阿尔茨海默病基因多态性研究进展

王瑞华剑非

作者单位：110004辽宁省沈阳市，中国医科大学附属盛京医院神经内科

剑非 教授

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是一种以进行性认知功能障碍和记忆损害为主的中枢神经系统退行性疾病。遗传因素对AD的影响预计高达80%［3］。AD组织病理学特征主要为神经元大量减少以及老年斑（senile plaques，SP）和神经元纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）形成。 β-淀粉样蛋白（βamyloid，Aβ）由 β-淀粉样前体蛋白（β-APP）通过蛋白水解产生。SP由Aβ沉积而成，主要分布在大脑皮质、海马、杏仁核等区域，对神经元和突触具有毒性作用，可以破坏突触膜，引起神经细胞凋亡。NFTs是AD另一个重要的病理特征，多出现在皮质海马及Meynert基底核神经元中，主要由维持正常轴浆运输和轴突生长所必需的细胞内微管相关蛋白（Tau蛋白）异常磷酸化形成。

AD按发病年龄不同可分为2种类型：发病年龄＜65岁者为早发型AD（early-onset AD，EOAD），仅占AD总数的1%～6%［2］；发病年龄＞65岁者为迟发型 AD（late-onset AD，LOAD），约占 AD 总数的 95%左右［3］。EOAD多为家族性，具有遗传和家族聚集倾向；LOAD多为散发性，受复杂的遗传和环境因素共同影响。目前研究发现，EOAD主要与 APP、早老素（presenilin，PSEN）1、PSEN2 基因突变有关［4］；而载脂蛋白 E（ApoE）基因与LOAD相关［5］。随着全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）的进展，更多的AD遗传风险基因受到关注。

1 EOAD相关基因多态性

1.1 APP APP基因位于染色体21q21.3，对其全部编码区行直接测序发现，APP基因突变均发生在APP的第16、17号外显子上，突变形式包括 V717I、A673T、K670N／M671L、E682K、E693G 等［6］。 生理状态下，APP可在α-分泌酶和γ-分泌酶的作用下水解为非致病性片段，也可被β-分泌酶及γ-分泌酶水解为2种Aβ短肽，即 Aβ42（10%）和Aβ40（90%），后两者在细胞外聚集形成SP［7］。E693G突变导致Aβ肽自我聚集及纤维形成增加［8］。 K670N／M671L、E682K、V717I突变可调整或转移切割位点至β-分泌酶切割位点，从而增加Aβ42／40的生成［9］；V717I突变还可以使Tau蛋白过度磷酸化，从而导致SP和NFTs形成，引起细胞凋亡。但也有研究表明，A673T突变可降低AD的发病率［10］，而同一位点的变体A673V在纯合子状态可导致EOAD的发病风险增加，但在杂合子状态可降低AD的发病风险［11］。

1.2 PSEN PSEN有PSEN1和PSEN2两种形式，其基因分别位于染色体14q24.3和染色体1q13～q42。PSEN1和PSEN2是γ-分泌酶复合体的重要组成部分。PSEN1和PSEN2基因主要通过以下3种病理机制影响AD：（1）抑制内切蛋白酶水解，从而减少Aβ蛋白前体（AβPP）在细胞内的释放；（2）影响水解位点优先分解AβPP；（3）产生较长的 Aβ 肽［12］。 有研究证明，PSEN1的亲水性环状结构域，尤其是TDM6和TDM7之间结构的缺失会导致PSEN1的构象改变，进而使Aβ42生成增多，Aβ42／40 的比例升高［13］。 有研究发现，LOAD 病人也会出现PSEN1或PSEN2基因突变。

