SorCS1基因在阿尔茨海默病病理机制中的研究进展

李越，曹欣雨，李东亮，李志良，徐海岩

(哈尔滨医科大学(大庆)医学检验技术学院生物化学教研室，黑龙江 大庆 163319)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)患者主要表现为认知功能逐渐丧失，包括记忆和理解能力减退以及不可预测的行为等。据统计，AD的发病率逐年升高且预后不良，病死率高于心血管疾病[1]。据国际AD协会统计，全球平均每3秒新发1例AD，预计2050年全球AD患者总数将超过1.52亿，给社会和家庭带来巨大的经济和精神负担[2]。目前，临床上AD的诊断和防治方法均来源于针对AD发病机制的基础研究。因此，揭示AD发病机制并明确关键致病基因，是降低AD发病率及病死率的有效举措之一。蛋白质分选受体SorCS1以膜蛋白形式存在于细胞内，在细胞器膜、内体与细胞膜之间通过蛋白质转运动态调控蛋白质的分布，维持生理状态下细胞膜内、外蛋白质间的动态平衡[3-4]。研究显示，SorCS1是神经元受体运输的关键调节因子，可结合多种特异性配体完成营养物质的转运、信号转导调控、中枢系统代谢控制等生理过程[5-6]。SorCS1作为蛋白质分选受体家族成员，参与了AD发病机制中的蛋白运输环节，导致毒性蛋白的累积，引发神经毒性效应，使患者出现记忆减退和认知功能改变[7-9]。现就SorCS1基因在AD病理机制中的研究进展予以综述。

1 SorCS1基因

SorCS1蛋白属于蛋白质分选受体VPS10p(vacuolar protein sorting 10 protein)家族，该家族包含SorCS1、SorCS2、SorCS3、Sortilin和SorLA，每个家族成员的VPS10p结构域C端均含有以特定间隔分开的12个半胱氨酸残基的高度保守序列；人类及鼠类Sortilin和SorLA基因的鉴定早于其他3个家族成员；人类SorCS1、SorCS2和SorCS3这3个高度同源基因的基因组DNA均>600 kb，属于人类基因中较大的基因[10]。在细胞水平上，VPS10p家族蛋白质以单体或二聚体形式存在，单体与二聚体的比例决定了VPS10p家族蛋白质结合配体的特异性，从而调节VPS10p家族受体的多种功能[11]。SorCS1基因转录生成的RNA经可变剪接后以多种转录本的形式存在，转录本的胞外域与跨膜域的序列一致，分为a、b、c、e亚型，各亚型结构的差异导致其在细胞内呈现不同的功能形式[12]。研究表明，在大脑发育期VPS10p受体家族成员的表达量高于成熟期，VPS10p受体家族成员可识别、结合包括神经肽及营养因子在内的多种配体，加速内化过程并分选细胞内蛋白质[10]。SorCS1蛋白不仅在人类神经系统中高表达，在成年小鼠大脑神经元中也普遍存在，且在小鼠大脑中的表达水平显著高于心脏、肝脏和肾脏[13-14]。SorCS1蛋白在神经系统中高表达，在神经信号转导和蛋白质运输过程中发挥作用，由于结构不同，SorCS1a与SorCS1c的内化功能也存在差异，而SorCS1b几乎不能接受内化及分选信号，只能作为细胞膜受体蛋白停留在神经元表面[15]。

功能多元化是VPS10p家族成员参与多种疾病发生、发展的根本原因。Lazar等[16]研究发现，SorCS1基因突变可增加人类及大鼠肾脏疾病易感性，在高血压肾病易感大鼠模型中敲除SorCS1基因则会引发蛋白尿症状，而体外研究显示，敲除SorCS1基因猪的肾细胞Pk-1白蛋白吸收显著减少，表明肾脏中的SorCS1基因参与了蛋白质的传递运输。Savas等[4]研究表明，SorCS1是突触受体运输的关键调节因子；但SorCS1的表达亦受神经元活动的调控，当利用海仁藻酸诱导小鼠癫痫症状时，其SorCS1表达水平也随之升高[14]。研究发现，敲除SorCS1基因小鼠胰岛β细胞中的胰岛素分泌颗粒与胰岛素水平均显著降低；而过表达SorCS1后，胰岛素分泌颗粒水平显著升高，证明SorCS1是胰岛β细胞分泌胰岛素所必需，SorCS1表达异常则导致胰岛β细胞功能紊乱，最终引发糖尿病[17]。针对SorCS1基因突变大鼠的实验表明，SorCS1作为原肌球蛋白相关激酶B的胞内转运受体，可减弱脑源性神经营养因子的信号转导，最终达到调节能量稳态的目的[5]。SorCS1的功能主要包括两个方面：①蛋白质运输和内体传递[16,18]；②调节功能，主要调节内分泌和神经营养信号通路[5,17,19-20]，进而干预肿瘤的生长[21]或影响神经退行性疾病的发生、发展[22]。

