王大鵬，吳一芳（綜述），海 艦（審校）同濟大學附屬同濟醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200065

生物信息學在阿爾茨海默病發(fā)病機制和藥物設計中的應用

王大鵬，吳一芳（綜述），海 艦（審校）
同濟大學附屬同濟醫(yī)院神經(jīng)外科，上海 200065

阿爾茨海默病是一種常見的神經(jīng)變性疾病，臨床主要表現(xiàn)為進行性記憶損害和認知功能障礙。然而，阿爾茨海默病的發(fā)病分子機制復雜不清，是多種基因和細胞信號傳導通路相互作用的結果，且臨床上缺乏有效的治療藥物，成為神經(jīng)科學領域臨床治療的難點。目前，生物信息學在醫(yī)學中的應用越來越廣泛，采用生物信息學分析阿爾茨海默病發(fā)病相關基因芯片數(shù)據(jù)，構建相關基因和細胞信號傳導通路的網(wǎng)絡圖，可系統(tǒng)性分析阿爾茨海默病發(fā)病機理，篩選關鍵信號通路、關鍵基因、關鍵酶，可為治療阿爾茨海默病的藥物設計和再利用提供新的視角，將為其治療提供新的理論依據(jù)。

阿爾茨海默??；生物信息學；發(fā)病機制；藥物設計

阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）為一種常見的進展性神經(jīng)變性性疾病，約占老年癡呆的50%～56%，病理改變以淀粉樣肽沉積、神經(jīng)元纖維纏結等為主，導致神經(jīng)元變性和（或）凋亡、突觸可塑性改變等，臨床主要表現(xiàn)為認知功能障礙和進行性記憶損害[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，2010年全球約3 500萬人受此疾病困擾，2014年僅美國就有5百萬AD患者，每年的治療費用平均約1 720億美元，給家庭和社會帶來巨大的負擔[1，3]。然而，AD發(fā)病的分子作用機制尚不清楚，且臨床上缺乏有效的干預性治療措施[4-5]，使AD成為神經(jīng)科學領域研究的熱點和臨床治療的難點。

生物信息學是20世紀80年代末隨著人類基因組計劃啟動而興起的一門新的交叉學科，涉及生物學、數(shù)學、計算機科學、醫(yī)學等多種學科，以蛋白和核酸等生物大分子數(shù)據(jù)庫等為研究對象，獲取相關基因編碼、基因調控、蛋白質和核酸結構及功能等生物信息，研究生命起源、生物進化、疾病發(fā)生發(fā)展規(guī)律等問題[6-7]。目前，在疾病發(fā)生機制和藥物設計的研究中，生物信息學的應用越來越廣泛且起到非常重要的作用。本文就生物信息學在AD發(fā)病機制和藥物設計中的應用綜述如下。

1 AD發(fā)病相關的基因和細胞信號傳導通路

AD發(fā)病機制依賴于內環(huán)境的穩(wěn)定，受多基因、多機制、多因素的影響，其病理變化特點包括：β淀粉樣肽（β-amyloid peptide，Aβ）沉積、神經(jīng)元纖維纏結、神經(jīng)元缺失、白質損害、Tau蛋白過度磷酸化[8]等。在上述重要的病理改變中，β淀粉樣沉淀被認為是致病的關鍵因素之一。Aβ肽是一種自然代謝產(chǎn)物，分子量為36～43 kD，具有神經(jīng)毒性，多種因素致Aβ肽在腦實質內蓄積增多、清除減少，啟動一系列病理淀粉樣蛋白級聯(lián)反應，導致廣泛的神經(jīng)元缺失[9]。Aβ肽的代謝與膜內淀粉樣前體蛋白（Amyloid precursor protein，APP）有關，APP的水解主要在內吞小體-溶酶體系統(tǒng)內進行，α、β、γ三種分泌酶與APP水解相關，APP水解后產(chǎn)生Aβ40和Aβ 42，促發(fā)神經(jīng)元缺失以及神經(jīng)元纖維纏結等。除淀粉樣肽假說外，Tau蛋白過度磷酸化也認為是AD發(fā)病的關鍵因素之一[1-9]。Tau蛋白是一種含磷的微管相關蛋白，Tau蛋白過度磷酸化后，其活性喪失，引起微管組裝紊亂、微管蛋白分子間廣泛交聯(lián)，影響突觸和細胞間信號傳遞，損傷神經(jīng)?；蜓芯勘砻?，與AD相關的突變基因有14號染色體上的早老素1基因和1號染色體上的早老素2基因、19號染色體上的載脂蛋白E基因和21號染色體上的APP基因。不同的基因突變導致家族性或散發(fā)性AD的發(fā)生，其中早老素1基因突變可導致早發(fā)型家族性AD[10]。這些與AD相關的基因收錄在AlzGene數(shù)據(jù)庫（http：//alzgene.org），包括了所有關于AD遺傳學、全基因組等方面的研究信息。

