腦白質(zhì)的改變與腦老化

楊 光 肖 嵐 (第三軍醫(yī)大學(xué)組胚教研室,重慶 400038)

年齡依賴(lài)的認(rèn)知功能減退(age-related cognitive decline,ARCD)是腦老化的一種重要特征,表現(xiàn)為記憶和執(zhí)行功能的減退等現(xiàn)象,被認(rèn)為是阿爾茲海默病(Alzheimer disease,AD)等疾病發(fā)生重要的前提條件。過(guò)去對(duì)認(rèn)知功能降低原因的研究多集中于腦萎縮、神經(jīng)元的減少等灰質(zhì)變化上。近年來(lái)的一系列研究發(fā)現(xiàn)腦白質(zhì)的退行性改變可能是造成腦老化的重要因素。本文主要就腦白質(zhì)在老年認(rèn)識(shí)功能減退中的變化和作用進(jìn)行綜述。

1 老年大腦白質(zhì)影像學(xué)改變

在 MRI(magnetic resonance imaging)技術(shù)出現(xiàn)以后,對(duì)腦體積及功能區(qū)域的研究有了較大發(fā)展。早先的研究發(fā)現(xiàn)老年人群較青年人群的腦體積減少,其中灰質(zhì)區(qū)減少3%,白質(zhì)區(qū)減少11%,尤其是在胼胝體及額葉更為明顯。在大樣本健康成人腦白質(zhì)的研究中,其額葉白質(zhì)體積與年齡關(guān)系曲線呈二次回歸關(guān)系,約50歲前白質(zhì)體積一直少量增加,而后出現(xiàn)比較明顯的持續(xù)下降,這表明白質(zhì)的體積與年齡具高度相關(guān)關(guān)系,另需指出的是灰質(zhì)體積并未出現(xiàn)年齡相關(guān)的改變〔1〕。同樣在以靈長(zhǎng)類(lèi)獼猴的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),行為測(cè)試顯示年齡導(dǎo)致的執(zhí)行功能受損的獼猴其胼胝體前部、上縱束及扣帶回體積明顯減少,這些部位是執(zhí)行功能區(qū)域重要的皮質(zhì)間通路〔2〕。

2 老年大腦白質(zhì)的病理學(xué)改變

早期研究的焦點(diǎn)集中于神經(jīng)元的計(jì)數(shù)和形態(tài)學(xué)上的改變。事實(shí)上,在對(duì)獼猴的主視皮質(zhì)(17區(qū))和額葉皮質(zhì)(46區(qū))的神經(jīng)元計(jì)數(shù)顯示神經(jīng)元的數(shù)目并未隨年齡改變。雖然神經(jīng)元存在與年齡相關(guān)的突觸減少和神經(jīng)遞質(zhì)受體的表達(dá)改變,但因年齡并不會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元總數(shù)的改變,因此單純的年齡導(dǎo)致的神經(jīng)元改變不能完全解釋年齡依賴(lài)的認(rèn)知功能減退〔3〕,于是老化過(guò)程中膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量形態(tài)逐漸受到關(guān)注。

2.1 年齡依賴(lài)的腦白質(zhì)炎癥反應(yīng) 現(xiàn)已證實(shí)大腦炎癥反應(yīng)的中樞環(huán)節(jié)是小膠質(zhì)細(xì)胞的激活。通過(guò)標(biāo)記獼猴和小鼠腦內(nèi)的MHCII發(fā)現(xiàn)老年大腦內(nèi)活化的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量增多,特別是在腦白質(zhì)區(qū)域尤為明顯,而這種現(xiàn)象還伴隨著認(rèn)知能力減退。小膠質(zhì)細(xì)胞可以通過(guò)補(bǔ)體成分C3和C4以共價(jià)形式與髓鞘結(jié)合,其中C3a是強(qiáng)效的炎癥趨化因子。小鼠如果缺少C3a受體(C3aR)的表達(dá),其白質(zhì)的炎癥反應(yīng)將被減弱。這種補(bǔ)體與髓鞘的結(jié)合被認(rèn)為是多發(fā)性硬化及其他神經(jīng)變性疾病的典型病理學(xué)特征?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)隨年齡增加這種結(jié)合明顯增多,因此被認(rèn)為是老年腦內(nèi)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵啟動(dòng)環(huán)節(jié)〔4〕。

