端粒-端粒酶在神經(jīng)退行性疾病中的研究進展

吳志悅， 薛曉帆， 曾景蓉， 黃安琪綜述， 許二赫審校

神經(jīng)退行性疾病是一類與年齡相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其特征是異常蛋白的聚集及神經(jīng)元缺失，最終導致認知和（或）感覺運動功能障礙。其發(fā)病機制較復雜且病因較多，其中年齡遞增作為生命周期中不可干預的事件，是大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病患病的主要危險因素之一［1］。近年來，人們不斷探究與衰老相關(guān)的生物學特征，嘗試尋找一種可預測患者發(fā)病風險、疾病進展速度以及患病嚴重程度的生物標記物，雖然取得了一些進展，但成果仍舊有限。有研究指出，加速的端粒損耗和端粒酶活性降低是生物過早衰老的一個指標，較短的端粒與人群全因死亡率［2］、年齡相關(guān)疾病發(fā)病率增加、癡呆癥進展加快以及患阿爾茨海默病的總體風險較高均有關(guān)［3］。因此，本文重點綜述了端粒長度、端粒酶活性與神經(jīng)退行性疾病的相關(guān)性研究的最新觀點，探究其能否作為神經(jīng)退行性疾病的一種生物標記物，同時，初步探討端粒-端粒酶系統(tǒng)在神經(jīng)退行性疾病中的潛在作用機制。

1 端粒-端粒酶系統(tǒng)

端粒是真核生物染色體末端的特殊帽狀結(jié)構(gòu)，由高度保守的（TTAGGG）DNA重復序列及相關(guān)蛋白組成［4］。它能夠保護染色體末端免受損害及融合，在維持基因組穩(wěn)定性方面具有重要作用［5］。由于滯后鏈的不完全DNA復制、氧化損傷和其他因素［6］，端粒長度會縮短，當?shù)竭_Hayflick界限時，會觸發(fā)DNA損傷信號，引起細胞周期停滯并導致細胞衰老或細胞凋亡［7］，端粒也因此被科學家們稱為“生命時鐘”，同時端粒長度也是人們預測細胞衰老和一些年齡相關(guān)疾病的生物標記物。端粒長度是生理（連續(xù)細胞分裂［8］）、遺傳（維持端粒所需的基因［9］）和環(huán)境（如氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)［10］）等因素的綜合體現(xiàn)，因而形成了與衰老及年齡相關(guān)疾病的復雜關(guān)系。有研究提示，隨著年齡增長，端粒會以相對恒定的速率縮短，期間若伴隨與年齡增長相關(guān)的疾病發(fā)作，端粒縮短會進一步加速［8］。

端粒酶是由端粒酶RNA模板（telomerase RNA component，TERC）和逆轉(zhuǎn)錄酶催化亞單位（telomerase reverse transcriptase，TERT）兩種核心成分組成［11］。它的典型功能是以自身RNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成端粒DNA重復序列，恢復和維持端粒長度，這也稱作“端粒酶活性”［12］。最新研究表明TERT具有多種不依賴于端粒的非經(jīng)典功能，如能從細胞核穿梭至線粒體從而降低氧化應(yīng)激反應(yīng)和抵抗細胞凋亡［13］。同時，越來越多的研究表明，TERT對大腦和有絲分裂后的神經(jīng)元具有保護作用，能夠抵抗各種刺激因子，如氧化應(yīng)激、細胞凋亡和神經(jīng)退行性因子［如β-淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）、α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）、tau蛋白等］，但具體的機制尚不清楚［12］。有研究發(fā)現(xiàn)端粒酶激活劑能提高神經(jīng)元內(nèi)TERT水平，通過自噬機制降解腦毒性蛋白以改善神經(jīng)退行性變的相關(guān)癥狀［13］。

2 端粒-端粒酶系統(tǒng)與阿爾茨海默病

阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）是老年人最常見的癡呆類型［14］，以Aβ沉積形成的老年斑、神經(jīng)原纖維纏結(jié)為兩大核心病理特征［15］。AD是最具代表性的與衰老相關(guān)的疾病之一，而端粒學說認為端粒長度是衰老的標志，因此研究人員探究了AD與端粒之間的關(guān)系。大多數(shù)研究使用外周血白細胞（peripheral blood leukocytes，PBLs）端粒長度來反映AD患者的衰老水平。先前的一項研究表明，AD患者PBLs和小腦神經(jīng)元細胞的端粒長度存在直接相關(guān)性［16］。因此，可以認為PBLs的端粒長度能夠反映AD患者腦內(nèi)神經(jīng)元的端粒長度。但目前關(guān)于端粒長度對AD認知功能影響的研究結(jié)果并不一致，我們推測其部分原因可能是研究設(shè)計類型、測定端粒長度方法等等的差異性。

