腦內胰島素與阿爾茨海默病研究進展

林華型 盛樹力

(香港中藥與天然藥物研究所，香港特別行政區)

近年來許多科學家認為，散發性阿爾茨海默病(SAD)是一種以腦內β-淀粉樣肽前體蛋白(β-APP)產生β淀粉樣蛋白(Aβ)增加并形成寡聚體為中心，這些特征表明了屬于表觀遺傳學疾病。但深層次原因可能是腦內與認知功能相關的神經元胰島素信號轉導網絡障礙有直接關系。因此，腦內胰島素的生理功能受到關注〔1～4〕。

1 腦內胰島素的生理功能

腦內胰島素樣生長因子1受體(IGF1-R)是老化程序的信號通路，三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)和神經酰胺兩種不同的脂類作為第二信使起到作用，但尚需證實它們下游的信號分子，導致Trk A top75 NTR是開啟IGF1-R下游的特殊機制。腦內胰島素的生理功能上主要有幾方面研究進展:①胰島素和胰島素樣生長因子1(IGF1)及其受體和信號轉導成分選擇性分布于認知相關的腦區，如海馬、內嗅皮層等;通過PI3K-AKT信號轉導通路支持神經元存活和維持正常功能及增強突觸效應〔4〕。胰島素不僅激活α分泌酶、減少APP產生Aβ，并增加具有神經營養作用的sAPPα水平。胰島素使胰島素受體磷酸化，促使Aβ寡聚體結合到神經元明顯減少。Shalin等〔5，6〕研究發現，胰島素信號轉導障礙，則Aβ寡聚體影響突觸可塑性，必將導致神經元變性而直至凋亡;②對葡萄糖代謝的區域性效果。利用正電子發射斷層掃描(PET)技術，人類從分子水平研究顯示少量胰島素使腦葡萄糖代謝增加，最明顯在皮層。這種效應由于胰島素、胰島素受體和胰島素敏感的葡萄糖轉運蛋白的重疊分布，所以在特殊腦區如海馬和下丘腦中就存在胰島素刺激攝取葡萄糖的可能性。突觸傳遞需要突觸線粒體的供應能量，神經元病理性老化過程中，線粒體損傷是引起神經元凋亡的關鍵因素之一。不同載脂蛋白E4(ApoE4)基因型攜帶者與AD平均發病年齡相關，4/4型小于70歲、2/3型為93歲，這是因為ApoE4蛋白極易酶解成C端截斷型片段進入線粒體而導致線粒體損傷;③促進Aβ從神經元胞內釋放，Aβ結合到IGF-1誘導的載脂蛋白被轉運出腦;生理條件下，神經元和小膠質細胞分泌胰島素降解酶(IDE)，使細胞外降解Aβ、防止Aβ寡聚體形成。胰島素和Aβ是IDE的底物，但胰島素對IDE的親和力遠大于Aβ，胰島素競爭結合IDE，抑制IDE對Aβ的降解;④微管相關蛋白tau過度磷酸化形成的tau寡聚體，具有明顯的神經毒性作用。寡聚體可進而形成神經元纖維纏結。tau正常磷酸化由磷酸激酶和磷酸酯酶二組酶活性維持平衡，其中以糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、Akt/PKB和蛋白磷酸酶2A(PP2A)最為重要，但它們都受胰島素信號網絡調控。信號轉導障礙導致磷酸激酶活性增加和磷酸酯酶活性降低，形成tau過度磷酸化;⑤Renthal等〔7～9〕研究證明，正常的精神活動與胰島素信號網絡調控有關。胰島素控制神經遞質、特別是單胺類神經遞質如Ach和去甲腎上腺素的釋放。胰島素可使膜下受體轉位到突觸后膜，參與增強突觸效應〔10〕。近年來對癡呆病人存在精神行為異常A(Activity)、B(Behaviour)、C(Cognition)的神經生物學基礎研究取得了重大進展，研究表明糖尿病(DM)和SAD病人的高抑郁癥患病率與代謝綜合征或胰島素抵抗密切相關。提示，腦內胰島素與異常行為等癥狀也與表觀遺傳學有關〔7，8〕;⑥腦內胰島素可能是中樞神經系統(CNS)控制體重的最重要激素，循環中胰島素水平與能量貯存多少和胰島素進入CNS呈比例。腦內胰島素為維持葡萄糖穩態水平所必需。胰島素受體及其下游分子在弓狀核、腹內側核、紋狀體和脈絡叢表達。下丘腦胰島素信號長期損害產生攝食過度、高胰島素血癥，但胰島素敏感性降低。胰島素信號和能量代謝之間的聯系在下丘腦水平和下丘腦胰島素抵抗可能是DM高血糖的重要原因;⑦鏈脲佐菌素(STZ)作為SAD實驗模型，造模后3和6個月認知功能下降，如胰島素-1基因表達下降85%和57%時;胰島素受體mRNA下調19%和26%，蛋白將下調到23%和28%。IDE mRNA下調19%和38%時，蛋白下調到22%和21%;Aβ42在3個月后胞內聚集，6個月后出現老年斑(SP)。表明腦胰島素和胰島素受體信號級聯反應無功能在先和引起時間依賴的Aβ沉積;⑧Watson等研究顯示，作為治療2型糖尿病(T2DM)的胰島素增敏劑羅格列酮〔11～13〕，可激活過氧化物酶體增殖物活化受體(PPAR-γ)和線粒體。從而改善外周和腦內胰島素抵抗，增加Aβ清除、降低Aβ42的水平(對Aβ40無影響)和減少tau蛋白過度磷酸化。增加轉基因AD小鼠的海馬的IDE mRNA，降低血中皮質酮水平。臨床應用羅格列酮(4 mg/d，24 w)治療健忘型輕微認知缺損(MCI)和輕度AD(N=34，對照=17)或胰島素鼻內給藥可以提高非ApoE4攜帶者AD患者的記憶及認知功能(早期AD和健忘型MCI各13例，對照35例)。提示羅格列酮不僅能改善AD患者認知功能，還能降低腦脊液中Aβ的含量。

