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α1-抗糜蛋白酶基因与Alzheimer病
国外医学遗传学分册1999年第22卷第2期
上海市精神卫生研究所（上海 200030）
汤国梅综述 江三多审校
提要 α1-抗糜蛋白酶作为一种病理伴侣蛋白，通过影响β淀粉样沉积的生成而参与了AD的病理和发生过程，因此α1-抗糜蛋白酶基因也被认为是AD的又一候选基因。本文就α1-抗糜蛋白酶及其基因与AD的关系进行阐述。
关键词：α1-抗糜蛋白酶；Alzheimer病；候选基因
Alzheimer病（AD）的病因学研究已成为医学领域的一大热点。遗传学研究现已发现三种基因与早发家族性AD连锁，即淀粉样前体蛋白基因（APP）、早老素1（PS1）基因和早老素2（PS2）基因，但后者仅占AD总数的10%。载脂蛋白E（ApoE）基因和12号染色体的某基因则构成了迟发AD的风险因子，但前者仅与50%的迟发AD的风险因子，但前者仅与50%的迟发AD的风险因子，但前者仅与50%的迟发AD相关，后者仅与15%～30%的迟发AD相关[1]。因此可能存在其它的遗传因子或环境因子，影响AD的发生。近来研究表明，AD患者脑中的一些病理性伴侣蛋白如α1-抗糜蛋白酶（α1 antichymo-trypsin,AACT）、低密度脂蛋白受体相关蛋白等，可能通过参与β淀粉样沉积的生成，在AD的病理和发生中具有重要意义。其中，AACT基因与AD的关系已得到广泛研究。
一、α1-抗糜蛋白酶与AD
α1-抗糜蛋白酶是一种色氨酸蛋白酶抑制剂[2]。成熟的AACT蛋白的分子量为68kDa，由408个氨基酸构成。近来，人们在AD病人的神经病理特征老年斑分布区域发现，AACT的免疫活性增强，星形胶质细胞中AACT的表达也显著增强，表明AACT可能参与了淀粉样纤维的生成和沉积[3]。事实上，构成老年斑的主要成分Aβ肽的第1～12氨基酸的序列与色氨酸蛋白酶的保守基因极为相似，而后者已被证实可被AACT的C末端疏水性水活化区域特异性识别并相互结合[4]。AACT作为一种天然的蛋白酶抑制剂，显然也能以Aβ肽作为假性底物。体外实验已经证实，AACT与Aβ肽间确实具有很高的亲合力，因此它可能在AD病理过程中作为一种“伴侣蛋白”，促进Aβ的纤维化并产生淀粉样沉积。
Eriksson等[4]的研究表明，AACT可能通过抑制Aβ1～40生成难溶性纤维和降解由Aβ形成的β淀粉样纤维前体，参与AD的病理或发生。但AD患者的淀粉样沉积中Aβ肽主要是以Aβ1～42为主的。实验证实，AACT对于Aβ1～42的聚合具有促进作用[5]。虽然Aβ1～42可在几天内自发的积聚生成淀粉样沉积，但如果与AACT共同孵育，Aβ1～42的纤维化速率显著升高至少10倍，仅在几小时内即形成沉积。Aksenov等[6]推断，AACT不仅能促进Aβ1～42积聚生成AD病理特征老年斑，还能抑制Aβ1～40自身沉积生成弥散型淀粉样沉积。这将可能增强老年斑分布区Aβ沉积的毒性作用或产生具神经毒性的可溶性Aβ肽。但体外实验结果却表明，AACT并不能调节Aβ1～40的神经毒性；但可减弱Aβ1～42聚合后的毒性，在大鼠海马神经元中甚至会完全阻断Aβ肽的毒性。至于AACT的这种保护作用，Aksenov等认为，AACT蛋白可能通过覆盖于Aβ的表面，导Aβ导难以与其它蛋白作用产生生物毒性，或通过与Aβ肽的疏水氨基端的结合，抑制其生成具有神经毒性的片段。但他们并不排除AACT可能促进β纤维反向生成可溶性的具神经毒性的Aβ，导致老年斑以外区域的神经元受损。
除中枢神经病理特征外，AD患者脑脊液中AACT的含量也显著高于正常人，但血清AACT浓度与常人无异，脑脊液和血清AACT浓度的比值也显著高于常人。因此AD患者脑脊液中AACT浓度的升高具特异性，这对于AD的临应酬诊断具有一定的积极意义[7]。
二、AACT信号肽基因多态性与Alzheimer病
