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        PPARγ 在阿爾茨海默病中的作用及影響因素研究進(jìn)展

        2015-02-09 13:46:13楠綜述川審校
        關(guān)鍵詞:激動劑配體活化

        宋 楠綜述,秦 川審校

        0 引 言

        阿爾茨海默癥(Alzheimer's disease,AD)是世界上最常見的一種老年癡呆癥,其基本的病理特征包括:細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成的老年斑和細(xì)胞內(nèi)Tau 蛋白磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)以及營養(yǎng)不良的神經(jīng)突起。臨床上伴有進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙、人格和行為改變等[1-2]。雖然有部分患者是家族遺傳型AD,但是大部分患者是散發(fā)型的,老年發(fā)病且病因不明,可能是由于衰老、遺傳、環(huán)境和生活方式相互作用的結(jié)果[3]。目前,AD 無有效的預(yù)防和治療措施。

        過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome pro1iferator-activated receptor,PPARs)作為第一個(gè)被克隆的核受體,在哺乳動物復(fù)雜的代謝過程中調(diào)控關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄[4]。其中PPARγ 是該P(yáng)PARs 超家族成員之一,主要在脂肪組織中高表達(dá),具有調(diào)控脂肪細(xì)胞分化、脂肪組織對脂肪酸的儲存,調(diào)節(jié)能量代謝和糖脂代謝,改善胰島素的敏感性,促進(jìn)單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分化,以及抑制炎性基因表達(dá)等生物學(xué)作用,是大腦中抗氧化反應(yīng)調(diào)節(jié)的重要轉(zhuǎn)錄因子之一[5-7]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)PPARγ 還分布于腦組織中,且顯著表達(dá)于海馬和內(nèi)嗅皮層。對AD 患者尸檢發(fā)現(xiàn),患者大腦中PPARγ 表達(dá)水平改變,其額葉皮層免疫組化檢測結(jié)果顯示PPARγ 在星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中表達(dá),尤其在核周表達(dá)顯著,而在老年斑中無表達(dá)。與對照組相比,AD 患者PPARγ 蛋白水平減少40%,與PPAR 應(yīng)答元件(peroxisome proliferator response element,PPREs)結(jié)合能力下降,提示PPARγ 與神經(jīng)細(xì)胞的分化、存亡、炎癥以及神經(jīng)退行性病變有關(guān),PPARγ 的活化有可能作為治療包括AD 在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病、腦損傷等潛在的藥物治療靶點(diǎn)[8-9]。PPARγ 激動劑對包括AD 在內(nèi)的多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有神經(jīng)保護(hù)作用,從而證明PPARγ 有可能參與神經(jīng)元活性的調(diào)節(jié)。

        本文回顧了國內(nèi)外最新研究進(jìn)展,就PPARγ 在AD 中發(fā)揮的作用、影響其活化的因素,以及天然花色苷單體——Cy3G 可能作為PPARγ 潛在的激動劑用于AD 治療的前景進(jìn)行了綜述。

        1 PPARγ 對AD 病理過程的影響

        關(guān)于PPARγ 途徑在AD 中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的機(jī)制,主要涉及抗炎、抗氧化、抗凋亡、促神經(jīng)再生以及代謝紊亂糾正等,以下從細(xì)胞水平、動物水平和臨床研究3 個(gè)方面加以論述。