2 AD的病理机制

AD是一种在老年人群中高发且不可治愈的神经系统退行性疾病。临床上，发病年龄<65岁的AD定义为早发型AD，发病年龄≥65岁的AD则为迟发型AD。早发型AD呈家族聚集性发病，迟发型AD的病因中约80%与遗传易感性有关；早发型AD与迟发型AD的终末期病理特征高度相似，几乎无法分辨[23]。Alzheimer等[24]记录了首例AD患者脑中的病理改变，并根据病理特征提出假设，即大脑皮质中某种物质积聚形成了许多神经炎斑块，还形成了异常的胞内聚集体(神经微管相关蛋白tau)导致神经元纤维缠结。Kang等[25]证实，神经炎斑块的组成成分是聚积的β淀粉样蛋白(amyloid-β peptide，Aβ)，而Aβ由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)裂解生成。此外，有学者还提出了突触形态改变、神经元丢失以及反应性胶质增生等假说[26]。研究发现，Aβ异常聚积是AD发病的根本原因，较AD患者认知功能障碍症状出现更早[27]，AD患者脑中局部的病理改变甚至可以早于临床症状20～30年出现[28]，这可能是脑中发生淀粉样变后短时间内并未出现AD临床症状的原因[29]。

APP是单跨膜蛋白，在内质网合成后被运输至反式高尔基体网络中储存，APP在神经元中大量存在且代谢速度极快；APP在体内经淀粉样蛋白途径与非淀粉样蛋白途径代谢，在淀粉样蛋白途径中，APP生成Aβ主要在内体及细胞表面进行，细胞表面的APP可以直接经β-分泌酶和γ-分泌酶的加工生成Aβ；APP也可以在网格蛋白包被复合体的介导下重新内化进入内体，一部分APP通过淀粉样蛋白途径完成蛋白裂解生成Aβ并排出胞外，胞外Aβ大量积累是导致细胞毒性的主要原因，而另一部分APP由逆转录复合体转运回高尔基体[30]。此外，分布于内质网以及高尔基体的APP也会加工形成不同大小、不同数量的Aβ肽，大多数以40个或42个残基的形式生成，即Aβ1～40和Aβ1～42[9]。在生理状态下，非淀粉样蛋白途径是APP代谢的主要途径，大多数细胞表面的APP经过α-分泌酶和γ-分泌酶的加工，在α-分泌酶的作用下，Aβ的完整性被破坏，因此抑制了Aβ过量聚积而产生的神经毒性效应[8]。

APP作为Aβ的前体分子，其加工方式可影响AD病理机制中Aβ的生成，同时，APP突变尤其是APP在Aβ结构域内的突变对AD的发病机制也具有重要作用[31]。当APP加工过多或Aβ清除障碍时，Aβ单体生成后会经过一系列的生物学加工过程聚集形成寡聚体，寡聚体再进一步形成神经炎斑块，导致神经突触信号传递功能受损，进而导致AD患者产生早期认知改变和记忆缺失[7-9]。研究发现，由于Aβ1～42较Aβ1～40多两个氨基酸，因此Aβ1～42更有可能以错误的折叠方式形成聚积，这种结构的差异性导致了空间构象的多态性[32]。研究已证实，在AD患者中Aβ至少存在6种不同的空间构象，可以在脑组织、脑脊液及血液中检测到[32-34]，可见Aβ在AD病理机制中的重要性。

3 SorCS1基因参与AD的病理机制

近年来，学者们主要通过连锁不平衡分析、候选基因研究、全基因组关联分析和高通量二代测序技术探究AD的风险基因，通过连锁不平衡分析确定了APP、早老蛋白1、早老蛋白2基因显性突变可致早发型AD；采用候选基因方法确定的唯一的迟发型AD风险基因是载脂蛋白Eε4等位基因[7]。随着全基因组关联分析的兴起，可通过微阵列技术筛选更多与AD相关，尤其是与迟发型AD相关的风险基因，并进行基因分型，同时将研究对象的单核苷酸多态性纳入风险基因研究，可更有效地确定基因组中的疾病相关区域。高通量二代测序技术经济、高效，可快速确定多个基因中的罕见变异，为致病基因的筛选和鉴定指明方向[7]。遗传学研究表明，除载脂蛋白E基因外，AD相关基因座位于第9、10、12号等染色体上，其中第10号染色体包含由两个独立遗传连锁分析锁定的同一段染色体区域[35]。Schjeide等[36]在AlzGene数据库中获取的AD差异表达基因显示，位于第10号染色体上的蛋白质分选受体SorCS1基因与AD的发病风险显著相关，该研究结果在其他研究中也得到了验证[3,37]。

