長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與阿爾茨海默病

郝夢格,孫 艷,姜玲玲,石 蕓*

(1.河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究室神經(jīng)與血管教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國河北石家莊050017；2.石家莊市婦幼保健院產(chǎn)前診斷科,中國河北石家莊050051)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,以進(jìn)行性認(rèn)知和記憶功能減退為主要臨床表現(xiàn)。AD的特征性病理改變?yōu)槟X內(nèi)老年斑的形成、神經(jīng)纖維纏結(jié)和神經(jīng)元凋亡。β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein,Aβ)是構(gòu)成老年斑的主要成分；高度磷酸化的細(xì)胞骨架蛋白tau通過與微管蛋白質(zhì)相互作用,最終導(dǎo)致神經(jīng)纖維纏結(jié)[1]。目前,AD的病因尚不清楚,但近年的研究發(fā)現(xiàn),脂質(zhì)成分在腦內(nèi)的異常累積可能在AD的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。統(tǒng)計(jì)學(xué)研究表明,高脂飲食是導(dǎo)致AD的一個危險因素[2]。體內(nèi)外研究也發(fā)現(xiàn),高脂飲食可增加大鼠腦中長鏈/極長鏈飽和脂肪酸的含量[3],而飽和脂肪酸,尤其是長鏈/極長鏈飽和脂肪酸(長鏈,＞12C；極長鏈,＞20C),可通過多種機(jī)制促進(jìn)Aβ的生成,加快AD的病理進(jìn)程[4]。因此,本文主要就長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與AD以及Aβ生成和聚集的關(guān)系作一綜述,重點(diǎn)闡述這些脂肪酸導(dǎo)致Aβ生成的分子機(jī)制,以期為AD的發(fā)病機(jī)制研究提供線索和依據(jù)。

1 長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與AD的關(guān)系

AD患者血、腦和腦脊液中長鏈/極長鏈飽和脂肪酸水平明顯升高。利用氣相色譜和/或質(zhì)譜分析等方法檢測AD患者血、腦脊液和不同腦區(qū)中飽和脂肪酸的種類和含量,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與同年齡對照組相比,AD患者血中軟脂酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)以及碳鏈更長的C20∶0、C22∶0和C24∶0的含量均沒有明顯變化[5],但C26∶0的含量明顯升高[6]。與血中的變化相比,AD患者腦中脂肪酸的變化更為明顯。AD患者額葉皮層和顳葉皮層中C18∶0的含量降低；而頂葉皮層中C16∶0的含量明顯增加[7],額葉皮層中極長鏈脂肪酸明顯增加[8]。我們的研究也發(fā)現(xiàn),在伴有AD典型病理改變的糖尿病大鼠腦皮質(zhì)中,C16∶0、C18∶0和極長鏈的C26∶0水平明顯增加[3]。此外,AD患者腦脊液中的脂肪酸也有明顯變化。腦脊液中總飽和脂肪酸水平增加,其中C16∶0和C18∶0增加明顯[9]。從這些結(jié)果可以看出,雖然不同飽和脂肪酸的變化不盡相同,但AD患者血、腦以及腦脊液中均存在某些長鏈/極長鏈飽和脂肪酸的升高。

高飽和脂肪酸飲食會增加AD的發(fā)病風(fēng)險。用富含軟脂酸的高脂飲食飼喂阿爾茨海默病的模型小鼠——APP(β-amyloid precursor protein)/PS1(presenilin 1)轉(zhuǎn)基因小鼠,小鼠三月齡即出現(xiàn)空間學(xué)習(xí)記憶障礙,以及海馬區(qū)Aβ的沉積和線粒體功能障礙[10]。與此一致,C57BL/6J小鼠在飼喂富含軟脂酸的飲食后,出現(xiàn)明顯學(xué)習(xí)記憶障礙[11],同時腦中出現(xiàn)明顯的神經(jīng)炎癥和Aβ斑塊[12]。我們的研究也發(fā)現(xiàn),用高脂飲食飼喂的糖尿病大鼠,伴隨腦中C26∶0含量的增加,過氧化物酶體脂肪酸β-氧化活性降低[3]。由于極長鏈脂肪酸僅通過過氧化物酶體β-氧化進(jìn)行氧化分解,因此,過氧化物酶體β-氧化的活性降低可能是導(dǎo)致腦中C26∶0水平增加的主要原因。基于此,我們進(jìn)一步用特異性抑制劑甲硫噠嗪抑制大鼠腦中的過氧化物酶體β-氧化,結(jié)果顯示,大鼠腦中極長鏈脂肪酸水平增加,同時大鼠出現(xiàn)了明顯的學(xué)習(xí)記憶障礙,并伴有Aβ水平的升高；用此抑制劑刺激原代培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)元細(xì)胞,我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中Aβ的水平也明顯升高[13]。這些結(jié)果表明,飽和脂肪酸,尤其是長鏈和極長鏈飽和脂肪酸,與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