2 LOAD相关基因多态性

目前已被鉴定出有约30个位点与LOAD基因多态性相关［14］，其中许多基因的功能尚不清楚。且与等位基因ApoE的效应量相比，在GWASs中发现的大多数易感位点表现出较小的效应量。这些基因的分子功能大致集中在以下几个途径中：（1）脂质代谢相关通路，包括ApoE、丛生蛋白（CLU）和ATP结合盒转运蛋白A7（ABCA7）；（2）免疫应答通路，包括髓系细胞分化抗原33（CD33）、补体受体1型（CR1）、人跨膜蛋白4结构域亚家族（MS4A）及髓系细胞触发受体2（TREM2）；（3）内吞作用，包括桥联整合1（BIN1）、磷脂酰肌醇结合网格蛋白组装蛋白（PICALM）、分拣蛋白受体1（SORL1）及CD2相关蛋白（CD2AP）。与常染色体显性遗传AD不同，这些基因不能独立预测疾病。但多种因素的叠加可能会影响AD的易感性。有研究称，这些因素的聚集可使AD发病年龄提前10年［15］。

2.1 脂质代谢相关基因多态性

2.1.1 ApoE：ApoE基因多态性被认为是LOAD主要的易感因素。ApoE基因位于染色体19q13.2，含有4个外显子，其中第一外显子不编码氨基酸，剩余外显子以ε2、ε3和ε4三种常见的等位形式存在，共6种不同的基因型（ε2／2、ε2／3、ε2／4、ε3／3、ε3／4、ε4／4）。 ApoE基因频率和表现型有种族和地域的差别。ApoE主要在肝脏中合成，脑中的ApoE由星形胶质细胞合成和分泌。Strittmatter等［16］于1993年首先报道了ApoE基因型ε4是AD的高危因素和易感基因，且性别、年龄、剂量效应均影响患病风险。

研究表明，ApoE亚型以特异性的方式影响Aβ的沉积和神经毒性作用，其中ApoE ε3通过防止Aβ沉积保护神经元；而ApoE ε4则促进Aβ的沉积，从而发挥神经毒性作用，这也是ApoE ε4作为AD独立危险因子的重要原因［5］。

ApoE与Tau蛋白相互作用具有异构体特异性，ε3可通过与Tau蛋白微管结合形成较为稳定的复合体，减少其磷酸化，促进轴突生长；ε4则缺乏结合Tau蛋白的能力，易引起微管解聚，抑制轴突生长及神经变性后正常神经元的代偿重建，加速NFTs的形成，这是ApoE ε4 与 AD 相关的重要原因［17］。

但目前ApoE ε4通过影响Aβ的沉积及Tau蛋白磷酸化影响AD的相关机制仍停留在实验、假说阶段，ApoE与AD相关的生物学机制仍需进一步研究。

2.1.2 CLU：CLU是载脂蛋白的一种，其基因位于染色体8p21.1。该蛋白在脑组织中表达较高，是仅次于ApoE的第二大载脂蛋白，作为一种应激活化的伴侣蛋白，参与许多生物学过程，如脂质转运、膜保护、神经元细胞周期调节、细胞凋亡、补体调节等。CLU mRNA在 AD 病人脑组织中表达增加［18］。 DeMattos 等［19］在CLU缺陷的APP转基因小鼠脑组织中发现，纤维斑块形成降低，营养障碍型轴突减少，可溶解Aβ的水平改变。所以，CLU可能影响Aβ的清除，导致淀粉样蛋白沉积，从而产生神经毒性。

2.1.3 ABCA7：ABCA7是ABC转运蛋白超家族成员之一，其功能是跨细胞膜转运底物，在脑小胶质细胞中表达最为丰富。ABCA7位于染色体19p13.3，可通过交替剪接产生2个转录本：rs3764650和rs4147929，这2个转录本都在大脑中表达，其中rs3764650与AD大脑中的神经元斑块负担有关［20］。尸检脑组织中ABCA7 mRNA表达也与晚期认知功能下降有关［21］。ABCA7在脂质从细胞外转运到脂蛋白颗粒的过程中起作用，刺激胆固醇外排，抑制Aβ分泌。ABCA7还通过C1q补体途径调控巨噬细胞吞噬凋亡细胞。

