瘦素與阿爾茨海默病關系的研究進展

陳盼盼，齊玉英，楊紅彥，王雪貞,2

阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）是一個復雜、進行性的認知減退、記憶障礙疾病，其病理改變?yōu)榇竽X皮質和海馬區(qū)域的神經元大量丟失或減少，毒性淀粉樣斑塊聚積和細胞內神經纖維纏結。估計全球發(fā)病率為2 400萬，如果缺乏有效方法來預防、減緩或治愈，預計到2050年將翻2番[1]。自2003年以來FDA并未批準新的藥物治療AD。因此，開發(fā)有效的AD新療法，評估所有可能導致AD的病理生理學因素至關重要。臨床證據表明飲食和生活方式對于AD的進展是一個獨立的危險因素，脂代謝紊亂促進Aβ沉積和Tau蛋白的磷酸化[2]。代謝性激素瘦素控制能量，并且顯著影響海馬突觸功能，臨床證據提示瘦素功能異?？稍黾覣D患病風險。

1 瘦素

瘦素最初由Zhang等[3]在1994年報道，是一個16 kD的大分子多肽，由人類第7號q31.3染色體上的肥胖基因（obese，ob）編碼，基因跨度為2 kb，包含3個外顯子。瘦素主要由白色脂肪組織和少部分棕色脂肪組織產生，也在其他組織中合成，如胎盤、卵巢、骨骼肌和胃。在大腦，瘦素以它的飽腹感而得名，且通過作用于大腦不同區(qū)域的受體發(fā)生不同作用，包括調節(jié)生育功能、免疫功能、骨代謝、神經功能（認知和神經保護作用）[4]。血清瘦素濃度為1～100 ng/mL，瘦素分泌具有脈沖式和晝夜節(jié)律性，循環(huán)的瘦素呈動態(tài)變化，下午最低，午夜最高[5]。瘦素在出生后7～14 d開始激增，這種出生后激增對下丘腦中神經元連接的發(fā)育至關重要，與瘦素的神經營養(yǎng)一致。循環(huán)的瘦素水平與身體脂肪成比例，以飽和的被動轉運方式通過血腦屏障入腦[6]。

2 瘦素受體及其信號通路

瘦素受體（obese receptor，ob-R）由糖尿病基因（diabetes gene，db）編碼，這種基因的選擇性拼接產生6個異形體：ob-Ra、ob-Rb、ob-Rc、ob-Rd、ob-Re、ob-RF。它們有相同的N末端區(qū)域，但C端區(qū)域的長度不同，它們通常被分為長形式（ob-Rb）、短形式（ob-Ra、c、d、f）、可溶形式（ob-Re）。除ob-Re外，其他形式都有一個由34個氨基酸組成的跨膜區(qū)。ob-Re可緩沖血漿中游離的瘦素水平，參與信號轉導反應的主要是ob-Rb。瘦素受體激活幾個與細胞生存相關的重要途徑的下游分子，如信號傳導及轉錄激活因子（signal transducers and activators of transcription，STAT3）、磷 脂 酰 肌 醇 3-激 酶（phosphatidylinositol 3-kinas，PI3K）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、腺苷酸激活蛋白激酶（adenosine 5‘-monophosphateactivated protein kinase，AMPK）、細胞周期素依賴蛋白激酶5（cyclin-dependent Kinase，CDK5）和糖原合成酶激酶-3（glycogen synthetase kinase，GSK3β）[7]。在特定的下丘腦中ob-R高表達，在杏仁核、腦干和小腦中也高表達，高水平的ob-R mRNA和免疫活性也在海馬CA1、CA3區(qū)和齒狀回被發(fā)現(xiàn)。ob-R激活與之相關聯(lián)的酪氨酸激酶（Janus kinase-2，JAK2），導致JAK2自動磷酸化，JAK2本身也激活多種STAT亞基包括STAT3、STAT5。JAK2-STAT3通路激活調節(jié)細胞內能量平衡。盡管已明確STAT5被酪氨酸第二磷酸化位點（Tyr1077）激活，但STAT5調節(jié)細胞內瘦素信號還不明確。酪氨酸第一位點（Tyr985）的磷酸化，招募同源蛋白酪氨酸磷酸酶2（srchomology-2-containing protein tyrosine phosphatase，SHP2）和細胞因子信號轉導抑制因子3（suppressor of cytokine signaling 3，SOCS3）。SHP2和SOCS3在減少JAK2的磷酸化和減弱瘦素信號轉導中扮演重要角色，在磷酸化位點上突變，阻止由瘦素受體導致的SHP2和SOCS3活化，減少進食和肥胖，增加基線STAT3的活化，最終導致體重下降。第三位點（Tyr1138）激活STAT3減弱JAK2和STAT5。瘦素受體的激活觸發(fā)PI3激酶，導致谷氨酸受體（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor，AMPA）的外顯細胞增多和突觸功能的持續(xù)增強。PI3k信號通路參與調節(jié)食物攝入和胰島素調節(jié)。