2.1 端粒長度與AD 目前大量研究證實，端粒縮短可能是AD的危險因素。Abou-Elela等［17］發(fā)現(xiàn)與健康人、輕度認知障礙（mild cognitive impariment，MCI）患者相比，AD患者端粒長度更短，而羥基脫氧鳥苷（8-Hydroxydeoxyguanosine，8-OhdG）水平更高。Lee等［18］指出AD患者端粒衰減速度明顯快于正常對照組和MCI組，但平均白細胞端粒長度（leukocytes telomere length，LTL）未見明顯差異。2019年一項傘形評價指出，僅限于病例對照研究的薈萃分析中較短的端粒長度與糖尿病或AD發(fā)病呈中等關(guān)聯(lián)［19］。近期的一項薈萃分析也得出較一致的結(jié)論：相比對照組，AD組的LTL更短，但端粒酶活性可能更高［20］。最近的孟德爾隨機化（Mendelian Randomization，MR）研究表明基因預測的較長端粒對 AD 起到保護性作用［21-24］。這些結(jié)果均支持較短端粒者可能更易罹患AD，但將疾病的嚴重程度與端粒長度相關(guān)聯(lián)還需更多證據(jù)。晏玉奎等［25］利用多元統(tǒng)計，模擬不同程度認知功能障礙患者的端粒時間-速度函數(shù)變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)輕中度AD患者較重度AD患者的端粒衰減速度減慢或者前者具有較長的DNA端粒，進一步說明癡呆與端粒長度縮短有一定量變關(guān)系，Abou-Elela等也得到與其相似的結(jié)論［17］。另外也有研究調(diào)查了端粒長度能否預測MCI向AD的轉(zhuǎn)化，2016年的一項Meta分析以及Koh等隨訪了2年的MCI A+（即淀粉樣蛋白正電子發(fā)射斷層掃描顯像或腦脊液分析確定的淀粉樣變性）的患者，都提出了較短端粒的MCI患者可能出現(xiàn)更快速的認知功能下降，更易向AD轉(zhuǎn)化［26，27］。類似的是，Scarabino等［28］研究結(jié)果表明LTL縮短結(jié)合血漿IL-1β和IL-18升高能監(jiān)測疾病從MCI到AD的發(fā)病進展。

但是，也有部分研究結(jié)果并不支持端粒縮短作為AD進展的一個強有力的生物標記物的論點。有趣的是，Mahoney等［29］發(fā)現(xiàn)在AD神經(jīng)病理相關(guān)生物標記物陽性的個體中，基線端粒越長，認知下降越快，而在上述生物標記物陰性個體中并未發(fā)現(xiàn)這種關(guān)聯(lián)，這提示端粒長度與認知水平之間的關(guān)系，可能取決于是否存在神經(jīng)病理性標記物。意外的是，2022年一項橫斷面研究納入了2 573例認知正常但多數(shù)具有AD家族史的參與者，通過MR分析發(fā)現(xiàn)僅在載脂蛋白E-?4（APOE-?4）非攜帶者中，基因預測的端粒越長，腦脊液中Aβ水平越低，神經(jīng)絲輕鏈水平越高，這提示APOE-?4等位基因可能調(diào)節(jié)端粒長度對AD相關(guān)腦脊液生物標志物的影響［3］。早年一項研究初步調(diào)查了AD患者前驅(qū)期的端粒改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進展為AD的MCI患者相比穩(wěn)定在MCI狀態(tài)的患者端粒更長［30］。另外的一項韓國橫斷面研究表明，與健康老年人相比，MCI和AD患者的端粒長度并沒有更短，這支持了端粒縮短與AD發(fā)病沒有直接關(guān)系的觀點［26］。同時，一項美國長壽家庭參與者的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，LTL與癡呆及非癡呆患者的認知水平無關(guān)［31］。上述研究結(jié)果均難以支持較短端粒能夠加速AD的發(fā)病、進展及預測MCI轉(zhuǎn)化為AD的假設(shè)，可能需要更大樣本和不同的患者亞組來進行進一步驗證［32］。

