǎn)運(yùn)出腦;生理?xiàng)l件下，神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞分泌胰島素降解酶(IDE)，使細(xì)胞外降解Aβ、防止Aβ寡聚體形成。胰島素和Aβ是IDE的底物，但胰島素對(duì)IDE的親和力遠(yuǎn)大于Aβ，胰島素競爭結(jié)合IDE，抑制IDE對(duì)Aβ的降解;④微管相關(guān)蛋白tau過度磷酸化形成的tau寡聚體，具有明顯的神經(jīng)毒性作用。寡聚體可進(jìn)而形成神經(jīng)元纖維纏結(jié)。tau正常磷酸化由磷酸激酶和磷酸酯酶二組酶活性維持平衡，其中以糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、Akt/PKB和蛋白磷酸酶2A(PP2A)最為重要，但它們都受胰島素信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙導(dǎo)致磷酸激酶活性增加和磷酸酯酶活性降低，形成tau過度磷酸化;⑤Renthal等〔7～9〕研究證明，正常的精神活動(dòng)與胰島素信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控有關(guān)。胰島素控制神經(jīng)遞質(zhì)、特別是單胺類神經(jīng)遞質(zhì)如Ach和去甲腎上腺素的釋放。胰島素可使膜下受體轉(zhuǎn)位到突觸后膜，參與增強(qiáng)突觸效應(yīng)〔10〕。近年來對(duì)癡呆病人存在精神行為異常A(Activity)、B(Behaviour)、C(Cognition)的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)研究取得了重大進(jìn)展，研究表明糖尿病(DM)和SAD病人的高抑郁癥患病率與代謝綜合征或胰島素抵抗密切相關(guān)。提示，腦內(nèi)胰島素與異常行為等癥狀也與表觀遺傳學(xué)有關(guān)〔7，8〕;⑥腦內(nèi)胰島素可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)控制體重的最重要激素，循環(huán)中胰島素水平與能量貯存多少和胰島素進(jìn)入CNS呈比例。腦內(nèi)胰島素為維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)水平所必需。胰島素受體及其下游分子在弓狀核、腹內(nèi)側(cè)核、紋狀體和脈絡(luò)叢表達(dá)。下丘腦胰島素信號(hào)長期損害產(chǎn)生攝食過度、高胰島素血癥，但胰島素敏感性降低。胰島素信號(hào)和能量代謝之間的聯(lián)系在下丘腦水平和下丘腦胰島素抵抗可能是DM高血糖的重要原因;⑦鏈脲佐菌素(STZ)作為SAD實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，造模?和6個(gè)月認(rèn)知功能下降，如胰島素-1基因表達(dá)下降85%和57%時(shí);胰島素受體mRNA下調(diào)19%和26%，蛋白將下調(diào)到23%和28%。IDE mRNA下調(diào)19%和38%時(shí)，蛋白下調(diào)到22%和21%;Aβ42在3個(gè)月后胞內(nèi)聚集，6個(gè)月后出現(xiàn)老年斑(SP)。表明腦胰島素和胰島素受體信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)無功能在先和引起時(shí)間依賴的Aβ沉積;⑧Watson等研究顯示，作為治療2型糖尿病(T2DM)的胰島素增敏劑羅格列酮〔11～13〕，可激活過氧化物酶體增殖物活化受體(PPAR-γ)和線粒體。從而改善外周和腦內(nèi)胰島素抵抗，增加Aβ清除、降低Aβ42的水平(對(duì)Aβ40無影響)和減少tau蛋白過度磷酸化。增加轉(zhuǎn)基因AD小鼠的海馬的IDE mRNA，降低血中皮質(zhì)酮水平。臨床應(yīng)用羅格列酮(4 mg/d，24 w)治療健忘型輕微認(rèn)知缺損(MCI)和輕度AD(N=34，對(duì)照=17)或胰島素鼻內(nèi)給藥可以提高非ApoE4攜帶者AD患者的記憶及認(rèn)知功能(早期AD和健忘型MCI各13例，對(duì)照35例)。提示羅格列酮不僅能改善AD患者認(rèn)知功能，還能降低腦脊液中Aβ的含量。

