葡萄糖轉運蛋白1在阿爾茨海默病中的作用研究進展

李衛萍+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，其發病率呈逐年增長趨勢，目前發病機制尚未完全闡明，亦無有效的預防及治療措施。葡萄糖轉運蛋白1（GLUT1）是主要在血腦屏障內皮細胞表達的葡萄糖轉運體，介導血液葡萄糖順濃度梯度跨血腦屏障轉運至腦組織，為腦組織細胞提供代謝所需能量。研究表明，GLUT1在AD患者血腦屏障內皮細胞表達減少，可能與AD發病機制及病理損害有關，筆者通過查閱近年來相關研究文獻，系統總結了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AD病理過程中的作用研究進展，以期為進一步探索GLUT1在AD中的確切作用機制實驗研究提供參考。

[關鍵詞] 阿爾茨海默病；葡萄糖轉運蛋白1；β淀粉樣蛋白；Tau蛋白磷酸化

[中圖分類號] R742 [文獻標識碼] 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系統變性疾病，占老年癡呆的60%～80%，臨床上以進行性認知和記憶功能障礙為主要表現。AD病理特征主要表現為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纖維纏結、神經元減少、腦內皮質小動脈淀粉樣變性（cerebral amyloid angiopathy，CAA）等[1]。隨著世界人口老齡化程度的逐步加劇，AD患病人數正以每20年增加一倍的速率增長[2]，預計到2050年全球將有AD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6.25‰[4]，其中65歲以上人群中AD患病率為3.21%[5]。AD發病機制復雜，雖然相繼提出了Aβ級聯學說、衰老與氧化應激學說、Tau蛋白過度磷酸化學說、神經遞質通道學說、膽堿能系統障礙等發病機制假說[6]，但AD確切發病機制仍未完全闡明，目前尚無治療或阻止AD病情進展的有效方法[7]，使全世界AD防治面臨嚴峻挑戰。因此，盡早明確AD病因和發病機制，尋求安全有效的治療途徑成為AD研究領域的當務之急。

葡萄糖轉運蛋白（glucose transpoter，GLUT）1是在人體內廣泛分布的葡萄糖轉運體，無組織特異性，主要在血腦屏障內皮細胞表達，參與將葡萄糖從血液跨血腦屏障轉運至腦內[8]。2015年美國南加州大學的研究人員發現小鼠血腦屏障中GLUT1的缺失可能與AD神經元變性有關[9]，隨后國內外一系列研究發現，GLUT1在AD發病機制中具有重要作用，本文對近年來GLUT1在AD發病機制中的作用研究進展進行綜述，以期為AD研究人員提供參考。

1 GLUT1基本結構與功能

GLUT在人體細胞內分布廣泛，介導葡萄糖順濃度梯度進入胞漿內，為組織細胞提供代謝所需能量。目前已經證實人體內有13種GLUT，GLUT1是葡萄糖轉運家族中的重要成員。1977年Michihiro等首次從人類紅細胞中分離出GLUT1，因其是最早發現的GLUT，故命名為GLUT1，GLUT1是一種由492個氨基酸序列組成的跨膜蛋白，包含12個跨膜片段，由SLC2A1基因編碼，基于轉錄后修飾的不同，可分為45ku和55ku兩種亞型，55kD主要位于腦血管內皮細胞，45kD則主要位于室管膜和脈絡膜上皮細胞以及部分星形膠質細胞[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的結晶三維結構），該構象與之前預測的蛋白構象相似，也包含了十二個跨膜螺旋，這些螺旋包括N端和C端兩個結構域，每個結構域內的六個連續跨膜螺旋折疊成一對“3+3”的反向重復[12]。基于上述GLUT1結晶三維結構的研究，利用該結構精確定位到與AD患者疾病相關的突變氨基酸，這將為進一步研究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揮重要作用。GLUT1缺乏與缺血性腦病的發生、發展關系密切[13]；GLUT1缺乏引起組織對葡萄糖利用障礙，導致血糖濃度異常升高。GLUT1出現異常表達時將引起機體內紅細胞功能缺陷，使組織缺氧[14]。GLUT1在腫瘤的能量代謝中起至關重要的作用，癌細胞生長需要葡萄糖氧化供能，而葡萄糖轉運需要GLUT1介導，Chen等[15]發現，利用缺氧誘導抑制因子抑制GLUT1轉錄可抑制人結腸癌。因此，通過調控GLUT1水平或可達到治療相關疾病的目的。

