不同形態腦源性神經營養因子與阿爾茨海默病關系研究進展

許曼玉 綜述，許志強 審校

(陸軍軍醫大學第三附屬醫院(野戰外科研究所)神經內科，重慶 400042)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)是中樞神經系統的進行性退行性變性疾病。AD的特點是認知功能下降，包括進行性遠、近記憶力障礙，分析判斷能力下降、日常生活能力下降、精神情緒改變、行為障礙、意識混亂模糊等。典型的AD患者大腦的神經病理學變化主要包括：Tau蛋白過度磷酸化形成神經纖維纏結，β淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)沉積形成老年斑。研究表明，腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)及其前體即腦源性神經營養因子前體(brain-derived neurotrophic factor precursor，proBDNF)在中樞神經系統退行性疾病起重要作用，尤其是AD。近年來腦源性神經營養因子前肽(BDNF propeptide，pBDNF)已顯示出與proBDNF具有相似的功能，在AD的發生和發展中起著重要作用。本文主要總結BDNF、proBDNF及pBDNF的表達、功能及其在AD發病中的作用。

1 BDNF、proBDNF及pBDNF的表達

BDNF首先被合成前體物質proBDNF，后被纖溶酶和基質金屬蛋白酶(MMPs)裂解，MMPs包括MMP3、MMP7、MMP9等。proBDNF也能在細胞內被激素原轉化酶和弗林蛋白酶(Furin)裂解，以釋放出成熟的BDNF(mBDNF)和BDNF前肽段(pBDNF)。

在內質網合成proBDNF后，神經元主要以誘導型分泌方式將含有proBDNF的囊泡轉運至樹突或軸突末端，分別通過L型和N型鈣離子(Ca2+)通道調節釋放。proBDNF集中存儲在海馬神經元突觸前末端的致密中心囊泡中，并通過突觸活動釋放。BDNF被順行性運輸通過海馬CA3區到達CA1區、基底前腦、杏仁核，這些部位都是AD患者大腦中發生神經元纖維退行變性的區域。proBDNF與BDNF廣泛存在于中樞神經系統內，包括海馬、下丘腦、灰質后角表層、三叉神經核、孤束核、杏仁復合體等神經末梢處，同時他們也存在于一些周圍神經組織內。

pBDNF與BDNF及proBDNF一樣，在興奮性突觸前的致密中心囊泡中儲存與運輸，離體海馬神經元中發現，pBDNF也以誘導型方式分泌。研究表明，晚期胚胎與出生后早期小鼠體內pBDNF水平微乎其微，出生5 d后，小鼠腦內可以檢測到pBDNF的存在。小鼠1月齡左右時，pBDNF水平急劇增加，在成年期(3～9月齡)pBDNF進入平臺期不再產生明顯變化[1]。proBDNF在生長期腦內水平較高，成年期腦內則是mBDNF與pBDNF含量更加豐富，甚至在成年人腦內pBDNF水平是proBDNF的10余倍[2-4]。

2 BDNF、proBDNF及pBDNF的作用

2.1BDNF的作用 在神經元內，BDNF主要與酪氨酸蛋白激酶受體B(tyrosine kinase receptor B，TrkB)結合，激活細胞內信號通路，包括有絲分裂蛋白激活酶(Ras/mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路、磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI-3-K/AKT)信號通路、磷脂酶C(phospholipase C，PLC)信號通路，產生下游信號影響神經元。TrkB是一種參與細胞再生、存活和N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptors，NMDARs)NMDA的磷酸化的特異性高親和力受體。當BDNF與TrkB結合時，它促進細胞增殖、分化和存活，并有助于增加多種神經元的興奮性，BDNF也促進突觸形成、突觸傳遞。大腦中BDNF的合成對突觸可塑性有獨特作用，突觸通路的使用或不使用會導致神經元之間連接加強或減弱，從而導致軸突和樹突棘的突觸增加或減少。長時程增強作用(long-term potentiation，LTP)是影響突觸連接的重要因素，BDNF對此起關鍵作用。

