王金秀，高 凡，孫慧珍，張莎莎，姚麗華，*

(江西科技師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院；b.體育學(xué)院，中國江西南昌330013)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一種不可逆的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，由于其病因機制的復(fù)雜性和多樣性，目前尚無有效干預(yù)手段。AD早期癥狀為輕度的記憶障礙，隨著病情的發(fā)展，患者可出現(xiàn)嚴(yán)重的行為障礙和認(rèn)知障礙。已有證據(jù)表明，β 淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)在胞外的過度沉積，將加快氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥級聯(lián)反應(yīng)等進(jìn)程，從而誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，這提示Aβ在AD的發(fā)生和發(fā)展過程中起著重要作用[1～4]。近年來，關(guān)于Aβ在AD多病因機制方面的研究開展甚多，并取得了很大進(jìn)展，基于此，本文就近年來Aβ參與AD的多病因機制研究進(jìn)行回顧與探討，以期為進(jìn)一步促進(jìn)AD在基礎(chǔ)與應(yīng)用等方面的深入研究提供一定的資料參考。

1 Aβ及淀粉樣前體蛋白簡介

1.1 淀粉樣前體蛋白的生理作用及致毒作用

淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)是一種跨膜蛋白，廣泛分布在腦組織，主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的非神經(jīng)元細(xì)胞合成。APP可以通過調(diào)節(jié)突觸傳遞和胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)來保護神經(jīng)系統(tǒng)，對維持大腦正常生理活動具有重要作用[2]。另外，APP經(jīng)α-分泌酶裂解產(chǎn)生的可溶性片段APPsα，可以活化突觸囊泡結(jié)合蛋白，增強囊泡釋放效果，影響突觸可塑性，同樣具有神經(jīng)保護作用[2]。有研究表明，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，APP主要在神經(jīng)元的突觸部分和星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)[1，5]。D-絲氨酸是一種重要的膠質(zhì)細(xì)胞遞質(zhì)，也是N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)的一種主要內(nèi)源性配體，其與NMDAR的甘氨酸位點結(jié)合可以增強谷氨酸對NMDAR的激動作用。研究發(fā)現(xiàn)，APP缺陷轉(zhuǎn)基因小鼠在樹突棘的結(jié)構(gòu)可塑性方面表現(xiàn)出D-絲氨酸依賴性損傷[6]。這提示，APP可以調(diào)節(jié)D-絲氨酸在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境中的表達(dá)平衡，并且其對神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用可能與神經(jīng)系統(tǒng)興奮性水平的調(diào)控有關(guān)。此外，進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，APP介導(dǎo)的NMDAR過度激活，可能與其誘發(fā)興奮性神經(jīng)毒性密切相關(guān)。NMDAR的過度激活可以通過抑制α-分泌酶活性，提高β-分泌酶的活性及含量，從而增加Aβ的生成，進(jìn)一步誘發(fā)興奮性神經(jīng)細(xì)胞的死亡[3]。

1.2 Aβ來源與分布

Aβ是通過β-分泌酶和γ-分泌酶連續(xù)裂解APP產(chǎn)生的含有39～43個氨基酸殘基的多肽[4]。β-分泌酶在Aβ序列的β位點切割A(yù)PP，分泌并釋放β-N端片段(APPsβ)和C99片段多肽。C99片段經(jīng)γ-分泌酶裂解分泌并釋放胞內(nèi)域片段AICD(APP intracellular domain)和 Aβ 肽鏈(圖 1)，這些Aβ肽鏈最終在胞外形成Aβ纖維[5]。γ-分泌酶裂解位點不同會產(chǎn)生不同長度的Aβ肽鏈，其中兩個最常見的殘基亞型是擁有40個氨基酸的Aβ40和擁有42個氨基酸的Aβ42，目前研究表明Aβ42的聚集活性和毒性是促使AD發(fā)展的主要致病因子[4]。

圖1 Aβ的形成途徑APP經(jīng)β-分泌酶裂解產(chǎn)生一種可溶性的β-N端片段(APPsβ)和 C 端片段 C99 片段多肽(CTFβ)；C99 片段經(jīng) γ-分泌酶裂解產(chǎn)生胞內(nèi)域片段AICD和Aβ肽鏈。Fig.1 The formation pathways of AβAPP is cleaved by β-secretase，liberating APPsβ (N-terminal fragment，a shorter ectodomain，soluble APPβ)and C99(C-terminal fragment-β，CTFβ).Then C99 is cleaved by γ-secretase，liberating AICD(APP intracellular domain fragments)and Aβ.