3 瘦素與認知功能

海馬體在學習和記憶中扮演重要角色，同時也是一個對神經退化過程非常重要的敏感區(qū)域。最近的研究表明，瘦素是一種潛在的認知增強劑，它調節(jié)海馬學習和記憶的細胞過程包括樹突形態(tài)、AMPA的運輸和活動依賴的突觸可塑性。對瘦素缺乏的ob/ob小鼠、ob-R缺乏的db/db小鼠和zuker小鼠的測試進一步支持瘦素是海馬突觸可塑性一個主要的調節(jié)者和促進者。這種缺乏包括在海馬長時程增強（Long-term potentiation，LTP）、形態(tài)學改變如齒狀回、神經元樹突棘密度減少，齒狀回的細胞增殖和神經發(fā)生也減少。在動物模型實驗中，瘦素可改善樹突和突觸的形態(tài)，促進N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA）受體依賴的突觸傳遞及可能改善成年人的學習與記憶[8]，皮質發(fā)育和神經發(fā)生也依賴于瘦素信號。瘦素通過AMPK和蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）途徑促進軸突發(fā)展，軸突生長錐的ob-R也調節(jié)與生長相關的蛋白質和適當?shù)妮S突形成。瘦素可改變神經細胞形態(tài)，促進下丘腦和小腦的神經突生長，改變皮質神經元中軸突生長錐的大小。瘦素治療使一個患有先天性瘦素不足的年輕男孩的體重和認知能力得到改善[9]。與野生型小鼠相比，瘦素不敏感小鼠的海馬樹突棘密度明顯減少[10]。Aβ干預谷氨酸受體（glutamate receptor，GluR）的運輸過程，而瘦素可預防Aβ在海馬突觸可塑性和GluR轉運的有害影響，阻止AMPA受體子單元谷蛋白的內化。共焦免疫熒光分析確定瘦素調節(jié)原發(fā)性海馬形態(tài)學的特征，包括樹突絲狀偽足的運動和海馬突觸密度[11]。瘦素信號通過有絲蛋白激活蛋白激酶和環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，CAMP）相應元素結合蛋白通路在海馬體中產生突觸形成和樹突形態(tài)形成。