3.1SorCS1基因与AD病理机制的相关性 学者在探究中国汉族北方人群迟发型AD病理机制的过程中发现，载脂蛋白E与SorCS1基因间存在相互作用，迟发型AD疾病的遗传因子逐渐明确[38]。源于全基因组关联研究的数据均证实，SorCS1基因的单个核苷酸改变形成多种单核苷酸多态性，导致AD易感程度增加，SorCS1基因1号内含子的可遗传变异涉及AD的发生、记忆缺失及病理变化[37,39]。AD的风险因子不仅限于SorCS1，还包括其家族成员SorLA、SorCS2和SorCS3，其各自独立影响AD的发病并存在风险累加效应[40]。Liang等[41]运用遗传连锁筛选和基因表达系列分析基因表达数据确定了第10号染色体上差异表达的28个基因，并选用多因素降维法和错误发现率校正法检测这28个候选基因在AD中的潜在作用，确定了包含SorCS1在内的5个基因以及含有SorCS1基因rs17277986的2个单核苷酸多态性位点，最终得出，SorCS1在整体数据集中差异显著，且女性亚集的差异最显著。2014年，中国科学院北京基因组研究所将AD的遗传学标志物与影像学特征相结合，分析AD患者RNA表达谱与脑白质呈现的强回声症状，最终在血液分析中发现SorCS1的RNA水平的变化，可见测定AD相关基因表达水平为深入探究AD病理机制提供了方向[42]。

3.2SorCS1基因调控APP和Aβ的代谢 在关于SorCS1基因与AD病理机制的研究中，有学者发现，SorCS1基因无论在体外还是体内均可直接影响Aβ的产生，从而调控神经炎斑块的聚积水平[43]。实验证明，SorCS1基因通过调控AD中APP的加工(包括调节与APP共定位的γ-分泌酶的活性)间接影响Aβ水平，当SorCS1表达受到抑制时，γ-分泌酶的活性增加，APP及Aβ水平升高[3]。负责调控蛋白质运输的SorCS1基因功能障碍，可导致Aβ过度积累，产生神经毒性效应，该阶段与迟发型AD早期病理发展过程一致[4]。随着疾病的进展，逐渐积累的Aβ负向调控SorCS1受体的表达，导致SorCS1表达量显著降低，表明SorCS1不仅可单向调节AD，两者之间还存在双向调控关系[44]。

β-分泌酶、γ-分泌酶以及APP均是与Aβ产生相关的细胞膜蛋白，三者通过内体、反式高尔基体、细胞表面形成的“分选三角”完成蛋白质分选过程，其中网格蛋白负责调控APP从细胞表面及反式高尔基体转运至内体的过程[45]；蛋白质分选受体SorCS1作为逆转录复合体的潜在受体，与逆转录复合体共同调控内体中APP向高尔基体的逆向转运，进而对Aβ产生调控作用[46]。

3.3SorCS1各亚型调节APP的表达 对人类SorCS1各转录本的深入研究发现，SorCS1a只有少部分定位于细胞膜上，参与蛋白质的转运过程；SorCS1b多数定位在细胞膜上，由于胞内域不具有内化序列，故内化能力较弱；SorCS1c分布于不同的膜结构，具有内化功能，可调控内化过程的发生[15,47]。在正常生理状态下，SorCS1处于蛋白分选的平衡状态，SorCS1各亚型与APP的表达定位呈动态变化，而SorCS1各亚型与APP的平衡被打破，导致Aβ积累，表现出AD的病理状态[6]。Lane等[46]通过试验证实，当SorCS1c亚型在人神经胶质瘤细胞中过表达时，内源性APP总量不变，但APP在各细胞器的分布发生显著变化，即SorCS1c过表达调控APP的胞内定位，使APP在反式高尔基体的分布增加，进而导致Aβ生成显著减少，故得出SorCS1调控APP的代谢过程主要依赖于SorCS1c亚型的胞内域尾部序列；进一步研究发现，位于SorCS1c胞内域内化序列的第1 132位酪氨酸和第1 135位甲硫氨酸的改变可不同程度地影响SorCS1c的内化功能，进而改变AD患者细胞内的APP分布。

4 小 结

蛋白质分选受体SorCS1参与调控跨膜蛋白APP的细胞内合成及转运途径，SorCS1的内化功能影响Aβ的生成及积累过程，最终形成淀粉样变并调控相关基因的表达[44]。Romeo等[48]研究发现，Aβ的胞外积累不仅与磷脂双分子层上APP的加工方式有关，还可能与细胞自噬等蛋白清除过程相关，在AD患者的神经元中可以观察到自噬体积累，即自噬体形成与自噬体降解之间的动态平衡被破坏，这也可能是影响大脑中神经元活性的因素之一。AD的发病机制目前尚未明确，只有明确AD发病过程的具体分子机制，才有可能攻克AD。在未来AD防治的研究中，SorCS1可作为AD发展机制中可调控的关键靶点。