大量Aβ與伴侶蛋白分子結(jié)合形成Aβ纖維，少數(shù)則以游離狀態(tài)在血液、腦脊液和腦間質(zhì)液之間循環(huán)。正常生理情況下，腦間質(zhì)液中Aβ的含量較血液和腦脊液中高。有研究表明，Aβ的生成和清除關(guān)系與致毒作用之間存在重要聯(lián)系，當(dāng)Aβ的生成率高于清除率時，過多的Aβ將在腦組織中沉積，從而誘發(fā)神經(jīng)毒性[7～8]。通常，腦內(nèi)過多的Aβ可以通過血腦屏障、血-腦脊液屏障及腦脊液和腦組織間液的淋巴引流作用轉(zhuǎn)運至外周血液。Aβ被轉(zhuǎn)運出腦后，在腦脊液及血液等外周系統(tǒng)降解[8～9]。另外，血液循環(huán)中的Aβ可以通過轉(zhuǎn)胞吞作用經(jīng)血腦屏障進(jìn)入中樞[8]。血液、腦脊液和腦間質(zhì)液之間的循環(huán)機制對Aβ清除具有很大導(dǎo)向作用，有利于腦間質(zhì)中Aβ的對外轉(zhuǎn)移，進(jìn)而增強胞內(nèi)外Aβ的清除效果，保護大腦的正常生理機能[7]。

2 Aβ與AD的病理關(guān)系

2.1 Aβ對線粒體功能障礙的作用

線粒體在細(xì)胞產(chǎn)能和調(diào)控細(xì)胞代謝方面具有重要作用，同時還參與了細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)、活性氧(reactive oxygen species，ROS)及細(xì)胞凋亡等方面的調(diào)節(jié)。在AD早期患者中，線粒體功能障礙被認(rèn)為是其潛在的病理性特征[10]，神經(jīng)細(xì)胞伴有嚴(yán)重的線粒體代謝紊亂及動態(tài)失衡。研究發(fā)現(xiàn)，Aβ可以利用線粒體外膜復(fù)合物轉(zhuǎn)位酶進(jìn)入線粒體，與多種線粒體蛋白質(zhì)相互作用。例如:Aβ可以與線粒體呼吸鏈重要的復(fù)合物Ⅰ、絡(luò)合物Ⅳ結(jié)合，導(dǎo)致ROS大量生成，造成線粒體產(chǎn)能障礙，并最終引起突觸丟失和細(xì)胞死亡[11]。

最近的研究表明，Aβ可以通過介導(dǎo)線粒體功能障礙來加快AD進(jìn)程[10，12，13]。在線粒體外膜結(jié)構(gòu)中，Aβ可以通過以下途徑來推動AD的進(jìn)程。1)Aβ能夠與線粒體外膜中的動力相關(guān)蛋白1(dynaminrelated protein 1，Drp1)相互作用。Drp1是促進(jìn)線粒體正常分裂的重要物質(zhì)，隨著Aβ的累積，Drp1活性持續(xù)升高，使神經(jīng)元中的線粒體異常分裂，從而誘發(fā)線粒體功能障礙并引起突觸丟失[12]；2)Aβ能夠與線粒體外膜的電壓依賴性陰離子通道1(voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)直接作用[13]。該過程由線粒體VDAC1的N-端結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)，這將導(dǎo)致抗凋亡的己糖激酶蛋白分離，同時增強通道電導(dǎo)和細(xì)胞色素c釋放，誘發(fā)線粒體功能障礙和線粒體凋亡；3)Aβ能與線粒體外膜中的親環(huán)蛋白D(cyclophilin D，Cyp D)相互作用，并在AD患者腦皮質(zhì)內(nèi)形成復(fù)合物，引起線粒體功能障礙和神經(jīng)元紊亂。Aβ與Cyp D的相互作用還將通過降低線粒體膜電位影響線粒體呼吸鏈的電子傳遞過程，引起嚴(yán)重的氧化應(yīng)激并促進(jìn)細(xì)胞色素c的釋放，從而損害線粒體軸突轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致突觸丟失和線粒體凋亡[14](圖2)。