        1.1 細(xì)胞水平研究 研究證實(shí),Aβ 沉積導(dǎo)致的炎癥損傷、神經(jīng)元凋亡及氧化應(yīng)激均是AD 致病風(fēng)險(xiǎn)因素[10]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PPARγ 作為治療神經(jīng)退行性疾病潛在的藥物治療靶點(diǎn),主要是其介導(dǎo)抗炎、抗Aβ、抗凋亡及抗氧化作用[11-12]。在抗炎方面,PPARγ 在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中均有表達(dá),激活后抑制單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞生成炎性遞質(zhì)白細(xì)胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β),IL-6,腫瘤壞死因子α,誘導(dǎo)型一氧化氮合酶[13]。PPARγ 通過拮抗NF-κB、AP-1、STAT1 等轉(zhuǎn)錄因子的活性,從而在轉(zhuǎn)錄水平上抑制促炎基因的表達(dá),其激動劑(如吡格列酮)可有效地抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)中小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥分子的產(chǎn)生。在清除Aβ 方面,PPARγ激活或者受體過表達(dá)均可導(dǎo)致神經(jīng)元和非神經(jīng)細(xì)胞Aβ 清除率顯著增加,從而改善Aβ 聚集導(dǎo)致的認(rèn)知障礙。反之,抑制PPARγ 表達(dá),則Aβ 水平增加。其中Aβ 可影響突觸傳遞,導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞功能紊亂和死亡,還可激活膠質(zhì)細(xì)胞使之釋放IL-1、IL-6 等,造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫炎性反應(yīng),最終誘發(fā)神經(jīng)元凋亡[14]。例如,在海馬神經(jīng)元中,曲格列酮或羅格列酮通過活化PPARγ,抵抗Aβ 引起的JNK 和p38MAP 激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的改變,從而對Aβ 引起的海馬神經(jīng)元損傷起到保護(hù)作用。在抗凋亡及抗氧化方面,PPARγ 的神經(jīng)保護(hù)作用與Wnt 信號通路有關(guān),并使其下游抗凋亡蛋白Bcl-2 的表達(dá)水平升高,包括抑制該信號通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)物糖原合成激酶3β 和升高β-連環(huán)蛋白水平,前者抑制了AD 中異常的Tau 蛋白高度磷酸化,后者通過合適的Wnt 配體激活Wnt 通路從而起到神經(jīng)保護(hù)作用[15-17]。其中,神經(jīng)細(xì)胞中Bcl-2 表達(dá)水平的升高,還可降低氧化還原狀態(tài),減少活性氧(reactive oxygen species,ROS),抵抗氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體損傷和細(xì)胞死亡。此外,活化的PPARγ 在保護(hù)神經(jīng)元免受Aβ 和H2O2損傷中,還可使過氧化物酶體數(shù)目增加并伴隨著過氧化氫酶的活性升高,進(jìn)而緩解神經(jīng)元線粒體功能障礙[15]。

        在神經(jīng)干細(xì)胞分化中PPARγ 的活化對AD 也具有重要意義。例如,在生理?xiàng)l件下,PPARγ 表達(dá)于胚胎期的小鼠大腦中以及神經(jīng)干細(xì)胞中,而在成年小鼠大腦中只有極低水平的PPARγ 表達(dá)。其中PPARγ 激動劑可以通過調(diào)控分化基因的表達(dá)(如神經(jīng)源性分化因子Neurod1)促進(jìn)小鼠神經(jīng)干細(xì)胞中少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化,因此對神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育具有重要意義[9]。

        在神經(jīng)元的分化中PPARγ 的活化同樣對AD具有重要作用,特別是對神經(jīng)元軸突生長和神經(jīng)元極性發(fā)育方面[18]。在AD 等病理情況下,PPARγ 被啟動、活化,可促進(jìn)神經(jīng)元的分化和軸突極性的發(fā)生,抑制神經(jīng)元的死亡[19]。例如:在大鼠海馬神經(jīng)元中,曲格列酮活化PPARγ 后,可以通過激活C-Jun氨基端激酶(JNK)途徑促進(jìn)海馬神經(jīng)元軸突的長度增加、神經(jīng)突起的生長,抑制由Aβ 誘導(dǎo)的軸突變性,神經(jīng)突觸丟失并伴隨著PPARγ 表達(dá)水平的升高,且該過程可被PPARγ 拮抗劑——GW9662 完全逆轉(zhuǎn)[19-21];Brodbeck 等[22]通過使用羅格列酮活化PPARγ,使得培養(yǎng)的AD 小鼠腦中皮質(zhì)神經(jīng)元樹突棘密度顯著升高,并呈劑量依賴關(guān)系,該過程也可被PPARγ 拮抗劑——GW9662 完全抑制。

        1.2 動物實(shí)驗(yàn)研究 動物實(shí)驗(yàn)?zāi)P脱芯堪l(fā)現(xiàn),在不同AD 動物模型中使用PPARγ 的激動劑也可以緩解AD 神經(jīng)病理學(xué)及認(rèn)知行為學(xué)改變,即通過PPARγ 的活化,降低Aβ 沉積、增強(qiáng)海馬區(qū)認(rèn)知功能、逆轉(zhuǎn)記憶力下降[15,23]??赡苌婕暗姆肿訖C(jī)制如下:①使促炎細(xì)胞因子表達(dá)水平降低,從而降低炎癥反應(yīng)、抑制細(xì)胞凋亡并促進(jìn)記憶功能的改善[20,24-25]。此外,PPARγ 激活物還可通過上調(diào)清道夫受體CD36 進(jìn)而促進(jìn)對Aβ 的吞噬作用[26]。②使突觸前蛋白表達(dá)水平升高,增強(qiáng)神經(jīng)元活性。而在AD 患者腦中該突觸前蛋白表達(dá)水平降低[21]。③作用于細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶5(Cdk5)途徑,參與神經(jīng)發(fā)生[11]。而該途徑功能異常參與了AD 的病理過程中[27]。④PPARγ 輔助活化因子(PGC-1α)與其相結(jié)合,對與線粒體生物合成調(diào)節(jié)相關(guān)的蛋白表達(dá)起到調(diào)控作用,促進(jìn)與線粒體氧化磷酸化有關(guān)基因的表達(dá)和線粒體DNA 的復(fù)制,從而正性調(diào)節(jié)線粒體功能和代謝。在AD 患者腦內(nèi)PGC-1α 的表達(dá)顯著減少,而PPARγ 能夠促進(jìn)PGC-1α 表達(dá),所以PPARγ可能通過其輔激活物(PGC-1α)引發(fā)這些改變[28]。

