SorCS1基因在阿爾茨海默病病理機制中的研究進展

李越，曹欣雨，李東亮，李志良，徐海巖

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)(大慶)醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)學(xué)院生物化學(xué)教研室，黑龍江 大慶 163319)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)患者主要表現(xiàn)為認知功能逐漸喪失，包括記憶和理解能力減退以及不可預(yù)測的行為等。據(jù)統(tǒng)計，AD的發(fā)病率逐年升高且預(yù)后不良，病死率高于心血管疾病[1]。據(jù)國際AD協(xié)會統(tǒng)計，全球平均每3秒新發(fā)1例AD，預(yù)計2050年全球AD患者總數(shù)將超過1.52億，給社會和家庭帶來巨大的經(jīng)濟和精神負擔[2]。目前，臨床上AD的診斷和防治方法均來源于針對AD發(fā)病機制的基礎(chǔ)研究。因此，揭示AD發(fā)病機制并明確關(guān)鍵致病基因，是降低AD發(fā)病率及病死率的有效舉措之一。蛋白質(zhì)分選受體SorCS1以膜蛋白形式存在于細胞內(nèi)，在細胞器膜、內(nèi)體與細胞膜之間通過蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運動態(tài)調(diào)控蛋白質(zhì)的分布，維持生理狀態(tài)下細胞膜內(nèi)、外蛋白質(zhì)間的動態(tài)平衡[3-4]。研究顯示，SorCS1是神經(jīng)元受體運輸?shù)年P(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，可結(jié)合多種特異性配體完成營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控、中樞系統(tǒng)代謝控制等生理過程[5-6]。SorCS1作為蛋白質(zhì)分選受體家族成員，參與了AD發(fā)病機制中的蛋白運輸環(huán)節(jié)，導(dǎo)致毒性蛋白的累積，引發(fā)神經(jīng)毒性效應(yīng)，使患者出現(xiàn)記憶減退和認知功能改變[7-9]?，F(xiàn)就SorCS1基因在AD病理機制中的研究進展予以綜述。

1 SorCS1基因

SorCS1蛋白屬于蛋白質(zhì)分選受體VPS10p(vacuolar protein sorting 10 protein)家族，該家族包含SorCS1、SorCS2、SorCS3、Sortilin和SorLA，每個家族成員的VPS10p結(jié)構(gòu)域C端均含有以特定間隔分開的12個半胱氨酸殘基的高度保守序列；人類及鼠類Sortilin和SorLA基因的鑒定早于其他3個家族成員；人類SorCS1、SorCS2和SorCS3這3個高度同源基因的基因組DNA均>600 kb，屬于人類基因中較大的基因[10]。在細胞水平上，VPS10p家族蛋白質(zhì)以單體或二聚體形式存在，單體與二聚體的比例決定了VPS10p家族蛋白質(zhì)結(jié)合配體的特異性，從而調(diào)節(jié)VPS10p家族受體的多種功能[11]。SorCS1基因轉(zhuǎn)錄生成的RNA經(jīng)可變剪接后以多種轉(zhuǎn)錄本的形式存在，轉(zhuǎn)錄本的胞外域與跨膜域的序列一致，分為a、b、c、e亞型，各亞型結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致其在細胞內(nèi)呈現(xiàn)不同的功能形式[12]。研究表明，在大腦發(fā)育期VPS10p受體家族成員的表達量高于成熟期，VPS10p受體家族成員可識別、結(jié)合包括神經(jīng)肽及營養(yǎng)因子在內(nèi)的多種配體，加速內(nèi)化過程并分選細胞內(nèi)蛋白質(zhì)[10]。SorCS1蛋白不僅在人類神經(jīng)系統(tǒng)中高表達，在成年小鼠大腦神經(jīng)元中也普遍存在，且在小鼠大腦中的表達水平顯著高于心臟、肝臟和腎臟[13-14]。SorCS1蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)中高表達，在神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和蛋白質(zhì)運輸過程中發(fā)揮作用，由于結(jié)構(gòu)不同，SorCS1a與SorCS1c的內(nèi)化功能也存在差異，而SorCS1b幾乎不能接受內(nèi)化及分選信號，只能作為細胞膜受體蛋白停留在神經(jīng)元表面[15]。