研究表明，胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與AD三大病理特征(SP、NFT和腦萎縮)密切相關(guān)，也是精神癥狀的生物學(xué)基礎(chǔ)。綜合一些學(xué)者的研究，由胰島素和IGF-1啟動(dòng)正常腦老化向病理性腦老化轉(zhuǎn)化存在非常復(fù)雜的過程。這一過程主要涉及ProNGF增加，激活 p75死亡通路和神經(jīng)酰胺(Ceromide)增加導(dǎo)致Aβ42持續(xù)增加，AD腦Cer增加3倍多，它可能是細(xì)胞衰老的核心調(diào)節(jié)分子或第二信使。Cer的產(chǎn)生為年齡依賴方式，伴BACE1、TrKA和p75平行增加。年青動(dòng)物主要表達(dá)TrKA，年老動(dòng)物主要表達(dá)p75，這種表達(dá)模式改變是對(duì)nSM酶年齡依賴激活的反應(yīng)，這些僅表達(dá)TrKA或p75的細(xì)胞系受NGF處理后，表達(dá)p75的細(xì)胞Cer和APPβ位裂解增加，表達(dá)了TrKA的細(xì)胞β位裂解和ADIC減少的可能。

2 腦內(nèi)胰島素與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)

胰島素是一種具有調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝和促進(jìn)細(xì)胞發(fā)育和存活的多功能激素，它至少調(diào)控150多個(gè)靶基因，可分為二大類:一是以降血糖為標(biāo)志的與代謝有關(guān)的快速反應(yīng)基因，促進(jìn)葡萄糖利用、轉(zhuǎn)化和形成短時(shí)記憶的相關(guān)基因;二是支持細(xì)胞存活發(fā)揮正常功能的相關(guān)基因。前者可能通過胰島素受體底物2(IRS2)，后者可能通過胰島素受體底物1(IRS1);它們分別通過不同亞單位組成的PI3K-Akt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)逐級(jí)分化，激活不同的核轉(zhuǎn)錄因子、蛋白質(zhì)呈組合式(特定模式的多種蛋白質(zhì)表達(dá)增加/減少同時(shí)存在)表達(dá)，呈現(xiàn)胰島素固有的生理功能。當(dāng)血糖升高引起胰島素呈脈沖式分泌時(shí)，胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到靶基因，增加或減少靶基因產(chǎn)物成為正/負(fù)反饋產(chǎn)物，調(diào)節(jié)胰島素及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的表達(dá)和活性，使胰島素分泌恢復(fù)到靜息狀態(tài)。當(dāng)復(fù)雜的胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及靶基因產(chǎn)物的反饋通路存在任何障礙時(shí)，完全有可能影響靶細(xì)胞的功能和繼之出現(xiàn)胰島素抵抗。但任何功能都需要激活其受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。Hoyer首先提出神經(jīng)元胰島素受體脫敏在AD發(fā)病中起重要作用〔14，15〕。所以根據(jù)胰島素在腦內(nèi)的作用，我們有理由相信SAD廣泛的神經(jīng)化學(xué)改變的始動(dòng)原因與腦內(nèi)胰島素及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)障礙有關(guān)。問題是腦內(nèi)胰島素通過什么機(jī)制調(diào)控與Aβ42增加有關(guān)的基因表達(dá)。我們?cè)谖墨I(xiàn)〔16〕中已表達(dá)了腦內(nèi)胰島素通過表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)機(jī)制與SAD發(fā)病有關(guān)的表述〔17，18〕，但還需要直接證據(jù)。

3 腦內(nèi)胰島素與SAD發(fā)病機(jī)制

Aβ42產(chǎn)生和降解有關(guān)的基因應(yīng)該是胰島素的靶基因，它們對(duì)胰島素的組合式反應(yīng)是維持Aβ42正常水平的關(guān)鍵性因素。靶基因的甲基移換酶和去甲基酶、組蛋白乙?；负腿ヒ阴；赣绊懓谢蜣D(zhuǎn)錄mRNA，而mRNA又受特定的基因DNA轉(zhuǎn)錄的miRNA調(diào)控，因此一個(gè)靶基因的蛋白質(zhì)表達(dá)增加，表示靶基因DNA啟動(dòng)子低甲基化，組蛋白高乙酰化和低miRNA;反之，則蛋白質(zhì)表達(dá)減少。但這種概括性的理念，對(duì)每一個(gè)具體的基因應(yīng)分別對(duì)待。首先確認(rèn)蛋白質(zhì)表達(dá)量的改變，其次觀察靶基因DNA啟動(dòng)子甲基化、組蛋白乙?；某潭龋詈鬁y定miRNA，以最終確定靶基因蛋白質(zhì)表達(dá)改變的直接原因。雖然胰島素通過表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)導(dǎo)致的靶基因組合式反應(yīng)，但仍存在與表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)相關(guān)酶類的非均一性的極大可能性。如使APP、PS和BACE等基因DNA啟動(dòng)子低甲基化酶，雖然功能相同，但可能具有基因相對(duì)特異性。AD腦存在部位和階段特異的不同 miRNA 調(diào)節(jié) APP、BACE1、BACE2、APH1A、TAU 等mRNA水平〔16〕。提示胰島素的表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)復(fù)雜性遠(yuǎn)超過想像;現(xiàn)在研究胰島素對(duì)SAD的表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)復(fù)雜性的深入研究，可能對(duì)SAD的發(fā)病機(jī)制、藥物和非藥物干預(yù)提供突破性進(jìn)展的可能性。

