淀粉蛋白前体β位分解酶1与阿尔茨海默病胶质细胞相关性研究进展

　　作者：蔡志友 晏勇 作者单位：重庆医科大学附属第一医院神经内科重庆市神经病学重点实验室，重庆 400016

　　【关键词】 阿尔茨海默病 胶质细胞 淀粉蛋白前体β位分解酶

　　阿尔茨海默病(AD)是一种以进行性认知功能减退为特征的神经变性疾病。大量研究发现AD发病和胶质细胞密切相关，胶质细胞在神经变性病的发病机制中有着不可忽视的作用。在AD疾病早期，它们可局限、分解、吞噬β淀粉样蛋白(Aβ)，阻止Aβ聚集和沉积，维护中枢细胞微环境如转运兴奋性氨基酸、清除自由基等发挥脑保护作用。随着疾病进展，胶质细胞本身受到损伤，不但不能发挥保护作用，反而释放各种有害因子，参与氧自由基形成及兴奋性毒性作用，加重神经元损伤。同时，激活的星形细胞和反应性星形胶质细胞增生本身也会产生β分泌酶即淀粉蛋白前体β位分解酶1(βsite APPcleaving enzyme 1，BACE1)，分解淀粉前体蛋白(APP)，产生Aβ。Aβ在AD发病机制中发挥着决定性作用，Aβ是一种由APP剪切而成的肽，Aβ是在BACE1蛋白切割酶作用下形成的〔1〕。最新研究发现，缺乏BACE1的动物甚至在APP过量表达的时候都不能产生Aβ肽。大量研究表明抑制BACE1表达，AD就会得到控制。因此，BACE1倍受医学界的关注，成为研究AD的一个热点。

　　1 BACE1概述

　　BACE1是一种膜结合的天冬氨酸蛋白酶，是Aβ形成的限速酶。1999年，Vassar、Yan、Sinha等几个研究小组采用不同的方法，报道了具有β分泌酶活性的天冬氨酸蛋白酶，分别被命名为BACE、Asp2或memapsin2，后证明它们是同一个分子。不久，发现另一酶的基因与BACE1有55%的同源性，命名为BACE2。BACE1和BACE2具有天冬氨酰蛋白酶(aspartyl proteases)的特征性模体，两种BACE有501个氨基酸组成。此外，两者的关键氨基酸序列也与天冬氨酰蛋白酶中胃蛋白酶(pepsin)家族的其他成员有同源性，不同的是BACE属于Ⅰ型跨膜蛋白，含有活性中心的胞外结构域、单链跨膜结构域和较短的胞内结构域，BACE1和BACE2具有高度同源性。只是其两者的表达模式、降解APP的位点存在差异。近来研究表明，BACE2虽然在β分泌酶位点裂解APP，但是它在Aβ结构域内的裂解更有效，因此BACE2的裂解可抑制致病的Aβ生成〔2〕;而BACE1反义寡核苷酸显著抑制β分泌酶的活性，BACE2则不能〔3，4〕。BACE1基因剔除的鼠β分泌酶活性丧失，Aβ显著减少，动物发育正常，组织形态、行为等与正常鼠无明显差异，为β分泌酶作为AD治疗靶点的可行性提供了证据。

