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(南華大學醫(yī)學院生理教研室，湖南 衡陽 421001)

·文獻綜述·

中樞胰島素信號與β-淀粉樣蛋白穩(wěn)態(tài)研究進展

金鑫，田紹文*，侯立力*

(南華大學醫(yī)學院生理教研室，湖南 衡陽 421001)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)的主要神經(jīng)病理特征表現(xiàn)為β-淀粉樣蛋白(Aβ)堆積形成的老年斑和Tau蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)。臨床研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者并發(fā)AD的風險顯著增高，提示胰島素信號異?？赡苁钦T發(fā)AD的重要機制之一。本文從胰島素信號與Aβ穩(wěn)態(tài)的角度探討了胰島素信號異常在AD發(fā)生發(fā)展中的作用。

阿爾茨海默??； 胰島素； β-淀粉樣蛋白； Tau蛋白

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是以進行性記憶等認知功能減退為主要特征的神經(jīng)退行性疾病。隨著全球人口老齡化進程的加速，AD已經(jīng)成為發(fā)病率最頻繁的神經(jīng)退行性疾病之一，給患者個人、家庭與社會帶來嚴重的經(jīng)濟和社會負擔[1]。AD的臨床表現(xiàn)通常包括記憶、視覺空間技能和復雜認知的損傷以及進行性全身性適應功能破壞[2]。截至目前，AD發(fā)生發(fā)展的神經(jīng)病理機制并未完全闡明，臨床上用于AD治療藥物僅能緩解而不能逆轉(zhuǎn)或治愈AD癥狀[3]。因此，闡明AD的神經(jīng)病理機制以尋找新型、有效、低毒的治療藥物一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)堆積形成的老年斑和Tau蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)是AD的主要神經(jīng)病理特征。近年來，臨床研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者并發(fā)AD的風險顯著增高，提示胰島素信號異常可能是誘發(fā)AD的重要機制之一[4]。本文從胰島素信號與Aβ的角度探討了胰島素信號異常在AD發(fā)生發(fā)展中的作用。

1 中樞Aβ生理與毒性作用

Aβ是β-淀粉樣前體蛋白(APP)水解產(chǎn)生的多肽，可由低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1運出大腦；Aβ也可在外周合成，通過糖基化終產(chǎn)物相應受體進入中樞。Aβ透過血腦屏障的雙向運輸以及由金屬蛋白酶介導的Aβ清除作用使Aβ維持在一定的濃度范圍內(nèi)[5]。在一定濃度下可溶性Aβ主要是單體狀態(tài)，因此寡聚體主要在局部位置(如細胞膜)和病理條件下產(chǎn)生。在體外，Aβ的多種組裝形式如原纖維、環(huán)形結(jié)構(gòu)、小核、淀粉樣派生擴散性配體及球狀體已有研究報道[6]；在體內(nèi)，研究表明與淀粉樣斑塊相比，可溶性Aβ寡聚體與癡呆的程度關(guān)系更為密切。

近年來的研究結(jié)果表明，生理濃度的Aβ在神經(jīng)元突觸傳遞與突觸可塑性調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要作用。Kamenetz及其同事首次報道，Aβ在激活的神經(jīng)元內(nèi)分泌量增加，并能調(diào)節(jié)興奮性突觸傳遞[7]；APP裂解酶基因敲除小鼠在Aβ生成降低后出現(xiàn)行為學損傷[8]和突觸功能異常[9]。納摩爾劑量的Aβ能夠增強大鼠海馬的突觸可塑性和記憶能力[10]。急性Aβ處理能可逆增加海馬活性突觸的數(shù)量，而持久抑制Aβ清除則導致海馬活性突觸數(shù)量的降低[11]，表明Aβ對海馬突觸功能的調(diào)節(jié)依賴于Aβ生成與清除之間的動態(tài)平衡。另一方面，非生理濃度的Aβ可發(fā)揮神經(jīng)毒性作用。研究表明Aβ天然寡聚體處理海馬細胞可阻斷突觸傳遞功能，并快速可逆地干預習得性行為的記憶過程[12]。此外，其它實驗也證實了Aβ寡聚體的神經(jīng)毒性，如合成或天然Aβ處理細胞，過表達APP培養(yǎng)細胞以及APP轉(zhuǎn)基因小鼠實驗等[13]。與淀粉樣斑塊相比，可溶性Aβ寡聚體與AD有更緊密的聯(lián)系[14]，表明寡聚體是Aβ發(fā)揮神經(jīng)毒性的主要存在形式。上述研究結(jié)果表明，Aβ穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)在Aβ生理與毒性過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。

