运动通过调控β淀粉样蛋白防治阿尔茨海默病的可能分子机制

张宪亮，徐 波，季 浏，余 锋，孙立岩

运动通过调控β淀粉样蛋白防治阿尔茨海默病的可能分子机制

张宪亮，徐 波，季 浏，余 锋，孙立岩

阿尔茨海默病（AD）是一种神经退行性疾病，Aβ的过量表达及异常堆积是其发生发展的主要原因之一。本文以β淀粉样蛋白级联假说为线索，阐述了α，β，γ分泌酶对Aβ生成的调节、不同形态Aβ的毒性以及Aβ毒性作用机制。不管是自主运动还是被动运动，中低强度有氧耐力运动均可通过抑制Aβ产生、促进其清除以及抑制其神经毒性作用来预防与缓解AD，但其具体分子生物学机制不甚清楚。因此还探讨了运动如何通过调节α，β，γ分泌酶之间的平衡抑制Aβ的产生；运动如何通过胞外降解、胞内吞噬、转运清除等途径促进Aβ清除；运动如何通过调控机体抗氧化能力、抗炎性反应、细胞凋亡等来抑制Aβ神经毒性。但抗阻运动对缓解AD病症是否仍具有积极意义，目前仍无相关动物实验证实。自噬是一种溶酶体依赖性降解代谢机制，在AD的发病进程中起到重要作用。研究发现，通过激活自噬可增强可溶性或纤维状Aβ的清除，但运动能否通过调控自噬水平促进脑内Aβ清除，也是今后需要解决的重要问题之一。

阿尔茨海默病；β淀粉样蛋白；自噬

阿尔茨海默病（alzheimer’s disease，简称AD）是一种以β淀粉样蛋白（amyloid-β，简称Aβ）和tau蛋白异常磷酸化为特征的渐进性神经退行性疾病。研究发现，AD中β淀粉样蛋白前体蛋白（amyloid β-protein precursor，简称APP）水解紊乱造成Aβ积聚，是造成AD的主要原因。目前，我国AD患者约600余万人，AD已经成为当代医学亟待解决的重要问题，但是目前尚无治疗AD的特效药物。研究发现，运动对预防、缓解AD具有一定的作用，但其机制尚不清楚。本文对Aβ的产生、清除及其毒性机制进行综述，并从以上3个角度探讨运动对Aβ的调节作用。

1 Aβ的产生、结构及神经毒性机制

Aβ是由APP在蛋白水解酶的作用下水解产生的蛋白片段。APP首先在β分泌酶的作用下，断裂APP671与APP672之间的肽键，形成sAPPβ和C99，C99在γ分泌酶的作用下继续分解形成Aβ和AICD，此途径产生的Aβ具有很强的神经毒性作用。APP在α分泌酶的作用下，断裂Aβ序列内lys16-leu17位点的肽键，破坏Aβ结构，抑制Aβ产生。Aβ主要存在Aβ40和Aβ42两种形式，其中，Aβ42毒性最强，可诱发病理过程中各级联反应，导致AD产生。Aβ40和Aβ42均经历了从可溶性Aβ到不溶纤维状Aβ的转变[1]。

正常情况下，Aβ的产生和降解处于动态平衡状态；病理条件下，APP的2条水解途径出现异常，Aβ含量显著增加，达到正常值的4～10倍。Aβ浓度过高诱导神经细胞产生氧自由基，导致活性氧（reactive oxygen species，简称ROS）增加，过量的ROS引发神经细胞氧化应激损伤，造成抗氧化系统受损，细胞膜结构改变，膜功能出现障碍等。一方面，自由基与多不饱和脂肪酸作用，引发脂质过氧化，导致Ca2+大量内流，抑制Na+-K+-ATPase和Ca2+-Mg2+-ATPase，导致ATP异常活跃，引发神经元损伤；另一方面，自由基可导致线粒体DNA损伤，降低细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase，简称COX）活性，导致细胞色素c释放和半胱胺酸天冬氨酸蛋白酶（caspases）活化，诱发细胞凋亡。OHYAGI等[2]研究发现，Aβ还可以直接增加p53含量、转录活性及稳定性，促使细胞色素c释放，诱发细胞凋亡。另外，Aβ积聚还可以激活小胶质细胞，分泌大量炎症因子和神经毒性物质，如白细胞介素1（IL-1）、肿瘤坏死因子-α转化酶（TNF-α）等，引起脑内炎症反应，造成神经元损伤[3]。

