生物化學與生物物理進展1999年第26卷第2期
北京醫科大學生化與分子生物學系，北京（100083）
陳培利 童坦君 張宗玉
摘 要 Alzheimer氏病（AD）是壹種發生於老年人群的原發性退行性腦病，其特征性病變為細胞內神經纖維纏繞（NFT）及細胞外老年斑（SP）．構成SP的主要成分β澱粉樣多肽（βA）為壹由澱粉樣前體蛋白（APP）剪切而來的分子質量約為4ku的多肽，其神經毒性可能由其氧化作用和在脂質雙層中形成的Ca2＋通道所致．APP的功能目前尚未完全明了，可能具有促進細胞粘附、維護突觸膜穩定性等功能．APP主要通過兩種途徑進行加工修飾：壹為分泌途徑，由壹些假定的分泌酶催化；另壹為胞內體-溶酶體途徑．在形成SP的βA中，較長者比短者更易聚集，因此壹些APP突變由於能夠釋放出更多的較長的βA或者使較短的βA生成量增加而致發家族性AD．壹些可能在APP的代謝中起著重要作用的因素，如早衰蛋白的突變，也可通過增加βA的生成量而致發AD．
關鍵詞：Alzheimer病 β澱粉樣前體蛋白 β澱粉樣多肽
Alzheimer氏病（Alzheimer sdisease，AD）是發生於老年人群的壹種原發性退行性腦病，65歲以上的老年人口發病率約為5％～10％．患者的思維及記憶功能首先受累，而後出現情感及行為的異常．隨著病情的加重，患者日常生活不能自理，直至病程後期臥床不起．該病自然病程約為3～15a（年），自1907年Alois alzheimer首次描繪該病病例以來，有諸多研究者對其危險因素和發病機理進行了深入的探討，但至今尚無確切的說明．該病的病理學改變主要有廣泛的神經元的減少或丟失（尤其在皮層及海馬）、細胞內神經纖維纏繞（neurofibrillary tangles，NFT）、細胞外老年斑（senile plaque，SP）及嗜剛果紅的澱粉樣腦血管病變（cerebral amyloid angiopathy，CAA）（主要累及軟腦膜和皮層血管）．目前，隨著社會人口預期壽命的延長，該病越來越成為影響老年人精神健康的重要問題之壹．
近年來關於澱粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）對AD影響的研究報道甚多．APP的剪切產物，β澱粉樣多肽（β-amyloidpeptide，βA），是構成ADSP的主要成分．APP作為壹種管家基因在人體的多種組織中均有表達，但其功能目前尚不清楚．APP的高表達及某些突變可以引發某些家族的早發性AD，故此APP的致病作用受到了充分的重視．
1 APP剪切產物———βA及其在AD中的作用
構成SP及CAA的主要成分是由APP剪切而來的分子質量約為4ku的多肽，因其呈β片層結構（β-pleated sheet），故文獻中將其稱為Aβ、βA或βA4．βA由39～42／43個氨基酸殘基組成，體外人工合成的βA可以自發聚集成為呈澱粉樣結構的纖維．免疫組織化學實驗證明，在SP（及NFT）中尚存在有其他蛋白質成分，如α1抗糜蛋白酶（α1-antichymotrypsin）、載脂蛋白（apolipoprotein，Apo）E、載脂蛋白J（ApoJ）等．這些蛋白質成分可以促進βA的聚集過程，故被稱之為陪伴蛋白（chaperone protein）．
雖然目前對於βA聚集物在AD中的作用尚未取得壹致意見，有些實驗確實觀察到其對神經元細胞具有直接或間接的毒性作用．這種毒性作用可能由：a.氧化作用所致〔1〕．此氧化作用可能由高級糖基化終產物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）所介導〔2〕．b.βA能夠在脂質雙層中形成獨特的Ca2＋通道．這種通道可以影響或消除膜兩側的離子梯度進而影響神經元的功能〔3〕．c.βA尚能夠誘導培養的神經元細胞發生雕亡．組織學檢測也發現AD的腦組織具有細胞雕亡 的某些形態學特征，如染色質固縮、核碎裂等．並且，上述雕亡現象與bcl-2基因的表達異常相關．然而Yamatsuji等〔4〕卻發現高達50μmol／L的βA（1～40或42）並不能引起COS-NK1細胞發生雕亡，而由於APP發生London突變（APP695：V642-I／F／G）所致的功能異常則可能是引起雕亡原因．故而Yamatsuji〔4〕及Ikezu等〔5〕認為異常的APP-G0信號傳遞作用可能是致發AD的原因，而由βA聚集形成的澱粉樣斑塊則不過作為附屬產物，僅為AD的表現之壹而已．後壹組研究者隨後的研究進壹步證實突變的APP695（V642-I／F／G）可以通過與G0（V642-F）羧基端耦聯而對cAMP反應元件（cAMP response element，CRE）具有負性調控作用．
