衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退分子水平研究進(jìn)展

王柳清 王虹 張守成

認(rèn)知功能減退是人體衰老的特征之一，這些認(rèn)知能力主要包括注意力、推理能力、學(xué)習(xí)能力和近遠(yuǎn)期記憶能力、執(zhí)行能力、對周圍環(huán)境的感知力等。輕度認(rèn)知功能減退常見于正常的衰老個體，而中重度認(rèn)知功能減退多見于合并有神經(jīng)退行性變的病人。人群調(diào)查顯示，約40%的60歲以上人群合并有不同程度的認(rèn)知功能減退，影響病人的生活質(zhì)量。在對AD和PD的研究過程中發(fā)現(xiàn)，并非所有的老年人都合并有認(rèn)知功能減退，所以進(jìn)一步探索年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退的發(fā)病機(jī)制，對了解神經(jīng)退行性疾病的康復(fù)有重要價值。年齡（衰老）相關(guān)性認(rèn)知功能減退主要是指伴隨衰老過程出現(xiàn)的非神經(jīng)變性疾病所致的認(rèn)知功能減退，主要表現(xiàn)為記憶力下降和反應(yīng)靈敏度下降［1］。衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退的分子機(jī)制目前仍不甚明了，且個體差異較大，是近十年來健康領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，本文主要從分子水平探討衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退的發(fā)病機(jī)制。

1 衰老過程中腦組織結(jié)構(gòu)變化

導(dǎo)致年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退的原因是多方面的，是一個多因素參與的不斷累積的過程。其中，基因表達(dá)在腦功能衰退中發(fā)揮了重要作用［2］，可從細(xì)胞水平到行為水平對認(rèn)知功能產(chǎn)生影響。衰老過程中，腦的形態(tài)結(jié)構(gòu)上有腦溝腦回的結(jié)構(gòu)性變化，顯微鏡下可觀察到神經(jīng)元纖維纏結(jié)等，但個體差異較大，如荷蘭神經(jīng)科學(xué)家對113歲老婦Hendrikje van Andel-Schipper進(jìn)行了認(rèn)知力評估，發(fā)現(xiàn)其認(rèn)知功能優(yōu)于60～75歲的老年群體，Hendrikje van Andel-Schipper于115歲時病逝，研究者對其腦組織進(jìn)行的病理分析顯示，她的腦組織中幾乎沒有神經(jīng)元纖維纏結(jié)現(xiàn)象，且血管及神經(jīng)元改變約相當(dāng)于60～80歲的健康人群［3］。

腦功能老化過程中還伴隨神經(jīng)突觸的可塑性降低。既往研究多將年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退歸因于神經(jīng)突觸的連接不穩(wěn)、可塑性下降等，較少歸因于神經(jīng)元功能退化。但實(shí)際上，神經(jīng)元內(nèi)的基因表達(dá)卻在潛移默化地隨年齡發(fā)生變化［4］。盡管目前對神經(jīng)退行性疾病的基因表達(dá)已有大量研究，但大腦老化過程中基因表達(dá)如何影響認(rèn)知過程仍知之甚少。通常情況下，在人類及靈長類動物大腦皮層中會各自經(jīng)歷不同的年齡相關(guān)基因表達(dá)變化模式。在老化過程中，在神經(jīng)元生長或存活狀態(tài)下，壓力應(yīng)激和炎癥反應(yīng)相關(guān)性基因表達(dá)上調(diào)，線粒體功能卻漸趨老化［5-6］。腦功能老化過程中還有結(jié)構(gòu)性區(qū)域差異和性別差異［7-8］，如額上回、海馬CA1區(qū)等易受影響，并表現(xiàn)出大量的基因改變［8］。功能核磁檢查研究顯示，男性和女性的腦神經(jīng)自發(fā)活動存在差異，這種差異可能是導(dǎo)致男女性別在行為和認(rèn)知領(lǐng)域存在性別差異的原因［9］，也直接導(dǎo)致兩性在腦功能老化方面并不同步。

2 性激素及其受體影響

衰老過程也伴隨著體內(nèi)激素水平的變化。對類固醇激素及其受體功能的研究初步顯示，性別對年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退有重要影響［4］。性激素主要包括睪酮、雌激素和孕酮等，其體內(nèi)含量及比例被認(rèn)為是加速大腦老化的重要因素之一。其中，雌激素對認(rèn)知功能的影響最為突出，女性絕經(jīng)后雌激素的缺乏常是導(dǎo)致其海馬功能結(jié)構(gòu)異常變化的重要因素，并進(jìn)一步對病人的認(rèn)知功能造成影響［10］。雌激素主要通過其細(xì)胞內(nèi)受體（包括α及β受體）發(fā)揮作用，影響神經(jīng)元的生長、分化、遷移和突觸形成等過程。但研究發(fā)現(xiàn)，這些受體編碼基因（如 PELP1、RIP140、BAF60）水平在大腦老化過程中明顯減少，且受雌激素、生長激素、甲狀腺素等基因調(diào)控［11］。現(xiàn)已有大量研究證明，年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退者和神經(jīng)退行性變病人中雌激素受體均減少，如在嚙齒類動物模型中，老年雌鼠雌激素α受體及β受體均減少，與其海馬內(nèi)神經(jīng)突觸減少呈平行關(guān)系［12］；而臨床研究中發(fā)現(xiàn)，AD病人前額葉中雌激素α受體與其認(rèn)知功能障礙呈線性相關(guān)［13］，提示衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退與AD有共同的發(fā)病機(jī)制。