LTP是一種持久的增強現象，發生在兩個神經元信號傳輸中。LTP是廣泛認可的與學習記憶關聯的突觸可塑性的最佳模型，也是陳述性記憶的形成機制。研究證明，當BDNF水平緩慢升高，TrkB信號通路持續激活時，可導致LTP升高，神經突觸活動及學習記憶過程加強[5]。相反，誘導發生LTP的興奮刺激也可促進BDNF基因的表達，空間記憶引發的刺激也可促進BDNF基因的表達，進而再次促進LTP并形成良性循環。除此之外，BDNF還和晚期時相型長時程增強(late phase long term potentiation，L-LTP)有著特殊的關系。例如，L-LTP可以誘導強θ波，促進皮層和海馬神經元中BDNF的合成與釋放。BDNF減少會抑制L-LTP，BDNF水平的增加是維持L-LTP所必需的。

作為離子型谷氨酸受體，NMDAR在突觸傳遞和突觸可塑性的調節中起重要作用，特別是對于LTP，一種可能的學習和記憶機制。NMDA受體分子由兩個GluN1亞基和兩個GluN2亞基或GluN3亞基組成，TrkB能夠通過調節GluN2B亞單位的磷酸化來調節NMDA功能，正常的BDNF mRNA水平的調控也通過膽堿能神經的支配和NMDA受體完成。BDNF基因表達和cAMP應答元件結合蛋白(CREB)的活動由Ca2+通過突觸NMDA受體誘導發生。相反，Ca2+穿過突觸外NMDA受體，誘發谷氨酸釋放或者缺氧/缺血狀態，導致占優勢地位的CREB通路關閉，阻礙BDNF表達。由此可見，BDNF、TrkB受體、NMDA受體三者相互作用、相互影響，共同促進學習記憶能力，它們在神經元的保護及神經元突觸可塑性的調節中起重要作用。

2.2proBDNF的作用 proBDNF主要通過與p75神經營養因子受體(p75 neurotrophin receptor，p75NTR)[6]和Sortilin受體復合物[7]結合介導細胞凋亡。Sortilin在前體神經生長因子誘導的神經細胞凋亡過程中有重要作用，當缺失p75NTR或者Sortilin的時候，凋亡過程被阻滯。這表明proBDNF是通過與Sortilin/p75NTR復合受體作用，從而引起神經元凋亡。p75NTR是屬于腫瘤壞死因子家族的非特異性低親和力受體，參與細胞凋亡，它介導AD的多種病理過程，例如Aβ神經毒性和老年斑產生、沉積和清除。proBDNF的作用與BDNF相反，它通過p75NTR信號通路誘發細胞凋亡。proBDNF具有神經毒性作用：抑制神經細胞生存、突觸結構瓦解，加速感覺神經元凋亡，減緩小腦顆粒細胞遷移，抑制感覺神經元和運動神經元神經突觸生長，在神經元的生長分化過程中，它影響特定區域的選擇性凋亡。proBDNF可通過p75NTR，促進長時程抑制(1ong term depression，LTD)，或裂解為mBDNF促進L-LTP。細胞膜上NMDA的亞基NR2B參與proBDNF誘導LTD，當NMDA的NR2B亞基活性被特異性抑制時，LTD被阻斷。也有研究表明proBDNF可能誘導LTP，起雙相調節作用。proBDNF可通過減少絲狀偽足的數量及縮短長度來改變生長錐形態和運動。proBDNF還通過與p75NTR結合來促進不活躍的末端回縮，而mBDNF與TrkB結合，促進活躍末端的穩定存在，其在神經元突觸連接中起重要作用。新生小鼠小腦顆粒細胞遷移定位中，proBDNF與p75NTR一起抑制新生細胞遷移，mBDNF可促進遷移[8]。proBDNF的以上作用可被其前結構域抗體中和。

