阿尔茨海默病与胰岛素信号传导通路

杨文育 李燕 杨希茜 林坚炜 高诗雨 胡海燕

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是以神经元纤维缠结，老年斑（senile plague，SP）及神经元损伤为主要病理特征的一种致死性神经退行性疾病[1]。根据流行病学研究发现，1990—2010年我国AD患病人数从最初的193万人增加到569万人，可见AD的发病人数呈逐年快速增长趋势[2]。近年来，越来越多的研究表明，AD的发生、发展与胰岛素信号传导通路之间存在一定的联系，并取得了一系列成就；现将有关研究综述如下。

1 大脑中胰岛素及其信号通路系统

胰岛素受体在大脑中分布广泛，其中包括海马区以及嗅球区和下丘脑等部位。胰岛β细胞中产生胰岛素，然后胰岛素经过血脑屏障进入到中枢神经系统中，接着它会和大脑中的胰岛素受体相结合并发挥作用。大脑中主要含有∶磷酯酰肌醇-3蛋白激酶通道以及丝裂原激活蛋白激酶通道与磷酯酶C信号通道这3种胰岛素信号通道。目前猜测大脑老化以及AD等疾病的发生可能与这3种胰岛素信号通路有关系，然而明确的发病机制还不清楚[3]。

2 胰岛素信号通路的调节

大脑中的分泌酶主要是α型分泌酶以及γ型蛋白酶（多酶复合物）与β型分泌酶（天冬氨酸蛋白酶）。胰岛素的正常分泌能够促进α型分泌酶的释放，促使APP转变成可溶性的APP（sAPP），从而降低Aβ的生成。当胰岛素的信号效能减小时，APP将会更多的被β以及γ分泌酶分解掉，生成β淀粉样蛋白，形成SP。

2.1 胰岛素PI3K/AKT-GSK3途径信号通路 大脑中的胰岛素受体α亚单位以及胰岛素会在生理状态下相互结合并且形成新的复合物，导致β亚单位Tyr激酶的自身磷酸化，从而激活Tyr激酶并且激活PI3K/AKT[4]，进而加快GSK-3的磷酸化过程。GSK-3有α、β两个亚型，GSK-3α调节γ分泌酶的活性，促进Aβ的生成[4]。GSK-3β的活化也可抑制wnt/β联蛋白信号通路，加强β联蛋白位点S33/S37/T41的磷酸化，促进细胞的凋亡[5]。

GSK-3β也是 IGF-1的下游信号分子，GSK-3β的活性增高也是IGF-1信号传导通路紊乱导致AD晚期发作的重要原因。IGF-1在生理状态下会降低GSK-3β的活性，从而减慢tau蛋白的磷酸化过程以及使得tau蛋白和微管蛋白的结合速度加快。在IGF-1信号传导通道的下游位置分布有胰岛素受体底物。基因敲除IRS-2小鼠实验表明，降低IGF-1的活性能够提高大脑中tau蛋白的磷酸化进程[6]。

2.2 胰岛素PI3K/AKT-BAD途径信号通路 Bcl-2基因家族一共有12个不同基因产物组成而且是调节细胞凋亡的必要因子。其中包括Bcl-XL和处在线粒体膜外层的抗凋亡基因Bcl-2、BAD以及细胞质的促凋亡基因Bax。BAD能够和Bcl-XL或者是Bcl-2产生复合物并且具有促凋亡功能。BAD基因的功能由它的Ser112和Ser136位点磷酸化所调节。磷酸化BAD能与伴侣蛋白（Chaperone）14-3-3蛋白结合,阻断BAD与Bcl-2或Bcl-XL形成2聚体，抑制BAD的促凋亡作用[7]。AKT可通过转录机制或非转录机制来提升神经元细胞的生存能力，从而发挥抗凋亡作用。在转录机制中，AKT主要是通过影响BAD的磷酸化来发挥作用。活化的AKT会使得BAD基因中的Ser136位点磷酸化并且抑制细胞凋亡，AKT属于BAD激酶[8]。PI3K/AKT途径会抑制氧自由基对于DNA的破坏。