3 AD相關(guān)性基因

年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退隨著病情加重，有演變?yōu)锳D等神經(jīng)退行性病變的風(fēng)險。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，大腦結(jié)構(gòu)和功能老化為晚發(fā)型AD的重要危險因素，實(shí)際上微觀水平如基因及細(xì)胞水平也有AD相關(guān)性危險因素。如淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）、早老素 1（amyloid precursor protein，PS1）和 PS2等是引起家族性AD的原因，而載脂蛋白E（amyloid precursor protein，apoE）4等位基因則會增加個體易感性［4］，這些候選基因同時也會增加健康個體發(fā)生年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退的風(fēng)險。

3.1 突觸可塑性基因 既往研究多認(rèn)為，認(rèn)知功能減退主要是由于神經(jīng)元的形態(tài)學(xué)變化及神經(jīng)突觸可塑性所致。記憶力是認(rèn)知功能的重要組成部分，主要包括陳述性記憶及工作記憶等，其中前者主要與海馬功能有關(guān)，后者主要與前額葉皮質(zhì)背外側(cè)有關(guān)，均會隨著年齡增長發(fā)生功能減退［14］。突觸間的相關(guān)連接是學(xué)習(xí)和記憶過程的核心，幾乎所有物種在衰老過程中都會產(chǎn)生突觸可塑性變化，影響各個方面的認(rèn)知力，如老齡嚙齒類動物可表現(xiàn)出辨別力、時空記憶力、恐懼記憶、聯(lián)想記憶減退等，而靈長類動物多表現(xiàn)為工作記憶、情景記憶能力下降。因此，研究編碼突觸可塑性相關(guān)性基因?qū)M(jìn)一步了解認(rèn)知功能的形成發(fā)展、增強(qiáng)衰退等至關(guān)重要。

既往曾報(bào)道腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）和活性調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白（cytoskeleton associated protein，Arc）等神經(jīng)活性誘導(dǎo)基因在老年人大腦突觸可塑性變化中發(fā)揮了重要作用［15］。Konar等［4］在研究腦老化過程中發(fā)現(xiàn)了一種新的活性依賴性神經(jīng)蛋白酶分子，可在神經(jīng)元刺激下分泌到突觸裂隙和細(xì)胞外間質(zhì)中，這些蛋白酶可激活突觸重塑過程并引發(fā)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)，進(jìn)而對突觸連接及突觸可塑性等產(chǎn)生影響。

神經(jīng)肽（neuropsin，NP）是另一種活性誘導(dǎo)絲氨酸蛋白酶，主要在海馬CA1區(qū)、CA3區(qū)、杏仁核及前額葉皮層表達(dá)生成。NP基因消融可影響記憶過程中的信息存儲，對長程記憶影響尤大［16］。NP可裂解免疫球蛋白超家族神經(jīng)L1細(xì)胞黏附分子（L1celladhesionmolecular，L1CAM），影響海馬的結(jié)構(gòu)重塑［17］。L1CAM 也可通過調(diào)節(jié)海馬內(nèi)微管相關(guān)蛋白（microtubule-associated protein，MAP）2c的表達(dá)來影響神經(jīng)突觸的生長。與幼鼠相比，老年小鼠的海馬、嗅球、大腦皮層等區(qū)域內(nèi)NP mRNA表達(dá)量顯著減少，在大腦皮層，這種減少隨年齡增長而增加，但在嗅球和海馬區(qū)卻會因年齡增長而急劇減少。這些區(qū)域?qū)φJ(rèn)知功能的形成和維持非常重要，推測NP可能在年齡相關(guān)性認(rèn)知功能減退過程中發(fā)揮了重大作用。

軸突生長抑制類基因是另一種影響軸突可塑性的關(guān)鍵性基因，如髓鞘相關(guān)神經(jīng)節(jié)生長抑制蛋白Nogo-A，可與Nogo-66受體（NgR1）結(jié)合調(diào)節(jié)絲狀肌動蛋白水平，并參與突觸的結(jié)構(gòu)可塑性。無論雌性老齡小鼠還是雄性老齡小鼠，其前腦內(nèi)的Nogo-A表達(dá)量均減少，但 NgR1 變化不大［18］。