        1.3 臨床試驗(yàn)研究 細(xì)胞和動物實(shí)驗(yàn)的部分結(jié)果均證實(shí)了活化的PPARγ 或是PPARγ 激動劑可以抑制AD 相關(guān)的病理改變,在神經(jīng)形成、神經(jīng)發(fā)育及損傷后修復(fù)中可能起著重要作用。這給了我們將相關(guān)藥物用于臨床治療AD 的一個(gè)新契機(jī)。由于PPARγ在能量代謝中發(fā)揮重要作用,可直接影響線粒體功能和ATP 產(chǎn)生,其激動劑能夠改善線粒體的功能并提高葡萄糖利用,而該作用被認(rèn)為是改善AD 患者的記憶和認(rèn)知能力的基礎(chǔ)[29]。例如,將吡格列酮用于輕度AD 患者中,在治療6 個(gè)月后與未治療組患者相比,患病組在使用吡格列酮治療后其認(rèn)知功能和腦血流量明顯改善,未治療組患者中血漿Aβ40/Aβ42 比率升高而治療組無顯著變化[30]。同樣地,使用羅格列酮治療AD 患者后發(fā)現(xiàn),與未治療組比較,在治療第4 和第6 個(gè)月后患者的記憶有所改善、第6 個(gè)月后患者的選擇性注意力有所增強(qiáng),血漿Aβ水平無顯著變化[9]。

        2 影響PPARγ 發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的因素

        2.1 配體或拮抗劑的結(jié)合對PPARγ 活性的影響PPARγ 具有典型的核受體基本結(jié)構(gòu),并首先結(jié)合在靶基因啟動子區(qū)特定的PPREs 上,也可與9-順勢-維甲酸X 受體(RXR)形成異二聚體結(jié)合在啟動子區(qū),其次是配體激活轉(zhuǎn)錄,即任一受體的配體在具有轉(zhuǎn)錄激活因子活性的輔激活物(coactivator)的作用下與目標(biāo)基因啟動子區(qū)的PPREs 結(jié)合啟動轉(zhuǎn)錄過程、調(diào)控基因的表達(dá),兩者的配體同時(shí)結(jié)合效果更明顯。其中PPARγ 的配體可分為內(nèi)源性和人工合成配體,前者包括長鏈脂肪酸、前列腺素(如15d-PGJ2)[7-8]等,后者主要是一些非甾體類抗炎藥物(如布洛芬等),以及噻唑烷二酮類藥物(如曲格列酮、吡格列酮和羅格列酮等)。此外,其新型激動劑主要有DSP-8658 和GFT1803[9,20,30-31]。

        當(dāng)非配體及具有轉(zhuǎn)錄抑制因子活性的輔阻遏物與PPARγ 結(jié)合形成復(fù)合物時(shí),便可抑制該轉(zhuǎn)錄過程的發(fā)生[9]。這些作為PRARγ 拮抗劑的非配體雖然不多,但其結(jié)構(gòu)多樣,與受體的結(jié)合方式也各不相同。有的是與受體形成共價(jià)鍵,導(dǎo)致不可逆結(jié)合,阻止其它激動劑的進(jìn)入,如GW9662、T0070907;有的是影響PRARγ 功能區(qū)的構(gòu)象,使其與輔阻遏物結(jié)合,從而抑制轉(zhuǎn)錄,如G3335[32-33]。