2 GLUT1在AD發病機制中的作用

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皮細胞上的GLUT1[16-18]，并與其含量密切相關[19]。疾病條件下GLUT1表達受到干擾，影響葡萄糖跨血腦屏障轉運，葡萄糖供能不足導致細胞代謝紊亂，從而引起的一系列病理改變。文獻報道癲癇、運動功能障礙和認知障礙患者腦內GLUT1明顯減少[20]。Winkler等[9]研究發現，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的檢測結果發現，AD患者皮質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的發生、發展關系密切。

2.2 GLUT1缺乏影響血腦屏障的完整性

GLUT1參與維持體內血腦屏障完整性，是血腦屏障發育成熟的重要指標[23]。血腦屏障由微血管內皮細胞、基板、周細胞、星型膠質細胞端腳等組成，是維護腦內環境穩態的重要功能單位。疾病狀態下血腦屏障受損時腦內離子失衡，神經元退化及免疫環境破壞，內源性及外源性毒物進入細胞內，造成腦細胞損傷。血腦屏障中GLUT1減少，可引起血管通透性增加，出現血管源性腦水腫[24]，水腫的腦組織對周圍組織產生壓迫，腦組織血流量和氧供進一步減少，從而促進神經元凋亡，這是AD重要病理特征之一。Winkler等[9]通過對arcAβ轉基因小鼠研究發現，小鼠血腦屏障中GLUT1表達量減少，導致血腦屏障中葡萄糖轉運減少，腦內糖代謝和血腦屏障功能障礙。此外，血腦屏障在清除腦內可溶性Aβ過程中也發揮著重要作用[25]。一方面，AD病理相關物質的轉運與代謝依賴于血腦屏障，另一方面，當腦組織缺血時腫瘤壞死因子-α，白細胞介素-1等導致血腦屏障損傷，使其通透性增加，Aβ進入腦內增加，引發或加重AD病理變化[26]。

2.3 GLUT1減少導致Aβ清除障礙

在正常情況下，Aβ的產生、降解和清除處于動態平衡狀態，在各種因素的作用下，調控Aβ生成相關基因突變會導致Aβ降解或清除障礙，腦內Aβ異常沉積形成老年斑。在對家族性和散發性AD患者腦內Aβ水平檢測時發現，患者體內Aβ含量較高，與此同時其產生并未增加，提示腦內Aβ沉積主要是因為清除異常導致[27-29]。血腦屏障是腦內Aβ清除的重要途徑，為了驗證血腦屏障上GLUT1與Aβ清除是否有關，Winkler等[9]通過測定GLUT1缺乏的SLC2a1+/-APPSW/0轉基因小鼠皮質和海馬區Aβ40和Aβ42的含量，結果顯示，皮質區、海馬區Aβ40和Aβ42含量顯著增加，GLUT1缺乏加速了小鼠腦內Aβ沉積。進一步研究還發現，GLUT1缺乏導致Aβ沉積可能與低密度脂蛋白受體（low-density lipoprotein receptor-related protein，LRP1）有關，LRP可結合載脂蛋白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]可導致腦內Aβ經BBB轉運清除減少，同時導致腦內Aβ通過細胞內吞作用清除減少[31]，最終引起Aβ清除障礙、促進腦組織Aβ異常沉積。

2.4 GLUT1減少與Tau蛋白過度磷酸化關系

GLUT1減少導致腦內葡萄糖代謝障礙，進而通過下調O-GlcNAc糖基化導致Tau蛋白過度磷酸化，最終引起神經纖維變性。O-GlcNAc糖基化可使β-N-乙酰葡萄糖胺（β-N-acetyl glucosmine，GlcNAc）經O-GlcNAc糖基化轉移酶作用以O-糖苷鍵連接到肽鏈上，大腦Tau蛋白磷酸化與O-GlcNAc糖基化可彼此協調。Tau蛋白在Thr181、Thr205、Thr217、Thr231、Ser199、Ser422、Ser202、Ser262、Ser404、Ser396位點出現過度磷酸化[32]。進一步研究發現，GLUT1與Tau蛋白過度磷酸化之間存在負性相關性[33]。Deng等[34]研究發現，Tau蛋白在Ser199、Ser396和Ser404等位點過度磷酸化導致Tau蛋白結合微小管的生物學活性。Tau蛋白生物學活性的降低導致Tau蛋白異常聚集形成神經纖維纏結。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，導致Tau蛋白過度磷酸化。

3 展望

AD是多種原因引起的神經系統變性疾病，因其發病機制尚不清楚，目前暫無控制AD發生、發展的有效藥物，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系，GLUT1蛋白在AD的發病過程中具有十分重要的意義，有望成為AD潛在治療靶點，但GLUT1在AD發病機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）