近年來，突觸蛋白神經(jīng)纖維蛋白（synaptic proteins neurexins，Nrxns）和神經(jīng)信號蛋白（neuroligins，Nlgns）也陸續(xù)被證明與神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)可塑性有關(guān)，前者多位于突觸前，后者多位于突觸后，共同綜合調(diào)節(jié)突觸的分化、成熟和穩(wěn)定等，且含量在年輕動物和老齡動物腦中有明顯差異［19］。目前已發(fā)現(xiàn)的可能參與衰老相關(guān)性認(rèn)知功能損害有關(guān)的突觸蛋白除以上兩種外，還有生長相關(guān)蛋白 43（growth-associated protein 43，GAP-43）［20］、突觸小體相關(guān)蛋白 25（synaptosomeassociated protein of 25，SNAP-25）［6］等。

3.2 衰老相關(guān)性表觀遺傳學(xué) 表觀遺傳學(xué)是指染色質(zhì)發(fā)生修飾而非DNA序列變化所產(chǎn)生的可遺傳的基因變化。既往研究曾將衰老相關(guān)性認(rèn)知障礙歸因于DNA的表觀遺傳學(xué)變化如甲基化修飾、組蛋白乙酰化修飾等，且這些表觀遺傳學(xué)修飾受年齡、外界環(huán)境、生活方式等因素的影響。DNA甲基化發(fā)生在二核苷酸CpG的胞嘧啶5’C處，可引起細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，是一種重要的表觀遺傳機(jī)制［21］。DNA甲基化可直接干擾轉(zhuǎn)錄因子合成，或在基因啟動子處抑制蛋白生成，下調(diào)相關(guān)基因表達(dá)量。人體衰老過程中，腦內(nèi)的總甲基胞嘧啶水平降低，進(jìn)一步影響神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)和功能的可塑性，對學(xué)習(xí)能力和記憶能力的影響尤大，進(jìn)一步導(dǎo)致AD等神經(jīng)退行性疾?。?2］。研究發(fā)現(xiàn)，與正常衰老者相比，AD病人海馬齒狀回區(qū)CA1區(qū)、CA3區(qū)DNA甲基化減少。

盡管在正常衰老過程或AD病程中均會出現(xiàn)DNA甲基化減少，但在基因啟動子處，其甲基化水平卻相反。如老齡小鼠與成年小鼠相比，基因編碼效應(yīng)蛋白Arc啟動子區(qū)的DNA甲基化被上調(diào)［23］。在老齡鼠中，DNA甲基化的這種上調(diào)與Arc表達(dá)下降、記憶存儲能力下降等有關(guān)［23］。BDNF是一種與學(xué)習(xí)和記憶功能密切相關(guān)的生長因子，可影響神經(jīng)元存活率及突觸可塑性等。相對于老年對照組，AD病人血漿中BDNF啟動子區(qū)的DNA甲基化被上調(diào)［24］，提示BDNF啟動子的DNA甲基化可能影響AD病人認(rèn)知功能下降機(jī)制。另外，APP基因上調(diào)導(dǎo)致AD病人腦內(nèi)β-淀粉樣蛋白沉積的原因可能也與啟動子處基因高度甲基化有關(guān)［25］。

組蛋白乙?；腿ヒ阴；膬?nèi)穩(wěn)態(tài)變化也參與AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病過程，其中組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase，HAT）和組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）的活性的平衡狀態(tài)是影響這一過程的重要因素［26］，參與學(xué)習(xí)能力、記憶能力、工作能力等多個認(rèn)知過程。對AD的研究發(fā)現(xiàn)，病人認(rèn)知功能下降與HDAC表達(dá)增加、蛋白乙?；浇档偷让芮邢嚓P(guān)，使用HDAC抑制劑如丙戊酸等可逆轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)動物早期的認(rèn)知障礙［27］。而大腦老化過程中，常出現(xiàn)HDAC表達(dá)增加、組蛋白乙?；?，針對這種現(xiàn)象，HDAC基因現(xiàn)已成為延緩衰老相關(guān)認(rèn)知功能減退的治療靶點(diǎn)之一［28］。

綜上所述，由于衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退顯著影響老年人的生活質(zhì)量，日益得到臨床工作人員及醫(yī)學(xué)研究人員的重視。在分子水平上，衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退是一個激素受體編碼基因、AD相關(guān)基因、突觸可塑性基因、表觀遺傳學(xué)等共同參與的多因素的動態(tài)變化過程。目前針對腦老化所致認(rèn)知功能下降有多種干預(yù)治療措施，如調(diào)節(jié)生活作息、中醫(yī)養(yǎng)生、激素替代療法、干細(xì)胞治療等，但并未達(dá)到廣為認(rèn)同的臨床收益。相信通過對認(rèn)知領(lǐng)域的進(jìn)一步探索研究，尤其是在分子層面對衰老相關(guān)性認(rèn)知功能減退的研究，對開發(fā)新藥、延緩癡呆進(jìn)展等將大有裨益。