劉 琴 晏 勇

(重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經內科，重慶 400016)

至2012年為止，美國大約有540萬阿爾茨海默病(AD)患者，并且每69 s就會產生1例AD患者，到2050年，這個時間可能縮短至33 s〔1〕。流行病學調查發(fā)現糖尿病患者的AD發(fā)病率較無糖尿病者明顯升高〔2〕。Akiko等〔3〕研究證實糖尿病患者的認知功能與大腦內的胰島素信號受損有關。在AD的離體實驗及動物實驗中均發(fā)現胰島素受體(IR)和胰島素樣生長因子-1受體(IGF-1R)分布異?！?〕。AD患者的尸解發(fā)現大腦中IR、IGF-1R、胰島素受體底物蛋白(IRS)-1和IRS-2表達水平顯著下降〔5〕。現就IR和IGF-1R信號通路在AD發(fā)病中的作用做一綜述。

1 IR和IGF-1R信號通路

胰島素主要由胰腺分泌，IGF-1主要由肝臟生成。目前認為大腦可分泌少量的胰島素及IGF-1，但是腦內的胰島素和IGF-1主要來自外周循環(huán)系統(tǒng)。已有研究發(fā)現AD腦內胰島素和IGF-1水平均降低，而補充胰島素及IGF-1可顯著改善AD癥狀，說明胰島素及IGF-1與學習及記憶有關。

IR和IGF-1R同屬受體酪氨酸蛋白激酶系統(tǒng)。早在1986年就發(fā)現IR和IGF-1R信號通路參與糖代謝、攝食、體重、生育、繁殖、學習、記憶、注意力的控制和調節(jié)，參與人體諸多生命活動過程。IR和IGF-1R廣泛分布在人類大腦，其中IR主要分布在下丘腦、海馬、嗅球及與認知功能密切相關的皮質腦區(qū)，而IGF-1R分布在垂體、脈絡叢和下丘腦區(qū)域。IR和IGF-1R是具有4個亞基(2個α和2個β亞基)的跨膜蛋白。胰島素和IGF-1分別與IR和IGF-1R的α亞基結合，促進細胞膜內的β亞基激活區(qū)域內的接頭蛋白(IRS-1/IRS-2、Shc)磷酸化〔6〕而發(fā)揮作用。IR和IGF-1R主要信號通路包括兩條，分別為磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/激活蛋白激酶C(PKC)/絲/蘇氨酸蛋白激酶/AKT/蛋白激酶B(PKB)通路和Shc(含SH2蛋白)/Ras/Raf/絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路。

2 AD患者腦中IR和IGF-1R信號通路受損

研究表明，AD患者大腦中胰島素和IGF-1及其受體水平均下降、且受體分布異常。AD顳葉皮層中IR、IGF-1R、IRS-1和IRS-2存在顯著缺陷，其缺陷程度與AD的嚴重程度有密切關系〔7〕。Moloney等〔8〕研究發(fā)現在AD的神經元中IRS-1和IRS-2水平顯著下降，其下降與IRS-1(Ser312)磷酸化失活和IRS-1(Ser616)磷酸化失活增加有關。同時研究發(fā)現在AD大腦中IR的mRNA水平和胰島素受體酪氨酸激酶活性降低〔9〕。AD中除了IR、IGF-1R及其受體底物蛋白水平降低外，還發(fā)現IR和IGF-1R分布發(fā)生改變，如IR在神經元樹突分布減少，而在神經元胞體的分布則膜內化〔10〕，在神經膠質細胞表達水平沒有明顯改變；IGF-1R在神經元分布是遠離質膜，在IRS-1/2活性降低和滅活IRS-1的AD神經元中也有類似的發(fā)現。在神經膠質細胞IGF-1R表達增加。IR及IGF-1R的膜內化可影響胰島素及IGF-1與其結合，導致IR和IGF-1R信號通路受損。Aileen和 Moloney等〔7，8〕的研究中也證實AD神經元中存在IR和IGF-1R信號通路受損，認為其與AD中神經元變性可能有關。以上研究表明AD患者腦中存在IR及IGF-1R信號通路受損，而且與AD的發(fā)病及病程進展有關。

