葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1在阿爾茨海默病中的作用研究進(jìn)展

李衛(wèi)萍+張磊+申艷方+杜菊梅

[摘要] 阿爾茨海默病（AD）是老年人最常見的癡呆類型，其發(fā)病率呈逐年增長趨勢，目前發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，亦無有效的預(yù)防及治療措施。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLUT1）是主要在血腦屏障內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，介導(dǎo)血液葡萄糖順濃度梯度跨血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)至腦組織，為腦組織細(xì)胞提供代謝所需能量。研究表明，GLUT1在AD患者血腦屏障內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)減少，可能與AD發(fā)病機(jī)制及病理損害有關(guān)，筆者通過查閱近年來相關(guān)研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)總結(jié)了GLUT1在血腦屏障完整性破壞、Aβ清除障礙、Tau蛋白過度磷酸化等多個(gè)AD病理過程中的作用研究進(jìn)展，以期為進(jìn)一步探索GLUT1在AD中的確切作用機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

[關(guān)鍵詞] 阿爾茨海默病；葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1；β淀粉樣蛋白；Tau蛋白磷酸化

[中圖分類號] R742 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）05（b）-0036-04

[Abstract] Alzheimers disease （AD） is the most common type of dementia in the elderly. The incidence of Alzheimers disease is increasing year by year. At present， the pathogenesis of Alzheimers disease has not been fully elucidated and there is no effective preventive and therapeutic measures. Glucose transporter 1 （GLUT1） is a glucose transporter expressed mainly in the blood-brain barrier endothelial cells， which transports blood glucose to the brain tissue along the blood-brain barrier and provides energy for metabolism of brain cells. It is concluded that the expression of GLUT1 in the blood-brain barrier endothelial cells of AD patients is decreased， which may be related to the pathogenesis and pathological damage of AD. GLUT1 play a important role in the damage of blood-brain barrier integrity， amyloid β-peptide （Aβ） clearance and phosphorylation of tau. By reviewing relevant literatures in recent years， we hope to explore the GLUT1 in AD to provide a reference.

[Key words] Alzheimers disease； Glucose transporter 1； β-amyloid protein； Phosphorylation of Tau

阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）是老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，占老年癡呆的60%～80%，臨床上以進(jìn)行性認(rèn)知和記憶功能障礙為主要表現(xiàn)。AD病理特征主要表現(xiàn)為β淀粉樣蛋白異常沉積（β-amyloid，Aβ）形成老年斑、Tau蛋白過度磷酸化形成神經(jīng)纖維纏結(jié)、神經(jīng)元減少、腦內(nèi)皮質(zhì)小動(dòng)脈淀粉樣變性（cerebral amyloid angiopathy，CAA）等[1]。隨著世界人口老齡化程度的逐步加劇，AD患病人數(shù)正以每20年增加一倍的速率增長[2]，預(yù)計(jì)到2050年全球?qū)⒂蠥D患者115 400萬[3]。截至2010年中國AD患者已增至569萬，患病率高達(dá)6.25‰[4]，其中65歲以上人群中AD患病率為3.21%[5]。AD發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，雖然相繼提出了Aβ級聯(lián)學(xué)說、衰老與氧化應(yīng)激學(xué)說、Tau蛋白過度磷酸化學(xué)說、神經(jīng)遞質(zhì)通道學(xué)說、膽堿能系統(tǒng)障礙等發(fā)病機(jī)制假說[6]，但AD確切發(fā)病機(jī)制仍未完全闡明，目前尚無治療或阻止AD病情進(jìn)展的有效方法[7]，使全世界AD防治面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，盡早明確AD病因和發(fā)病機(jī)制，尋求安全有效的治療途徑成為AD研究領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose transpoter，GLUT）1是在人體內(nèi)廣泛分布的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，無組織特異性，主要在血腦屏障內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)，參與將葡萄糖從血液跨血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)至腦內(nèi)[8]。2015年美國南加州大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)小鼠血腦屏障中GLUT1的缺失可能與AD神經(jīng)元變性有關(guān)[9]，隨后國內(nèi)外一系列研究發(fā)現(xiàn)，GLUT1在AD發(fā)病機(jī)制中具有重要作用，本文對近年來GLUT1在AD發(fā)病機(jī)制中的作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為AD研究人員提供參考。