在形成SP的βA中，含42～43個氨基酸殘基者比含40個氨基酸殘基的βA更易形成澱粉樣纖維，因此某些APP的突變體（如London突變體）由於能夠釋放出更多的較長的βA〔6〕，而導致其攜帶個體發生早發性家族性AD（EOAD）．這些較長的βA片段可能首先聚集而後在其基礎上較短的βA片段進壹步沈積而形成SP．因此，另外壹些APP突變體則可能是通過增加含40個氨基酸殘基的βA的生成量而致發EOAD的〔7〕．
除了上述APP自身基因外，某些基因的突變也可影響其剪切過程及βA的生成．早衰蛋白（或早衰素，pre senilin，PS）1及PS2均為跨膜蛋白，其基因分別定位於14q24.3及1號染色體上，結構高度同源（67％）．同APP壹樣，PS在人體的多種組織也有廣泛的表達，但其功能亦尚未確定．在已知的EOAD家族中，70％以上的病例含有PS1及PS2的突變．目前已檢出的PS1及PS2的誤義突變分別有40余種和2種之多．雖然PS（PS1）的這些突變發生在遍布PS的各區域中，但目前為止尚未發現其對PS自身的剪切具有廣泛的影響．由於PS的突變，其攜帶者βA42的生成量增加，從而導致其攜帶者在較早的年齡（40～50歲）即發生AD，這在轉染細胞及轉基因鼠中也均已得到證實〔8〕．究其原因，可能在於：PS在APP的正確折疊和細胞中的分揀（sorting）、定位中起著重要作用〔9〕，其結構或功能的缺陷影響了APP的轉運和酶切加工，從而導致βA42的生成增加；或者，PS作為壹種可能的離子通道（Ca2＋）其突變導致通道的開放異常〔10〕，從而導致細胞的功能異常，甚至雕亡．
2 APP及其功能
如前所述βA是由其前體蛋白APP剪切生成的，APP為壹跨膜糖蛋白，結構類似於細胞表面受體．APP基因定位於21q21.2，與遺傳學連鎖分析定位的EOAD基因位點相重疊．APP基因至少由18個外顯子組成，其轉錄產物的剪接方式不同可以生成若幹種APP的亞型．其中最主要的三種為APP695，APP751，APP770（數字表示氨基酸殘基數目）．以上三種亞型中均包含了βA多肽的部分．三者的差別在於後兩者分別包含了Kanitz蛋白酶抑制物序列（Kanitz protease inhibitor，KPI，exon7）和KPI及MRCox-2抗原序列（exon8）．APP作為壹種管家基因（housekeeping gene）在多種組織中均有所表達，但不同組織的APP亞型有所不同，如腦組織中主要為APP695，並且有實驗證明在AD患者的腦組織中有APP亞型分布失調的現象．
綜合目前資料，APP可能具有促進細胞粘附、維護突觸膜穩定性、抑制絲氨酸蛋白酶活性及參與中樞神經系統免疫反應等功能．APP可能以位於氨基端的96～110位氨基酸殘基的肝素結合區與細胞外基質中的硫酸類肝素蛋白多糖（hepran sul-phate proteoglycans），層粘連蛋白（laminin，LN）及膠原Ⅳ等相結合而具有參入細胞粘附的功能．在培養細胞中APPs（soluble aPP）具有保護神經元免受βA毒性和促進細胞存活、生長以及刺激神經元軸突長成的作用．嚴重的腦外傷可致APP表達增加，提示APP可能在腦組織損傷後的修復中發揮壹定的作用．但是令人費解的是腦外傷同時又是AD的危險因素之壹，因此APP表達增高在神經組織修復中的意義有待於進壹步研究．存在於血小板α顆粒中的APP在血小板被激活時可以釋放出APPs，後者是否參入組織修復目前亦尚屬未知．另外，APPs中包含的絲氨酸蛋白酶抑制物（KPI）（或NexinⅡ蛋白酶）序列具有抑制血小板凝血因子Ⅺa及激肽釋放酶（Kallikrein）活性的作用，APPs由此可能參入凝血進程的調節．APP（APPs）另壹重要的功能是其可以調節神經元細胞內的Ca2＋濃度，從而影響神經元對谷氨酸（GLU）的應答過程〔11〕．GLU是壹種對發育過程中突觸發生及成人的學習記憶過程起重要作用的興奮性神經遞質．AD患者早期出現的思維及記憶功能障礙是否與APP未能有效抑制βA形成的Ca2＋通道的作用相關目前尚無說明．