2 中樞胰島素信號

研究表明，中樞胰島素信號在神經(jīng)元存活、突觸形成、神經(jīng)遞質(zhì)受體轉(zhuǎn)運、突觸傳遞及突觸可塑性調(diào)節(jié)等過程中發(fā)揮著重要作用[15]。中樞胰島素主要有兩個來源，一是外周胰腺β細胞合成分泌的胰島素通過血腦屏障轉(zhuǎn)運至腦內(nèi)；二是海馬、前額葉及嗅球等部位神經(jīng)元也能合成分泌胰島素。中樞胰島素受體分布廣泛，如在嚙齒動物的嗅球、大腦皮層、邊緣系統(tǒng)、海馬、下丘腦和小腦中均有胰島素受體表達[16]。與外周胰島素受體不同，中樞胰島素受體分子量較低且具有不同的糖基化位點；此外，胰島素過量并不能引起中樞胰島素受體表達下調(diào)，表明中樞與外周胰島素受體表達可能存在不同的調(diào)控機制。有研究表明，上述差異可能與胰島素受體mRNA的選擇性剪接及翻譯后修飾有關(guān)[17]。胰島素受體基因含22個外顯子，外顯子11的選擇性剪接可產(chǎn)生兩種胰島素受體亞型：A亞型主要分布于造血細胞、胎兒組織和神經(jīng)組織等；B亞型主要分布于肝臟、脂肪組織和肌肉組織等。A亞型受體與胰島素的結(jié)合能力高于B亞型且A亞型受體具有更快的內(nèi)化和循環(huán)能力[18]。

與外周受體相似，中樞胰島素受體也是由兩個胞外α亞基和兩個跨膜β亞基組成的異四聚體。胰島素與α亞基結(jié)合后，引起β亞基酪氨酸殘基的自磷酸化，進而誘導特異支架蛋白的募集。胰島素受體招募的主要支架蛋白是胰島素受體底物1/2(IRS-1/2)和Shc。IRS-1/2負責大部分的中樞胰島素和胰島素樣生長因子信號的多種效應，其中IRS-1在大腦皮層和海馬有大量分布，而IRS-2主要分布于弓狀核和海馬部位[19]。研究發(fā)現(xiàn)，胰島素可通過誘導IRS-1和IRS-2多處位點的磷酸化實現(xiàn)對下游信號的精細調(diào)節(jié)。磷酸化修飾的IRS-1/2酪氨酸殘基是調(diào)節(jié)合成代謝和胰島素促生長功能等相關(guān)蛋白的停泊位點；而IRS-1/2的絲氨酸蘇氨酸殘基的磷酸化對胰島素信號通路既有正向和負向的調(diào)節(jié)作用，也有兩者的結(jié)合效應。其中被絲氨酸激酶磷酸化的下游信號通路包括mTOR，S6K及非典型的PKCζ[20]。研究表明能夠激活胰島素受體的蛋白主要誘導PI3K/Akt通路和Ras/ERK通路的信號級聯(lián)傳導[21]。PI3K/Akt信號主要參與代謝功能，即脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的合成。Ras/ERK信號主要介導細胞存活，增值和基因的表達。

3 中樞胰島素信號對Aβ穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)

大量動物與臨床研究結(jié)果表明，中樞胰島素信號異常是AD病變的一個重要特征之一[15]。中樞胰島素信號異?？稍诙鄠€環(huán)節(jié)上影響Aβ的穩(wěn)態(tài)。

3.1胰島素水平與Aβ穩(wěn)態(tài)胰島素能直接參與Aβ代謝和清除進而影響Aβ穩(wěn)態(tài)。研究表明，胰島素降解酶(Insulin Degrading Enzyme，IDE)在胰島素調(diào)節(jié)Aβ穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮著重要作用。IDE在大腦，肝，腎臟以及肌肉組織均有高水平表達，其表達受胰島素調(diào)節(jié)；胰島素通過激活PI3K信號通路增加IDE表達水平[22]。IDE主要通過降解Aβ參與Aβ的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)；IDE水平降低可影響Aβ的清除率，進而導致Aβ穩(wěn)態(tài)的失衡。臨床研究發(fā)現(xiàn)，AD患者腦組織中IDE的mRNA水平、蛋白含量及活性均顯著下調(diào)，提示IDE與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。動物研究表明，IDE基因敲除小鼠中Aβ水平顯著升高[23]。Tg2576轉(zhuǎn)基因胰島素抵抗模型小鼠海馬和大腦皮層內(nèi)IDE水平及活性顯著降低而Aβ水平顯著增加[22]。進一步研究表明，胰島素和胰島素樣生長因子似乎共同參與調(diào)節(jié)腦內(nèi)Aβ的水平，而改變其相互作用可能會促進Aβ的寡聚化。胰島素亦可通過PI3K促進APP代謝和增加APP的分泌率。此外，胰島素能夠增加APP/Aβ從反面高爾基網(wǎng)向細胞膜的轉(zhuǎn)運進而降低Aβ在細胞內(nèi)的堆積[24]。