        2.2 泛素化修飾對PPARγ 活性的影響 泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)除用來降解細(xì)胞內(nèi)PPARγ,進(jìn)而終止轉(zhuǎn)錄過程外,泛素化還有非蛋白水解功能,可調(diào)節(jié)核受體的穩(wěn)定性和功能,進(jìn)而影響轉(zhuǎn)錄過程。如,USP 依賴受體PPARγ 水平,調(diào)控配體激活反應(yīng)的幅度與時(shí)間。此外,UPS 對轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的募集、裝配及活性有重要作用,其介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子特異性的構(gòu)象變化,影響其定位、活性,并與其他翻譯后修飾作用(如磷酸化、乙?;?、SUMO 化修飾)競爭。說明UPS 可以從不同水平控制PPARs 的含量和活性。通過研究PPARs 家族與UPS 相互作用,可以更好的了解調(diào)控這些核受體水平和活性的多種機(jī)制,可以為其在人類疾病中的應(yīng)用提供線索,為開發(fā)更有效的針對受體的藥物提供可能性[34]。

        2.3 表觀遺傳修飾對PPARγ 活性的影響 迄今為止,還沒有找到只與PPARγ 單獨(dú)作用的輔激活物和輔阻遏物[35]。研究發(fā)現(xiàn),這些與PPARγ 相互作用的輔助因子部分具有表觀遺傳修飾活性,特別是組蛋白修飾,如組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶(HATs)、組蛋白去乙?;?HDACs)、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMTs)及組蛋白去甲基化酶(HDMs),從而影響特定的染色質(zhì)構(gòu)象和DNA 修飾,進(jìn)而調(diào)節(jié)PPARγ 信號通路的活化過程。以脂肪細(xì)胞為例,當(dāng)PPARγ 與具有HMTs 活性的輔阻遏物(如SETDB1)結(jié)合時(shí),該輔阻遏物使靶基因核小體上組蛋白甲基化水平可升高(如:H3K9me2、H3K9me3、H3K27me2 和H3K27me3),進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)錄過程的發(fā)生;當(dāng)PPARγ 與具有HATs活性的輔激活物(如SRC-1)結(jié)合時(shí),該輔激活物使靶基因的染色質(zhì)組蛋白乙?;缴?如:H3K9ac和H3K27ac),進(jìn)而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄過程的發(fā)生[5,36]。說明PPARγ 的轉(zhuǎn)錄活性是動態(tài)的,且是高度協(xié)調(diào)的過程。然而,其相互作用的分子組合形式則因細(xì)胞類型或基因位點(diǎn)的不同而不同。

        現(xiàn)已證實(shí),老年人群高發(fā)的神經(jīng)退行性疾病如AD 與表觀遺傳學(xué)改變有關(guān),其中組蛋白修飾是這類神經(jīng)系統(tǒng)疾病表觀遺傳學(xué)機(jī)制的一個(gè)重要組成部分[37]。且染色質(zhì)免疫共沉淀法對PPARγ 全基因組進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)PPARγ 結(jié)合區(qū)上的核小體組蛋白H3 第9 賴氨酸存在豐富的乙?;?H3K9ac)[38]。說明表觀遺傳修飾的變化可以通過影響PPARγ 通路的活性,進(jìn)而影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能。

        3 新型PPARγ 激動劑的開發(fā)與研究

        盡管相關(guān)研究均能證明現(xiàn)有的PPARγ 激動劑在預(yù)防和緩解AD 中發(fā)揮了一定的神經(jīng)保護(hù)作用,但是也有很多研究得出了相反的結(jié)論。例如,細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中,Smith 等[39]研究發(fā)現(xiàn),PPARγ 內(nèi)源性激動劑15d-PGJ2反而可誘導(dǎo)初級神經(jīng)元和SH-SY5Y 細(xì)胞軸突變性和核碎裂,且環(huán)格列酮(PPARγ 激動劑)和15d-PGJ2聯(lián)合作用于小腦顆粒神經(jīng)元后,不但具有神經(jīng)毒性而且該毒性損傷還存在劑量反應(yīng)關(guān)系。動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用羅格列酮活化PPARγ 后,雖然使Tg2576 AD 模型小鼠腦中Aβ42 的水平有所降低,但對淀粉樣蛋白的沉積并無影響[40]。在III 期臨床試驗(yàn)中,PPARγ 激活物羅格列酮對AD 患者的認(rèn)知功能無改善作用,且攜帶載脂蛋白基因ε4(Apo-ε4)的AD 患者其接受羅格列酮治療后認(rèn)知能力卻顯著下降[41]。此外,這些PPARγ 的激活物在AD 的臨床治療中存在一定的副作用,如使用吡格列酮治療非糖尿病的AD 患者,其發(fā)生外周水腫的概率比安慰劑組患者高28.6%[42]。上述所列的研究結(jié)果相互矛盾之處可能是由于損傷的嚴(yán)重程度、疾病進(jìn)展情況及靶細(xì)胞(神經(jīng)元,小膠質(zhì)細(xì)胞,少突膠質(zhì)細(xì)胞)不同,故選擇的激動劑及適宜劑量不同,由此說明在臨床實(shí)踐中迫切需要開發(fā)安全有效的PPARγ 激動劑來參與到AD 的防治中[30]。