功能多元化是VPS10p家族成員參與多種疾病發(fā)生、發(fā)展的根本原因。Lazar等[16]研究發(fā)現(xiàn)，SorCS1基因突變可增加人類及大鼠腎臟疾病易感性，在高血壓腎病易感大鼠模型中敲除SorCS1基因則會引發(fā)蛋白尿癥狀，而體外研究顯示，敲除SorCS1基因豬的腎細胞Pk-1白蛋白吸收顯著減少，表明腎臟中的SorCS1基因參與了蛋白質(zhì)的傳遞運輸。Savas等[4]研究表明，SorCS1是突觸受體運輸?shù)年P(guān)鍵調(diào)節(jié)因子；但SorCS1的表達亦受神經(jīng)元活動的調(diào)控，當利用海仁藻酸誘導(dǎo)小鼠癲癇癥狀時，其SorCS1表達水平也隨之升高[14]。研究發(fā)現(xiàn)，敲除SorCS1基因小鼠胰島β細胞中的胰島素分泌顆粒與胰島素水平均顯著降低；而過表達SorCS1后，胰島素分泌顆粒水平顯著升高，證明SorCS1是胰島β細胞分泌胰島素所必需，SorCS1表達異常則導(dǎo)致胰島β細胞功能紊亂，最終引發(fā)糖尿病[17]。針對SorCS1基因突變大鼠的實驗表明，SorCS1作為原肌球蛋白相關(guān)激酶B的胞內(nèi)轉(zhuǎn)運受體，可減弱腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終達到調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)的目的[5]。SorCS1的功能主要包括兩個方面：①蛋白質(zhì)運輸和內(nèi)體傳遞[16,18]；②調(diào)節(jié)功能，主要調(diào)節(jié)內(nèi)分泌和神經(jīng)營養(yǎng)信號通路[5,17,19-20]，進而干預(yù)腫瘤的生長[21]或影響神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展[22]。

2 AD的病理機制

AD是一種在老年人群中高發(fā)且不可治愈的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。臨床上，發(fā)病年齡<65歲的AD定義為早發(fā)型AD，發(fā)病年齡≥65歲的AD則為遲發(fā)型AD。早發(fā)型AD呈家族聚集性發(fā)病，遲發(fā)型AD的病因中約80%與遺傳易感性有關(guān)；早發(fā)型AD與遲發(fā)型AD的終末期病理特征高度相似，幾乎無法分辨[23]。Alzheimer等[24]記錄了首例AD患者腦中的病理改變，并根據(jù)病理特征提出假設(shè)，即大腦皮質(zhì)中某種物質(zhì)積聚形成了許多神經(jīng)炎斑塊，還形成了異常的胞內(nèi)聚集體(神經(jīng)微管相關(guān)蛋白tau)導(dǎo)致神經(jīng)元纖維纏結(jié)。Kang等[25]證實，神經(jīng)炎斑塊的組成成分是聚積的β淀粉樣蛋白(amyloid-β peptide，Aβ)，而Aβ由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)裂解生成。此外，有學(xué)者還提出了突觸形態(tài)改變、神經(jīng)元丟失以及反應(yīng)性膠質(zhì)增生等假說[26]。研究發(fā)現(xiàn)，Aβ異常聚積是AD發(fā)病的根本原因，較AD患者認知功能障礙癥狀出現(xiàn)更早[27]，AD患者腦中局部的病理改變甚至可以早于臨床癥狀20～30年出現(xiàn)[28]，這可能是腦中發(fā)生淀粉樣變后短時間內(nèi)并未出現(xiàn)AD臨床癥狀的原因[29]。

APP是單跨膜蛋白，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成后被運輸至反式高爾基體網(wǎng)絡(luò)中儲存，APP在神經(jīng)元中大量存在且代謝速度極快；APP在體內(nèi)經(jīng)淀粉樣蛋白途徑與非淀粉樣蛋白途徑代謝，在淀粉樣蛋白途徑中，APP生成Aβ主要在內(nèi)體及細胞表面進行，細胞表面的APP可以直接經(jīng)β-分泌酶和γ-分泌酶的加工生成Aβ；APP也可以在網(wǎng)格蛋白包被復(fù)合體的介導(dǎo)下重新內(nèi)化進入內(nèi)體，一部分APP通過淀粉樣蛋白途徑完成蛋白裂解生成Aβ并排出胞外，胞外Aβ大量積累是導(dǎo)致細胞毒性的主要原因，而另一部分APP由逆轉(zhuǎn)錄復(fù)合體轉(zhuǎn)運回高爾基體[30]。此外，分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及高爾基體的APP也會加工形成不同大小、不同數(shù)量的Aβ肽，大多數(shù)以40個或42個殘基的形式生成，即Aβ1～40和Aβ1～42[9]。在生理狀態(tài)下，非淀粉樣蛋白途徑是APP代謝的主要途徑，大多數(shù)細胞表面的APP經(jīng)過α-分泌酶和γ-分泌酶的加工，在α-分泌酶的作用下，Aβ的完整性被破壞，因此抑制了Aβ過量聚積而產(chǎn)生的神經(jīng)毒性效應(yīng)[8]。