4 結(jié)語

綜上，SAD是以Aβ42增加并形成寡聚體為特征，屬于表觀遺傳學(xué)疾病的范疇。認(rèn)知功能是胰島素的依賴，腦內(nèi)胰島素及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)在腦內(nèi)的選擇性分布，顯示與SAD的相關(guān)性。但腦內(nèi)胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與SAD神經(jīng)化學(xué)改變之間的存在表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)機(jī)理障礙，確切實(shí)驗(yàn)依據(jù)有待深入研究，或?qū)⒂兄趯?duì)SAD的發(fā)病機(jī)制和藥物開發(fā)取得突破性進(jìn)展。

1 盛樹力.胰島素與散發(fā)性老年性癡呆〔M〕.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2006:226.

2 Craft S，Watson GS.Insulin and neurodegenerative disease:shared and specific mechanisms〔J〕.Lancet Neurol，2004;3(3):169-78.

3 Gerozissis K.Brain insulin:regulation，mechanisms of action and functions〔J〕.Cell Mol Neurobiol，2003;23(1):1-25.

4 Gasparini L，Xu H.Potential roles of insulin and IGF-1 in Alzheimer's disease〔J〕.Trends Neurosci，2003;26(8):404-6.

5 盛樹力.臨床神經(jīng)科學(xué)前沿〔M〕.北京:北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社，2003:144.

6 Shalin SC，Egli R，Birnbaum SG，et al.Signal transduction mechanisms in memory disorders〔J〕.Prog Brain Res，2006;157(1):25-41.

7 Renthal W，Nestler EJ.Chromatin regulation in drug addiction and depression〔J〕.Dialogues Clin Neurosci，2009;11(3):257-68.

8 Lahiri DK，Maloney B，Zawia NH.The learn model:an epigenetic explanation for idiopathic neurobiological diseases〔J〕.Mol Psychiatry，2009;14(11):992-1003.

9 Isles AR，Wilkinson LS.Epigenetics:what is it and why is it important to mental disease〔J〕.Bri Med Bull，2008;85(1):35-45.

10 Kneussel M.Dynamic regulation of GABA(A)receptors at synaptic sites〔J〕.Brain Res Rev，2002;39(1):74-83.

11 PedersenWA，Mcmillan PJ，Kulstad JJ，et al.Rosiglitazone attenuates learning and memory deficits in Tg2576 Alzheimer mice〔J〕.Exp Neurol，2006;199(2):265-73.

12 Watson GS，Cholerton BA，Reger MA，et al.Preserved cognition in patients with early Alzheimer disease and amnestic mild cognitive impairment during treatment with rosiglitazone，a preliminary study〔J〕.Am J Geriatr Psychiatry，2005;13(11):950-8.

13 Walker DG，Lue LF，Reid R.Clinic rivastgmine administration reduces bea-amyloid levels in a transgenic mouse model of Alzheimer's disease〔J〕.Alzheimer's Dementia，2008;4(sup 4):T482.

14 Hoyer S.The aging brain changes in the neuronal insulin/insulin receptor signal transduction cascade trigger late-onset sporadic Alzheimer disease(SAD)〔J〕.J Neural Transm，2002;109(7-8):991-1002.

15 Fr?lich L，Blum-Degen D，Bernstein HG，et al.Brain insulin and insulin receptors in aging and sporadic Alzheimer's disease〔J〕.J Neural Transm，1998;105(4-5):423-38.

16 林華型，盛樹力.阿爾茨海默氏發(fā)病機(jī)制與表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展〔J〕.中國藥理學(xué)通報(bào)，2010;26(5):421-4.

17 Fontán-Lozano A，Romero-Granados R，Troncoso J，et al.Histone deacetylase inhibitors improve learning consolidation in young and in KA-induced-neurodegeneration and SAMP-8-mutant mice〔J〕.Mol Cell Neurosci，2008;39(2):193-201.

18 Cao X，Südhof TC.A transcriptionally(correction of transcriptively)active complex of APPwith Fe65 and histone acetyltransferase Tip60〔J〕.Science，2001;293(5527):115-20.