在AD、血管性癡呆等病理情況下，乙酰膽堿水平降低、谷氨酸釋放異常、鈣離子內流增加、氧化應激、神經(jīng)炎癥反應、相關細胞信號傳導通路異常，如絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs），環(huán)磷腺苷效應元件結合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）、磷脂酰肌 醇-3-激 酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）、細胞外信號調節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinases，ERK）等[11-13]；腦組織中相關受體配體表達異常，如大麻素受體1型（cannabinoid，CB1）明顯減少以及瞬時受體電位香草醛亞家族1（transient receptor potential cation channel subfamily V member 1，TRPV1）表達異常，并伴有炎性細胞因子的釋放如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、環(huán)氧 化 酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）、氧自由基、核轉錄因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）等[14-15]，誘導血管性損傷、神經(jīng)變性或凋亡、膠質細胞活化等，導致患者記憶損害和認知功能障礙。

2 生物信息學在AD發(fā)病機制研究中的應用

AD發(fā)病機制復雜多樣，可能與血管性危險因素、患者年齡、伴發(fā)疾病等因素相關，早發(fā)型和晚發(fā)型的發(fā)病機制亦存在差異。如何在大量的研究數(shù)據(jù)中，合理的分析數(shù)據(jù)，探索關鍵信號或致病因素，為AD的臨床治療提供理論依據(jù)，成為生物信息學和神經(jīng)科學交叉研究的熱點。生物信息學借助多種系統(tǒng)軟件，通過序列比對分析、功能基因組與基因表達數(shù)據(jù)的分析、蛋白質結構的預測以及藥物設計等研究方法，使其在醫(yī)學和生命科學領域的應用越來越廣泛[16]。

在AD發(fā)病相關基因的研究中，李長征等[17]人利用String、KEGG、Panther等在線分析軟件對從基因芯片公共數(shù)據(jù)庫GEO中的AD基因芯片數(shù)據(jù)進行生物信息學分析，發(fā)現(xiàn)在34個差異表達基因所編碼的蛋白質中，有25個蛋白與蛋白存在相互作用的關系，其中以鈣通道家族基因（CACNAII、CACNA1A、CACNA2D1、CANA1C、CACNA1G）為主。此分析與MacDonald[18]和Ronco等[19]的研究結果相符，提示著鈣通道家族基因在神經(jīng)遞質傳導、細胞間信號轉導、線粒體功能等方面影響神經(jīng)細胞的功能和存活，與AD和癡呆的發(fā)病密切相關。分析同時得出，與AD發(fā)病相關的基因，涉及23個細胞生物學通路，主要包括刺激神經(jīng)的配體-受體相互作用通路、鈣離子信號通路、MAPK信號通路、長時程增強（LTP）、長時程抑制（LTD）、血管平滑肌收縮通路[17]。我們前期研究表明，內源性CB1水解酶抑制，通過增強LTP，可改善慢性腦低灌注大鼠認知功能障礙[20]。神經(jīng)變性性疾病AD的臨床表現(xiàn)主要為認知功能障礙，而慢性腦低灌又是導致AD和血管性癡呆認知功能障礙的重要因素[21]。據(jù)此推測：LTP受損是導致AD患者認知功能障礙的重要原因之一，此推測結果同樣也符合采用生物信息學方法分析數(shù)據(jù)所得的相關結論。而采用高通亮全基因組相關性研究可發(fā)現(xiàn)與AD發(fā)病相關的易感基因，如磷脂酰肌醇結合網(wǎng)格蛋白轉配蛋白（PICAIM）、Protocadethin11X連鎖（PCHDH11X）和煙堿樣乙酰膽堿受體（CHRNB2）等基因[22]。因此，采用生物信息學技術研究AD的發(fā)病機制有重要的指導意義。

3 治療AD的相關藥物

由英國國家衛(wèi)生與保健優(yōu)化研究所（National Institute for Health and Care Excellence，NICE）推薦治療AD的藥物有四種，其中三種藥物為乙酰膽堿酯酶抑制劑（acetylcholinesterase inhibitors，AChEi）分 別 為 多 奈 哌 齊（donepezil）、加 蘭 他 敏（galantamine）和卡巴拉?。╮ianstigmine），另一種藥物為新型的作用于谷氨酸受體的美金剛（memantine）[23]。但對不同程度的AD，藥物的選擇、劑量和藥效是不同的。AchEi類藥物在輕中度AD患者長期治療中（6個月以上），約50%的患者有效，療效維持時間約1.5年左右。多奈哌齊對于中重度AD患者，藥物劑量為23 mg/d時較10 mg/d效果更佳[24]，而隨機雙盲對照臨床試驗表明美金剛對中重度AD患者無明顯作用[25]，但也有研究認為美金剛28 mg/d對中重度AD患者安全有效[26]。