以上結(jié)果提示,高長鏈/極長鏈飽和脂肪酸是AD發(fā)生的一個危險因素。

2 長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與Aβ的生成

Aβ是AD的主要致病因子,由β-淀粉樣前體蛋白APP裂解產(chǎn)生。APP有兩條裂解途徑,一條是β-分泌酶途徑,APP依次經(jīng)β-分泌酶(β-secretase,BACE1)和γ-分泌酶作用產(chǎn)生Aβ；另一條是α-分泌酶途徑,α-分泌酶(a disintegrin and metalloproteinase 10,ADAM10)在Aβ序列內(nèi)裂解APP,阻止Aβ的生成。

用C20∶0和C26∶0分別刺激人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞24 h后發(fā)現(xiàn),C20∶0和C26∶0能夠通過增加細(xì)胞APP、BACE1和γ-分泌酶的核心組分PS1的蛋白質(zhì)水平,降低ADAM10的蛋白質(zhì)水平,從而增加細(xì)胞中Aβ的含量[14]。用軟脂酸刺激小鼠的神經(jīng)母細(xì)胞瘤N2a-APPSwe/In[15]和SHSY5Y-APPSwe[16]細(xì)胞,或者先刺激原代培養(yǎng)的小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞,再將收集的培養(yǎng)基(即條件培養(yǎng)基)給予原代培養(yǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中BACE1的mRNA和蛋白質(zhì)水平以及Aβ的含量也明顯增加[17]。這些結(jié)果表明,長鏈/極長鏈飽和脂肪酸能夠通過促進(jìn)β-分泌酶途徑,抑制α-分泌酶途徑,從而增加Aβ的生成。

軟脂酸如何增加神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中BACE1的表達(dá)？目前有4種機(jī)制可以解釋。1)通過上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子SREBP1(sterol response element binding protein 1)來增加BACE1的表達(dá)。給予N2a-APPSwe/In細(xì)胞軟脂酸刺激,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中SREBP1和BACE1的表達(dá)水平同時上調(diào)。進(jìn)一步的ChIP分析發(fā)現(xiàn),軟脂酸提高了SREBP1對BACE1上游啟動子區(qū)域的結(jié)合程度,而一旦敲低SREBP1,SREBP1對BACE1的轉(zhuǎn)錄活化作用也會隨之降低。這些結(jié)果提示,軟脂酸通過上調(diào)SREBP1對BACE1的轉(zhuǎn)錄活化來增加BACE1的表達(dá)[15]；2)通過與G蛋白偶聯(lián)受體40(G protein-coupled receptor 40,GPR40)結(jié)合,激活下游信號通路來增加BACE1的表達(dá)。GPR40,即游離脂肪酸受體1(free fatty acid receptor 1),可通過與其配體軟脂酸結(jié)合而活化。給予神經(jīng)母細(xì)胞瘤SK-N-MC細(xì)胞軟脂酸刺激后,細(xì)胞中GPR40下游的PI3K/Akt/mTOR/HIF1-α和PI3K/Akt/NF-κB途徑被激活,轉(zhuǎn)錄因子HIF1-α和NF-κB結(jié)合到BACE1的上游啟動子區(qū),進(jìn)而上調(diào)BACE1的表達(dá)。相反,給予細(xì)胞GPR40特異性抑制劑或敲低GPR40的同時再給予軟脂酸刺激,則可抑制此兩條途徑的激活,進(jìn)而轉(zhuǎn)錄抑制BACE1的表達(dá)[18]。以上結(jié)果表明,軟脂酸通過與受體GPR40結(jié)合,激活下游信號途徑,使轉(zhuǎn)錄因子HIF1-α和NF-κB活化,從而上調(diào)BACE1的表達(dá)；3)通過抑制NAD+依賴的SIRT1(sirtuin 1)活性來增加BACE1的表達(dá)。SIRT1具有去乙酰化酶活性。軟脂酸可減少原代培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元細(xì)胞對葡萄糖的利用率,并使其轉(zhuǎn)而利用軟脂酸作為能量來源。這種變化提高了線粒體對軟脂酸的氧化效率,使得NAD+被大量消耗而減少。由于NAD+是SIRT1的輔酶,所以NAD+的減少會降低SIRT1的活性,使得NF-κB不能去乙酰化而維持活化狀態(tài),從而轉(zhuǎn)錄激活BACE1的表達(dá)[19]；4)通過激活轉(zhuǎn)錄因子CHOP(C/EBP homologous protein)-NF-κB途徑來增加BACE1的表達(dá)。已知,軟脂酸既能激活CHOP,也能激活NF-κB。相關(guān)研究顯示,敲低CHOP能夠抑制軟脂酸對NF-κB的激活,進(jìn)而抑制其對BACE1的轉(zhuǎn)錄活性,使BACE1表達(dá)降低；而敲低NF-κB卻未能影響軟脂酸對CHOP的誘導(dǎo),表明軟脂酸對CHOP的誘導(dǎo)位于NF-κBBACE1的上游,因此,軟脂酸能夠通過激活CHOPNF-κB來增加BACE1 的表達(dá)[16]。