3 APP的加工及代謝
APP主要通過兩種途徑進行加工修飾：壹為分泌途徑，另壹為胞內體-溶酶體途徑．APP的初級翻譯產物經硫酸化、磷酸化及糖基化等加工修飾後成為成熟的APP分子．分泌方式的剪切發生在相當於βA的16～17位氨基酸殘基之間，由假定的α分泌酶（secretase）催化裂解成為由膜外部分構成的分泌片段（APPs）和仍與膜相連的分子質量為10ku的羧基端片段（P10）．因兩片段均不含完整的βA，故該方式不會導致SP的形成．另外壹種不同於α分泌酶的β分泌酶則可在毗鄰βA氨基端的位置切斷APP，生成壹截短的APPs和壹包含βA的分子質量約為11ku的羧基端片段（P11），後者又可被γ分泌酶在βA的羧基端降解釋放出βA．壹些引起EOAD的APP突變，如London突變（APP695：V642-I／F／G），Swedish突變（APP695：L595-N，M596-L）等，因其發生在鄰近βA處分泌酶的作用位點上，致使生成βA片段延長或生成量增加而引發EOAD．如在α分泌酶的作用位點處引入雙突變可使APP的分泌下降．以該突變的APP基因制備的轉基因鼠在皮質、海馬等區出現神經細胞壞死等病變，實驗動物出現隨轉移的APP基因表達增高而加重的多種精神癥狀〔12〕．在正常培養細胞的培養液及無智力障礙者的腦脊液中均有βA的存在不僅改變了即往認為βA只來自APP異常剪切的概念，而且也支持上述β，γ分泌酶剪切活性的存在．這些“正常”的βA氨基端及羧基端的氨基酸構成都有顯著的異質性，這或許是不同分泌酶作用的序列特異性不同或者是壹類酶作用的結果〔13，14〕．近年來對上述各種（類）分泌酶進行了眾多的研究並獲得壹些成果，如β分泌酶的序列特異性較高，僅作用於錨定於質膜上的底物；γ分泌酶的序列特異性則較低等等〔15〕．以上發現或許能夠說明為何βA的羧基端更具異質性．此外，也發現了壹些具有上述活性的酶，如明膠酶（geltinase）A就具有β分泌酶的活性〔16〕．但目前為止這些分泌酶的細胞定位及作用方式尚不清楚．
由於細胞表面標記的APP可被細胞攝取，並且在胞內體-溶酶體中有完整的APP及P10等更大的羧基端片段的存在，因而有理由認為APP及其與膜相連的羧基端剪切產物可被內化攝取並進壹步降解．由於亮抑酶肽等溶酶體酶抑制劑可以使包含βA的壹系列羧基端片段生成量增加，故此這壹系列的羧基端片段可能是在溶酶體中剪切形成的．這些羧基端片段可能被溶酶體中的其他酶，如組織蛋白酶（cathepsin）S等，進壹步降解而釋放出βA〔17〕．由於刪除胞質內段的APP分子仍可產生APPs及βA，部分APP分子也可能直接由反式Golgi網定向於胞內體-溶酶體而進行加工剪切．布雷菲得菌素（brefeldin）A可完全抑制βA的產生也表明APP在Golgi體中轉送為產生βA所必需．但究其何種機制調節APP分子的分揀和細胞內的定位並進而影響βA的生成目前未見報道．
關於影響或調節βA生成的機制目前知之甚少，跨膜信號傳遞可以影響APP的不同剪切方式．如蛋白激酶A（PKA）〔18〕、蛋白激酶C（PKC）〔19〕激活時可以使APPs的釋放增加，βA的生成減少．但由於APP本身並無磷酸化狀態的改變（PKC），該過程可能是通過激活另壹種蛋白（可能是α分泌酶）而發揮作用．上述跨膜信號可由神經遞質、生長因子及細胞因子與相應的受體結合後介導．如乙酰膽堿及5-羥色胺（serotonin）在與相應的受體（分別為muscarinic receptors M1 and M3及5-HT2aand5-HT2c〔20〕）結合後即表現出上述效應．但該方面的詳細機制尚有待於進壹步闡明．
總之，隨著對APP生理功能的了解及代謝加工機制的研究，APP及βA在AD中的作用將日漸明了，從而可能找到壹些治療和預防措施以阻斷或減緩AD進程．