2 运动对Aβ的影响

ADLARD等[4]发现，1月龄TgCRND8转基因AD雌性小鼠在进行5个月自主跑轮运动后，Aβ斑块、Aβ40和Aβ42蛋白表达均降低，其学习记忆能力增强。WANG等[5]发现，采用2月龄C57BL/6小鼠通过侧脑室注射Aβ25-35法进行AD造模，12天自主跑轮运动显著改善了AD小鼠空间记忆能力的损害。HYUN等[6]发现，以13月龄NSE/APPsw转基因AD小鼠为研究对象，强度为13 m/min、为期16周的跑台训练可显著降低小鼠脑内Aβ42水平，抑制凋亡相关因子表达，上调BDNF、GLUT-1蛋白表达，促进SOD-1、HSP-70、GRP-78等蛋白表达。LIU等[7]发现，在选用3月龄APP/PS1转基因小鼠进行为期5个月、45%～55%VO2max的跑台训练时，跑台运动可显著抑制其AD病症，减少Aβ沉积。综上，不管是自主运动还是被动运动，中低强度的有氧耐力运动可以减少Aβ沉积，有效缓解AD发病进程，但其具体生物学机制尚不清楚。本文将从运动减少Aβ产生、促进Aβ清除、抑制Aβ毒性作用3个方面进行探讨。

2.1 运动减少Aβ的生成

APP在β，γ分泌酶的共同酶切下形成Aβ，而在α，γ分泌酶的双重裂解下抑制Aβ产生。因此，α，β和γ分泌酶表达及活性的平衡在Aβ生成中起重要作用，是抑制Aβ堆积的重要靶点。运动训练对Aβ水平的调节是否通过改变α，β和γ分泌酶表达及活性来完成的呢？

YU等[8]发现，8周跑台运动（v=0.9 km/h）降低了腹腔注射D半乳糖造模AD大鼠的Aβ42水平，同时促进了ADAM10 mRNA（α分泌酶）表达，且抑制了BACE1 mRNA（β分泌酶）表达。KANG等[9]研究也发现，12周跑台运动（v=12 m/min）降低24月龄PS-2转基因鼠β分泌酶水平，减少Aβ42沉积。说明，运动可通过提高α分泌酶水平和抑制β分泌酶水平来抑制Aβ生成，其生物学机制可能与适宜的体育运动可通过激活AMPK，从而下调β分泌酶表达有关[10]。同时，还可能与运动通过激活Sirt1蛋白表达从而促进α分泌酶活性[11]，促使APP水解途径向非Aβ途径转移，减少Aβ生成有关。

γ分泌酶既参与APP水解途径，又参与非APP水解途径，是研究AD的一个重要靶点，但关于γ分泌酶的研究仍存在争议。XU等[12]研究发现，6周自主跑轮运动结合抗氧化治疗对APP/PS1转基因鼠海马内γ分泌酶蛋白表达的影响不明显。但本实验室前期研究发现，8周的跑台运动（v=0.9 km/h）上调ADAM10 mRNA的表达，下调BACE1 mRNA、PS1mRNA（γ分泌酶）的表达，减少Aβ的生成[13]。以上研究结果不一致，其原因可能是：（1）运动方式不同，前者在有氧训练的基础上结合抗氧化治疗，抗氧化治疗可能会干预运动训练的效果；（2）所选AD模型不同，后者采用腹腔注射D-半乳糖造AD模型，并不能完全模拟AD症状；（3）指标所选检测方法不同，γ分泌酶包括4个亚基：PS1、PS2、NCT和APH1，后者仅检测了γ分泌酶中PS1的mRNA表达，并不能代表γ分泌酶蛋白表达及其活性的变化。