APP作為Aβ的前體分子，其加工方式可影響AD病理機制中Aβ的生成，同時，APP突變尤其是APP在Aβ結(jié)構(gòu)域內(nèi)的突變對AD的發(fā)病機制也具有重要作用[31]。當APP加工過多或Aβ清除障礙時，Aβ單體生成后會經(jīng)過一系列的生物學(xué)加工過程聚集形成寡聚體，寡聚體再進一步形成神經(jīng)炎斑塊，導(dǎo)致神經(jīng)突觸信號傳遞功能受損，進而導(dǎo)致AD患者產(chǎn)生早期認知改變和記憶缺失[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)，由于Aβ1～42較Aβ1～40多兩個氨基酸，因此Aβ1～42更有可能以錯誤的折疊方式形成聚積，這種結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致了空間構(gòu)象的多態(tài)性[32]。研究已證實，在AD患者中Aβ至少存在6種不同的空間構(gòu)象，可以在腦組織、腦脊液及血液中檢測到[32-34]，可見Aβ在AD病理機制中的重要性。

3 SorCS1基因參與AD的病理機制

近年來，學(xué)者們主要通過連鎖不平衡分析、候選基因研究、全基因組關(guān)聯(lián)分析和高通量二代測序技術(shù)探究AD的風險基因，通過連鎖不平衡分析確定了APP、早老蛋白1、早老蛋白2基因顯性突變可致早發(fā)型AD；采用候選基因方法確定的唯一的遲發(fā)型AD風險基因是載脂蛋白Eε4等位基因[7]。隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析的興起，可通過微陣列技術(shù)篩選更多與AD相關(guān)，尤其是與遲發(fā)型AD相關(guān)的風險基因，并進行基因分型，同時將研究對象的單核苷酸多態(tài)性納入風險基因研究，可更有效地確定基因組中的疾病相關(guān)區(qū)域。高通量二代測序技術(shù)經(jīng)濟、高效，可快速確定多個基因中的罕見變異，為致病基因的篩選和鑒定指明方向[7]。遺傳學(xué)研究表明，除載脂蛋白E基因外，AD相關(guān)基因座位于第9、10、12號等染色體上，其中第10號染色體包含由兩個獨立遺傳連鎖分析鎖定的同一段染色體區(qū)域[35]。Schjeide等[36]在AlzGene數(shù)據(jù)庫中獲取的AD差異表達基因顯示，位于第10號染色體上的蛋白質(zhì)分選受體SorCS1基因與AD的發(fā)病風險顯著相關(guān)，該研究結(jié)果在其他研究中也得到了驗證[3,37]。

3.1SorCS1基因與AD病理機制的相關(guān)性 學(xué)者在探究中國漢族北方人群遲發(fā)型AD病理機制的過程中發(fā)現(xiàn)，載脂蛋白E與SorCS1基因間存在相互作用，遲發(fā)型AD疾病的遺傳因子逐漸明確[38]。源于全基因組關(guān)聯(lián)研究的數(shù)據(jù)均證實，SorCS1基因的單個核苷酸改變形成多種單核苷酸多態(tài)性，導(dǎo)致AD易感程度增加，SorCS1基因1號內(nèi)含子的可遺傳變異涉及AD的發(fā)生、記憶缺失及病理變化[37,39]。AD的風險因子不僅限于SorCS1，還包括其家族成員SorLA、SorCS2和SorCS3，其各自獨立影響AD的發(fā)病并存在風險累加效應(yīng)[40]。Liang等[41]運用遺傳連鎖篩選和基因表達系列分析基因表達數(shù)據(jù)確定了第10號染色體上差異表達的28個基因，并選用多因素降維法和錯誤發(fā)現(xiàn)率校正法檢測這28個候選基因在AD中的潛在作用，確定了包含SorCS1在內(nèi)的5個基因以及含有SorCS1基因rs17277986的2個單核苷酸多態(tài)性位點，最終得出，SorCS1在整體數(shù)據(jù)集中差異顯著，且女性亞集的差異最顯著。2014年，中國科學(xué)院北京基因組研究所將AD的遺傳學(xué)標志物與影像學(xué)特征相結(jié)合，分析AD患者RNA表達譜與腦白質(zhì)呈現(xiàn)的強回聲癥狀，最終在血液分析中發(fā)現(xiàn)SorCS1的RNA水平的變化，可見測定AD相關(guān)基因表達水平為深入探究AD病理機制提供了方向[42]。