　　2 BACE1和AD小胶质细胞

　　激活的小胶质细胞(microglia，MG)引起的炎症反应是AD的核心病理机制之一。MG是中枢神经系统的免疫细胞,在致炎因素作用下小胶质细胞被激活成反应性小胶质细胞。反应性小胶质细胞既具有保护神经元的作用,也能分泌细胞毒因子、补体蛋白而损害神经元〔5，6〕。MG最主要的特征就是中枢神经系统稳态环境的敏感性，一旦中枢神经系统稳态环境发生改变，MG迅速被激活，并且分泌释放大量产物，比如蛋白水解酶、细胞活素类、ROS介质、活性氮介质等细胞毒性物质。激活的MG分泌炎症因子(TNFα、IL1β、IL6等)、趋化因子、炎症介质，在AD脑内可以见到明显增高的炎症因子和趋化因子。慢性持续性小胶质细胞炎症反应释放炎症介质介导神经毒性作用的发生，损伤神经元。近来研究发现AD不同发病环节，即异常神经递质含量、过多的中枢神经系统氨基酸含量、过强的免疫炎症反应、细胞因子过度表达、Aβ沉积和tau蛋白异常磷酸化、神经元代谢异常、自由基产生和氧化应激损伤等和被激活的MG有联系。在AD发病过程中，激活的小胶质细胞还可以通过增加BACE1分泌影响AD。在AD早期病变(Aβ沉积斑还未形成阶段)，激活的小胶质细胞和星形胶质细胞和BACE1的表达具有时间上、空间上的正比相关一致性。Heneka等研究发现3个月转基因APP小鼠没有Aβ沉积斑形成，但是BACE1和mRNA表达都有明显增高，和局灶性的小胶质细胞和星形胶质细胞激活数目、激活后释放的炎症因子(IL1β、IL6、MHCⅡ)表达量具有一致性〔7〕。Yamamoto等〔8〕也研究证实了IFNγ和TNFα参与了转基因APP小鼠Aβ沉积和BACE1表达。Yamamoto等通过敲除IFNγ型受体 (interferongamma receptor type Ⅰ)基因的转基因APP鼠发现胶质细胞激活的数目和BACE1表达的量明显降低，Aβ清除增加，同时TNFα表达也降低。用TNFα影响转基因APP鼠胶质细胞，发现胶质细胞激活的数目和BACE1表达的量明显增加，Aβ清除降低，同时IFNγ表达也增加。Sastre等〔9〕研究发现非类固醇类抗炎药物可以通过抑制激活的胶质细胞引发的神经炎症，从而抑制BACE1表达和Aβ的生成。且非类固醇类抗炎药物是通过激活核转录调节因子(peroxisome proliferatoractivated receptorgamma，PPARγ)，抑制BACE1和BACE1启动子(基因转录)表达这一途径实现的。Heneka等〔10〕研究发现PPARγ激动剂吡格列酮和布洛芬联合治疗可以抑制炎症标志物(COX2，iNOS) 表达、神经炎症、胶质细胞激活，从而抑制BACE1的表达减轻AD症状。

　　3 BACE1和AD星形胶质细胞

　　星形胶质细胞(astrocyte，AC)几乎囊括了所有胶质细胞的功能。AC能合成和分泌20余种细胞因子，对神经元提供了营养的作用。AC可调节神经元内外间隙离子浓度和pH 值，维持内环境的稳定，有助于神经元电活动的正常进行。AC和神经元之间通过信息交流，调节神经元的氧化代谢、能量代谢和ATP酶活性等。AC还能够产生众多的趋化因子和细胞因子，参与到对神经疾病的免疫防御中去。AC含有更多的维生素E、谷胱甘肽和超氧化歧化酶，有更大的清除氧自由基能力。当神经元缺氧、损伤发生变性时，AC能参与吞噬，添补留下的缺损。在修复过程中，AC使神经细胞发生一系列的突触产生、突触传递的调节和突触可塑性变化，起到修复和再生的作用。AC对神经元生存起重要作用。但在病理条件下，AC从静息状态快速向活化状态转变，其活化具有瀑布效应，活化的AC对神经元起保护或毒性作用，从而发挥“双刃”效应。

　　反应性神经胶质细胞增生是AD的主要病理表现之一。在AD脑组织中，还可见大量AC增生，主要见于类淀粉样斑块中，围绕在“幻影缠结”、变性神经元及类淀粉样物质闭塞的毛细血管周围。反应性胶质细胞增生是AD的主要病理表现之一〔11，12〕。激活的星形细胞最初作用是分散、降解及去除类淀粉样物质，同时也去除“幻影缠结”、变性神经元。反应性胶质细胞增生是脑组织对损伤的非特异反应，既具有脑保护作用，又可能在AD发病机制中起作用。激活的AC产生基质金属蛋白酶〔13〕，该酶可破坏髓鞘并损伤血脑屏障，直接导致脑内Aβ代谢和清除异常。Aβ沉积还可刺激星型胶质细胞产生IL1β细胞毒性因子对神经元的损害。另外，Aβ沉积又能破坏星形胶质细胞的钙稳态及离子转运，降低其谷氨酸盐摄取能力，促进自由基产生。星型胶质细胞维持细胞外离子稳态的功能受到损害，会导致细胞外间隙钾离子异常增加，促使神经元细胞膜去极化，过度兴奋及过量的钙离子内流，最终导致兴奋性损害。