3.2胰島素受體水平與Aβ穩(wěn)態(tài)胰島素在其受體水平依舊參與調(diào)節(jié)Aβ。研究表明AD中的胰島素抵抗是Aβ寡聚物引起的，即Aβ寡聚物下調(diào)了神經(jīng)元膜表面的IRs[25]。另外，激活I(lǐng)R能夠通過IDE促進Aβ寡聚物向Aβ單體轉(zhuǎn)化[26]。Aβ單體在發(fā)育神經(jīng)元營養(yǎng)不足的情況下能夠促進神經(jīng)元的存活，并保護成熟神經(jīng)元對抗興奮性毒性死亡。該兩種效應都是由胰島素受體激活PI3K通路調(diào)節(jié)。在胰島素所激活的生存信號通路中，如ERK1/2信號通路和PI3K信號通路[27]，Aβ單體特異激活PI3K導致Akt磷酸化和促進Akt底物GSK-3β Ser9位點的磷酸化，從而抑制GSK-3β激活。GSK-3β的抑制能夠通過各種機制促進細胞存活，其機制之一就是下調(diào)β-鏈蛋白的降解從而激活保護基因的轉(zhuǎn)錄，因此神經(jīng)元中Aβ單體能夠引起β-鏈蛋白快速和大幅度增加[28]。通過抑制GSK-3β，Aβ單體能夠降低Tau蛋白磷酸化水平，該作用與Tau蛋白O-GlcNAc糖基化修飾(O-GlcNAcylation)有關(guān)。而O-GlcNAcylation過程依賴糖代謝，腦內(nèi)糖代謝降低與Tau蛋白病變可能導致了該過程的下降。至于Aβ能否通過神經(jīng)元的糖供應來增加Tau蛋白O-GlcNAcylation有待進一步研究。

4 AD中Aβ對胰島素信號系統(tǒng)的影響

Aβ本身也可以影響胰島素信號通路。研究證實Aβ多肽能夠降低胰島素結(jié)合和受體自磷酸化，表明Aβ是胰島素結(jié)合與發(fā)揮作用直接的競爭性抑制劑[29]。近期報道體外培養(yǎng)細胞試驗中Aβ能夠通過下調(diào)IRs引起胰島素抵抗[30]。這些發(fā)現(xiàn)提示Aβ可能在AD患者腦中影響神經(jīng)元的胰島素信號。Aβ寡聚體處理培養(yǎng)海馬神經(jīng)元以及側(cè)腦室注射Aβ寡聚體，都能在多個絲氨酸殘基位點增加IRS-1的磷酸化[31]。Aβ寡聚體也能結(jié)合海馬神經(jīng)元，移除胞膜表面的IRs，導致IRs的數(shù)量下降及其對胰島素的反應降低[32]。研究證實在AD患者腦內(nèi)，IRs聚集于細胞內(nèi)，而在正常腦內(nèi)IRs都分布在神經(jīng)元胞體和軸突膜上[33]。胰島素處理能夠完全阻斷Aβ寡聚體引起的膜表面IRs受體丟失及隨后的突觸棘減少[34]。Aβ通過損傷ERK和PI3K信號導致胰島素抵抗。Aβ寡聚體與聚和物能夠結(jié)合IRS-1導致胰島素信號損傷。胰島素信號損傷通過抑制PI3K/Akt導致Tau蛋白過度磷酸化及增加GSK3β激活。GSK抑制的下降是由于PI3K水平降低可激活GSK3α亞基，并通過γ-分泌酶刺激Aβ的生成。Aβ寡聚物能夠異常激活腫瘤壞死因子-α(TNFα)，mTOR和JNK，進而阻礙胰島素信號IRS-1抑制位點的磷酸化和引起胰島素抵抗[33,35]。AD大腦尸檢分析發(fā)現(xiàn)了JNK的升高，IRS-1磷酸化抑制的增加[32]和mTOR的激活[36]。研究顯示在Aβ處理的細胞和人AD大腦中，Aβ激活JNK，導致c-jun磷酸化增加及AP-1的激活[37]。這些細胞信號通路激活后導致IRS-1絲氨酸位點的磷酸化，特別是Ser312和Ser612位點的磷酸化能夠?qū)е孪掠我葝u素信號抑制及胰島素抵抗[31,33]。胰島素抵抗和Aβ堆積兩種之間的相互催化導致了AD的發(fā)展。在生理狀態(tài)下更好理解胰島素與Aβ間相互連接的分子通路能夠深入闡述病理下AD功能受損的分子通路。