研究表明，胰島素信號轉導障礙與AD三大病理特征(SP、NFT和腦萎縮)密切相關，也是精神癥狀的生物學基礎。綜合一些學者的研究，由胰島素和IGF-1啟動正常腦老化向病理性腦老化轉化存在非常復雜的過程。這一過程主要涉及ProNGF增加，激活 p75死亡通路和神經酰胺(Ceromide)增加導致Aβ42持續增加，AD腦Cer增加3倍多，它可能是細胞衰老的核心調節分子或第二信使。Cer的產生為年齡依賴方式，伴BACE1、TrKA和p75平行增加。年青動物主要表達TrKA，年老動物主要表達p75，這種表達模式改變是對nSM酶年齡依賴激活的反應，這些僅表達TrKA或p75的細胞系受NGF處理后，表達p75的細胞Cer和APPβ位裂解增加，表達了TrKA的細胞β位裂解和ADIC減少的可能。

2 腦內胰島素與基因表達的調節

胰島素是一種具有調節物質代謝和促進細胞發育和存活的多功能激素，它至少調控150多個靶基因，可分為二大類:一是以降血糖為標志的與代謝有關的快速反應基因，促進葡萄糖利用、轉化和形成短時記憶的相關基因;二是支持細胞存活發揮正常功能的相關基因。前者可能通過胰島素受體底物2(IRS2)，后者可能通過胰島素受體底物1(IRS1);它們分別通過不同亞單位組成的PI3K-Akt信號轉導網絡的信號逐級分化，激活不同的核轉錄因子、蛋白質呈組合式(特定模式的多種蛋白質表達增加/減少同時存在)表達，呈現胰島素固有的生理功能。當血糖升高引起胰島素呈脈沖式分泌時，胰島素信號轉導到靶基因，增加或減少靶基因產物成為正/負反饋產物，調節胰島素及其信號轉導蛋白的表達和活性，使胰島素分泌恢復到靜息狀態。當復雜的胰島素信號轉導通路及靶基因產物的反饋通路存在任何障礙時，完全有可能影響靶細胞的功能和繼之出現胰島素抵抗。但任何功能都需要激活其受體及其信號轉導通路。Hoyer首先提出神經元胰島素受體脫敏在AD發病中起重要作用〔14，15〕。所以根據胰島素在腦內的作用，我們有理由相信SAD廣泛的神經化學改變的始動原因與腦內胰島素及其信號轉導網絡障礙有關。問題是腦內胰島素通過什么機制調控與Aβ42增加有關的基因表達。我們在文獻〔16〕中已表達了腦內胰島素通過表觀遺傳學調節機制與SAD發病有關的表述〔17，18〕，但還需要直接證據。