除了小膠質(zhì)細(xì)胞的活化,在老年獼猴大腦白質(zhì)區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)反應(yīng)性的星形細(xì)胞即GFAP(glial fibrillary acidic protein)陽(yáng)性的細(xì)胞數(shù)增多,體積增大。在老年人類(lèi)和嚙齒類(lèi)動(dòng)物大腦內(nèi)均發(fā)現(xiàn)GFAP的m RNA和蛋白表達(dá)上調(diào),但星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量并未增加。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞也可通過(guò)合成炎癥分子導(dǎo)致炎癥反應(yīng),并且其數(shù)量增長(zhǎng)同樣與年齡有關(guān)〔5〕。

此外值得注意的是老年大腦內(nèi)出現(xiàn)的泛素含量升高現(xiàn)象。用免疫電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn),泛素陽(yáng)性的高密度區(qū)出現(xiàn)在膠質(zhì)細(xì)胞,而且腫脹的髓鞘能被泛素染色所標(biāo)記,顯示白質(zhì)的泛素免疫反應(yīng)性較灰質(zhì)高〔6〕。由于泛素蛋白質(zhì)復(fù)合物可顯示原發(fā)性的蛋白降解,其在老年大腦和神經(jīng)元變性疾病中的出現(xiàn),說(shuō)明年齡相關(guān)的蛋白酶體功能障礙而導(dǎo)致遺留了大量的未降解的潛在無(wú)功能蛋白復(fù)合物參與了腦老化過(guò)程。

2.2 老年髓鞘的形態(tài)變化 在一項(xiàng)針對(duì)丹麥人的研究中發(fā)現(xiàn),有髓神經(jīng)纖維的總長(zhǎng)度每10年約減少10%,而一生則可減少45%。這表明髓鞘的長(zhǎng)度減少較白質(zhì)體積減少程度更大,提示老化時(shí)髓鞘結(jié)構(gòu)異常,引起的傳導(dǎo)功能降低可能參與了老化認(rèn)知功能損害,老化時(shí)的髓鞘退變和破壞與神經(jīng)傳導(dǎo)速度有關(guān),這可能是認(rèn)知活動(dòng)減慢的重要原因〔7〕。此外老化時(shí)常見(jiàn)的髓鞘異常有髓鞘板層結(jié)構(gòu)分離,髓鞘內(nèi)囊泡形成以及含有一些致密電子密度顆粒,有研究提示其與認(rèn)知能力降低有關(guān)〔8〕。

3 老年髓鞘的生化和代謝改變

髓鞘的功能正常維持需要髓鞘的各種組分比例和量保持一種動(dòng)態(tài)平衡。老年大腦的炎癥反應(yīng)、髓鞘的崩解變性、異常蛋白質(zhì)的分解均可打破這種平衡,從而導(dǎo)致髓鞘的功能異常。

3.1 髓鞘成分的改變 髓鞘的主要成分為各種脂質(zhì)和蛋白質(zhì),通過(guò)尸檢發(fā)現(xiàn)老年腦白質(zhì)中主要脂質(zhì)成分,包括磷脂質(zhì)、膽固醇、腦苷脂、腦硫質(zhì)等的含量呈曲線減少。值得注意的是神經(jīng)節(jié)苷脂的變化,在20～50歲間變化平穩(wěn),而70歲后則有明顯下降〔9〕,現(xiàn)已證實(shí)神經(jīng)節(jié)苷脂的含量和組成變化是影響腦老化的重要因素〔10〕。利用放射性核素替換髓鞘脂質(zhì)成分來(lái)測(cè)試代謝率,發(fā)現(xiàn)髓鞘脂質(zhì)代謝可分為兩部分,約60%的髓鞘脂質(zhì)成分代謝速率較快,而剩余40%的髓鞘脂質(zhì)則相對(duì)緩慢。其中腦苷脂和神經(jīng)節(jié)苷脂GM1的代謝率明顯升高,提示老年髓鞘的代謝速率較青年快〔11〕。