2.3 胰岛素PI3K/AKT-mTOR途径信号通路 雷帕霉素（the mammalian target of rapamycin，mTOR）是 AKT下游的一个重要作用靶点,能够被AKT磷酸化激活。mTOR通过调控核糖体激酶p70s6k（ribosomal S6-kinase，RSK）和4E-BP-1两条不同的下游通路,依次控制特定亚组分mRNA的转录和翻译，从而关系到蛋白质的生成以及细胞的增殖。mTOR是一种具有感受细胞外营养成分、能量水平变化以及生长因子等信号的感受器。研究表明[9]，在机体的营养水平充足，体内的胰岛素长时间分泌不充足的状况下，PI3K/AKT通道下游的mTOR/S6K1通道会长时间处在激活的状态，导致mTOR/S6K1的过表达，促进IRS1（位点Ser307,312，636/639）发生过度磷酸化。mTOR的活性也能被PI3K的抑制剂Wortmannin和LY294002所抑制,从而阻断其下游的p70s6k与4E-BP-1信号通路，使得细胞停止生长[10]。

MAPK通路和AD的发病也存在着密切的联系。胰岛素会加快高尔基体道浆膜中淀粉样前体蛋白（APP）的转运，进而降低Aβ寡聚体的汇集[11]。Theendakara等[12]证实 PI3K 和蛋白磷酸酶（protein PhosPhatase，PPI）基因亚型对AD的发病有明显影响，与此同时在胰岛素抵抗综合征患者中也观察到了这两类基因的多态性。很多基因水平上的研究证明，胰岛素的信号通道障碍和AD这两者之间具有非常显著的相关性。

3 胰岛素信号传导系统以及神经元的丢失

在AD患者的大脑中，会产生神经元数目显著降低的现象，这主要是因为神经元细胞的凋亡导致的。神经元细胞中的胰岛素会借助MAPK以及PI3K/AKT这两条通道去加快神经元的生成，而且使得细胞分裂周期内的S以及G2期中的增殖细胞的比份提高[10]。胰岛素信号通道故障时会使得PI3K/AKT和MAPK通道受到抑制，从而使得细胞凋亡[10]。活化的PI3K/AKT信号通道通过减慢促凋亡基因BAD的磷酸化来促进GSK-3的磷酸化过程[8]，进而阻止细胞的凋亡过程。中枢IGF-1受体中的β以及α亚基和中枢胰岛素受体中的β以及α亚基相结合成为四聚体,提醒胰岛素具备神经营养的功能[13]。

4 胰岛素以及神经元突触的可塑性

突触的长时程加强（1ong term potent-ation，LTP）对于学习以及记忆非常关键。而LTP是因为单个突触所诱发的N-甲基-D-天门冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受体依赖的突触传递效能持续增高而引起的。细胞膜表面的对应受体能够借助胰岛素从而被激活，从而实现对于LTP的兴奋刺激。与之相反，如果胰岛素降低，就会使得NMDA的表达产物降低，LTP兴奋性降低，进而影响记忆以及学习的能力[14]。学习以及记忆能力需要具备充足的神经细胞作为前提。与此同时，还必须要有非常充足的突触在神经元间形成繁杂的关联。借助突触的可塑性变化以及神经元间的关联[15]，大脑才可以把收集到的不同信息变成记忆而且长时间的储存起来。胰岛素通过调节G-氨基丁酸（GABA）受体的活性来加强突触的可塑性，会使得神经元突触的可塑性减弱，使得它的数量降低[16]。