ApoE*ε4基因虽被公认为是迟发、家族性AD的高危因子，但并非所有迟发性AD都可归因于之，可能存在其它基因，或独立发生作用，或通过与ApoE*ε4相互作用，影AD的发病。由于AACT在AD的病理中具有举足轻重的地位，而AACT基因位于14号染色体的q31.1区域，从物理图谱、遗传学图谱来看都与PS1基因（14q24.3）相异，并被证实与14号染色体相连锁的早发AD无关。因此AACT基因首当其冲地引起人们的热切关注。
1．AACT信号肽基因多态性与AD的相关性。
人的AACT蛋白中含有一段信号肽，由22或25个氨基酸构成。该信号肽中存在多态性，由A、T等位基因构成，分别编码丙氨酸和色氨酸。人们推测，该多态性在AD的病理过程中可能具有重要意义。其中，A等位基因的表达可促进成熟AACT蛋白与Aβ的结合或与ApoE结合，改变微管的功能；另一方面，由于含丙氨酸的AACT蛋白的分泌速度快于含苏氨酸的AACT蛋白，因此AACT信号肽中亲水性的苏氨酸被疏水性的丙氨酸取代后可改变AACT分泌及进入内质网的速度，这将导致AACT蛋白水平升高，加剧Aβ纤维化过程。
Kamboh等[8]首先对此研究。他们证实，该多态性可改变AD发生的风险性，其中，含有2个AACT*A等位基因的AD患者的发病率是仅含1个或不含AACT*A等位基因的患者的1.5倍。正常人中，AA基因型与ApoEε4等位基因的低频率相关，在AA型人群中ApoEε4基因和ε4/ε4基因型的频率下降。但AD患者中的三种AACT基因型中，ε4基因和ε4/ε4基因型的频率都显著升高。将AD患者按ApoE基因分为ε4和非ε4型两组后，仅有ε4型患者中AACT*A等位基因、AACT*AA型的频率显著升高。三种AACT种基因型中，AT型不能改变ApoEε4对于AD的剂量依赖关系，但AA型或TT型则对ApoEε4在AD中的作用产生明显影响：AACT*TT可能抑制ApoEε4与AD的剂量依赖关系；而AA型则升高ApoEε4所致的AD风险性，其中，单拷贝ε4型的AD患病风险性升高2倍，含双拷贝ε4基因的AD患病风险性升高3倍。由此，Kamboh等认为，AACT基因多态性与ApoEε4型AD的相关是由于AACT基因与ApoE基因间的相互作用产生的，AACT*AA与ApoEε4基因的共同分离可能是决定AD发生的一个强有力的遗传因素。相应的，他们推断一些虽然年迈但是并未发生AD的ε4/ε4型老人可能是AACT*TT基因型，而并非AACT*AA型。1997年，他们继续探讨了性别对与AACT基因与ApoE基因间相互关系的影响。发现，在美国高加索人和黑人中，与非AACT*AA型女性相比，AACT*AA型女性中ApoEε4的频率显著降低，但ApoEε3的频率显著升高。ApoEε4型和非ApoEε4型女性中AACT*A等位基因的分布也具显著差别。将所有人群按年龄分组后，这种趋势仍然仅出现于各年龄段的女性中。据此，他们认为，女性中ApoE与AACT基因间的这种非随机的关联可能是导致女性中AD发生率高于男性的重要原因[9]。
Kamboh等的结果立即触发了从事AD病研究者的极大热情，他们纷纷开展相关工作，但结果各异。Dekosky[10]、Yoshiiwa等[11]在不同的人种中重复了Kamboh等的结果。但令人诧异的是，在Ezquerra等[12]的研究中，AD患者中AACT*AA基因型的频率仅呈接近显著的升高。在按ApoE基因分型后，仅有非ApoEε4型患者中AA型频率升高。在非ApoEε4型患者中，与非AACT*AA型相比，AACT*AA型的AD比值比为2.93，这与Kamble等关于“ApoE基因与AACT基因相互作用”的观点相反，但与Muramatsu等[13]在日本人中的研究结果一致。因此，他们认为，在西班牙人中，AACT基因、ApoE基因虽然都构成了AD的风险因子，但二者在AD病理中的作用是相互独立的。