Shc：含SH2的蛋白，GSK3β：糖原合成酶激酶3β，IDE：胰島素降解酶，ERK1/2：細胞外信號調節(jié)激酶1/2，Nrf2：核因子血紅素2相關因子2，NF-κB：核因子κB ，ROS：活性氧

3 IR和IGF-1R信號通路在AD發(fā)病中的作用

3.1IR和IGF-1R信號通路影響了Aβ生成、tau蛋白磷酸化 研究發(fā)現胰島素或IGF-1參與調節(jié)了Aβ的形成和降解，減少tau蛋白磷酸化，其主要機制是胰島素或IGF-1通過介導下游信號途徑影響Aβ的代謝過程，主要包括PI3-K/PKB和MAPK信號途徑。Zhang等〔10〕研究發(fā)現IGF-1刺激α-分泌酶裂解淀粉樣前體蛋白(APP)而減少Aβ生成；其機制可能與IGF-1激活PI3-K/AKT和MAPK/ERK1/2信號通路、降低了PC12細胞中β淀粉樣前體蛋白裂解酶1(BACE-1)表達有關。而胰島素缺乏可能通過BACE-1翻譯上調以及與其底物(APP)結合增加使APP的降解有利于Aβ生成〔11〕。Zhao等〔12〕研究認為腦內胰島素和IGF-1及其受體功能降低促進Aβ聚集和突觸喪失。而Cohen和Freude等〔13～15〕對不同動物模型進行研究均發(fā)現胰島素及IGF-1信號(IIS)下降降低了Aβ蛋白毒性。在敲除果蠅中的DAF-2基因(與哺乳動物IR及IGF-1R基因同源)也有類似發(fā)現。目前認為可能存在兩種解毒機制：一種是熱休克轉錄因子(HSF)-1使Aβ低聚物解聚并且水解其解聚產物；另一種是DAF-16調節(jié)Aβ聚集成分子量高、毒性低的聚合物。研究也發(fā)現中斷Tg2576小鼠的IIS減少了Aβ總量，增加了tau蛋白磷酸化，而且可以改善Tg2576小鼠的行為缺陷。IGF-1可以通過抑制GSK-3β和活化mTOR(哺乳動物的帕羅霉素靶點)反饋調節(jié)有活性的IGF-1受體水平。活化GSK-3β保持IGF-1R水平穩(wěn)定是減少tau蛋白第396位絲氨酸磷酸化的關鍵?？梢娨葝u素及IGF-1受體信號通路在AD的形成和進展中具有十分復雜的作用。

胰島素和IGF-1能增加腦組織中胰島素降解酶(IDE)活性而降低Aβ含量。IDE是Aβ降解的主要酶之一。IDE可增加胰島素受體和AKT磷酸化，降低GSK3活性，減少tau蛋白磷酸化及Aβ形成。果蠅的胰島素降解酶或人類的胰島素降解酶能抑制與Aβ或者APP的細胞域(AICD)聚集有關的病理過程，降低Aβ所誘導的神經毒性作用〔16〕。AD腦組織中IDE的活性、含量及其mRNA的表達明顯下降、 Aβ含量增高。Zhao等〔17〕研究發(fā)現胰島素可能通過PI3K通路誘導IDE增加。胰島素還可促進Aβ向細胞外分泌來調節(jié)細胞外Aβ的濃度〔18〕。說明胰島素及IGF-1受體信號通路不僅調節(jié)Aβ的生成還調節(jié)了Aβ的清除。

3.2IR和IGF-1R信號通路減輕炎癥反應和氧化損傷 IR和IGF-1R信號通路除了參與調節(jié)Aβ代謝及tau蛋白磷酸化外，還可降低機體的炎癥及氧化應激反應。已知腫瘤壞死因子(TNF)α可作用于鈣調磷酸酶使轉錄因子FOXO3去磷酸化，從而激活星形膠質細胞中的NFκB炎癥信號，目前研究發(fā)現IGF-1可通過產生轉錄因子過氧化物酶體增殖激活受體γ，使Foxo3失活并取代了Foxo3在TNFα所刺激的星形膠質細胞中，抑制NFκB炎癥信號，這種可逆性的拮抗作用可能驅動了AD的病程，即使在AD的嚴重階段〔19〕。也有研究認為胰島素通過激活胰島素信號通路中關鍵的轉錄因子如活化狀態(tài)的核因子相關因子2(Nrf2)和NF-κB，減少ROS生成并且加強ROS清除，從而發(fā)揮抗氧化作用〔20〕。由此可見胰島素/IGF-1及其受體信號通路可減輕炎癥反應及氧化損傷，促進神經元存活。

