阿爾茨海默病基因多態(tài)性研究進展

王瑞華劍非

作者單位：110004遼寧省沈陽市，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科

劍非 教授

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一種以進行性認(rèn)知功能障礙和記憶損害為主的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。遺傳因素對AD的影響預(yù)計高達80%［3］。AD組織病理學(xué)特征主要為神經(jīng)元大量減少以及老年斑（senile plaques，SP）和神經(jīng)元纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs）形成。 β-淀粉樣蛋白（βamyloid，Aβ）由 β-淀粉樣前體蛋白（β-APP）通過蛋白水解產(chǎn)生。SP由Aβ沉積而成，主要分布在大腦皮質(zhì)、海馬、杏仁核等區(qū)域，對神經(jīng)元和突觸具有毒性作用，可以破壞突觸膜，引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡。NFTs是AD另一個重要的病理特征，多出現(xiàn)在皮質(zhì)海馬及Meynert基底核神經(jīng)元中，主要由維持正常軸漿運輸和軸突生長所必需的細(xì)胞內(nèi)微管相關(guān)蛋白（Tau蛋白）異常磷酸化形成。

AD按發(fā)病年齡不同可分為2種類型：發(fā)病年齡＜65歲者為早發(fā)型AD（early-onset AD，EOAD），僅占AD總數(shù)的1%～6%［2］；發(fā)病年齡＞65歲者為遲發(fā)型 AD（late-onset AD，LOAD），約占 AD 總數(shù)的 95%左右［3］。EOAD多為家族性，具有遺傳和家族聚集傾向；LOAD多為散發(fā)性，受復(fù)雜的遺傳和環(huán)境因素共同影響。目前研究發(fā)現(xiàn)，EOAD主要與 APP、早老素（presenilin，PSEN）1、PSEN2 基因突變有關(guān)［4］；而載脂蛋白 E（ApoE）基因與LOAD相關(guān)［5］。隨著全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association study，GWAS）的進展，更多的AD遺傳風(fēng)險基因受到關(guān)注。

1 EOAD相關(guān)基因多態(tài)性

1.1 APP APP基因位于染色體21q21.3，對其全部編碼區(qū)行直接測序發(fā)現(xiàn)，APP基因突變均發(fā)生在APP的第16、17號外顯子上，突變形式包括 V717I、A673T、K670N／M671L、E682K、E693G 等［6］。 生理狀態(tài)下，APP可在α-分泌酶和γ-分泌酶的作用下水解為非致病性片段，也可被β-分泌酶及γ-分泌酶水解為2種Aβ短肽，即 Aβ42（10%）和Aβ40（90%），后兩者在細(xì)胞外聚集形成SP［7］。E693G突變導(dǎo)致Aβ肽自我聚集及纖維形成增加［8］。 K670N／M671L、E682K、V717I突變可調(diào)整或轉(zhuǎn)移切割位點至β-分泌酶切割位點，從而增加Aβ42／40的生成［9］；V717I突變還可以使Tau蛋白過度磷酸化，從而導(dǎo)致SP和NFTs形成，引起細(xì)胞凋亡。但也有研究表明，A673T突變可降低AD的發(fā)病率［10］，而同一位點的變體A673V在純合子狀態(tài)可導(dǎo)致EOAD的發(fā)病風(fēng)險增加，但在雜合子狀態(tài)可降低AD的發(fā)病風(fēng)險［11］。

1.2 PSEN PSEN有PSEN1和PSEN2兩種形式，其基因分別位于染色體14q24.3和染色體1q13～q42。PSEN1和PSEN2是γ-分泌酶復(fù)合體的重要組成部分。PSEN1和PSEN2基因主要通過以下3種病理機制影響AD：（1）抑制內(nèi)切蛋白酶水解，從而減少Aβ蛋白前體（AβPP）在細(xì)胞內(nèi)的釋放；（2）影響水解位點優(yōu)先分解AβPP；（3）產(chǎn)生較長的 Aβ 肽［12］。 有研究證明，PSEN1的親水性環(huán)狀結(jié)構(gòu)域，尤其是TDM6和TDM7之間結(jié)構(gòu)的缺失會導(dǎo)致PSEN1的構(gòu)象改變，進而使Aβ42生成增多，Aβ42／40 的比例升高［13］。 有研究發(fā)現(xiàn)，LOAD 病人也會出現(xiàn)PSEN1或PSEN2基因突變。