另外，研究人員和臨床工作者逐漸認識到，不僅要及時準確地對AD患者進行診斷，要確定患者是否具有AD患病風險或及時發(fā)現(xiàn)那些處于AD前驅(qū)期的個體，以便早期干預更為關(guān)鍵。一項研究表明，較短LTL能至少在發(fā)病前8年預測非APOE-ε4攜帶者AD的發(fā)病率［33］。基于病例對照、MR研究的證據(jù)表明，LTL越短，AD的發(fā)病風險越高［34］，但也有部分研究得到了相反的結(jié)論［26，31］。值得注意的是，另一項鹿丹特前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，LTL與AD患病風險存在非線性U型關(guān)聯(lián)，較短LTL和較長LTL均與AD患病風險增加有關(guān)［35］，這在非APOE-ε4攜帶者前瞻性隊列中也得到證實（盡管較長LTL與AD發(fā)病率增加并不具有統(tǒng)計學差異，P= 0.28）［33］。

2.2 端粒酶與AD 端粒酶具有延長端粒及維持端粒穩(wěn)定性的功能。由于其顯示出對大腦神經(jīng)元的保護作用，因此越來越引起神經(jīng)科學領(lǐng)域研究者的關(guān)注。Spilsbury等［36］證明，TERT蛋白可以在AD患者神經(jīng)細胞的線粒體中積累，并可能具有抵抗tau病理蛋白沉積的保護作用。相似的是，端粒酶復合物通過增強神經(jīng)營養(yǎng)蛋白和可塑性相關(guān)基因的表達來保護海馬神經(jīng)元免受Aβ42的毒性損傷［37］。Shim等［38］在AD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)TERT能在基因啟動子上與β-連環(huán)蛋白和核糖核酸聚合酶II相互作用，并上調(diào)突觸信號通路及與學習過程相關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò)，達到保護大腦神經(jīng)元健康的作用。體內(nèi)外試驗初步證實TERT可在嚙齒動物和人類中發(fā)揮神經(jīng)保護作用。但目前的相關(guān)研究仍較有限，因此，未來需要更多的試驗來進一步探究AD患者體內(nèi)TERT蛋白的水平及作用機制，以確定端粒酶激活劑能否作為預防或改善AD癥狀的新療法。

2.3 潛在機制 年齡增加作為AD重要的發(fā)病風險因素之一，AD患者年齡增長可能伴隨端粒縮短，但并不是所有老年人都患AD，這也提示我們端粒縮短可能只是AD發(fā)病的協(xié)同因素而非主要因素。關(guān)于端粒長度變化的機制以及端粒長度的變化如何導致了AD的發(fā)生發(fā)展尚未闡明，但有學者提出了一些假說：首先，AD發(fā)病機制中一個重要事件是神經(jīng)免疫反應(yīng)，研究提示AD的神經(jīng)炎癥狀態(tài)和外周免疫系統(tǒng)的同時參與，可能促進了與星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞增殖有關(guān)的白細胞分裂和端粒縮短［39］。其次，一項小鼠轉(zhuǎn)基因模型支持了AD是一種全身性疾病，外周血細胞端粒縮短是AD疾病進展的系統(tǒng)性表現(xiàn)，比腦組織中端粒變化更早更明顯，該研究提出一個與氧化應(yīng)激無關(guān)且尚未確定的機制：AD通過促進細胞增殖導致端粒縮短［40］。再者，既往有學者提出線粒體功能障礙可能是神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展的另一重要機制，有研究證實TERT可能通過減少氧化物的產(chǎn)生和改善線粒體功能來提供神經(jīng)元對病理性tau蛋白的抵抗［36］。但有關(guān)端粒-端粒酶系統(tǒng)與AD潛在的病理生理機制的研究還較少，且多探討的是端粒長度與AD的關(guān)系，AD中端粒更長的患者其背后的病理機制仍有待闡明。