2.3pBDNF的作用 既往認為，pBDNF只作為一種分子伴侶參與BDNF蛋白的正確折疊，近年研究表明pBDNF本身具有重要作用。YANG等[9]發現，pBDNF在C6神經膠質瘤細胞中表達，pBDNF抑制C6細胞增殖，促進C6細胞凋亡。ANASTASIA等[1]研究表明，當人類BDNF基因存在單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism，SNP)時，原本第66號密碼子上的纈氨酸(valine)可被置換為蛋氨酸(methionine)，Met-pBDNF能夠快速改變神經元的形態，并作為配體誘導神經元生長錐收縮與破壞，Val-pBDNF對生長錐沒有明顯作用。同時還發現p75NTR是觸發pBDNF信號所必需的受體，但pBDNF僅與SorCS2受體結合，在生理情況下，p75NTR與SorCS2復合物是存在的。由此猜測，Met-pBDNF/SorCS2復合物以某種方式激活p75NTR，誘導生長錐收縮。ANASTASIA等[1]同時還發現，Val-pBDNF能夠促進海馬LTD，Met-pBDNF則抑制海馬LTD。Val-pBDNF與NMDA結合，促進GluA2亞單位的內化從而促進LTD，并且pBDNF成功占用NMDA受體，防止它再與其他配體結合。這說明Val-pBDNF是NMDA受體的上游信號分子并調控神經元可塑性。GUO等[10]證明Val-pBDNF通過線粒體通路與caspase-3途徑減少海馬神經元樹突棘密度，并再次證明pBDNF雖未與p75NTR直接結合，但p75NTR是pBDNF負調節中不可缺少的成員。以上研究結果表明，生理情況下，成年期腦內pBDNF含量多于proBDNF，而且具有與proBDNF相似的凋亡作用。

3 BDNF、proBDNF及pBDNF與AD的聯系

3.1BDNF在AD發生、發展中的作用 多項研究證實，BDNF mRNA與蛋白在AD患者腦內含量明顯低于健康人，即使在輕度認知功能障礙階段，BDNF水平也會降低，并與認知水平呈正相關。AD患者腦內的TrkB受體mRNA與蛋白也被發現有不同程度降低。

研究表明，Aβ能夠抑制proBDNF的蛋白水解過程，影響突觸間信號的傳遞，從而減少BDNF產生。除此之外，由于AD患者大腦內乙酰膽堿神經元功能受損和Aβ積聚，導致氧化應激反應和炎癥，氧化應激通過細胞內鈣的升高直接損害神經元。小神經膠質細胞被激活產生炎癥，炎性細胞因子可以阻斷BDNF的產生[11]。Aβ可以損傷軸突運輸、突觸功能、直接下調BDNF表達及合成等[12]，這些都與BDNF的生成、分泌、運輸有關，因此在AD患者腦內可以明顯發現BDNF水平下降，與Aβ的毒性作用密切相關。同時，發現Aβ促進縮短型TrkB受體mRNA的產生并促進全長TrkB受體的分解[13]，阻礙BDNF/TrkB多種下游信號通路，因此Aβ能夠在多個方面損害BDNF與TrkB，導致AD患者腦內BDNF水平下降。相反，BDNF能夠改善Aβ引起的神經損傷，例如突觸密度下降、突觸營養不良，神經元固縮和海馬萎縮。AD患者腦中的Aβ沉積是導致BDNF減少的關鍵因素，腦內高水平BDNF可以減緩認知功能下降速度和AD的病變進展[14]。

Tau是一種微管相關蛋白，具有很高的含磷量，高表達于中樞神經系統的神經元中，并參與神經元可塑性和神經網絡形成。高度磷酸化的Tau蛋白是AD患者的標志性神經病理學改變，Tau蛋白結構和功能變化導致軸突長度和功能變化，促進AD患者神經元的退化，損傷患者的認知記憶功能。過量或者發生病理改變的Tau蛋白能夠抑制BDNF產生，不需要Tau蛋白發生基因突變或者形成神經纖維纏結(neurofibrillary tangle,NFT)，就能產生神經毒性[15-16]。實驗證明BDNF可以迅速降低Tau蛋白磷酸化，Trk抑制劑可以破壞去磷酸化過程，表明BDNF和TrkB可使Tau蛋白去磷酸化。可以看出，低水平的BDNF和Tau蛋白過度磷酸化與AD病理變化密切相關。