2 LOAD相關(guān)基因多態(tài)性

目前已被鑒定出有約30個位點與LOAD基因多態(tài)性相關(guān)［14］，其中許多基因的功能尚不清楚。且與等位基因ApoE的效應(yīng)量相比，在GWASs中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)易感位點表現(xiàn)出較小的效應(yīng)量。這些基因的分子功能大致集中在以下幾個途徑中：（1）脂質(zhì)代謝相關(guān)通路，包括ApoE、叢生蛋白（CLU）和ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白A7（ABCA7）；（2）免疫應(yīng)答通路，包括髓系細(xì)胞分化抗原33（CD33）、補體受體1型（CR1）、人跨膜蛋白4結(jié)構(gòu)域亞家族（MS4A）及髓系細(xì)胞觸發(fā)受體2（TREM2）；（3）內(nèi)吞作用，包括橋聯(lián)整合1（BIN1）、磷脂酰肌醇結(jié)合網(wǎng)格蛋白組裝蛋白（PICALM）、分揀蛋白受體1（SORL1）及CD2相關(guān)蛋白（CD2AP）。與常染色體顯性遺傳AD不同，這些基因不能獨立預(yù)測疾病。但多種因素的疊加可能會影響AD的易感性。有研究稱，這些因素的聚集可使AD發(fā)病年齡提前10年［15］。

2.1 脂質(zhì)代謝相關(guān)基因多態(tài)性

2.1.1 ApoE：ApoE基因多態(tài)性被認(rèn)為是LOAD主要的易感因素。ApoE基因位于染色體19q13.2，含有4個外顯子，其中第一外顯子不編碼氨基酸，剩余外顯子以ε2、ε3和ε4三種常見的等位形式存在，共6種不同的基因型（ε2／2、ε2／3、ε2／4、ε3／3、ε3／4、ε4／4）。 ApoE基因頻率和表現(xiàn)型有種族和地域的差別。ApoE主要在肝臟中合成，腦中的ApoE由星形膠質(zhì)細(xì)胞合成和分泌。Strittmatter等［16］于1993年首先報道了ApoE基因型ε4是AD的高危因素和易感基因，且性別、年齡、劑量效應(yīng)均影響患病風(fēng)險。

研究表明，ApoE亞型以特異性的方式影響Aβ的沉積和神經(jīng)毒性作用，其中ApoE ε3通過防止Aβ沉積保護神經(jīng)元；而ApoE ε4則促進Aβ的沉積，從而發(fā)揮神經(jīng)毒性作用，這也是ApoE ε4作為AD獨立危險因子的重要原因［5］。

ApoE與Tau蛋白相互作用具有異構(gòu)體特異性，ε3可通過與Tau蛋白微管結(jié)合形成較為穩(wěn)定的復(fù)合體，減少其磷酸化，促進軸突生長；ε4則缺乏結(jié)合Tau蛋白的能力，易引起微管解聚，抑制軸突生長及神經(jīng)變性后正常神經(jīng)元的代償重建，加速NFTs的形成，這是ApoE ε4 與 AD 相關(guān)的重要原因［17］。

但目前ApoE ε4通過影響Aβ的沉積及Tau蛋白磷酸化影響AD的相關(guān)機制仍停留在實驗、假說階段，ApoE與AD相關(guān)的生物學(xué)機制仍需進一步研究。