3 端粒-端粒酶系統(tǒng)與帕金森病

帕金森病（Parkinson disease，PD）是第二大神經(jīng)退行性疾病，具有廣泛的運動和非運動癥狀，典型的病理學改變是黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的丟失及神經(jīng)元內(nèi)包涵體形成［41］。PD發(fā)病機制尚不清楚，有研究表明與衰老、遺傳易感性和環(huán)境等因素相關(guān)［41］。大量研究發(fā)現(xiàn)，PD病理過程中伴隨著慢性神經(jīng)炎癥的發(fā)生，這提示了炎癥反應(yīng)可能加速了疾病的進展。因此，研究人員推測PD中氧化應(yīng)激損傷與炎癥反應(yīng)可能會加速端粒磨損。不僅如此，作為重要的非運動癥狀之一，帕金森病癡呆（Parkinson disease dementia，PDD）往往在疾病晚期出現(xiàn)，且與年齡呈正相關(guān)。因此，與衰老相關(guān)的端粒-端粒酶系統(tǒng)是否能夠早期識別PD認知障礙的發(fā)生風險，能否作為PD患者認知障礙的一種生物標記物，也逐漸引起研究者的關(guān)注。有幾項研究調(diào)查了端粒長度與PDD之間的關(guān)系，這為我們理解PDD的潛在病理生理機制提供了一些見解。這些研究中端粒長度主要是在PBLs中測量，而關(guān)于PD患者中樞神經(jīng)細胞的檢測目前還較少。由于端粒長度受檢測的組織樣本類型的影響較大，建立組織樣本明確的縱向隨訪也是未來研究的方向。總體來說，相比AD，目前人們對端粒-端粒酶在PD中的研究仍較少，且得出的結(jié)論爭議性較大，屬于研究相對空白的領(lǐng)域。

3.1 端粒長度與PD 目前國內(nèi)外關(guān)于PD與端粒長度的研究結(jié)果并不一致，以往的研究認為較短與較長的端粒長度都可能與PD相關(guān)［42-44］，但也有研究在腦黑質(zhì)組織中沒有發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞端粒長度的差異［42］。2020年一項首個針對中國人群的病例對照研究發(fā)現(xiàn)，PD患者的LTL明顯短于對照組，且越短的端粒長度罹患PD風險越高（OR= 9.54），同時端粒長度對PD的影響是獨立于LRRK2基因多態(tài)性的［45］。Levstek等［46］首次調(diào)查了端粒長度與PD臨床特征的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有癡呆和無癡呆的兩組PD患者中端粒長度存在顯著差異，其中端粒越短的PD患者，癡呆風險越高（P= 0.024），但在校正年齡及病程的影響后，這個相關(guān)性卻不再有統(tǒng)計學差異（P= 0.059），但數(shù)據(jù)仍有趨勢。2020年一項隨訪研究發(fā)現(xiàn)，基線和隨訪18個月時的PD患者端粒長度明顯低于正常對照組，且端粒越短的PD患者與隨訪36個月后癡呆的發(fā)生風險相關(guān)，這表明了較短的端粒長度可能對PDD的發(fā)生具有預測潛力［47］。

2022年來自瑞典、倫敦的一項橫斷面研究表明，相比健康對照組，PD患者血液和前額葉腦組織神經(jīng)細胞的端粒更長，且血液中端粒長度與左旋多巴等效日劑量、病程呈正相關(guān)［48］。同時，Chen等［49］于2020年在MR框架中研究了37 688例PD患者和449 056例對照者，結(jié)果并沒有證實端粒較長與PD風險較高相關(guān)，這與2016年一項薈萃分析結(jié)果相似，該研究也未證實956例PD患者和1 284例對照組之間端粒長度有顯著差異［50］。而既往的一項隨訪研究卻發(fā)現(xiàn)，基線時端粒更長的PD患者在3年內(nèi)發(fā)展為癡呆的風險更高，但沒有觀察到對照組和PD患者在基線時端粒長度的差異以及隨訪過程中端粒衰減速度的不同［51］。總的來說，端粒長度或端粒動力學變化與PD發(fā)病風險、臨床癥狀的進展之間的關(guān)系還沒有得到充分的研究，結(jié)果相對較少且具有爭議性。

3.2 端粒酶與PD 如前所述，TERT已在神經(jīng)系統(tǒng)中顯示出保護作用。Wan等［52］研究指出，端粒酶激活劑導致TERT表達增加，其通過激活自噬降解了毒性α-syn，最終達到預防或延緩疾病進展的作用，例如顯著改善了PD轉(zhuǎn)基因小鼠模型的步態(tài)和運動協(xié)調(diào)等功能。這一臨床前模型的結(jié)果具有較大前景，目前急需進行PD的臨床試驗以確認增加TERT水平對神經(jīng)退行性疾病的有益作用。