圖2 Aβ對線粒體功能紊亂的作用Aβ的累積使Drp1活性持續(xù)升高，引起神經(jīng)元中的線粒體異常分裂，從而誘發(fā)線粒體功能障礙并引起突觸丟失；VDAC1位于線粒體外膜上，控制線粒體內(nèi)外的物質(zhì)轉(zhuǎn)運，Aβ與VDAC1直接作用可以增強通道電導(dǎo)，改變線粒體膜通透性，并釋放細(xì)胞色素c，最終誘發(fā)線粒體功能障礙和線粒體凋亡；Aβ與線粒體外膜中的Cyp D相互作用可以促進(jìn)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的形成，釋放細(xì)胞色素c，破壞線粒體軸突轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致突觸丟失和線粒體凋亡。Fig.2 Effects of Aβ on mitochondrial dysfunctionAccumulation of Aβ leads to continuously increasing Drp1，causes excessive mitochondrial division in neurons and induces mitochondrial dysfunction and synaptic loss.VDAC1，located in the mitochondrial outer membrane，regulates substance transform between the inner and outer membrane of mitochondria.Direct interaction of Aβ with VDAC1 can increase the channel conductance，induce mitochondrial permeability transition and cytochrome c release，and cause mitochondrial dysfunction and apoptosis.Interaction between Aβ and Cyp D enhances the formation of mitochondrial permeability transition pores and the release of cytochrome c，disrupts mitochondrial axon transport，consequently causes synaptic loss and mitochondrial apoptosis.

2.2 Aβ與神經(jīng)凋亡

神經(jīng)細(xì)胞的大量凋亡被認(rèn)為是造成AD患者認(rèn)知功能障礙的主要原因，其中Aβ介導(dǎo)的氧化應(yīng)激、突觸丟失和細(xì)胞色素c釋放是Aβ興奮性毒性誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡的主要特征[4]。Aβ可以通過多種途徑誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，如通過增強煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，Nox)活性及其 mRNA的表達(dá)，生成大量ROS，介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞氧化應(yīng)激，引起Ca2+濃度升高，從而導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷、凋亡或壞死[15]。此外，Aβ還可以通過激活神經(jīng)元細(xì)胞中絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)的信號通路，誘發(fā)高水平的氧化應(yīng)激反應(yīng)和釋放細(xì)胞色素c，介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)元結(jié)構(gòu)退化[16～18]。同時，Aβ誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)還將提高促神經(jīng)凋亡蛋白的活性，降低抗凋亡蛋白的活性，從而介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡。

在正常生理條件下，腦組織對Aβ引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)具有一定的抵抗作用，其中抗氧化酶系(主要包括超氧化物歧化酶、硫氧還原蛋白、谷胱甘肽過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶和過氧化氫酶)可以通過清除自由基、促進(jìn)過氧化氫分解、清除脂質(zhì)過氧化物等來降低氧化應(yīng)激效應(yīng)，起到關(guān)鍵的保護作用。但是，過量的Aβ沉積卻抑制了抗氧化酶系的活性，使胞內(nèi)氧化應(yīng)激持續(xù)增強，最終誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)。此外，基于AD小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2)的異常活化與細(xì)胞凋亡之間也存在著重要聯(lián)系，Aβ可以異常活化ERK1/2，活化后的ERK1/2再與胞漿和胞核內(nèi)的底物蛋白(細(xì)胞蛋白、核蛋白、轉(zhuǎn)錄因子及幾種MAPK激活蛋白激酶)作用[19]，引起特定蛋白質(zhì)的異常表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂及誘發(fā)神經(jīng)元凋亡[20]。