3 腦內胰島素與SAD發病機制

Aβ42產生和降解有關的基因應該是胰島素的靶基因，它們對胰島素的組合式反應是維持Aβ42正常水平的關鍵性因素。靶基因的甲基移換酶和去甲基酶、組蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶影響靶基因轉錄mRNA，而mRNA又受特定的基因DNA轉錄的miRNA調控，因此一個靶基因的蛋白質表達增加，表示靶基因DNA啟動子低甲基化，組蛋白高乙酰化和低miRNA;反之，則蛋白質表達減少。但這種概括性的理念，對每一個具體的基因應分別對待。首先確認蛋白質表達量的改變，其次觀察靶基因DNA啟動子甲基化、組蛋白乙酰化的程度，最后測定miRNA，以最終確定靶基因蛋白質表達改變的直接原因。雖然胰島素通過表觀遺傳學調節導致的靶基因組合式反應，但仍存在與表觀遺傳學調節相關酶類的非均一性的極大可能性。如使APP、PS和BACE等基因DNA啟動子低甲基化酶，雖然功能相同，但可能具有基因相對特異性。AD腦存在部位和階段特異的不同 miRNA 調節 APP、BACE1、BACE2、APH1A、TAU 等mRNA水平〔16〕。提示胰島素的表觀遺傳學調節復雜性遠超過想像;現在研究胰島素對SAD的表觀遺傳學調節復雜性的深入研究，可能對SAD的發病機制、藥物和非藥物干預提供突破性進展的可能性。

4 結語

綜上，SAD是以Aβ42增加并形成寡聚體為特征，屬于表觀遺傳學疾病的范疇。認知功能是胰島素的依賴，腦內胰島素及其信號轉導網絡在腦內的選擇性分布，顯示與SAD的相關性。但腦內胰島素信號轉導障礙與SAD神經化學改變之間的存在表觀遺傳學調節機理障礙，確切實驗依據有待深入研究，或將有助于對SAD的發病機制和藥物開發取得突破性進展。

1 盛樹力.胰島素與散發性老年性癡呆〔M〕.北京:科學技術文獻出版社，2006:226.

2 Craft S，Watson GS.Insulin and neurodegenerative disease:shared and specific mechanisms〔J〕.Lancet Neurol，2004;3(3):169-78.

3 Gerozissis K.Brain insulin:regulation，mechanisms of action and functions〔J〕.Cell Mol Neurobiol，2003;23(1):1-25.

4 Gasparini L，Xu H.Potential roles of insulin and IGF-1 in Alzheimer's disease〔J〕.Trends Neurosci，2003;26(8):404-6.

5 盛樹力.臨床神經科學前沿〔M〕.北京:北京大學醫學出版社，2003:144.

6 Shalin SC，Egli R，Birnbaum SG，et al.Signal transduction mechanisms in memory disorders〔J〕.Prog Brain Res，2006;157(1):25-41.

7 Renthal W，Nestler EJ.Chromatin regulation in drug addiction and depression〔J〕.Dialogues Clin Neurosci，2009;11(3):257-68.

8 Lahiri DK，Maloney B，Zawia NH.The learn model:an epigenetic explanation for idiopathic neurobiological diseases〔J〕.Mol Psychiatry，2009;14(11):992-1003.

9 Isles AR，Wilkinson LS.Epigenetics:what is it and why is it important to mental disease〔J〕.Bri Med Bull，2008;85(1):35-45.

10 Kneussel M.Dynamic regulation of GABA(A)receptors at synaptic sites〔J〕.Brain Res Rev，2002;39(1):74-83.

11 PedersenWA，Mcmillan PJ，Kulstad JJ，et al.Rosiglitazone attenuates learning and memory deficits in Tg2576 Alzheimer mice〔J〕.Exp Neurol，2006;199(2):265-73.

12 Watson GS，Cholerton BA，Reger MA，et al.Preserved cognition in patients with early Alzheimer disease and amnestic mild cognitive impairment during treatment with rosiglitazone，a preliminary study〔J〕.Am J Geriatr Psychiatry，2005;13(11):950-8.

13 Walker DG，Lue LF，Reid R.Clinic rivastgmine administration reduces bea-amyloid levels in a transgenic mouse model of Alzheimer's disease〔J〕.Alzheimer's Dementia，2008;4(sup 4):T482.

14 Hoyer S.The aging brain changes in the neuronal insulin/insulin receptor signal transduction cascade trigger late-onset sporadic Alzheimer disease(SAD)〔J〕.J Neural Transm，2002;109(7-8):991-1002.

15 Fr?lich L，Blum-Degen D，Bernstein HG，et al.Brain insulin and insulin receptors in aging and sporadic Alzheimer's disease〔J〕.J Neural Transm，1998;105(4-5):423-38.

16 林華型，盛樹力.阿爾茨海默氏發病機制與表觀遺傳學研究進展〔J〕.中國藥理學通報，2010;26(5):421-4.

17 Fontán-Lozano A，Romero-Granados R，Troncoso J，et al.Histone deacetylase inhibitors improve learning consolidation in young and in KA-induced-neurodegeneration and SAMP-8-mutant mice〔J〕.Mol Cell Neurosci，2008;39(2):193-201.

18 Cao X，Südhof TC.A transcriptionally(correction of transcriptively)active complex of APPwith Fe65 and histone acetyltransferase Tip60〔J〕.Science，2001;293(5527):115-20.