2.1.2 CLU：CLU是載脂蛋白的一種，其基因位于染色體8p21.1。該蛋白在腦組織中表達較高，是僅次于ApoE的第二大載脂蛋白，作為一種應(yīng)激活化的伴侶蛋白，參與許多生物學(xué)過程，如脂質(zhì)轉(zhuǎn)運、膜保護、神經(jīng)元細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、細(xì)胞凋亡、補體調(diào)節(jié)等。CLU mRNA在 AD 病人腦組織中表達增加［18］。 DeMattos 等［19］在CLU缺陷的APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦組織中發(fā)現(xiàn)，纖維斑塊形成降低，營養(yǎng)障礙型軸突減少，可溶解Aβ的水平改變。所以，CLU可能影響Aβ的清除，導(dǎo)致淀粉樣蛋白沉積，從而產(chǎn)生神經(jīng)毒性。

2.1.3 ABCA7：ABCA7是ABC轉(zhuǎn)運蛋白超家族成員之一，其功能是跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運底物，在腦小膠質(zhì)細(xì)胞中表達最為豐富。ABCA7位于染色體19p13.3，可通過交替剪接產(chǎn)生2個轉(zhuǎn)錄本：rs3764650和rs4147929，這2個轉(zhuǎn)錄本都在大腦中表達，其中rs3764650與AD大腦中的神經(jīng)元斑塊負(fù)擔(dān)有關(guān)［20］。尸檢腦組織中ABCA7 mRNA表達也與晚期認(rèn)知功能下降有關(guān)［21］。ABCA7在脂質(zhì)從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運到脂蛋白顆粒的過程中起作用，刺激膽固醇外排，抑制Aβ分泌。ABCA7還通過C1q補體途徑調(diào)控巨噬細(xì)胞吞噬凋亡細(xì)胞。

2.2 免疫應(yīng)答相關(guān)基因多態(tài)性

2.2.1 CR1：CR1編碼CR1蛋白，是補體反應(yīng)的一個組成部分，其基因位于染色體1q32。CR1在吞噬細(xì)胞（如紅細(xì)胞）上的表達可導(dǎo)致補體活化顆粒的攝取和清除。有研究證實，CR1通過補體系統(tǒng)參與小膠質(zhì)細(xì)胞及神經(jīng)炎癥過程，進而參與AD的Tau蛋白磷酸化病理過程［22］。Aβ通過補體因子C3b的介導(dǎo)與紅細(xì)胞表面的 CR1結(jié)合，并最終被紅細(xì)胞清除出循環(huán)系統(tǒng)［23］。既往研究表明，rs3818361和rs6656401內(nèi)含子基因的突變不直接參與蛋白的表達，但可能通過影響CR1基因的表達進而影響Aβ的清除［24］。rs3818361與 ApoE ε4轉(zhuǎn)運相關(guān)［25］。 尸檢腦組織中 CR1 mRNA的表達也與晚期認(rèn)知功能下降有關(guān)。

2.2.2 CD33：CD33編碼一種Ⅰ型跨膜受體，分布于外周組織的免疫細(xì)胞以及大腦的小膠質(zhì)細(xì)胞中，為SIGLEC凝集素家族的一員。GWASs分析顯示，CD33基因單核苷酸多態(tài)性（SNPs）與AD的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，AD病人CD33的表達上調(diào)，CD33陽性的AD病人小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量與Aβ42積累呈正相關(guān)［26］。CD33保護性等位基因rs3865444的表達水平減少與AD病人腦中不溶性Aβ42含量的減低有關(guān)。有研究表明，CD33可通過誘發(fā)人干擾素（INF）-α、白細(xì)胞介素（IL）-6、IL-8等炎癥因子，干擾炎癥反應(yīng)和突觸傳遞，并抑制Aβ的清除，造成Aβ在AD病人大腦中堆積，從而參與AD的發(fā)病進程［27］。此外，據(jù)報道，CD33的危險等位基因與TREM2表達水平的增加有關(guān)［28］。CD33抗體通過抑制CD33信號，降低TREM2的表達水平。因此，提示CD33可能通過調(diào)節(jié)TREM2的功能從而在AD的病理機制中發(fā)揮多效性作用。