2.3 Aβ與神經(jīng)炎癥反應(yīng)

膠質(zhì)細(xì)胞功能缺陷在Aβ聚集誘發(fā)的神經(jīng)毒性機制中扮演著非常重要的角色。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞[21]，Aβ經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬后，可以激活NLRP3炎癥小體和caspase-1，使機體釋放白細(xì)胞介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)，誘發(fā)炎性反應(yīng)，進(jìn)一步引起AD的病理變化及功能障礙。星形膠質(zhì)細(xì)胞被過度活化后，會產(chǎn)生大量的炎癥調(diào)節(jié)因子，同時合成并分泌大量IL-1β和腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor-α，TNF-α)，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，使星形膠質(zhì)細(xì)胞自噬能力下降，阻礙其清除腦內(nèi)過多的Aβ。小膠質(zhì)細(xì)胞增生和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生是AD的重要病理特征[22]。先天免疫系統(tǒng)在AD病理生理學(xué)中的重要作用是近年來值得深入研究的領(lǐng)域[23]。

小膠質(zhì)細(xì)胞是腦組織中的天然免疫細(xì)胞，小膠質(zhì)細(xì)胞未被Aβ活化前，可以通過調(diào)節(jié)突觸可塑性、修剪不必要的突觸連接、清除死亡的神經(jīng)元和細(xì)胞碎片，與軸突、樹突密切接觸，感知神經(jīng)元微環(huán)境的變化，從而正向調(diào)整細(xì)胞的生存環(huán)境[24]，對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能穩(wěn)定起到重要的調(diào)節(jié)作用。Aβ對小膠質(zhì)細(xì)胞的活化及它們之間的相互作用是介導(dǎo)神經(jīng)炎癥反應(yīng)的始動因素[24～25]。炎癥反應(yīng)最初有助于維持體內(nèi)平衡，但當(dāng)這些補償機制轉(zhuǎn)變?yōu)槁缘?、不可逆的病理過程時，腦組織中持續(xù)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)將加速AD的進(jìn)程。另外，有研究表明，Aβ可以通過與多個不同受體結(jié)合來活化小膠質(zhì)細(xì)胞，產(chǎn)生促炎癥因子，釋放細(xì)胞毒性介質(zhì)(如ROS、含氮化合物、花生四烯酸代謝物和組胺等)，從而介導(dǎo)神經(jīng)炎癥和神經(jīng)元丟失[26]。體外實驗表明，Aβ與小膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用可以加速ROS的生成，增強胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平，誘發(fā)神經(jīng)炎癥[26]。Aβ介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)毒性反應(yīng)可能是間歇性的，這與AD發(fā)病緩慢的病理特征具有相似性。Aβ與小膠質(zhì)細(xì)胞的持續(xù)作用將改變細(xì)胞微環(huán)境，促使神經(jīng)元產(chǎn)生促炎癥因子，從而影響神經(jīng)元之間正常的信息傳遞，加劇神經(jīng)系統(tǒng)的紊亂[24]。除此之外，促炎性因子TNF-α和IL-1β還可以通過提高β-分泌酶的活性來增加Aβ的生成量，形成一個正反饋調(diào)節(jié)回路，持續(xù)介導(dǎo)神經(jīng)炎癥反應(yīng)，進(jìn)而加速AD進(jìn)程。

星形膠質(zhì)細(xì)胞與小膠質(zhì)細(xì)胞的生理功能類似，在未被激活時可以通過釋放神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)大腦皮層電位活動和突觸可塑性，參與維持腦環(huán)境穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)發(fā)生及構(gòu)建灰質(zhì)的調(diào)節(jié)，對神經(jīng)系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)作用[24]。局部切除小鼠大腦特定區(qū)域的星形膠質(zhì)細(xì)胞會使得谷氨酸不能被有效清除，從而加劇細(xì)胞的興奮性毒性，使神經(jīng)發(fā)生退行性變。然而，有研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量在衰老或AD病人的大腦[27]及AD小鼠模型[28]中并沒有顯著減少。這提示，星形膠質(zhì)細(xì)胞對AD神經(jīng)退行性變的作用比單純的星形膠質(zhì)細(xì)胞退行性變更為復(fù)雜。星形膠質(zhì)細(xì)胞被Aβ活化后，對神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用，嚴(yán)重干擾神經(jīng)遞質(zhì)的正常釋放，使信息傳遞受阻，從而破壞突觸可塑性和誘發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，最終導(dǎo)致神經(jīng)炎癥和神經(jīng)元死亡[24]?；贏D小鼠模型的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，活化后的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過提高膠質(zhì)纖維酸性蛋白活性來上調(diào)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫應(yīng)答，而這種高強度的應(yīng)答機制在神經(jīng)變性或創(chuàng)傷性腦損傷組織中更加顯著，并能產(chǎn)生大量的細(xì)胞毒性介質(zhì)，引發(fā)氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥反應(yīng)[29]。