此外,軟脂酸刺激星型膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的條件培養(yǎng)基又是如何上調(diào)神經(jīng)元中BACE1的表達(dá)？現(xiàn)有研究證明至少有兩條途徑在其中發(fā)揮作用。一條是p25/Cdk5-STAT3-BACE1途徑,該途徑從轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)BACE1的表達(dá)。給予此條件培養(yǎng)基后,神經(jīng)元中的鈣含量明顯增加。鈣含量的增加提高了鈣依賴性蛋白酶(calpain)的活性。Calpain活性升高的直接后果是,calpain的裂解產(chǎn)物p25水平增加。p25可以增強(qiáng)細(xì)胞周期素依賴性激酶5(cyclin-dependent kinase 5,Cdk5)的活性,而Cdk5又能夠使轉(zhuǎn)錄因子STAT3磷酸化而活化。STAT3作為BACE1的上游調(diào)節(jié)因子,其活化可轉(zhuǎn)錄激活BACE1的表達(dá)[17]。另一條是SMase-神經(jīng)酰胺-BACE1途徑,該途徑從翻譯后水平上調(diào)BACE1的表達(dá)。神經(jīng)酰胺既是細(xì)胞膜的重要組成成分,又能作為第二信使,參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡、炎癥等多種信號過程。研究報(bào)道,神經(jīng)酰胺能夠通過增加BACE1的乙酰化水平,減少BACE1的降解,從而增加其蛋白質(zhì)水平[20]。神經(jīng)酰胺可由酸性或中性鞘磷脂酶(sphingomyelinase,SMase)水解細(xì)胞膜的組成成分鞘磷脂產(chǎn)生。在用軟脂酸刺激膠質(zhì)細(xì)胞所獲得的條件培養(yǎng)基中,炎癥因子TNF和IL-1的水平增加。將此培養(yǎng)基給予神經(jīng)元,神經(jīng)元中SMase的活性增強(qiáng),神經(jīng)酰胺含量增加,BACE1的蛋白質(zhì)水平升高；而用抗體中和條件培養(yǎng)基中的TNF或IL-1后再給予神經(jīng)元時,細(xì)胞中SMase的活性降低,神經(jīng)酰胺含量減少,BACE1的蛋白質(zhì)水平降低[21]。這些結(jié)果表明,軟脂酸可通過刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放炎癥因子,增加神經(jīng)元中神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生,從而上調(diào)BACE1的蛋白質(zhì)水平。

3 長鏈/極長鏈飽和脂肪酸與Aβ的聚集

由BACE1裂解APP產(chǎn)生的Aβ為單體分子,多個Aβ單體進(jìn)一步聚合為寡聚體、多聚體,直至纖維體,沉積在神經(jīng)細(xì)胞表面,形成淀粉樣斑塊,進(jìn)而損傷神經(jīng)細(xì)胞,加重AD的進(jìn)程[22]。因此,目前認(rèn)為,Aβ聚集形成老年斑是AD的核心病理改變。其實(shí),腦中存在抵抗Aβ聚集的因素,人血清白蛋白(human serum albumin,HSA)就是其中之一。HSA可直接結(jié)合Aβ寡聚體,這種結(jié)合能夠阻礙其他Aβ單體與此寡聚體的結(jié)合,因而也就抑制了Aβ纖維的生成[23]。既然HSA有抑制Aβ聚集的作用,那是否對AD有治療效果呢？給一種阿爾茨海默病模型小鼠——3xTg小鼠的腦室注射HSA后發(fā)現(xiàn),不僅小鼠的認(rèn)知障礙得到改善,而且腦中淀粉樣斑塊的數(shù)量、tau蛋白的磷酸化程度、神經(jīng)炎癥等均有明顯減低,表明HSA對AD小鼠確實(shí)有治療作用。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),這種治療作用是通過HSA與Aβ單體的直接結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的,提示HSA不僅能夠結(jié)合Aβ寡聚體,而且能夠結(jié)合 Aβ 單體[24]。

而軟脂酸卻能干擾HSA與Aβ單體的結(jié)合。HSA也是脂肪酸的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),軟脂酸可以競爭Aβ與HSA的結(jié)合。當(dāng)HSA結(jié)合軟脂酸后,Aβ與HSA的結(jié)合能力減弱,從而失去HSA對其聚集的抑制作用,使得Aβ更傾向于聚集而導(dǎo)致纖維化[25]。

4 總結(jié)與展望

雖然長鏈/極長鏈飽和脂肪酸導(dǎo)致AD發(fā)生的具體分子機(jī)制還有許多細(xì)節(jié)有待填充,比如:除了上述機(jī)制,這些脂肪酸還通過哪些機(jī)制影響Aβ的生成和聚集？除了影響Aβ的生成和聚集,這些脂肪酸是否也能通過與Aβ直接結(jié)合[26],來促進(jìn)AD的發(fā)生？但長鏈/極長鏈飽和脂肪酸在AD的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用已是不爭的事實(shí)。鑒于此,開發(fā)相應(yīng)的藥物來降低神經(jīng)細(xì)胞中長鏈/極長鏈飽和脂肪酸水平,或阻斷其發(fā)揮作用的途徑,比如:抑制GPR40受體與脂肪酸的結(jié)合,或者抑制此受體對下游信號通路的激活等等,將為AD的治療帶來新的希望。