3.3 潛在機制 近年研究顯示，神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激參與了PD的發(fā)生發(fā)展，端粒易受氧化應(yīng)激而縮短，這與一些學者發(fā)現(xiàn)的PD患者端粒較短的結(jié)果一致。具體來說，端粒區(qū)域的GGG-3'DNA對氧化應(yīng)激較敏感，同時活性氧產(chǎn)生的8-氧鳥嘌呤會導致復制問題、DNA脆性和端粒功能障礙，最終導致了細胞衰老［53］。除氧化應(yīng)激之外，有研究推測，PD 患者服用的一些藥物可能對端粒長度產(chǎn)生影響，如左旋多巴通過增加同型半胱氨酸水平加速衰老過程，導致端粒長度變化［48］。另外，有實驗數(shù)據(jù)表明端粒縮短導致了PD轉(zhuǎn)基因小鼠模型中α-syn的聚集加速和小膠質(zhì)細胞反應(yīng)受損，首次提示端粒縮短可能參與了PD的病理學機制［54］。目前關(guān)于端粒與PD的研究結(jié)果較矛盾，部分研究結(jié)果揭示了PD中較短端粒可能與疾病的氧化應(yīng)激、衰老加速、α-syn病理相關(guān)，但其中的因果關(guān)系仍值得進一步研究。

4 端粒-端粒酶系統(tǒng)與其他神經(jīng)退行性疾病

另外有少數(shù)文獻報道了端粒長度與其他神經(jīng)退行性疾病的關(guān)系。首先，關(guān)于肌萎縮側(cè)索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）與端粒長度的研究結(jié)果還沒有一致性。例如，先前的觀察性研究發(fā)現(xiàn)ALS組的端粒較對照組更短［55］，但ALS患者死后的腦組織端粒研究及一項全基因組測序研究發(fā)現(xiàn)ALS患者的端粒較對照組更長［56，57］。此外，Kim等［58］首次研究了額顳葉癡呆（frontotemporal dementia，F(xiàn)TD）與端粒長度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)所有FTD綜合征不同亞型的患者PBLs絕對端粒長度明顯長于對照組，但組間端粒長度并沒有顯著差異。ALS、FTD較長端粒的最新發(fā)現(xiàn)支持FTD與ALS是具有相同的臨床、遺傳和神經(jīng)病理學特征的同一疾病譜的觀點。雖然有研究提出ALS患者腦中小膠質(zhì)細胞端粒的延長可能是一種補償小膠質(zhì)細胞較高的增殖活性的表現(xiàn)［56］，但仍需更多樣本量更大的研究來進一步證實上述結(jié)果的普遍性及ALS、FTD長端粒背后的機制。最后，亨廷頓舞蹈病（Huntington disease，HD）也是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，而Scarabino等［59］觀察到健康對照組及不同疾病階段（疾病前期和疾病期）的HD患者的LTL相繼縮短，這表明端粒縮短與HD發(fā)病風險之間可能存在相關(guān)性。PerezGrovas-Saltijeral等［60］也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)論，并提出端粒縮短可能與HD氧化應(yīng)激有關(guān)。目前除AD、PD外，端粒與其他神經(jīng)退行性疾病之間的研究較少，且集中在橫斷面研究，也尚未有一致的結(jié)論。如前所述，神經(jīng)退行性疾病與氧化應(yīng)激、衰老等密切相關(guān)，這能部分解釋短端粒與神經(jīng)退行性疾病間的聯(lián)系，但到底短端粒是神經(jīng)退行性疾病的伴隨表現(xiàn)，還是短端粒加速了神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展，目前尚不清楚。

5 總結(jié)與展望

綜合目前國內(nèi)外端粒-端粒酶系統(tǒng)在各類神經(jīng)退行性疾病中的研究，較多證據(jù)表明端粒縮短與AD、PD等疾病狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，但其中的因果關(guān)系、潛在機制尚未闡明。對于是否端粒短的人群更易罹患神經(jīng)退行性疾病，未來仍需要應(yīng)用端粒長度結(jié)合炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、線粒體功能等炎癥、衰老相關(guān)標記物進行縱向隨訪或許能更好地解釋年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病風險與端粒長度之間的關(guān)系。作為目前相對空白的研究領(lǐng)域，基線的端粒長度、端粒衰減速度、端粒酶活性是否決定了PD患者的運動、非運動癥狀（尤其是認知障礙）以及端粒長度與FTD和ALS之間的關(guān)系如何？以上問題都需要進一步探討。另外，TERT神經(jīng)保護功能值得在動物實驗、臨床試驗中進一步驗證，以確定端粒酶激活劑能否作為神經(jīng)退行性疾病的潛在治療策略。不僅如此，對于入選標準的制定、測量方法的準確性及標準化以及統(tǒng)計方法的選擇還需研究人員進一步明確及制定。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：吳志悅負責撰寫文章及修改；薛曉帆負責論文修改；曾景蓉、黃安琪負責文獻收集及論文修改；許二赫負責擬定寫作思路、指導撰寫文獻并最后定稿。