5 結(jié) 語

隨著社會步入老齡化期，AD和DM患病率將會持續(xù)增長。目前研究已經(jīng)證實，AD與DM擁有共同的細胞和分子機制。由于胰島素信號參與各種生理和病理性腦功能，因此胰島素信號通路與AD病理的相互作用關(guān)系將更顯復雜。進一步研究兩者間的機制將為AD的治療提供新策略及實質(zhì)性突破。

[1] Querfurth HW,Laferla FM.Alzheimer’s disease[J].N Engl J Med,2010,362(4):329-344.

[2] Iqbal K,Flory M,Soininen H.Clinical symptoms and symptom signatures of Alzheimer’s disease subgroups[J].J Alzheimers Dis,2013,37(3):475-481.

[3] Ridge PG,Ebbert MT,Kauwe JS.Genetics of Alzheimer’s disease[J].Biomed Res Int,2013,2013:254954.

[4] Crane PK,Walker R,Larson EB.Glucose levels and risk of dementia[J].N Engl J Med,2013,369(19):1863-1864.

[5] Krug R,Benedict C,Born J,et al.Comparable sensitivity of postmenopausal and young women to the effects of intranasal insulin on food intake and working memory[J].J Clin Endocrinol Metab,2010,95(12):E468-E472.

[6] Teplow DB.Structural and kinetic features of amyloid beta-protein fibrillogenesis[J].Amyloid,1998,5(2):121-142.

[7] Kamenetz F,Tomita T,Hsieh H,et al.APP processing and synaptic function[J].Neuron,2003,37(6):925-937.

[8] Liu Y,Liu F,Grundke-Iqbal I,et al.Deficient brain insulin signalling pathway in Alzheimer’s disease and diabetes[J].J Pathol,2011,225(1):54-62.

[9] Chen Y,Tian Z,Liang Z,et al.Brain gene expression of a sporadic (icv-STZ Mouse) and a familial mouse model (3xTg-AD mouse) of Alzheimer’s disease[J].PLoS One,2012,7(12):e51432.

[10] Craft S,Baker LD,Montine TJ,et al.Intranasal insulin therapy for Alzheimer disease and amnestic mild cognitive impairment:a pilot clinical trial[J].Arch Neurol,2012,69(1):29-38.

[11] Reger MA,Watson GS,Green PS,et al.Intranasal insulin administration dose-dependently modulates verbal memory and plasma amyloid-beta in memory-impaired older adults[J].J Alzheimers Dis,2008,13(3):323-331.

[12] Deng Y,Li B,Liu Y,et al.Dysregulation of insulin signaling,glucose transporters,O-GlcNAcylation,and phosphorylation of tau and neurofilaments in the brain:Implication for Alzheimer’s disease[J].Am J Pathol,2009,175(5):2089-2098.

[13] Liu Y,Liu F,Iqbal K,et al.Decreased glucose transporters correlate to abnormal hyperphosphorylation of tau in Alzheimer disease[J].FEBS Lett,2008,582(2):359-364.

[14] Chen Y,Liang Z,Blanchard J,et al.A non-transgenic mouse model (icv-STZ mouse) of Alzheimer’s disease:similarities to and differences from the transgenic model (3xTg-AD mouse)[J].Mol Neurobiol,2013,47(2):711-725.

[15] De Felice FG.Alzheimer’s disease and insulin resistance:translating basic science into clinical applications[J].J Clin Invest,2013,123(2):531-539.

[16] Farooqui AA,Farooqui T,Panza F,et al.Metabolic syndrome as a risk factor for neurological disorders[J].Cell Mol Life Sci,2012,69(5):741-762.

[17] Yanagita M,Kojima Y,Kubota M,et al.Cooperative effects of FGF-2 and VEGF-A in periodontal ligament cells[J].J Dent Res,2014,93(1):89-95.

[18] Giudice J,Leskow FC,Arndt-Jovin DJ,et al.Differential endocytosis and signaling dynamics of insulin receptor variants IR-A and IR-B[J].J Cell Sci,2011,124(Pt 5):801-811.