BDNF Val66Met基因多態性與多種神經精神疾病相關，并且還與AD相關。Met等位基因攜帶者具有較低的認知功能并影響細胞中BDNF的轉運和分泌。影像學研究顯示，Met等位基因攜帶者且ApoEε4攜帶者在腦中的Aβ沉積比普通人更多[17]。Met等位基因可作用于散發性AD患者和常染色體顯性遺傳性AD患者，影響突觸興奮性、神經元完整性，減少Aβ相關記憶功能，海馬萎縮，海馬葡萄糖代謝減少，腦脊液中Tau蛋白和磷酸化Tau蛋白增加[18]。Met基因攜帶者與普通個體相比，腦容量下降，顳葉結構變薄，這與AD患者情況相似[6]。

3.2proBDNF在AD發生、發展中的作用 多項研究表明，不僅AD患者，同時在精神分裂癥、重度抑郁癥[19]、雙相情感障礙、長期慢性壓力[20]等患者外周血或腦脊液中，都有不同程度的BDNF水平降低，proBDNF水平升高。這不僅反映proBDNF調控神經細胞凋亡和功能障礙，還反映了不同形式BDNF在神經精神疾病發病機制中的比例關系。筆者前期研究發現，proBDNF抑制新生顆粒細胞遷移；proBDNF抑制海馬齒狀回神經元的形成，損傷小鼠的學習記憶能力[21]；proBDNF能與p75NTR結合，抑制神經元軸突生長，加重小鼠腦內Aβ沉積，加重小鼠學習記憶能力的損傷[22]。加入p75NTR抗體后，發現Aβ的產生與沉積減少，這與阻礙proBDNF的作用相關。生物體內p75NTR可被腫瘤壞死因子α轉化酶作用后，從細胞表面釋放胞外段(p75ECD)。p75NTR在AD中具有兩面性。一方面p75NTR調控Aβ的產生與神經毒性。另一方面，p75ECD作為生理性保護因子對抗Aβ的產生、沉積、神經毒性。AD患者及AD轉基因鼠的大腦中p75NTR含量增高，p75ECD下降，從而腦脊液中p75ECD水平也顯著下降。外源性Val-proBDNF能調節突觸可塑性，抑制LTP，促進LTD，然而Met-proBDNF對LTP和LTD均無作用，也不增強突觸的削弱信號，因此它在老年個體中起著保護因子的作用[23]。

3.3pBDNF在AD發生、發展中的作用 研究表明，pBDNF在重度抑郁癥、精神分裂癥、雙相情感障礙患者的頂葉皮層及肝臟內水平明顯上升，在小腦與脾臟的水平顯著降低，表明pBDNF在精神疾病的病理發展中起重要作用[24]。在AD患者的海馬標本中，pBDNF水平是健康人的16倍，而pBDNF/BDNF比值是健康人的30倍；Aβ1～42寡聚體蛋白可導致人類神經母細胞瘤細胞凋亡，凋亡率為20%～30%，當同時加入Met66 pBDNF時，細胞死亡率明顯提高，但單獨加入Met66 pBDNF時對細胞生存率無顯著影響。這說明Met pBDNF與Aβ1-42寡聚體蛋白具有協同毒性作用[25]。由此可見，pBDNF在AD的發生、發展過程中，不僅本身具有神經毒性作用，而且能夠與Aβ一起發揮協同毒性作用，加重AD患者神經元損傷，加速患者認知功能下降，導致AD患者病情持續惡化。

4 小 結

3種不同形式的腦源性神經營養因子：BDNF、proBDNF、pBDNF三者平衡失調在AD甚至其他神經退行性疾病中各自起著不同且不可或缺的作用；BDNF作為保護性分子，不僅有利于神經元的生長，還能起到延緩AD病情進展的作用。而proBDNF與pBDNF，能夠明顯促進神經元凋亡與抑制細胞生長，但他們在AD患者病情中起到的準確作用有待于更深層次的研究。