3.3IR和IGF-1R信號通路減輕Aβ及tau蛋白毒性作用 APP的主要代謝產物包括sAPP，Aβ及Aβ衍生的可擴散配體(ADDLs)。sAPP主要通過IGF-1R和(或)IR，激活PI3K/AKT途徑，使GSK -3β活性磷酸化，產生神經保護作用，而Aβ低聚物可以通過PI3K/Akt-GSK3β信號通路逆轉sAPP的神經保護作用〔21〕。Du等〔22〕研究發(fā)現高濃度(2～10 μmol/L)的纖維狀的Aβ1～40可降低細胞存活、降低IR 、胰島素受體適配蛋白-Ⅰ及蛋白激酶B的表達，且與Aβ1-40濃度及作用時間有關。Aβ還可與胰島素競爭IR〔23〕。胰島素主要通過IDE分解，而可溶性的ADDLs可與胰島素競爭IDE。ADDLs是一種神經毒素,與神經突觸結合后致神經細胞間無法“溝通”，進而引起記憶喪失和相關的神經損害。ADDLs主要通過對鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱ(CaMKⅡ)和酪蛋白激酶Ⅱ(CK2)抑制敏感的機制造成細胞膜IRS的下調〔24〕。研究發(fā)現細胞外的ADDLs綁定到突觸，減少細胞膜IR，影響胰島素信號依賴的機制；細胞內的Aβ則干擾磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1和Akt1之間的聯系，阻止Akt1活化，抑制了神經元IR信號而影響神經元存活〔25〕。調節(jié)tau蛋白磷酸化的主要蛋白激酶有GSK-3β、細胞周期蛋白依賴性激酶(Cdk5)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、細胞外信號調節(jié)激酶1/2(ERK1/2)。Aβ低聚物還可增加JNK活性，促使IRS -1(Ser616)磷酸化和tau蛋白(Ser422)磷酸化〔26〕。以上表明Aβ的神經毒性作用主要是封閉sAPP的神經保護作用，損害IR和IGF-1R信號通路及增加tau蛋白磷酸化等。

胰島素可以完全阻止由細胞膜IR缺失及ADDLs所誘導的氧化應激和突觸棘變性。另有研究表明胰島素和IGF-1減少ADDLs與突觸結合，阻止ADDLs誘導的胰島素受體丟失，減輕ADDLs對突觸的毒性作用〔12〕。De Felice等〔24〕研究也證實胰島素能夠抑制Aβ結合至培養(yǎng)的海馬神經元，阻止Aβ誘導的胰島素受體丟失和MNDA受體丟失。鼻內胰島素治療可提高大腦胰島素水平，改善AD患者的記憶障礙〔27〕。胰島素受體增敏劑(羅格列酮)也可改善AD患者的認知功能障礙。因而激活IR和IGF-1R信號通路極可能成為治療AD的重要方法。由此可見IR和IGF-1R信號通路可減輕Aβ及tau蛋白的細胞毒性作用。但是一項有IR突變、高胰島素血癥及胰島素抵抗特征的AD鼠的研究中并沒有發(fā)現淀粉樣斑塊形成加速及記憶功能的損害，相反胰島素受體突變減輕了AD鼠大腦的氧化損傷，提示胰島素抵抗可能與AD的發(fā)病無關〔28〕。這可能與AD中IR和IGF-1R信號通路作用復雜有關。

4 小 結

綜上，AD中胰島素/IGF-1及其受體水平降低、IR和IGF-1R分布改變，導致了IR和IGF-1R信號通路受損，增加Aβ生成、tau蛋白磷酸化、炎癥反應以及氧化作用，影響其神經保護作用。但是，僅從胰島素和IGF-1、IR和IGF-1R信號通路角度研發(fā)新藥治療AD仍需要更深入更廣泛的研究。

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