林华型 盛树力

(香港中药与天然药物研究所，香港特别行政区)

近年来许多科学家认为，散发性阿尔茨海默病(SAD)是一种以脑内β-淀粉样肽前体蛋白(β-APP)产生β淀粉样蛋白(Aβ)增加并形成寡聚体为中心，这些特征表明了属于表观遗传学疾病。但深层次原因可能是脑内与认知功能相关的神经元胰岛素信号转导网络障碍有直接关系。因此，脑内胰岛素的生理功能受到关注〔1～4〕。

1 脑内胰岛素的生理功能

脑内胰岛素样生长因子1受体(IGF1-R)是老化程序的信号通路，三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)和神经酰胺两种不同的脂类作为第二信使起到作用，但尚需证实它们下游的信号分子，导致Trk A top75 NTR是开启IGF1-R下游的特殊机制。脑内胰岛素的生理功能上主要有几方面研究进展:①胰岛素和胰岛素样生长因子1(IGF1)及其受体和信号转导成分选择性分布于认知相关的脑区，如海马、内嗅皮层等;通过PI3K-AKT信号转导通路支持神经元存活和维持正常功能及增强突触效应〔4〕。胰岛素不仅激活α分泌酶、减少APP产生Aβ，并增加具有神经营养作用的sAPPα水平。胰岛素使胰岛素受体磷酸化，促使Aβ寡聚体结合到神经元明显减少。Shalin等〔5，6〕研究发现，胰岛素信号转导障碍，则Aβ寡聚体影响突触可塑性，必将导致神经元变性而直至凋亡;②对葡萄糖代谢的区域性效果。利用正电子发射断层扫描(PET)技术，人类从分子水平研究显示少量胰岛素使脑葡萄糖代谢增加，最明显在皮层。这种效应由于胰岛素、胰岛素受体和胰岛素敏感的葡萄糖转运蛋白的重叠分布，所以在特殊脑区如海马和下丘脑中就存在胰岛素刺激摄取葡萄糖的可能性。突触传递需要突触线粒体的供应能量，神经元病理性老化过程中，线粒体损伤是引起神经元凋亡的关键因素之一。不同载脂蛋白E4(ApoE4)基因型携带者与AD平均发病年龄相关，4/4型小于70岁、2/3型为93岁，这是因为ApoE4蛋白极易酶解成C端截断型片段进入线粒体而导致线粒体损伤;③促进Aβ从神经元胞内释放，Aβ结合到IGF-1诱导的载脂蛋白被转运出脑;生理条件下，神经元和小胶质细胞分泌胰岛素降解酶(IDE)，使细胞外降解Aβ、防止Aβ寡聚体形成。胰岛素和Aβ是IDE的底物，但胰岛素对IDE的亲和力远大于Aβ，胰岛素竞争结合IDE，抑制IDE对Aβ的降解;④微管相关蛋白tau过度磷酸化形成的tau寡聚体，具有明显的神经毒性作用。寡聚体可进而形成神经元纤维缠结。tau正常磷酸化由磷酸激酶和磷酸酯酶二组酶活性维持平衡，其中以糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、Akt/PKB和蛋白磷酸酶2A(PP2A)最为重要，但它们都受胰岛素信号网络调控。信号转导障碍导致磷酸激酶活性增加和磷酸酯酶活性降低，形成tau过度磷酸化;⑤Renthal等〔7～9〕研究证明，正常的精神活动与胰岛素信号网络调控有关。胰岛素控制神经递质、特别是单胺类神经递质如Ach和去甲肾上腺素的释放。胰岛素可使膜下受体转位到突触后膜，参与增强突触效应〔10〕。近年来对痴呆病人存在精神行为异常A(Activity)、B(Behaviour)、C(Cognition)的神经生物学基础研究取得了重大进展，研究表明糖尿病(DM)和SAD病人的高抑郁症患病率与代谢综合征或胰岛素抵抗密切相关。提示，脑内胰岛素与异常行为等症状也与表观遗传学有关〔7，8〕;⑥脑内胰岛素可能是中枢神经系统(CNS)控制体重的最重要激素，循环中胰岛素水平与能量贮存多少和胰岛素进入CNS呈比例。脑内胰岛素为维持葡萄糖稳态水平所必需。胰岛素受体及其下游分子在弓状核、腹内侧核、纹状体和脉络丛表达。下丘脑胰岛素信号长期损害产生摄食过度、高胰岛素血症，但胰岛素敏感性降低。胰岛素信号和能量代谢之间的联系在下丘脑水平和下丘脑胰岛素抵抗可能是DM高血糖的重要原因;⑦链脲佐菌素(STZ)作为SAD实验模型，造模后3和6个月认知功能下降，如胰岛素-1基因表达下降85%和57%时;胰岛素受体mRNA下调19%和26%，蛋白将下调到23%和28%。IDE mRNA下调19%和38%时，蛋白下调到22%和21%;Aβ42在3个月后胞内聚集，6个月后出现老年斑(SP)。表明脑胰岛素和胰岛素受体信号级联反应无功能在先和引起时间依赖的Aβ沉积;⑧Watson等研究显示，作为治疗2型糖尿病(T2DM)的胰岛素增敏剂罗格列酮〔11～13〕，可激活过氧化物酶体增殖物活化受体(PPAR-γ)和线粒体。从而改善外周和脑内胰岛素抵抗，增加Aβ清除、降低Aβ42的水平(对Aβ40无影响)和减少tau蛋白过度磷酸化。增加转基因AD小鼠的海马的IDE mRNA，降低血中皮质酮水平。临床应用罗格列酮(4 mg/d，24 w)治疗健忘型轻微认知缺损(MCI)和轻度AD(N=34，对照=17)或胰岛素鼻内给药可以提高非ApoE4携带者AD患者的记忆及认知功能(早期AD和健忘型MCI各13例，对照35例)。提示罗格列酮不仅能改善AD患者认知功能，还能降低脑脊液中Aβ的含量。