其它研究未能获得相似的结果。Heilisalm[14]、Hains[15]、Muller[16]等都未能证实AACT基因多态性与AD之间存在任何关联，AACT*A基因无论是独立地或是与ApoEε4共同作用都不能影响AD的发病风险。有趣的是，Nacmias等[17]不仅未发现AD患者中ApoEε4/ε4型与AACT*TT型之间存在相互作用。相反，他们观察到AACT*TT型患者中ApoEε4/ε4型的频率最高，但在ApoE基因分型后，AACT基因多态性与AD之间无任何关联。
由于AACT*AA型患者的发病年龄低于AACT*TT型或TA型患者，且在ApoE基因分型后，这种差异在ε4型患者中尤为显著，因此Talbot等[20]认为，如果AACT确实参与了AD的发生，那么它仅可能作用于早发散发性AD患者。这也许是导致部分研究未能证实AACT基因与AD相关的一个重要原因。当然，AD分类的异质性和诊断标准的不一，对照人群的选择以及种族差异等因素也可能是导致这些差异产生的根本原因。
2．AACT信号肽多态性与AD小脑葡萄糖代谢
AD患者中脑中常出现以颞-顶叶双侧的小脑葡萄糖代谢（rcMRglc）减弱为典型特征的功能性变化。但这种功能性变化不随AD病程的进展而变，表明某些因素可能在其中发挥作用。事实上，一些已知的AD风险因子确实在小脑葡萄糖代谢中产生影响，如伴有ApoEε4的AD患者的前叶脑区rcMRglc的量值显著升高，并与ApoEε4呈剂量依赖关系。而AACT*A型患者的顶叶和颞-顶叶连接区域的rcMRglc的量值显著降低，并与AACT*A等位基因具有剂量依赖关系。因此AACT*A等位基因可能促进AD患者小脑颞-顶叶连接区域 rcMRlgc的降解，而ApoEε4基因则可能增强AD患者脑前颞叶皮层rcMRglc的利用率。Higuchi等[18]据此推断，AACT基因多态性可能是决定AD病程长短的潜在因素，其中伴有2个AACT*A等位基因的AD患者的病程可能较非ACT*A型患者迅速。他们还认为AACT*A阳性、ApoEε4阴性的AD患者的病程进展可能最为迅速，而AACT*A阴性、ApoEε4阳性的AD患者的病程进展可能最为缓慢。这还需要进一步的前瞻性随访研究加以证实。
3．AACT信号肽多态性与AD的认知功能减退
AD患者常出现认知功能的减退，但这种减退程度却因人而异。目前还没有任何临床指标或生物学标记可用于AD患者认知功能减退率的预测。基于AACT能在体外促进β淀粉纤维的沉积，而AACT*A基因可能影响AD的风险性，Murphy等[19]对不同AACT基因型的AD患者进行认知功能减退程度进行评定，试图找到与AD认知功能减退相关的遗传标记。他们设想AACT*A型的AD患者的认知功能减退较非AACT*A型AD患者迅速。但出乎他们意料的是，AACT基因AA型、AT型、TT型AD患者的认知功能减退的平均速率没有显著差异，AACT*A等位基因与AD的认知功能的减退也没有任何关联。即使是同时伴有ApoEε4等位基因和AACT*A等位基因的患者的认知功能减退的速率与其他患者相比也没有显著差异。因此，AACT*A并不能用于AD患者认知功能减退率的预测，也许其它的生物学或环境因素可影响这一过程。
三、AACT基因微卫星多态性与Alzheimer病
微卫星DNA是以2～6个核苷酸为单位的多次串联重复的DNA序列，不但具有长度的多态性，还有很高的信息含量（PIC值）。微卫星DNA长度多态性作为DNA标记已经得到了广泛应用，并显示出其优越性。1993年，Byth等首先报道，AACT基因5＇端UTR区域存在（CT）n（AT）n微卫星多态性，相应地构成A1～A17共17种等位基因，其中A7、A8、A10三种等位基因最为常见。1997年，Morgan等[21]对该多态性与AD的关系进行分析，发现，AD患者与正常人间无该多态性分布的差异。但按ApoE基因型将AD患者分为ε4型和非ε4型两组后，ε4型患者中A10等位基因的频率显著高于非ε4型患者。由于非ε4型患者中A10的OR值没有显著变化，因此仅含有AACT*A10等位基因并不足以致病。ε4型患者无论是含或不含A10，OR值都显著升高；但在含1或2个A10的ε4型患者中OR值升高的幅度最大。表明，AACT基因多态性的A10等位基因与ApoEε4等位基因显著关联，并增强ApoEε4所致AD的发病风险率。因此AACT基因A10等位基因可能与ApoE基因共同构成AD的可疑遗传因素，但这还需要在不同的人群及人种中进行证实。