2.2 免疫应答相关基因多态性

2.2.1 CR1：CR1编码CR1蛋白，是补体反应的一个组成部分，其基因位于染色体1q32。CR1在吞噬细胞（如红细胞）上的表达可导致补体活化颗粒的摄取和清除。有研究证实，CR1通过补体系统参与小胶质细胞及神经炎症过程，进而参与AD的Tau蛋白磷酸化病理过程［22］。Aβ通过补体因子C3b的介导与红细胞表面的 CR1结合，并最终被红细胞清除出循环系统［23］。既往研究表明，rs3818361和rs6656401内含子基因的突变不直接参与蛋白的表达，但可能通过影响CR1基因的表达进而影响Aβ的清除［24］。rs3818361与 ApoE ε4转运相关［25］。 尸检脑组织中 CR1 mRNA的表达也与晚期认知功能下降有关。

2.2.2 CD33：CD33编码一种Ⅰ型跨膜受体，分布于外周组织的免疫细胞以及大脑的小胶质细胞中，为SIGLEC凝集素家族的一员。GWASs分析显示，CD33基因单核苷酸多态性（SNPs）与AD的发生发展有着密切联系。研究发现，AD病人CD33的表达上调，CD33阳性的AD病人小神经胶质细胞的数量与Aβ42积累呈正相关［26］。CD33保护性等位基因rs3865444的表达水平减少与AD病人脑中不溶性Aβ42含量的减低有关。有研究表明，CD33可通过诱发人干扰素（INF）-α、白细胞介素（IL）-6、IL-8等炎症因子，干扰炎症反应和突触传递，并抑制Aβ的清除，造成Aβ在AD病人大脑中堆积，从而参与AD的发病进程［27］。此外，据报道，CD33的危险等位基因与TREM2表达水平的增加有关［28］。CD33抗体通过抑制CD33信号，降低TREM2的表达水平。因此，提示CD33可能通过调节TREM2的功能从而在AD的病理机制中发挥多效性作用。

2.2.3 TREM2：TREM2位于染色体6p21.1，编码骨髓细胞（如小胶质细胞、树突状细胞、巨噬细胞）细胞膜的跨膜免疫受体。TREM2可通过损伤相关脂质模式，增强小胶质细胞对损伤细胞和Aβ沉积的免疫应答［29］。 Lill 等［30］研 究 发 现， TREM2 rs75932628（R47H）可增加AD风险（OR=5.73），这几乎与ApoE ε4等位基因有同样的效果，但这种风险关系仅在高加索人群中存在，在亚洲人群中并未发现明确相关性。Jiang等［31］在我国汉族人群中发现TREM2 rs2234255（H157Y）可增加 AD风险（OR=11.01），并且存在较高的等位基因频率。另一研究发现，TREM2 rs143332484（R62H）也可增加 AD风险（OR=2.36）［32］。 Carrasquillo 等［33］研究发现，rs9357347C 等位基因可降低 AD的发病风险，增加 TREM1和TREM2在脑组织中的表达。

TREM2可与跨膜蛋白DAP12形成复合物，并通过DAP12传递信号识别细胞外配体。TREM2基因缺陷的AD模型小鼠组织中存在Aβ沉积，并且Aβ斑块周围小胶质细胞的数量明显减少［34］。TREM2除作为受体外，还可参与细胞外蛋白水解，释放出一种可溶性片段sTREM2。sTREM2可以在人类脑脊液中检测到，可刺激小胶质细胞存活和炎症细胞因子产生［35］。由于这种变化可能反映了小胶质细胞活化状态的改变，因此脑脊液中TREM2有望成为神经炎症的潜在生物标志物。

2.2.4 MS4A：MS4A包含多个与炎症反应相关的基因位点：MS4A4A、MS4A4E、MS4A6E，其基因位于染色体11q12.2。MS4A在结构上与CD20相似。CD20调节B淋巴细胞抗原受体活化后的钙内流。MS4A基因在髓细胞和单核细胞中表达。LOAD的GWAS研究发现，rs983392（接近 MS4A4A）和 rs670139（接近MS4A4E）为AD风险等位基因［36］。rs983392与LOAD风险降低相关，而 rs670139则与之相反。MS4A6E mRNA表达和rs670139与AD脑组织中较晚期的Braak纠结和斑块分期有关。然而，这一区域的功能性SNPs尚未被确定。