此外需要注意的是年齡相關(guān)的髓鞘蛋白變化。雖有文獻(xiàn)報(bào)道髓鞘堿性蛋白(myelin basic protein MBP)存在年齡相關(guān)的減少〔12〕,但對(duì)存在認(rèn)知障礙的獼猴研究中發(fā)現(xiàn) MBP、蛋白脂質(zhì)蛋白(proteolipid protein,PLP)及髓鞘相關(guān)糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)并未出現(xiàn)預(yù)計(jì)的年齡相關(guān)變化。與之相對(duì)的是髓鞘少突膠質(zhì)細(xì)胞特殊蛋白(myelin oligodendrocyte specific protein,MOSP)和2-3環(huán)核苷酸磷酸二酯酶(2′3′-cyclicnucleotide phosphodiesterase,CNPase)在老年大腦中含量增加〔13〕。髓鞘對(duì)軸突的緊密壓縮需要MBP替換CNP,因此老年大腦內(nèi)增多的CNPase可導(dǎo)致髓鞘的結(jié)構(gòu)疏松和空泡形成。而缺乏 CNPase的小鼠可導(dǎo)致年齡依賴(lài)的神經(jīng)膠質(zhì)瘤病〔14〕,則說(shuō)明CNPase對(duì)髓鞘及軸突的維持具有重要作用。與CNPase增長(zhǎng)同時(shí)發(fā)現(xiàn)的是CNPase及MOSP的蛋白降解作用,相當(dāng)數(shù)量的CNPase及MOSP水解片段在老年大腦中被發(fā)現(xiàn)。蛋白酶體系統(tǒng)異常和鈣蛋白酶-1(calpain-1)活性的異常升高可以解釋這一現(xiàn)象〔15〕。因此老年大腦的 CNPase增加是由于年齡依賴(lài)的髓鞘和軸突維持需要及蛋白水解酶體系統(tǒng)異常兩方面因素而致。

3.2 髓鞘的再生修復(fù)能力的改變 少突膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)髓鞘形成細(xì)胞,起源于CNS室周區(qū)及室下區(qū)有增殖能力的神經(jīng)上皮細(xì)胞,即神經(jīng)祖細(xì)胞(neural progenitor cell,NPC),發(fā)育過(guò)程依次歷經(jīng)NPC、少突膠質(zhì)先祖細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(oligodendroglia precursor,OPC)、幼稚少突膠質(zhì)細(xì)胞、成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞幾個(gè)階段。在此過(guò)程中,隨著內(nèi)外環(huán)境的改變,一系列特異性的轉(zhuǎn)錄因子被激活或抑制從而調(diào)控OL的發(fā)生、增殖、遷移并最終分化為成髓少突膠質(zhì)細(xì)胞。

在病理性髓鞘損傷后,髓鞘可由NPC、OPC有效修復(fù)。研究表明髓鞘形成效率的下降主要因?yàn)镺PC的募集和分化障礙,而少突膠質(zhì)細(xì)胞的募集主要由轉(zhuǎn)錄因子所調(diào)控的各種生長(zhǎng)因子所調(diào)節(jié)的。與少突膠質(zhì)細(xì)胞募集有關(guān)的生長(zhǎng)因子,例如PDGF、FGF和TGF-b在老年均表達(dá)下調(diào)〔16,17〕。因此老年?duì)顩r下少突膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)作用對(duì)解決髓鞘修復(fù)障礙具有重要意義。其中幾種轉(zhuǎn)錄因子如SOX2(維持神經(jīng)干細(xì)胞分化潛能)、Olig2(促進(jìn)NPC分化為OPC)、Olig1(促進(jìn) OPC分化為幼稚少突膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞)、SOX10(促進(jìn)OPC分化為幼稚少突膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞)、Hes5(抑制OPC分化)。Id2/Id4(抑制 OPC成熟)是髓鞘修復(fù)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。其中已被證實(shí)的是在cuprizone誘導(dǎo)的老年小鼠脫髓鞘模型中發(fā)現(xiàn)在髓鞘修復(fù)時(shí)OPCs大量分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞而非如青年小鼠般分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞,這一現(xiàn)象與Olig2的核漿表達(dá)有關(guān)〔18〕。