2.2.3 TREM2：TREM2位于染色體6p21.1，編碼骨髓細(xì)胞（如小膠質(zhì)細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞）細(xì)胞膜的跨膜免疫受體。TREM2可通過損傷相關(guān)脂質(zhì)模式，增強小膠質(zhì)細(xì)胞對損傷細(xì)胞和Aβ沉積的免疫應(yīng)答［29］。 Lill 等［30］研 究 發(fā) 現(xiàn)， TREM2 rs75932628（R47H）可增加AD風(fēng)險（OR=5.73），這幾乎與ApoE ε4等位基因有同樣的效果，但這種風(fēng)險關(guān)系僅在高加索人群中存在，在亞洲人群中并未發(fā)現(xiàn)明確相關(guān)性。Jiang等［31］在我國漢族人群中發(fā)現(xiàn)TREM2 rs2234255（H157Y）可增加 AD風(fēng)險（OR=11.01），并且存在較高的等位基因頻率。另一研究發(fā)現(xiàn)，TREM2 rs143332484（R62H）也可增加 AD風(fēng)險（OR=2.36）［32］。 Carrasquillo 等［33］研究發(fā)現(xiàn)，rs9357347C 等位基因可降低 AD的發(fā)病風(fēng)險，增加 TREM1和TREM2在腦組織中的表達。

TREM2可與跨膜蛋白DAP12形成復(fù)合物，并通過DAP12傳遞信號識別細(xì)胞外配體。TREM2基因缺陷的AD模型小鼠組織中存在Aβ沉積，并且Aβ斑塊周圍小膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量明顯減少［34］。TREM2除作為受體外，還可參與細(xì)胞外蛋白水解，釋放出一種可溶性片段sTREM2。sTREM2可以在人類腦脊液中檢測到，可刺激小膠質(zhì)細(xì)胞存活和炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生［35］。由于這種變化可能反映了小膠質(zhì)細(xì)胞活化狀態(tài)的改變，因此腦脊液中TREM2有望成為神經(jīng)炎癥的潛在生物標(biāo)志物。

2.2.4 MS4A：MS4A包含多個與炎癥反應(yīng)相關(guān)的基因位點：MS4A4A、MS4A4E、MS4A6E，其基因位于染色體11q12.2。MS4A在結(jié)構(gòu)上與CD20相似。CD20調(diào)節(jié)B淋巴細(xì)胞抗原受體活化后的鈣內(nèi)流。MS4A基因在髓細(xì)胞和單核細(xì)胞中表達。LOAD的GWAS研究發(fā)現(xiàn)，rs983392（接近 MS4A4A）和 rs670139（接近MS4A4E）為AD風(fēng)險等位基因［36］。rs983392與LOAD風(fēng)險降低相關(guān)，而 rs670139則與之相反。MS4A6E mRNA表達和rs670139與AD腦組織中較晚期的Braak糾結(jié)和斑塊分期有關(guān)。然而，這一區(qū)域的功能性SNPs尚未被確定。

2.3 內(nèi)吞作用相關(guān)基因多態(tài)性

2.3.1 BIN1：BIN1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)吞和轉(zhuǎn)運、免疫反應(yīng)、鈣穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞凋亡。其基因位于染色體2q14.3，產(chǎn)生7個不同的轉(zhuǎn)錄本。GWAS發(fā)現(xiàn)，BIN1的SNPs增加LOAD 風(fēng)險［36］，包括 rs744373、rs7561528、rs6733839 和rs59335482等，其中rs744373和rs7561528位于BIN1編碼區(qū)上游超過25 kB的位置。rs7561528與嗅皮層及顳極皮層厚度有關(guān)［37］。rs59335482與rs744373存在連鎖不平衡，與AD腦內(nèi)BIN1 mRNA表達和Tau蛋白聚集相關(guān)，但與纖維纏結(jié)無關(guān)［30］。 Tan 等［39］對漢族人群進行序列分析發(fā)現(xiàn)，rs67327804和rs1060743與LOAD相關(guān)。在AD大腦中，BIN1 mRNA表達水平的升高與延遲發(fā)病和縮短病程相關(guān)。