2.3 内吞作用相关基因多态性

2.3.1 BIN1：BIN1参与调节细胞内吞和转运、免疫反应、钙稳态和细胞凋亡。其基因位于染色体2q14.3，产生7个不同的转录本。GWAS发现，BIN1的SNPs增加LOAD 风险［36］，包括 rs744373、rs7561528、rs6733839 和rs59335482等，其中rs744373和rs7561528位于BIN1编码区上游超过25 kB的位置。rs7561528与嗅皮层及颞极皮层厚度有关［37］。rs59335482与rs744373存在连锁不平衡，与AD脑内BIN1 mRNA表达和Tau蛋白聚集相关，但与纤维缠结无关［30］。 Tan 等［39］对汉族人群进行序列分析发现，rs67327804和rs1060743与LOAD相关。在AD大脑中，BIN1 mRNA表达水平的升高与延迟发病和缩短病程相关。

BIN1可能在Tau蛋白的磷酸化进程中发挥作用。BIN1与微管结合蛋白CLIP-170相关，可改变Tau蛋白的磷酸化。BIN1通过修饰β-APP的囊泡运输，参与网格蛋白介导的内吞作用。对BIN1缺陷小鼠研究发现，突触囊泡循环和内吞蛋白支架被修复［40］。尽管BIN1变异型的功能与AD一部分发病机制相关，但确切作用尚不明确。

2.3.2 PICALM：PICALM位于染色体11q14，产生23个不同的转录本。PICALM主要在神经元中表达。rs3851179和rs541458与降低LOAD风险相关［41］。然而，这些SNPs的机制仍有待确定。

干扰PICALM的表达影响APP在体外的转运，而PICALM在体内过表达促使AD转基因小鼠Aβ沉积。PICALM可与自噬小体结合调节 Aβ的清除［42］。因此，PICALM可调节Aβ生成和清除，从而影响Aβ在AD病人脑内的沉积。

2.3.3 SORL1：SORL1 位于染色体 11q23.2，是Vsp10p结构域受体家族的成员，由5个Ⅰ型跨膜受体组成。参与囊泡从细胞表面向高尔基内质网的转运。GWAS研究显示，rs11218343可降低AD 风险［41］。

SORL1参与APP裂解，在抑制Aβ形成中起到关键作用。SORL1缺陷小鼠体内Aβ水平升高［43］。SORL1 mRNA在AD病人脑细胞中的表达降低［44］。SORL1也是一种脂蛋白（如ApoE）的受体，通过内吞途径介导摄取。因此，SORL1在控制APP裂解和ApoE摄取方面的作用可能对于维持大脑的信号功能至关重要。

2.3.4 CD2AP：CD2AP是参与细胞骨架重组和细胞内转运的支架蛋白。CD2AP位于染色体6q12。rs9296559和rs9349407与LOAD风险增加相关［36］。AD病人神经元斑块沉积与rs9349407相关［20］。但也有研究显示CD2AP mRNA在AD病人神经元中的表达没有改变。在AD果蝇模型中敲除CD2AP果蝇同源基因可增强Tau蛋白神经毒性［45］。CD2AP是突触形成所必需的，CD2AP缺陷小鼠细胞的溶酶体功能也受损，这表明CD2AP是溶酶体囊泡转运的关键调控因子［46］。

3 总结

关于AD遗传风险因素的认识，既往的研究多集中在神经元细胞和Aβ斑块、Tau蛋白之间的联系。随着基因组分析技术的进展，AD相关基因得到越来越多的认识。关于神经元和非神经元细胞之间的联系的研究也会越来越重要。AD病理过程非常复杂，有些基因对神经元有害，而有些则有神经保护作用。因此，准确定位相关基因特有的功能靶点可能会为未来AD的治疗带来突破性进展。一些研究者已经开展了候选药物的研究及临床试验。未来，我们需要更精准地了解AD发病中的未知病理作用及过程，发掘新的诊断AD的潜在生物标志物，为AD的诊断和治疗带来新的方向。