5 胰岛素受体对AD的影响

胰岛素受体（insulin receptor，IR）是一类跨膜糖蛋白，它是通过细胞外的α亚基和β亚基连接而成。它通过与胰岛素相结合来影响AD的病变，也可以借助对于神经元细胞能量代谢的控制从而对AD的发病形成直接影响[17]。Hoyer等[18]研究发现IR的脱敏和胰岛素水平的降低，能够使得糖代谢产生异常，从而使得乙酰胆碱以及能够利用的能量丧失和跨膜性能的降低，使得β蛋白的沉积以及异常的磷酸化。通过给大鼠侧脑室注入链脲佐菌素这一方式去破坏大鼠大脑中的IR，于是大鼠会出现和AD的病理相似的表现，行为学以及记忆水平显著减低。当大鼠被注射胰岛素受体激动剂之后，其AD的病理表现和神经退行性改变减弱，有些大鼠还恢复到了正常水平[5，8]。在IR基因敲除的小鼠（nIR-/-）及IGF-1R基因敲除的小鼠（nIGF-1R-/-）脑组织都发现了Aβ聚集的现象[19]。所有的研究均表明IR和AD这两者之间具有密切联系，这被认为是以后AD治疗的重要靶点之一。

部分实验研究发现，胰岛素样信号的减弱能够增加动物的寿命以及减少病死率和延迟成熟期。Freude等[20]通过基因突变小鼠杂交实验得出IGF-1R缺乏的小鼠可以延长寿命，推迟淀粉样蛋白的积累，这表明被破坏的IGF-1信号传导可以减少病死率，推迟淀粉样蛋白的积累。说明IGF-1R下调也许是AD患者机体本身为降低淀粉样物质累积以及延长寿命的一类生理性反应。最近Liu等[21]通过不一样浓度的Aβ处理体外获得的原代海马神经元细胞，经过实时定量PCR以及Western Blot法进行检测，我们发现注入小剂量的Aβ时细胞会表现出异常的IGF-1R高表达，这表明也许是代偿性提高，还有可能是脱敏现象。这一系列现象提示IGF-1R在AD的发病过程中也许存在时间和空间上的不一样，还需要深入探究。

6 讨论

AD有诸多的发病机制，Tau蛋白过度磷酸化以及Aβ级联学说最为经典。截止至目前，有许多的试验研究发现AD和2型糖尿病（T2DM）两者之间也具有非常紧密的关联。在AD患者中有80%同时患有T2DM或伴有胰岛素抵抗现象，而T2DM患者同时也具有AD的高发病率。因此有学者认为，T2DM是AD发病的独立危险因素，能够增加AD的发病风险，促进AD的发生和发展。一方面，T2DM会直接作用于AD发病相关的关键蛋白（如Aβ、Tau蛋白）或相应的信号通路，导致Aβ生成及Tau蛋白过度磷酸化；另一方面，T2DM也会扰乱脉管系统的功能，引起小血管疾病，进而引发AD。虽然两者之间的因果关系尚存争议，但普遍认为两者都存在着胰岛素信号通路的缺损[6]。一项荟萃分析在纳入17个研究共1 746 777个参与者后得出，糖尿病患者AD发生率明显高于无糖尿病患者（RR=1.53，95%CI：1.4～1.63）[22]。Vagelatos 等[23]研究得出，AD 与 T2DM 之间存在有很强的相关性。聂宏伟等[24]研究发现，在所有的AD患者中其中患有糖尿病的人数是非糖尿病患者人数的 1.31 倍（OR=1.31，P=0.002）。

不可溶性淀粉样蛋白的产生以及不正常的折叠导致了AD和糖尿病。Barage等[13]指出Aβ蛋白的病理堆积是AD以及糖尿病的中心以及诱发因素。Sato等[25]一致认为引起T2DM产生认知缺陷和AD的重要因素是大脑中胰岛素信号通道的损坏。Sancheti等[3]研究得出，胰岛素信号转导通道的受阻会导致突触丧失可塑性甚至是变性或者是凋亡。

大脑的正常代谢离不开中枢神经系统中胰岛素受体信号级联系统的正常工作[19]。它们的异常会导致一系列AD的病理表现出现。因此，人们又把AD称为“3型糖尿病”[8，18]。我们应重视胰岛素信号级联系统在AD的发生、发展中的作用，积极寻求可用于治疗该疾病的潜在靶点。随着人们对于胰岛素信号级联系统的探究不断深入，这一通道能够给AD的预防和治疗提供一些新的视角。

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