研究表明，胰岛素信号转导障碍与AD三大病理特征(SP、NFT和脑萎缩)密切相关，也是精神症状的生物学基础。综合一些学者的研究，由胰岛素和IGF-1启动正常脑老化向病理性脑老化转化存在非常复杂的过程。这一过程主要涉及ProNGF增加，激活 p75死亡通路和神经酰胺(Ceromide)增加导致Aβ42持续增加，AD脑Cer增加3倍多，它可能是细胞衰老的核心调节分子或第二信使。Cer的产生为年龄依赖方式，伴BACE1、TrKA和p75平行增加。年青动物主要表达TrKA，年老动物主要表达p75，这种表达模式改变是对nSM酶年龄依赖激活的反应，这些仅表达TrKA或p75的细胞系受NGF处理后，表达p75的细胞Cer和APPβ位裂解增加，表达了TrKA的细胞β位裂解和ADIC减少的可能。

2 脑内胰岛素与基因表达的调节

胰岛素是一种具有调节物质代谢和促进细胞发育和存活的多功能激素，它至少调控150多个靶基因，可分为二大类:一是以降血糖为标志的与代谢有关的快速反应基因，促进葡萄糖利用、转化和形成短时记忆的相关基因;二是支持细胞存活发挥正常功能的相关基因。前者可能通过胰岛素受体底物2(IRS2)，后者可能通过胰岛素受体底物1(IRS1);它们分别通过不同亚单位组成的PI3K-Akt信号转导网络的信号逐级分化，激活不同的核转录因子、蛋白质呈组合式(特定模式的多种蛋白质表达增加/减少同时存在)表达，呈现胰岛素固有的生理功能。当血糖升高引起胰岛素呈脉冲式分泌时，胰岛素信号转导到靶基因，增加或减少靶基因产物成为正/负反馈产物，调节胰岛素及其信号转导蛋白的表达和活性，使胰岛素分泌恢复到静息状态。当复杂的胰岛素信号转导通路及靶基因产物的反馈通路存在任何障碍时，完全有可能影响靶细胞的功能和继之出现胰岛素抵抗。但任何功能都需要激活其受体及其信号转导通路。Hoyer首先提出神经元胰岛素受体脱敏在AD发病中起重要作用〔14，15〕。所以根据胰岛素在脑内的作用，我们有理由相信SAD广泛的神经化学改变的始动原因与脑内胰岛素及其信号转导网络障碍有关。问题是脑内胰岛素通过什么机制调控与Aβ42增加有关的基因表达。我们在文献〔16〕中已表达了脑内胰岛素通过表观遗传学调节机制与SAD发病有关的表述〔17，18〕，但还需要直接证据。

3 脑内胰岛素与SAD发病机制

Aβ42产生和降解有关的基因应该是胰岛素的靶基因，它们对胰岛素的组合式反应是维持Aβ42正常水平的关键性因素。靶基因的甲基移换酶和去甲基酶、组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶影响靶基因转录mRNA，而mRNA又受特定的基因DNA转录的miRNA调控，因此一个靶基因的蛋白质表达增加，表示靶基因DNA启动子低甲基化，组蛋白高乙酰化和低miRNA;反之，则蛋白质表达减少。但这种概括性的理念，对每一个具体的基因应分别对待。首先确认蛋白质表达量的改变，其次观察靶基因DNA启动子甲基化、组蛋白乙酰化的程度，最后测定miRNA，以最终确定靶基因蛋白质表达改变的直接原因。虽然胰岛素通过表观遗传学调节导致的靶基因组合式反应，但仍存在与表观遗传学调节相关酶类的非均一性的极大可能性。如使APP、PS和BACE等基因DNA启动子低甲基化酶，虽然功能相同，但可能具有基因相对特异性。AD脑存在部位和阶段特异的不同 miRNA 调节 APP、BACE1、BACE2、APH1A、TAU 等mRNA水平〔16〕。提示胰岛素的表观遗传学调节复杂性远超过想像;现在研究胰岛素对SAD的表观遗传学调节复杂性的深入研究，可能对SAD的发病机制、药物和非药物干预提供突破性进展的可能性。

4 结语

综上，SAD是以Aβ42增加并形成寡聚体为特征，属于表观遗传学疾病的范畴。认知功能是胰岛素的依赖，脑内胰岛素及其信号转导网络在脑内的选择性分布，显示与SAD的相关性。但脑内胰岛素信号转导障碍与SAD神经化学改变之间的存在表观遗传学调节机理障碍，确切实验依据有待深入研究，或将有助于对SAD的发病机制和药物开发取得突破性进展。

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