        作為非營養(yǎng)素的天然植物化學(xué)物——花色素(苷)由于其本身具有的抗氧化和清除自由基的作用,在防治AD 等神經(jīng)退行性疾病的過程中可能具有重要作用。同時(shí),基于富含花色素(苷)的提取物的神經(jīng)保護(hù)作用,研究矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(Cyanidin-3-O-glucoside,Cy3G)對AD 的預(yù)防或緩解作用具有現(xiàn)實(shí)意義[43]。因?yàn)镃y3G 是酚類化合物中矢車菊色素(Cyanidin,Cy)的糖苷形式的一種,屬于天然花色苷成分,且Cy3G 是植物中常見的且含量較為豐富的花色素糖苷單體。其除了具有清除自由基,抗氧化、抗炎,防止內(nèi)皮功能紊亂,調(diào)節(jié)膽固醇代謝,改善胰島素抵抗,預(yù)防癌癥、糖尿病和心血患疾病等作用外,還具有神經(jīng)保護(hù)作用[44-45]。但其是否可以通過PPARγ 途徑參與到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)作用中并改善腦功能,目前尚無文獻(xiàn)報(bào)道。

        但是,前瞻性的研究結(jié)果證實(shí),在脂肪組織和肝臟中Cy 可以作為天然的PPARs 的激動劑,誘導(dǎo)3種PPAR 亞型的轉(zhuǎn)錄活性,并可與PPAR 3 種亞型直接結(jié)合,其效果類似于降血脂藥物,可以作為PPARα/δ/γ 的激動劑[46]。同時(shí),Shih 等[47]研究還證實(shí),Cy 及曲格列酮分別或共同處理人類肝母細(xì)胞瘤HepG2 細(xì)胞后,一方面Cy 通過調(diào)控細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)和JNK 信號通路,使抗氧化酶(如SOD、過氧化氫酶)表達(dá)水平上調(diào),核因子2 相關(guān)因子(Nrf2)激活;另一方面,兩者可發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),活化Nrf2-PPARγ 途徑,抑制由H2O2誘導(dǎo)的脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)水平下調(diào)、ROS 的生成和細(xì)胞的凋亡,緩解氧化應(yīng)激介導(dǎo)的肝毒性。此外,Masood等[48]研究發(fā)現(xiàn),用Cy3G 分別處理人網(wǎng)模脂肪細(xì)胞和3T3-L1 前脂肪細(xì)胞后,脂肪細(xì)胞的葡萄糖攝取能力和葡萄糖運(yùn)載體4 膜轉(zhuǎn)位率增加,核PPARγ 的活性也顯著升高并直接誘導(dǎo)脂聯(lián)素和葡萄糖運(yùn)載體4 的表達(dá)上調(diào)。提示:Cy3G 在發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的同時(shí),可以作為神經(jīng)系統(tǒng)中PPARγ 潛在的天然激動劑。

        4 結(jié) 語

        大量證據(jù)清楚地表明PPARγ 對AD 這類神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病具有重要作用,其發(fā)揮作用的機(jī)制是激活PPARγ 依賴的基因轉(zhuǎn)錄過程和下游次級反應(yīng),即選擇性激活或抑制一系列基因的轉(zhuǎn)錄,發(fā)揮著不同或者相反的作用。但是,如果能針對PPARγ 的組織特異性進(jìn)行選擇性激活,這就能大大提高AD這類神經(jīng)退行性疾病的治療效果。雖然已有部分藥物應(yīng)用于激活PPARγ,但是諸如TZDs 類藥物只在一定條件下具有神經(jīng)保護(hù)作用。因此,針對PPARγ這一靶標(biāo),迫切需要開發(fā)安全有效的PPARγ 激動劑,將副作用降到最低;其中,天然植物化學(xué)物花色苷單體——Cy3G 可以作為潛在的PPARγ 天然激動劑,但是其通過活化PPARγ 途徑,進(jìn)而發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用的相關(guān)機(jī)制尚需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

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