興奮性突觸之間的交流強度可通過神經元興奮程度的動態(tài)變化來改變，突觸效能的持續(xù)增加或減少分別被稱為LTP與長時程抑制（Long-term depression，LTD），這些現(xiàn)象被認為是學習和記憶的關鍵細胞事件。瘦素通過將短時程增強（short-term potentiation，STP）轉化為LTP來調節(jié)海馬的可塑性，更多的證據表明，瘦素增強海馬CA1錐體神經元和齒狀回神經元的LTP[12,13]。瘦素對谷氨酸神經傳遞和GluR轉運的調節(jié)可能促進瘦素調節(jié)的認知功能提高。大多數(shù)表達突觸可塑性的中央突觸都是谷氨酸性，有四種主要的GluR：AMPA受體、NMDA受體、代謝性GluR和Kainate受體。NMDA受體在基礎條件下對興奮性突觸傳遞的作用很小。證據表明，NMDA受體的突觸活性對活性依賴性的LTD與LTP在海馬CA1突觸的作用至關重要[14]。NMDA受體的突觸激活對瘦素誘導的LTP也起作用，它的激活促進AMPA受體在海馬LTP中對突觸的作用。在哺乳動物的中樞神經系統(tǒng)中，NMDA受體激活對各種形式的活動依賴性突觸可塑性至關重要，NMDA受體的激活也是瘦素調節(jié)海馬興奮性突觸可塑性的必要條件，包括促進LTP的能力，誘導出一種新的LTD形式，反向建立LTP。在海馬體中瘦素增強NMDA受體功能的能力由PI3激酶和MAPK進行。瘦素通過鈣離子流上調NMDA受體誘導LTP。Shanley等[8]的細胞研究表明，瘦素促進STP轉變?yōu)長TP。NMDA受體對海馬突觸的活動依賴性突觸可塑性至關重要。證據表明，瘦素也直接調節(jié)從海馬突觸和到海馬突觸的AMPA受體的運輸[15]。在海馬體中，瘦素通過將突觸傳遞的STP轉化為LTP，從而促進突觸可塑性的誘導，這一過程被認為是學習和記憶的神經生理學基礎的一部分，這部分的損害與認知缺陷有關。在前額皮質，瘦素與腦源性神經營養(yǎng)因子的表達和神經形成有關，在生理范圍內的瘦素可作為一種認知增強劑，那么高水平或超高瘦素水平由于組織瘦素抵抗（leptin resisteance，LR）而導致認知功能損害。瘦素不敏感肥胖小鼠表現(xiàn)出海馬LTP與LTD的缺乏[16]，導致在水迷宮中空間學習和記憶受損。

瘦素對正常腦的發(fā)育至關重要，瘦素不足的小鼠，由于缺乏瘦素（ob/ob）或缺乏功能性ob-R（db/db）而造成的缺陷，可以降低腦重量，但可通過早期瘦素補充來糾正。患有先天性低瘦素的小鼠體內的瘦素替代品不能逆轉發(fā)育過程中瘦素缺乏造成的神經解剖缺陷，早期瘦素補充對于正常腦的發(fā)育至關重要。低血清瘦素會減少灰質體積，包括海馬。研究發(fā)現(xiàn)低水平瘦素可減少海馬體積和微結構完整性[17]，并通過右側海馬體積與左側海馬微結構的負作用導致記憶功能降低。長期給予瘦素會增加齒狀回的細胞增殖。瘦素在各種病理模型中具有很強的神經保護作用。瘦素治療改善在體外和在大腦中動脈閉塞引起的局灶性腦缺血動物模型中的缺血性損傷。保護神經元免受各種各樣神經毒性的損害如腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、鐵離子、6-羥基多巴胺（6-hydroxydopamine，6-OHDA）。瘦素的神經保護作用是通過腺苷酸活化蛋白激酶和信號轉錄因子與ob-R的激活來調節(jié)的，但確切機制有待闡明，可能涉及到反凋亡蛋白bcl-xl的含量、線粒體膜滲透性的穩(wěn)定，以及線粒體生成的氧化應激減少。Yamada等[18]研究表明，瘦素通過減輕抑郁作為絕望反應的一種功能來改變認知狀態(tài)。老年人的瘦素水平與海馬體和小腦的灰質體積呈正相關，再次表明瘦素對與年齡相關的萎縮有保護性作用。更明顯的是，衰老與瘦素信號的失調有關，增加蛋白酪氨酸磷酸酶1B（protein tyrosine phosphotase 1B，PTP1B）的水平，降低ob-R的磷酸化水平及脂肪含量，瘦素水平更高，意味著LR。也有研究發(fā)現(xiàn)瘦素在慢性炎癥的發(fā)展中起重要作用，瘦素能增加促炎因子產生，比如TNF、IL-1和IL-6，可上調瘦素mRNA，維持瘦素產生[20]。之前的研究認為瘦素治療能增加海馬IL-1β，高水平IL-1β?lián)p害年輕與年老小鼠的記憶和突觸可塑性。