1 GLUT1基本結(jié)構(gòu)與功能

GLUT在人體細(xì)胞內(nèi)分布廣泛，介導(dǎo)葡萄糖順濃度梯度進(jìn)入胞漿內(nèi)，為組織細(xì)胞提供代謝所需能量。目前已經(jīng)證實(shí)人體內(nèi)有13種GLUT，GLUT1是葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)家族中的重要成員。1977年Michihiro等首次從人類紅細(xì)胞中分離出GLUT1，因其是最早發(fā)現(xiàn)的GLUT，故命名為GLUT1，GLUT1是一種由492個(gè)氨基酸序列組成的跨膜蛋白，包含12個(gè)跨膜片段，由SLC2A1基因編碼，基于轉(zhuǎn)錄后修飾的不同，可分為45ku和55ku兩種亞型，55kD主要位于腦血管內(nèi)皮細(xì)胞，45kD則主要位于室管膜和脈絡(luò)膜上皮細(xì)胞以及部分星形膠質(zhì)細(xì)胞[10-11]。2014年顏寧教授課題組成功研究出人類GLUT1全原子模型（GLUT1的結(jié)晶三維結(jié)構(gòu)），該構(gòu)象與之前預(yù)測的蛋白構(gòu)象相似，也包含了十二個(gè)跨膜螺旋，這些螺旋包括N端和C端兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，每個(gè)結(jié)構(gòu)域內(nèi)的六個(gè)連續(xù)跨膜螺旋折疊成一對“3+3”的反向重復(fù)[12]。基于上述GLUT1結(jié)晶三維結(jié)構(gòu)的研究，利用該結(jié)構(gòu)精確定位到與AD患者疾病相關(guān)的突變氨基酸，這將為進(jìn)一步研究GLUT1靶向治療藥物提供新思路。

GLUT1對于維持人體的正常生理功能發(fā)揮重要作用。GLUT1缺乏與缺血性腦病的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切[13]；GLUT1缺乏引起組織對葡萄糖利用障礙，導(dǎo)致血糖濃度異常升高。GLUT1出現(xiàn)異常表達(dá)時(shí)將引起機(jī)體內(nèi)紅細(xì)胞功能缺陷，使組織缺氧[14]。GLUT1在腫瘤的能量代謝中起至關(guān)重要的作用，癌細(xì)胞生長需要葡萄糖氧化供能，而葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)需要GLUT1介導(dǎo)，Chen等[15]發(fā)現(xiàn)，利用缺氧誘導(dǎo)抑制因子抑制GLUT1轉(zhuǎn)錄可抑制人結(jié)腸癌。因此，通過調(diào)控GLUT1水平或可達(dá)到治療相關(guān)疾病的目的。

2 GLUT1在AD發(fā)病機(jī)制中的作用

2.1 GLUT1在AD中減少

由于正常腦組織糖原儲備較少（0.1%），葡萄糖氧化供能這一腦組織能量來源途徑就顯得尤為重要。大腦攝取葡萄糖能力依賴于微血管內(nèi)皮細(xì)胞上的GLUT1[16-18]，并與其含量密切相關(guān)[19]。疾病條件下GLUT1表達(dá)受到干擾，影響葡萄糖跨血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)，葡萄糖供能不足導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂，從而引起的一系列病理改變。文獻(xiàn)報(bào)道癲癇、運(yùn)動(dòng)功能障礙和認(rèn)知障礙患者腦內(nèi)GLUT1明顯減少[20]。Winkler等[9]研究發(fā)現(xiàn)，GLUT1的缺失會引起小鼠大腦中葡萄糖攝入的減少，行為缺失，神經(jīng)異常以及β淀粉樣蛋白的增加等。18F-脫氧葡萄糖（18F-FDG）PET的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AD患者皮質(zhì)局部葡萄糖攝取減少[21-22]。由此可見血腦屏障中GLUT1的缺失與AD的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切。

2.2 GLUT1缺乏影響血腦屏障的完整性

GLUT1參與維持體內(nèi)血腦屏障完整性，是血腦屏障發(fā)育成熟的重要指標(biāo)[23]。血腦屏障由微血管內(nèi)皮細(xì)胞、基板、周細(xì)胞、星型膠質(zhì)細(xì)胞端腳等組成，是維護(hù)腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要功能單位。疾病狀態(tài)下血腦屏障受損時(shí)腦內(nèi)離子失衡，神經(jīng)元退化及免疫環(huán)境破壞，內(nèi)源性及外源性毒物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，造成腦細(xì)胞損傷。血腦屏障中GLUT1減少，可引起血管通透性增加，出現(xiàn)血管源性腦水腫[24]，水腫的腦組織對周圍組織產(chǎn)生壓迫，腦組織血流量和氧供進(jìn)一步減少，從而促進(jìn)神經(jīng)元凋亡，這是AD重要病理特征之一。Winkler等[9]通過對arcAβ轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，小鼠血腦屏障中GLUT1表達(dá)量減少，導(dǎo)致血腦屏障中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)減少，腦內(nèi)糖代謝和血腦屏障功能障礙。此外，血腦屏障在清除腦內(nèi)可溶性Aβ過程中也發(fā)揮著重要作用[25]。一方面，AD病理相關(guān)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝依賴于血腦屏障，另一方面，當(dāng)腦組織缺血時(shí)腫瘤壞死因子-α，白細(xì)胞介素-1等導(dǎo)致血腦屏障損傷，使其通透性增加，Aβ進(jìn)入腦內(nèi)增加，引發(fā)或加重AD病理變化[26]。