2.4 Aβ與谷氨酸神經(jīng)毒性效應(yīng)

在哺乳動物腦組織中，谷氨酸(glutamic acid，Glu)是主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。其參與了突觸興奮性信號傳導(dǎo)，維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常生理功能[30]。谷氨酸受體分為離子型和代謝型兩類，離子型受體包括 NMDAR、AMPAR(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor)受體家族，代謝型受體分為8個亞型，即mGlu1～8。研究表明，Aβ在腦組織中異常集聚時，會誘發(fā)興奮性神經(jīng)遞質(zhì)大量釋放，過度激活突觸后膜谷氨酸受體，從而介導(dǎo)神經(jīng)元的持續(xù)性興奮反應(yīng)，誘發(fā)突觸功能障礙，破壞突觸可塑性，最終引起神經(jīng)元的死亡[31]。

NMDARs、AMPARs和Kainate等離子型谷氨酸受體過度激活后將導(dǎo)致相關(guān)離子通道對鈉、鉀和鈣的通透性增強[32]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，mGlu5R和NMDAR受體過度激活在介導(dǎo)谷氨酸神經(jīng)毒性效應(yīng)方面同樣具有重要作用[33～34]，mGlu5R和NMDAR受體被Aβ過度活化后，將誘發(fā)神經(jīng)元持續(xù)興奮和突觸丟失[33～35]。同時，Aβ還可以通過抑制突觸周邊谷氨酸轉(zhuǎn)運體的活性，增加細(xì)胞外谷氨酸濃度，使細(xì)胞環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡，從而進(jìn)一步誘發(fā)神經(jīng)毒性[34]。mGlu5R和NMDAR在長時程增強(longterm potentiation，LTP)與長時程抑制(long-term depression，LTD)方面也具有重要影響[33]。正常生理條件下，LTP能夠增強突觸間連接，使其保持穩(wěn)定生長，而LTD則會降低突觸連接強度，誘發(fā)樹突棘死亡。有研究發(fā)現(xiàn)，Aβ可以通過過度激活mGlu5R來抑制LTP[34]，促進(jìn)LTD，從而導(dǎo)致突觸功能障礙；而敲除mGlu5相關(guān)基因則可以減輕這種神經(jīng)毒性損傷[35]。此外，NMDAR被過度激活后，可以通過與甘氨酸結(jié)合抑制LTP的生成，同時通過多種未發(fā)現(xiàn)的途徑促進(jìn)LTD，引起突觸功能障礙[34～35]。

3 小結(jié)與展望

研究證明，Aβ通過介導(dǎo)持續(xù)性連鎖反應(yīng)對神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用，如參與線粒體功能障礙、突觸丟失、神經(jīng)細(xì)胞凋亡、神經(jīng)炎癥反應(yīng)等過程，使神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能發(fā)生紊亂。這些連鎖反應(yīng)與AD病理特征之間存在重要聯(lián)系，但目前的研究進(jìn)程離全面揭示AD分子層面的病理機制尚有較大距離。

近年來，研究者的關(guān)注點逐漸從Aβ介導(dǎo)的宏觀病理特征轉(zhuǎn)到微觀分子機制方向，但研究仍有許多不完善的地方。例如:目前仍缺乏實驗和理論依據(jù)來揭示具體哪種形式的Aβ發(fā)揮了關(guān)鍵介導(dǎo)作用。同時，Aβ在線粒體內(nèi)部的作用機制還不清晰。此外，線粒體功能障礙與突觸丟失之間是如何相互影響的？谷氨酸神經(jīng)毒性與神經(jīng)凋亡之間存在何種聯(lián)系？等等。諸多問題還需要更多的研究來揭示其分子機制。而這些問題的解決對于揭示Aβ對AD的影響機制及AD的治療具有重要推動作用。

總之，Aβ介導(dǎo)的持續(xù)性連鎖反應(yīng)是推動AD進(jìn)展的重要原因，未來在該方向上的進(jìn)一步研究有望解決或逆轉(zhuǎn)AD患者的認(rèn)知障礙和記憶衰退。