4 瘦素與AD

2013年zeki等[20]提出，瘦素可能比傳統(tǒng)方法更能預測癡呆/輕度認知功能障礙。Oania和McEvoy等[21]發(fā)現(xiàn)血清瘦素水平并不能預測輕度認知功能障礙患者的癡呆，瘦素能否作為AD的生物標志物有待進一步研究。瘦素水平似乎與AD風險成反比關系，高瘦素水平降低老年癡呆風險。然而最近的一項研究表明，瘦素既不改變也不影響AD患者的認知能力[21]，可能由于實驗的對象及方法不同。

瘦素對AD有直接影響，具有神經保護作用，能防止缺血和淀粉樣蛋白導致海馬死亡。瘦素水平降低不僅會使認知衰退和病理學惡化，而且AD病理破壞瘦素信號，這將導致漸進性神經退化、體重增加和系統(tǒng)代謝缺陷的惡性循環(huán)。

瘦素治療可通過Aβ的新陳代謝來降低其水平，通過AMPK/SIRT通路減少β分泌酶活性來降低Aβ水平。在細胞培養(yǎng)模型中，瘦素也通過下調早老素1降低Aβ，這是一種r分泌酶復合物的組成。然而，β分泌酶的mRNA水平保持不變或增加。體外實驗證明外源性瘦素治療以劑量依賴性的方式增加低密度脂蛋白受體相關蛋白1（low density lipoprotein receptor-related protein 1，LRP1）介導的載脂蛋白 E（apolipoprotein E，APOE）的攝取[23]。此外由27羥化膽固醇處理的細胞切片中Aβ和磷酸化Tau水平提高，瘦素治療可增加LRP1和胰島素降解酶的蛋白水平，這是一種與Aβ降解有關的酶[24]。Niedowicz等[25]證實，血清瘦素與小鼠的大腦Aβ水平和早老素1（presenilin1，PS1）表達相關，認為瘦素通過轉錄直接控制PS1表達，通過AMPK下調PS1表達。低水平瘦素會導致AMPK不足，進而促進淀粉樣蛋白水平的增加。Marwarha等[26]證明，瘦素通過NAD-依賴性去乙?；福⊿irtuin 1，SIRT）抑制劑減弱NF-κB在BACE的轉錄活性來減少BACE mRNA的表達和蛋白水平。瘦素促進ApoE/Aβ復合物的吸收，Aβ也可通過細胞外蛋白酶降解，大腦中有兩個主要的與Aβ退化有關的肽鏈內切酶、鋅金屬內肽酶、神經內肽酶（neural endopeptase，NEP）和胰島素降解酶。這種退化可能促進遲發(fā)性AD患者Aβ沉積，Yamamoto等評估瘦素是否與星形膠質細胞的細胞外信號調節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）抑制的NEP介導的A β降解有關。Fewlass等證實瘦素在細胞內和細胞外調節(jié)的能力，瘦素減少神經細胞的分泌酶活性。瘦素信號可能與ApoE表達變化有關，它對Aβ聚積的清除產生同樣的作用。研究發(fā)現(xiàn)瘦素還可通過增加胰島素降解酶和脂蛋白1含量，增加Aβ降解與清除。瘦素也可通過LRP增加ApoE依賴的Aβ攝取，從而促進Aβ清除，ApoE的4等位基因的存在可能損害瘦素促進Aβ的清除。瘦素通過Lep-NF-κ B信號級聯(lián)減少β-分泌酶1（beta-Secretase 1，BACE1）的表達，從而減少Aβ產生，也可通過JAK/STAT信號通路激活阻止Aβ誘導的神經元死亡[27]。

瘦素治療可通過PI3激酶/Akt/mtor途徑減少神經元細胞表面的神經節(jié)苷脂（Ganglioside，GM1）神經節(jié)。在兔海馬體細胞切片中，外源性瘦素治療逆轉胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）的減少。瘦素也可通過建立細胞內瘦素信號通路減少磷酸化Tau水平。在細胞模型中，瘦素治療的維甲酸誘導的磷酸化關鍵氨基酸殘基Ser202、396、404，Tau蛋白磷酸化減少大約是胰島素的300倍，通過AMPK、Akt和P38通路介導。更重要的是，這些由光誘導的信號通路途徑聚合到Gsk-3β，減少Tau蛋白的過度磷酸化。最近研究表明瘦素調節(jié)磷酸化蛋白水平，因為瘦素不僅減少Tau蛋白的神經元積累，還通過GSK3β抑制Tau蛋白磷酸化[28]。瘦素通過常見的上游目標來調節(jié)AD的病理學特征包括AMPK，可通過AMPK對GSK3β的抑制作用來抑制Tau蛋白磷酸化。