　　激活的AC不仅可以直接导致Aβ沉积引发AD，而且也可以通过影响其前体蛋白裂解酶BACE1的表达影响AD。和激活的小胶质细胞一样，激活的星形胶质细胞和BACE1的表达具有时间上、空间上的正比相关一致性〔7〕。IFNγ和TNFα参与了转基因APP小鼠Aβ沉积和BACE1表达〔8〕。Cho等〔14〕现IFNγ诱发BACE1表达是通过AC的AK2 (Janus kinase 2)和ERK1/2 (extracellular signal regulated MAP kinase)信号通路、STAT1 (signal transducer and activator of transcription 1)直接结合BACE1启动子实现的〔15〕。Bourne等〔16〕研究发现慢性神经炎症、激活的AC、NFkappaB激活的BACE1转录表达、慢性神经炎症组成了病理反馈环，这一病理反馈环最终导致AD发生。非类固醇类抗炎药物可以通过抑制激活的胶质细胞引发的神经炎症，从而抑制BACE1表达和Aβ的生成〔9〕。PPARγ激动剂吡格列酮和布洛芬联合治疗可以抑制炎症标志物(COX2，iNOS) 表达、神经炎症、胶质细胞激活，从而抑制BACE1的表达减轻AD症状〔10〕。激活的AC能够产生炎症标志物(COX2，iNOS)，诱发氧化应激效应，增加BACE1表达。另外，激活的AC不仅可以通过影响其前体蛋白裂解酶BACE1的表达影响AD，而且激活的AC本身可以直接分泌BACE1影响AD病理生理机制〔17，18〕。

　　星形胶质细胞从生命的发生到生命的终结，生理机制的每一个过程都有AC参与，所以，深入了解星形胶质细胞功能和活化后的变化必将会为认识神经退变性疾病开拓一个新的领域。

　　4 BACE1和AD少突胶质细胞

　　少突胶质细胞 (oligodendrocyte，OLG)能够传输供给神经元和轴突的营养和代谢，还具有神经修复功能,在中枢神经系统中具有重要的地位。病态中的OLG可能是这些疾病的病理始动因子，在AD发病过程中Aβ对于OLG的细胞毒性作用现已被证实;PS基因突变可以通过增加Aβ对OLG细胞毒性作用;Tau蛋白异常聚集扰乱了髓磷脂相关基因产物的运输，最终导致了OLG和髓磷脂的丢失，OLG与脑白质损伤有密切的关系，在AD中主要通过髓磷脂的减少机制增加神经元的丢失;OLG与脑淀粉样血管病变关系不明确，可能是通过髓磷脂丢失发挥作用的。研究也发现AD神经元和OLG的数目丢失具有平行性。总之，OLG在AD的发病机制中具有重要的作用〔19〕。今年来研究显示BACE1对OLG的关系和其与MG、AC的不同，BACE1能够修饰髓鞘形成，当周围神经处于髓鞘化阶段时，BACE1表达增强。BACE1缺乏时髓鞘化就会被抑制〔20〕，BACE1可能参与了周围神经髓鞘形成的调控过程〔21〕。RTNs(reticulons)是一个与神经内分泌细胞生长、分化有关联的基因家族，迄今已发现了RTN1、RTN2、RTN3和RTN4等，其中RTN4可以抑制神经病理斑块的形成，RTN4在OLG大量表达，RTNs表达降低Aβ就会大量产生，且研究也证实RTN和BACE1表达具有平行性，证实了OLG可以通过RTN竞争BACE1抑制Aβ生成Aβ〔22〕。

　　5 小结和展望

　　总的说来，胶质细胞在神经变性病的发病机制中有着不可忽视的作用。但是，目前人们对BACE1与胶质细胞的了解还处于初级阶段。BACE1、Aβ和胶质细胞及其释放的炎症因子IL1β、TNFα、NO、iNOS等在AD中的因果关系进一步有待阐明，BACE1和OLG关系到底如何，如何调控胶质细胞的功能使其向保护神经元的方向发展，都是令人兴奋的研究点。这一方面的研究进展，无疑将对治疗神经科难治性疾病有极大的推动作用。因此，揭示胶质细胞在AD发病过程的作用，不仅可以揭示AD发病机制，更有意义的是为AD防治提供新的理论和依据，也为其他后续和相关研究提供基础平台。

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