2.3 GLUT1減少導(dǎo)致Aβ清除障礙

在正常情況下，Aβ的產(chǎn)生、降解和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，在各種因素的作用下，調(diào)控Aβ生成相關(guān)基因突變會導(dǎo)致Aβ降解或清除障礙，腦內(nèi)Aβ異常沉積形成老年斑。在對家族性和散發(fā)性AD患者腦內(nèi)Aβ水平檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，患者體內(nèi)Aβ含量較高，與此同時(shí)其產(chǎn)生并未增加，提示腦內(nèi)Aβ沉積主要是因?yàn)榍宄惓?dǎo)致[27-29]。血腦屏障是腦內(nèi)Aβ清除的重要途徑，為了驗(yàn)證血腦屏障上GLUT1與Aβ清除是否有關(guān)，Winkler等[9]通過測定GLUT1缺乏的SLC2a1+/-APPSW/0轉(zhuǎn)基因小鼠皮質(zhì)和海馬區(qū)Aβ40和Aβ42的含量，結(jié)果顯示，皮質(zhì)區(qū)、海馬區(qū)Aβ40和Aβ42含量顯著增加，GLUT1缺乏加速了小鼠腦內(nèi)Aβ沉積。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，GLUT1缺乏導(dǎo)致Aβ沉積可能與低密度脂蛋白受體（low-density lipoprotein receptor-related protein，LRP1）有關(guān)，LRP可結(jié)合載脂蛋白E（apolipoproteinE，ApoE）、α2巨球蛋白（α2-macroglobulin，α2M）和APP等多種配體，L1RP1降低引起GLUT1減少[30]可導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ經(jīng)BBB轉(zhuǎn)運(yùn)清除減少，同時(shí)導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ通過細(xì)胞內(nèi)吞作用清除減少[31]，最終引起Aβ清除障礙、促進(jìn)腦組織Aβ異常沉積。

2.4 GLUT1減少與Tau蛋白過度磷酸化關(guān)系

GLUT1減少導(dǎo)致腦內(nèi)葡萄糖代謝障礙，進(jìn)而通過下調(diào)O-GlcNAc糖基化導(dǎo)致Tau蛋白過度磷酸化，最終引起神經(jīng)纖維變性。O-GlcNAc糖基化可使β-N-乙酰葡萄糖胺（β-N-acetyl glucosmine，GlcNAc）經(jīng)O-GlcNAc糖基化轉(zhuǎn)移酶作用以O(shè)-糖苷鍵連接到肽鏈上，大腦Tau蛋白磷酸化與O-GlcNAc糖基化可彼此協(xié)調(diào)。Tau蛋白在Thr181、Thr205、Thr217、Thr231、Ser199、Ser422、Ser202、Ser262、Ser404、Ser396位點(diǎn)出現(xiàn)過度磷酸化[32]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GLUT1與Tau蛋白過度磷酸化之間存在負(fù)性相關(guān)性[33]。Deng等[34]研究發(fā)現(xiàn)，Tau蛋白在Ser199、Ser396和Ser404等位點(diǎn)過度磷酸化導(dǎo)致Tau蛋白結(jié)合微小管的生物學(xué)活性。Tau蛋白生物學(xué)活性的降低導(dǎo)致Tau蛋白異常聚集形成神經(jīng)纖維纏結(jié)。上述研究表明，大腦GLUT1減少可引起Tau蛋白O-GlcNAc糖基化水平降低，導(dǎo)致Tau蛋白過度磷酸化。

3 展望

AD是多種原因引起的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，因其發(fā)病機(jī)制尚不清楚，目前暫無控制AD發(fā)生、發(fā)展的有效藥物，研究AD靶向治療藥物尤其重要。GLUT1減少可引起血腦屏障功能障礙，Aβ清除障礙，并與Tau蛋白過度磷酸化也有一定關(guān)系，GLUT1蛋白在AD的發(fā)病過程中具有十分重要的意義，有望成為AD潛在治療靶點(diǎn)，但GLUT1在AD發(fā)病機(jī)制中的作用還有待深入研究。

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（收稿日期：2016-12-15 本文編輯：李亞聰）