BIN1可能在Tau蛋白的磷酸化進程中發(fā)揮作用。BIN1與微管結(jié)合蛋白CLIP-170相關(guān)，可改變Tau蛋白的磷酸化。BIN1通過修飾β-APP的囊泡運輸，參與網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。對BIN1缺陷小鼠研究發(fā)現(xiàn)，突觸囊泡循環(huán)和內(nèi)吞蛋白支架被修復(fù)［40］。盡管BIN1變異型的功能與AD一部分發(fā)病機制相關(guān)，但確切作用尚不明確。

2.3.2 PICALM：PICALM位于染色體11q14，產(chǎn)生23個不同的轉(zhuǎn)錄本。PICALM主要在神經(jīng)元中表達。rs3851179和rs541458與降低LOAD風(fēng)險相關(guān)［41］。然而，這些SNPs的機制仍有待確定。

干擾PICALM的表達影響APP在體外的轉(zhuǎn)運，而PICALM在體內(nèi)過表達促使AD轉(zhuǎn)基因小鼠Aβ沉積。PICALM可與自噬小體結(jié)合調(diào)節(jié) Aβ的清除［42］。因此，PICALM可調(diào)節(jié)Aβ生成和清除，從而影響Aβ在AD病人腦內(nèi)的沉積。

2.3.3 SORL1：SORL1 位于染色體 11q23.2，是Vsp10p結(jié)構(gòu)域受體家族的成員，由5個Ⅰ型跨膜受體組成。參與囊泡從細(xì)胞表面向高爾基內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的轉(zhuǎn)運。GWAS研究顯示，rs11218343可降低AD 風(fēng)險［41］。

SORL1參與APP裂解，在抑制Aβ形成中起到關(guān)鍵作用。SORL1缺陷小鼠體內(nèi)Aβ水平升高［43］。SORL1 mRNA在AD病人腦細(xì)胞中的表達降低［44］。SORL1也是一種脂蛋白（如ApoE）的受體，通過內(nèi)吞途徑介導(dǎo)攝取。因此，SORL1在控制APP裂解和ApoE攝取方面的作用可能對于維持大腦的信號功能至關(guān)重要。

2.3.4 CD2AP：CD2AP是參與細(xì)胞骨架重組和細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運的支架蛋白。CD2AP位于染色體6q12。rs9296559和rs9349407與LOAD風(fēng)險增加相關(guān)［36］。AD病人神經(jīng)元斑塊沉積與rs9349407相關(guān)［20］。但也有研究顯示CD2AP mRNA在AD病人神經(jīng)元中的表達沒有改變。在AD果蠅模型中敲除CD2AP果蠅同源基因可增強Tau蛋白神經(jīng)毒性［45］。CD2AP是突觸形成所必需的，CD2AP缺陷小鼠細(xì)胞的溶酶體功能也受損，這表明CD2AP是溶酶體囊泡轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵調(diào)控因子［46］。

3 總結(jié)

關(guān)于AD遺傳風(fēng)險因素的認(rèn)識，既往的研究多集中在神經(jīng)元細(xì)胞和Aβ斑塊、Tau蛋白之間的聯(lián)系。隨著基因組分析技術(shù)的進展，AD相關(guān)基因得到越來越多的認(rèn)識。關(guān)于神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞之間的聯(lián)系的研究也會越來越重要。AD病理過程非常復(fù)雜，有些基因?qū)ι窠?jīng)元有害，而有些則有神經(jīng)保護作用。因此，準(zhǔn)確定位相關(guān)基因特有的功能靶點可能會為未來AD的治療帶來突破性進展。一些研究者已經(jīng)開展了候選藥物的研究及臨床試驗。未來，我們需要更精準(zhǔn)地了解AD發(fā)病中的未知病理作用及過程，發(fā)掘新的診斷AD的潛在生物標(biāo)志物，為AD的診斷和治療帶來新的方向。