[19] Ghasemi R,Haeri A,Dargahi L,et al.Insulin in the brain:sources,localization and functions[J].Mol Neurobiol,2013,47(1):145-171.

[20] Boura-Halfon S,Zick Y.Serine kinases of insulin receptor substrate proteins[J].Vitam Horm,2009,80:313-349.

[21] De Felice FG.Alzheimer’s disease and insulin resistance:translating basic science into clinical applications[J].J Clin Invest,2013,123(2):531-539.

[22] Zhao L,Teter B,Morihara T,et al.Insulin-degrading enzyme as a downstream target of insulin receptor signaling cascade:implications for Alzheimer’s disease intervention[J].J Neurosci,2004,24(49):11120-11126.

[23] Farris W,Mansourian S,Chang Y,et al.Insulin-degrading enzyme regulates the levels of insulin,amyloid beta-protein,and the beta-amyloid precursor protein intracellular domain in vivo[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2003,100(7):4162-4167.

[24] Gasparini L,Netzer WJ,Greengard P,et al.Does insulin dysfunction play a role in Alzheimer’s disease[J].Trends Pharmacol Sci,2002,23(6):288-293.

[25] Mcnay EC,Ong CT,Mccrimmon RJ,et al.Hippocampal memory processes are modulated by insulin and high-fat-induced insulin resistance[J].Neurobiol Learn Mem,2010,93(4):546-553.

[26] Marks DR,Tucker K,Cavallin MA,et al.Awake intranasal insulin delivery modifies protein complexes and alters memory,anxiety,and olfactory behaviors[J].J Neurosci,2009,29(20):6734-6751.

[27] Craft S,Cholerton B,Baker LD.Insulin and Alzheimer’s disease:untangling the web[J].J Alzheimers Dis,2013,33 (Suppl 1):S263-S275.

[28] Francis GJ,Martinez JA,Liu WQ,et al.Intranasal insulin prevents cognitive decline,cerebral atrophy and white matter changes in murine type I diabetic encephalopathy[J].Brain,2008,131(Pt 12):3311-3334.

[29] Xie L,Helmerhorst E,Taddei K,et al.Alzheimer’s beta-amyloid peptides compete for insulin binding to the insulin receptor[J].J Neurosci,2002,22(10):C221.

[30] Zhao WQ,De Felice FG,Fernandez S,et al.Amyloid beta oligomers induce impairment of neuronal insulin receptors[J].FASEB J,2008,22(1):246-260.

[31] Bomfim TR,Forny-Germano L,Sathler LB,et al.An anti-diabetes agent protects the mouse brain from defective insulin signaling caused by Alzheimer’s disease- associated Abeta oligomers[J].J Clin Invest,2012,122(4):1339-1353.

[32] Zhao WQ,De Felice FG,Fernandez S,et al.Amyloid beta oligomers induce impairment of neuronal insulin receptors[J].FASEB J,2008,22(1):246-260.

[33] Moloney AM,Griffin RJ,Timmons S,et al.Defects in IGF-1 receptor,insulin receptor and IRS-1/2 in Alzheimer’s disease indicate possible resistance to IGF-1 and insulin signalling[J].Neurobiol Aging,2010,31(2):224-243.

[34] De Felice FG,Vieira MN,Bomfim TR,et al.Protection of synapses against Alzheimer’s-linked toxins:insulin signaling prevents the pathogenic binding of Abeta oligomers[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2009,106(6):1971-1976.

[35] Ma QL,Yang F,Rosario ER,et al.Beta-amyloid oligomers induce phosphorylation of tau and inactivation of insulin receptor substrate via c-Jun N-terminal kinase signaling:suppression by omega-3 fatty acids and curcumin[J].J Neurosci,2009,29(28):9078-9089.

[36] Griffin RJ,Moloney A,Kelliher M,et al.Activation of Akt/PKB,increased phosphorylation of Akt substrates and loss and altered distribution of Akt and PTEN are features of Alzheimer’s disease pathology[J].J Neurochem,2005,93(1):105-117.

[37] Vukic V,Callaghan D,Walker D,et al.Expression of inflammatory genes induced by beta-amyloid peptides in human brain endothelial cells and in Alzheimer’s brain is mediated by the JNK-AP1 signaling pathway[J].Neurobiol Dis,2009,34(1):95-106.

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.05.025

2015-01-13；

2015-06-20

國家自然科學基金項目(81171281) (Project of National Natural Science Foundation of China，81171281).

*通訊作者，E-mail:tsw.neuro@126.com,75194172@qq.com.

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(此文編輯：蔣湘蓮)