最近研究證明Aβ可直接抑制瘦素在海馬中的信號[29]。瘦素在維持海馬結構和功能方面很重要，低瘦素信號會導致海馬損傷，出現(xiàn)認知功能和記憶減退，從而導致AD病理惡化，AD病理也可能導致瘦素信號功能障礙，這已在體外實驗和在體實驗中都得到證實。另一個涉及到神經保護作用的機制可能是AMPK和SIRT1的激活，因為這些酶構成與AD相關的潛在靶點[30]。低水平的瘦素對AMPK的刺激不足，這反過來又有利于Aβ水平增高和Tau蛋白增加，并且，在AD中SIRT1的額外神經保護作用可能在不同水平通過基本轉錄因子的乙酰化狀態(tài)來調節(jié)，這可能會觸發(fā)神經元細胞的生存途徑。

隨著年齡的增長，瘦素敏感性似乎出現(xiàn)普遍降低，盡管目前還不清楚這種下降是由于年齡還是與年齡相關的肥胖引起的。PTP1B是瘦素的抑制劑，隨著年齡的增長，可能會導致瘦素信號損害，因為PTP1B的抑制會恢復瘦素的信號通路[31]。研究發(fā)現(xiàn)瘦素水平存在性別差異，女性的瘦素水平是男性的2倍，與年齡、BMI指數(shù)無關。有研究報道在女性患者腦脊液中測定的瘦素與Aβ呈負相關，女性有更高的AD風險，這可能與雌激素有關。

通過對AD神經成像計劃項目的數(shù)據分析，發(fā)現(xiàn)患有輕度認知功能障礙或AD的患者血漿瘦素水平低于正常人。瘦素不足的小鼠腦容量降低，存在認知缺損、突觸和神經膠質蛋白中斷。大約70%的輕度認知功能障礙患者瘦素水平低于正常認知組的平均值，這表明血瘦素水平可能是預測癡呆風險的一個生物標志物[32]。在一些研究中，高水平瘦素與降低認知衰退和癡呆風險相關，但其他研究卻未發(fā)現(xiàn)[31]。一些研究甚至報告一個逆關聯(lián)[33]。最近研究發(fā)現(xiàn)血清瘦素水平在AD患者與健康對照的控制者相同，與AD的癡呆下降無關[22]，對這一矛盾可能是由于瘦素在中樞神經系統(tǒng)的信號通路。重度AD患者腦脊液中瘦素水平明顯增高，同時發(fā)現(xiàn)患者的大腦中ob-R的mRNA水平減低，且ob-R蛋白主要局限于神經纖維纏結處，提示瘦素水平增高與ob-R減少及受體功能缺陷導致的LR相關。在水迷宮實驗中給予5或50 μg/kg瘦素改善認知，但更高量如500 μg/kg卻沒有這種作用，另有一些觀點認為100 μg/kg瘦素可改善記憶但不能保持，而500 μg/kg可以保持記憶。表明適中濃度的瘦素可改善記憶，而高濃度的瘦素會損害記憶或突觸功能，瘦素與長期記憶的確切機制仍不清楚。中年肥胖似乎增加患癡呆癥的風險，而晚期體重的減少預示著癡呆發(fā)生，可能由于中年時期會導致瘦素和LR的增加。暴露于高熱量的動物表現(xiàn)出血清瘦素的增加，這可能表明LR，研究表明LR與認知缺乏有關[34]，其他研究也顯示高熱量飲食可觸發(fā)LR。

5 結語

慢性瘦素治療在一些人體試驗中安全且耐受性好[35]。一旦進入癡呆階段開始治療，可能為時已晚，無法逆轉神經系統(tǒng)癥狀及病理變化，盡早開始治療可能會更多獲益，瘦素作為一種新的療法和一個潛在的新的診斷工具可能為AD的研究進展開辟新的領域。