2.2 运动促进Aβ的清除

生成的Aβ未能及时清除是造成Aβ堆积的另一原因。Aβ清除主要包括胞外降解、胞内吞噬、转运清除和细胞自噬等方式，运动训练是否可以通过以上几种方式清除Aβ呢？

Aβ胞外降解酶包括脑啡肽酶（neprilysin，简称NEP）、胰岛素降解酶（insulin degrading enzyme，简称IDE）等，经质谱分析，这些降解酶均含有多个Aβ分裂位点。MAESAKO等[14]研究发现，10周自主跑轮运动特异性上调高脂膳食的APP转基因鼠脑内NEP表达，显著降低其Aβ沉积。LAZAROV等[15]也发现，5个月自主跑轮运动增强了APP/PS转基因鼠脑内NEP活性，降低Aβ水平，其原因可能是运动调节NEP上游分子或在翻译后水平调节NEP表达，但具体生物学机制仍需进一步研究。运动降低Aβ水平不但与NEP有关，也可能与IDE的表达有关[16]，运动可以通过增强胰岛素敏感性，上调IDE活性，降低Aβ的水平[17]。

在AD脑中，小胶质细胞可以选择性吞噬原纤维状Aβ，调节Aβ水平。AMBREE[18]等研究发现，长期自主跑轮运动减少了Aβ沉积，增加了小胶质细胞数量，激活其吞噬功能。KE等[19]发现，5周跑台运动可以激活APP/PS转基因鼠小胶质细胞，减少Aβ肽水平，但不能降低Aβ沉积，推测其原因可能与运动后ATP变化有关。

促进Aβ从脑内向血液流出、抑制Aβ从血液向脑内流入是减少脑内Aβ水平的重要手段。低密度脂蛋白受体相关蛋白-1（Low-density lipoprotein receptor-related protein-1，简称LRP-1）是血脑屏障转运重要受体，近来研究表明，LRP-1调节了AD脑中Aβ的清除[20]。目前为止，关于运动调节LRP的研究并不多，研究人员仅研究了运动后血液及肝脏内的LRP增多[21]，其机制可能为运动提高肝脏内过氧化物体增值活化受体α（peroxisome proliferator-activivated receptor α，简称PPAR α）的转录水平和翻译水平，PPAR α诱导LRP的表达[22]，而关于运动对AD脑内血脑屏障及脑细胞表面LRP影响的研究仍是空白。

自噬（autophagy）是进化上高度保守的，溶酶体依赖性降解代谢机制，通过清除和降解细胞内受损细胞器、细胞毒性蛋白等维持细胞内环境稳态和提供细胞代谢所必须的底物。近来很多学者将研究重点放在自噬与AD的关系上，发现自噬是清除Aβ积聚的一个关键途径。研究证实，雷帕霉素可以抑制mTOR，从而激活自噬水平，增强可溶性或纤维状Aβ的清除，改善AD模型鼠学习记忆能力的下降[23]。同时有研究也发现，运动可以提高Bcl-2转基因鼠脑内自噬水平[24]，但是运动是否通过提高AD脑内自噬水平来促进Aβ清除、缓解AD仍需研究证实。

2.3 运动抑制Aβ的神经毒性

Aβ诱导的氧化应激[25]、炎症反应[3]、细胞凋亡[2]等是造成神经元损伤、认知功能下降的主要原因。运动可以改善海马神经元认知功能损害，其机制为运动抑制了AD脑内的氧化应激、炎症反应和细胞凋亡等。

FELICE等[25]研究发现，Aβ可以结合NMDA-R的NR1亚单位，激活NMDA-R，导致胞内Ca2+紊乱，刺激ROS。而适宜的运动可以通过提高机体抗氧化能力增强线粒体供能，抑制ROS诱导的神经毒性。一种观点认为，运动可以通过增强海马内抗氧化酶活性，抑制ROS水平[26]；另一观点认为，运动减少了氧化应激的标记性蛋白——活性羰基衍生物（reactive carbonyl derivatives，简称RCD）的表达，下调羰基衍生物表达，抑制AD发展[27]。同时，还有观点认为，运动可以上调海马内线粒体膜上解耦联蛋白（uncoupling protein-2，简称UCP2），抑制ROS的生成[28]；AD脑内Aβ也可以引起炎症反应，扰乱神经元功能[3]；3个月跑台运动（12 m/min或19 m/min）可以通过抑制AD脑内炎症因子IL-1β、IL-6和TNF-α来提高认知能力，改善海马功能[29]。