四、小结
虽然有关AACT与AD的相关研究已大量展开，但结果众说纷纭，莫衷一是。这种差异可能是由于环境因子如饮食习惯、地理环境、人的生长状态等，改变了AACT的作用效果所致。另一种可能是该多态性位点附近存在另一与AD相关的多态性位点或其它基因，而AACT基因多态性本身并无作用。由于这两者之间存在连锁不平衡，部分人群中出现AACT基因与AD的关联，而部分人群中则不出现这种相关。Morgan等认为，AACT信号肽基因多态性与AD的关联可能是通过与微卫星多态性A10等位基因存在连锁不平衡而实现的。因为AACT患者和正常人中都可出现。Ezquerra等[12]则提出，与另一基因的连锁也是一个根本性原因。已有报道，α1-抗胰蛋白酶基因（α1-antitrypsin,AAT）的PI*M3等位基因与AD关联。而AACT与AAT在进化上高度同源，并分别位于14号染色体上临近区域。此外，它们的基因缺陷都与肺、肝脏的病变有关。因此有理由推测它们在AD的发病中也有共同的作用机制，而AACT多态性与AD的关联也可能由AAT所致。但这尚处于一种推测。可见，探寻与AACT基因多态性相关联的其它遗传因素或环境因素，或对AACT基因座位上相关功能区域的序列差异及其染色体临近区域进行具体的分析，对于寻找AD新的可靠的生物性标记是至关重要的。
参考文献
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2 Chandra T et al.Biochemistry,1983;22(22):5055
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6 Ma J et al.Nature, 1994;372(3):92
7 谢文鹏摘.国外医学老年医学分册，1992；13（1）：37
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9 Kamboh MI et al.Genet Epidemiol,1997;14(2):169
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11 Yoshiiwa A et al.Ann Neurol,1997;42(1):115
12 Ezquerra M et al.Neurosci Lett,1998;240:107
13 Muramatsu T et al.J Neurol Trans ,1996;103:1205
14 Helisalmi S et al.Neurosci Lett,1997;231:56
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16 Muller U et al.Neurology,1996;47(6):1575
17 Nacmias B et al.Ann Neurol,1996;40:678
18 Higuchi M et al.Neuroreport,1997;8:2639
19 Murphy GM et al.Neurosci Lett,1996;217:200
20 Talbot C et al.Neuroreport,1996;7:534
21 Morgan K et al.Hum Genet,1997;99:27
(1998-08-28收稿)
校对：姬颖
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