3.3 影響髓鞘修復(fù)的表觀遺傳因素 表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是研究在基因組DNA序列沒(méi)有發(fā)生改變的情況下,基因的表達(dá)和功能發(fā)生可遺傳的變化,并最終導(dǎo)致表型變化的機(jī)制和規(guī)律。其研究?jī)?nèi)容主要包括DNA的甲基化、組蛋白的共價(jià)修飾、microRNAs(miRNA)等對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用。

在真核細(xì)胞中,核小體為組成染色體的基本結(jié)構(gòu)單位,由組蛋白和大約150個(gè)bp的DNA組成的直徑約10 nm的球形小體,其核心由H2A、H2B、H3和 H4四種組蛋白各兩個(gè)分子組成八聚體構(gòu)成,核心顆粒間通過(guò)一個(gè)組蛋白H1的連接區(qū)DNA彼此相連。通過(guò)修飾組蛋白末端殘基,例如甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化等,改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu),導(dǎo)致基因表達(dá)改變,從而影響細(xì)胞命運(yùn)決定。

組蛋白的修飾主要通過(guò)幾種酶的作用,包括組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferase,HMT)、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase,HAT)、組蛋白脫乙?；?histone-Deacetylase,HDAC)。發(fā)育中生物的組蛋白大多數(shù)處于乙?；臓顟B(tài)且染色體結(jié)構(gòu)較為松弛,有利于基因的轉(zhuǎn)錄。HDAC可將核小體H3組蛋白去乙酰化,使染色體更緊密,導(dǎo)致OPCs的分化抑制基因表達(dá)下調(diào)。在胚胎期OPC的研究中發(fā)現(xiàn)抑制HDAC可導(dǎo)致OPCs分化抑制因子形成抑制基因的表達(dá),最終導(dǎo)致 OL形成障礙〔19〕,因此組蛋白修飾與髓鞘修復(fù)的關(guān)系逐漸受到重視。在老年小鼠大腦的脫髓鞘反應(yīng)的修復(fù)期,HDAC的表達(dá)降低,同時(shí)觀察到髓鞘抑制因子如SOX2、Hes5、Id2、Id4等基因的表達(dá)較青年小鼠高,成熟OL少,而抑制HDAC活性后同樣能觀察到此現(xiàn)象〔20〕。

4 展 望

在對(duì)于腦老化的研究從神經(jīng)元丟失的認(rèn)識(shí)逐漸發(fā)展到白質(zhì)的改變。而衰老時(shí)白質(zhì)改變的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了從大體形態(tài)、生物化學(xué)分子成分的變化、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)到表觀遺傳的影響等環(huán)節(jié)。雖然對(duì)衰老時(shí)白質(zhì)改變已有了系列的研究,但每個(gè)環(huán)節(jié)都還存在未解決的問(wèn)題,尤其是對(duì)髓鞘修復(fù)過(guò)程中復(fù)雜的分子調(diào)控機(jī)制的探索仍有大量疑問(wèn),特別是最近發(fā)現(xiàn)缺少miRNA-219和miRNA-338兩種少突膠質(zhì)細(xì)胞特殊的miRNA將導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟障礙〔21〕,其與老年白質(zhì)改變的關(guān)系目前還未見(jiàn)報(bào)道。而解決這些問(wèn)題將為預(yù)防、治療腦老化提供新思路和策略。

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