而且，运动可以抑制Aβ异常沉积引起的细胞凋亡，改善海马功能的损害。HYUN等[7]发现，选用NSE/APPsw转基因AD鼠作为研究对象，强度为13 m/min、为期16周的跑台运动逆转了AD鼠脑内细胞色素C、caspases-9、caspases-3表达的上调，抑制了脑功能损伤。一方面，运动可以通过上调Bcl-2表达或Bcl-2/Bax比值，抑制caspases级联反应；另一方面，也可以通过抑制p53基因，抑制细胞凋亡。同时，晚期糖基化终末产物受体（receptor of advanced glycation end product，简称RAGE）、P75神经营养因子受体可以与Aβ结合促进细胞凋亡，而运动可以抑制RAGE表达，抑制细胞凋亡。

3 小结与展望

Aβ生成及存在的多种状态都会产生神经毒性，Aβ生成与清除的动态平衡，以及抑制Aβ神经毒性在AD治疗过程中起了重要作用。运动训练作为一种特殊的干预方式，可能通过减少Aβ生成、促进Aβ清除、抑制其神经毒性等预防和延缓AD发病进程。但目前体育科学与运动医学领域内有关Aβ与阿尔茨海默病的研究还较少，还有很多生物学机制尚不清晰。如中低强度有氧耐力运动可有效缓解AD，但抗阻运动对于缓解AD病症是否仍具有积极意义呢？其生物学机制又是什么呢？多种运动模式对AD产生的作用影响是否优于单一运动模式？细胞自噬与AD发生之间存在密切关系，那么运动训练预防和缓解AD是否是通过调控细胞自噬发生而实现的呢？Aβ异常堆积可引发线粒体结构与功能异常，导致ROS及细胞色素C的大量释放，适宜的体育运动能否通过增强线粒体自噬来吞噬受损线粒体，缓解AD症状呢？相信这些问题的解决将有助于人们更加充分地熟知运动状态下，Aβ与阿尔茨海默病之间的生物学关系，并为以后通过运动训练的方法预防和缓解阿尔茨海默病的发生提供理论上的依据。

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Possible Molecular Mechanism of Exercise Prevent Alzheimer's Disease by Regulating β-amyloid

ZHANG Xianliang，XU Bo，JI liu，YU Feng，SUN Liyan
（Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention，Ministry of Education，East China Normal University，Shang⁃hai 200241，China）

Alzheimer's disease（AD）is a common neurodegenerative disorder.The excessive expression and abnormal aggregation of amyloid-β peptide has been regarded as one of the main causes leading to development of Alzheimer’s disease.Based on amyloid-β cascade hypothesis，we expounded the regula⁃tion of α-，β-，γ-secretases in amyloid-β generation；reviewed the neurotoxicity of different aggregation states and toxicity mechanism of amyloid-β.Wheth⁃er voluntary exercise or forced exercise，low intensity aerobic exercise could prevent from Alzheimer's disease by regulating amyloid-β，however，the mecha⁃nism was not clear.Therefore，this paper discussed that exercise inhibited amyloid-β generation by regulating α-，β-，γ-secretases；exercise promoted amy⁃loid-β elimination with degradation，phagocytosis and clearance；exercise refrained amyloid-β neurotoxicity by regulating antioxidant，Anti-inflammation and apoptosis.However，there was no animal experiment that resistance exercise could play a positive effects to AD.Autophagy plays an important role in de⁃velopment of AD.Activation of autophagy could clear more soluble or fibrous amyloid-β.However，whether could autophagy suspend AD following exercise，which is a research emphasis in the future?

Alzheimer's disease；amyloid-β；autophagy

2013-10-12；

2014-01-18；录用日期：2014-01-19

国家自然科学基金项目（项目编号：31371204）

张宪亮（1987-），男，山东德州人，在读博士研究生，研究方向为体育学习与身心健康。

华东师范大学体育与健康学院“青少年健康评价与运动干预”教育部重点实验室，上海200241。

G 804.5

A

1005-0000（2014）01-006-04