依據(jù)AD的發(fā)病機制，針對Aβ或Tau蛋白的抗AD相關藥物有PF-04360365和PF-04494700（抗Aβ肽），抗GSK-3β反義寡核苷酸和高血糖素樣肽1（Glucagon-like peptide-1）（抗Tau蛋白）等，另外還有影響藥物轉運和選擇的吡格列酮（pioglitazone）、神經(jīng)性藥物四氫孕酮（allopregnanolone）、缺氧誘導因子調節(jié)劑M30、胰島素生長因子結合蛋白7（Insulin growth factor binding protein 7）、新型AChEi等[5，27-29]，這些藥物尚未獲得美國食品藥品管理局批準上市，可作為潛在的抗AD藥物。

4 生物信息學在AD藥物設計中的應用

生物信息學在多種疾病的藥物研發(fā)和再利用起著重要作用，如抗腫瘤藥物[30]、中草藥[31]等。藥物的綜合藥理效應并非單基因特性，而是多種基因共同影響藥物的體內代謝、分布以及藥物間的相互作用，即藥物效應的基因多態(tài)性。藥物效應的基因多態(tài)性同時也反映了致病因素的多樣性與復雜性。生物信息學為藥物設計提供了新思路，使藥物設計趨于理性化、通過疾病差異性表達基因的分析，篩選關鍵致病基因，減少新藥設計的盲目性，進一步減少藥物研究和開發(fā)過程的時間和費用。

目前，臨床上尚缺乏有效的治療AD的方法。據(jù)統(tǒng)計，AD患者在確診后生存期約3～9年[32]。多種單一的分子靶向抗AD藥物，臨床3期試驗效果并不理想，面臨著藥物劑量的選擇和藥物副作用的問題[33-34]。最近，網(wǎng)絡醫(yī)學（network medicine）倍受關注，其理念為正常生理機能系統(tǒng)被破壞，“輸入”和“輸出”的生物學網(wǎng)絡不平衡，引起多種細胞信號通路相互作用，導致腫瘤、抑郁癥等復雜疾病的發(fā)生[35]。在該概念的理論基礎上，采用生物信息學方法可有效的分析、構建關鍵新靶點或多靶點藥物相互作用網(wǎng)絡圖，為AD藥物的設計和再利用提供了新的思路。Zhang等[36]通過歸納比較相關數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有23種藥物與AD發(fā)病基因相關，血管緊張素轉化酶（angiotensin-converting enzyme，ACE）抑制劑可望用于AD的治療。多靶點藥物或聯(lián)合用藥有著相互作用的網(wǎng)絡，可主導并調節(jié)更加廣泛的細胞防御機制和自我損傷修復的能力，從而表現(xiàn)出更加有效的整體效果。

5 展望

AD患者認知功能進行性下降，抗AD藥物仍然面臨諸多問題，第一AD發(fā)病機制復雜不清，為多種基因相互作用和細胞信號傳導通路共同參與的神經(jīng)病理改變[37]；研發(fā)強力有效的分子靶點藥物非常困難；第二動物實驗不能有效的反應藥物在人體的作用效果[5]；第三臨床試驗認知功能改善評價標準不一，以及藥物不良反應多樣的問題等[33-34]。伴隨著生物信息學的發(fā)展和多學科的交叉合作，采用生物信息學方法分析AD相關基因芯片數(shù)據(jù)，構建基因及轉錄因子間的相互作用的網(wǎng)絡圖，可從基因、轉錄因子、酶、信號轉導通路等水平上系統(tǒng)性分析其發(fā)病機制，便于篩選關鍵信號轉導通路、關鍵基因、關鍵酶，為尋找藥物新靶點和多靶點聯(lián)合用藥以及藥物再利用提供新的視角，為AD的綜合治療提供新的理論依據(jù)。

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Application of bioinformatics in the pathogenesis and drug design of Alzheimer disease

WAND Dapeng，WU Yifang，HAI Jian
Department of Neurosurgery，Tongji Hospital，Tongji University School of Medicine，Shanghai 200065，China

Alzheimer disease is a common neurodegenerative disease，which is mainly characterized by progressive memory impairment and cognitive dysfunction.However，the molecular pathogenesis of Alzheimer disease is complex and unclear，and is the result of various genes and cellular signaling pathway interactions.Lacking the effective therapy in clinical practice，Alzheimer disease has become a difficulty in clinical treatment of neuroscience field.Currently，bioinformatics has been widely applied in medical science.Using bioinformatics to analyze the related gene chip data and construct the related gene and cellular signaling transduction pathway network diagram can systematically explore the pathogenesis of Alzheimer disease and screen the key signaling pathway，gene and enzyme，which will provide a new perspective of drug design and re-use，and a new theoretical basis to treat Alzheimer disease.

Alzheimer disease；Bioinformatics；Pathogenesis；Drug design

R742

A

2095-378X（2016）01-0053-04

10.3969/j.issn.2095-378X.2016.01.017

2015-12-03）

國家自然科學基金（81271212）

王大鵬（1987—），男，在讀博士研究生，研究腦血管病和神經(jīng)變性性疾病基礎和臨床

海 艦，電子信箱：haijiandoc@163.com