3.2SorCS1基因調(diào)控APP和Aβ的代謝 在關(guān)于SorCS1基因與AD病理機制的研究中，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，SorCS1基因無論在體外還是體內(nèi)均可直接影響Aβ的產(chǎn)生，從而調(diào)控神經(jīng)炎斑塊的聚積水平[43]。實驗證明，SorCS1基因通過調(diào)控AD中APP的加工(包括調(diào)節(jié)與APP共定位的γ-分泌酶的活性)間接影響Aβ水平，當SorCS1表達受到抑制時，γ-分泌酶的活性增加，APP及Aβ水平升高[3]。負責調(diào)控蛋白質(zhì)運輸?shù)腟orCS1基因功能障礙，可導(dǎo)致Aβ過度積累，產(chǎn)生神經(jīng)毒性效應(yīng)，該階段與遲發(fā)型AD早期病理發(fā)展過程一致[4]。隨著疾病的進展，逐漸積累的Aβ負向調(diào)控SorCS1受體的表達，導(dǎo)致SorCS1表達量顯著降低，表明SorCS1不僅可單向調(diào)節(jié)AD，兩者之間還存在雙向調(diào)控關(guān)系[44]。

β-分泌酶、γ-分泌酶以及APP均是與Aβ產(chǎn)生相關(guān)的細胞膜蛋白，三者通過內(nèi)體、反式高爾基體、細胞表面形成的“分選三角”完成蛋白質(zhì)分選過程，其中網(wǎng)格蛋白負責調(diào)控APP從細胞表面及反式高爾基體轉(zhuǎn)運至內(nèi)體的過程[45]；蛋白質(zhì)分選受體SorCS1作為逆轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的潛在受體，與逆轉(zhuǎn)錄復(fù)合體共同調(diào)控內(nèi)體中APP向高爾基體的逆向轉(zhuǎn)運，進而對Aβ產(chǎn)生調(diào)控作用[46]。

3.3SorCS1各亞型調(diào)節(jié)APP的表達 對人類SorCS1各轉(zhuǎn)錄本的深入研究發(fā)現(xiàn)，SorCS1a只有少部分定位于細胞膜上，參與蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運過程；SorCS1b多數(shù)定位在細胞膜上，由于胞內(nèi)域不具有內(nèi)化序列，故內(nèi)化能力較弱；SorCS1c分布于不同的膜結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)化功能，可調(diào)控內(nèi)化過程的發(fā)生[15,47]。在正常生理狀態(tài)下，SorCS1處于蛋白分選的平衡狀態(tài)，SorCS1各亞型與APP的表達定位呈動態(tài)變化，而SorCS1各亞型與APP的平衡被打破，導(dǎo)致Aβ積累，表現(xiàn)出AD的病理狀態(tài)[6]。Lane等[46]通過試驗證實，當SorCS1c亞型在人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞中過表達時，內(nèi)源性APP總量不變，但APP在各細胞器的分布發(fā)生顯著變化，即SorCS1c過表達調(diào)控APP的胞內(nèi)定位，使APP在反式高爾基體的分布增加，進而導(dǎo)致Aβ生成顯著減少，故得出SorCS1調(diào)控APP的代謝過程主要依賴于SorCS1c亞型的胞內(nèi)域尾部序列；進一步研究發(fā)現(xiàn)，位于SorCS1c胞內(nèi)域內(nèi)化序列的第1 132位酪氨酸和第1 135位甲硫氨酸的改變可不同程度地影響SorCS1c的內(nèi)化功能，進而改變AD患者細胞內(nèi)的APP分布。

4 小 結(jié)

蛋白質(zhì)分選受體SorCS1參與調(diào)控跨膜蛋白APP的細胞內(nèi)合成及轉(zhuǎn)運途徑，SorCS1的內(nèi)化功能影響Aβ的生成及積累過程，最終形成淀粉樣變并調(diào)控相關(guān)基因的表達[44]。Romeo等[48]研究發(fā)現(xiàn)，Aβ的胞外積累不僅與磷脂雙分子層上APP的加工方式有關(guān)，還可能與細胞自噬等蛋白清除過程相關(guān)，在AD患者的神經(jīng)元中可以觀察到自噬體積累，即自噬體形成與自噬體降解之間的動態(tài)平衡被破壞，這也可能是影響大腦中神經(jīng)元活性的因素之一。AD的發(fā)病機制目前尚未明確，只有明確AD發(fā)病過程的具體分子機制，才有可能攻克AD。在未來AD防治的研究中，SorCS1可作為AD發(fā)展機制中可調(diào)控的關(guān)鍵靶點。