陳 珂， 張憲亮， 杜黎濤

(山東大學體育學院， 濟南 250000)

阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease, AD)是一種進行性認知功能減退的神經(jīng)退行性疾病，已成為繼腫瘤、心血管病后，對人類生命健康造成重大威脅的第3大殺手[1,2]。隨著人口老齡化加快，AD患者數(shù)量迅速增長。據(jù)估計到2050年，全世界AD患者數(shù)量將超過1.062 億[3]。盡管對AD研究不斷深入，但臨床上尚未有效根治AD的方法。流行病學研究[4,5]表明，身體活動和癡呆癥之間存在一定的劑量關(guān)系，即身體活動水平增加，患老年癡呆癥的比率下降。所以，運動作為一種非臨床干預手段，在一定程度上能夠預防AD。深入研究發(fā)現(xiàn)，運動可通過減少Aβ沉積、抑制Tau蛋白過度磷酸化，減緩AD發(fā)病[6]。然而，目前仍不清楚其確切機制。

沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1 (silent mating-type information regulation 2 homolog 1, SIRT1)作為細胞內(nèi)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，在應(yīng)激狀態(tài)下可調(diào)控下游細胞分子表達，參與和衰老相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展，特別是其在改善認知障礙中的作用日益明顯[7]。研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1在改善AD認知障礙中涉及到多種機制，例如：腦內(nèi)Aβ沉積、Tau蛋白過度磷酸化、線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬、炎癥反應(yīng)以及突觸可塑性改變等進程[8,9]。但目前并不清楚這些機制是否參與了運動對AD認知障礙的預防及延緩作用。本文將以SIRT1為靶點，從Aβ沉積、Tau蛋白過度磷酸化等以上6個角度，探尋運動預防并緩解AD的分子機制。

1 沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1簡述

沉默信息調(diào)節(jié)因子2(silent information regulator 2, SIR2)是一種煙酰胺腺苷二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)依賴性脫乙?；割?。在哺乳動物中已經(jīng)鑒定出7種SIR2蛋白(SIRT1～SIRT7)。其中，SIRT1是氨基酸序列最接近SIR2的同系物，主要在心血管、腦內(nèi)等器官組織中廣泛表達。SIRT1蛋白結(jié)構(gòu)主要由大結(jié)構(gòu)域(Ross mann折疊組成，保守性較高)與小結(jié)構(gòu)域(1個鋅結(jié)合結(jié)構(gòu)域和1個螺旋構(gòu)件組成，保守性較低)兩部分組成。其中，大結(jié)構(gòu)域是NAD+的催化域，具有去乙酰基酶的活性。SIRT1發(fā)揮去乙?；饔檬峭ㄟ^綁定NAD+以及目標蛋白質(zhì)的Nε-乙酰賴氨酸，隨后將乙?；蚱渌；鶑哪繕说鞍踪|(zhì)賴氨酸殘基的Nε-氨基中分離出來實現(xiàn)的。SIRT1是一種核蛋白，在41～46個殘基中含有核定位信號(KRKKRK)。然而，也有研究認為，SIRT1在細胞內(nèi)同時定位于細胞質(zhì)以及細胞核中[10]。在受到分化刺激的影響下，SIRT1可以在細胞質(zhì)以及細胞核中穿梭[11]。低能量狀態(tài)(例如禁食、運動)會通過調(diào)節(jié)NAD+/NADH-比值來增加SIRT1活性[12]。活化后的SIRT1不僅能夠使多種組蛋白以及FoxO家族成員、腫瘤抑制蛋白p53和核轉(zhuǎn)錄因子-κB (nuclear factor kappa B, NF-κB)等非組蛋白去乙酰化，還可與各種底物相結(jié)合[13]。這種廣泛的靶點說明SIRT1具有多種生理調(diào)節(jié)功能，能夠參與細胞代謝、細胞壽命調(diào)節(jié)以及基因修復等，在神經(jīng)保護、腫瘤發(fā)生、衰老等生命過程中均發(fā)揮重要作用[14]，可有效改善AD、帕金森癥和亨廷頓癥等神經(jīng)退行性疾病。

2 運動提高沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1改善AD病人的認知功能

SIRT1在運動對AD的神經(jīng)保護機制中占據(jù)重要地位。與健康老年人相比，AD病人及輕度認知障礙人群血清中SIRT1濃度降低，且AD患者中SIRT1下降程度更為顯著[15]。而SIRT1作為一種運動敏感性因子，運動可誘導其在血液、肌肉[16]、肝臟、心臟[17]以及海馬[18]等組織中表達。運動激活SIRT1在提高神經(jīng)元突觸可塑性、抑制神經(jīng)炎癥、改善認知等方面發(fā)揮重要作用[19]。Hayek等[20]發(fā)現(xiàn)，乳酸是介導“血-腦”的關(guān)鍵信號因子，其通過內(nèi)皮單羧酸轉(zhuǎn)運體穿過血腦屏障進入腦組織。運動可釋放乳酸激活SIRT1，通過過氧化體增殖物激活型受體γ輔激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)/纖維蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)5(fibronectin typeⅢ-domain containing protein5，F(xiàn)NDC5)途徑上調(diào)海馬中腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, Bdnf)表達，提高小鼠學習記憶水平。張憲亮[21]證實，跑臺訓練可以提高AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)SIRT1蛋白表達，改善小鼠空間記憶能力和識別新物體能力。人體研究也發(fā)現(xiàn)，輕度認知功能障礙患者血清中SIRT1 水平下降[22]，但經(jīng)常參加體力活動能夠顯著提高外周SIRT1表達，改善認知功能[23]。上述研究表明，運動干預能夠刺激骨骼肌分泌乳酸，經(jīng)循環(huán)途徑作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及其它外周靶器官激活SIRT1，增加“血-腦”中SIRT1表達，發(fā)揮神經(jīng)保護作用，緩解AD認知障礙。

3 運動通過調(diào)控沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1延緩AD的可能機制

3.1 運動提高SIRT1表達減少Aβ生成

淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)經(jīng)β-分泌酶與γ-分泌酶作用，產(chǎn)生少量具有神經(jīng)毒性的Aβ42以及大量的Aβ40。β-淀粉樣前體蛋白水解酶1(β-site APP cleavage enzyme-1，BACE1)是β-分泌酶中發(fā)揮切割作用的主要蛋白酶。人體研究發(fā)現(xiàn)，AD患者血清BACE1的mRNA、總Aβ(Aβ40+Aβ42)及Aβ40/Aβ42比值相較于正常老年人顯著增高，且AD中SIRT1表達明顯下降[24]。動物研究發(fā)現(xiàn)，AD小鼠腦內(nèi)SIRT1蛋白表達顯著降低，BACE1蛋白表達增加，Aβ沉積顯著增多。而運動能夠提高APP/PS1小鼠腦內(nèi)SIRT1、PGC1-α、過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARγ)的蛋白質(zhì)表達，抑制BACE1的mRNA及蛋白質(zhì)表達，減少Aβ沉積以及腦內(nèi)老年斑塊[25]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1通過在lys268、293上脫PPARγ的乙?；^而提高PGC-1α活性，PGC-1α通過與位于BACE1啟動子上的過氧化物酶體增殖物反應(yīng)元件直接作用，從而抑制BACE1活性，減少Aβ沉積[26]。

APP經(jīng)α-分泌酶作用，可產(chǎn)生具有神經(jīng)保護及營養(yǎng)作用的αAPP和C83，C83再經(jīng)γ分泌酶剪切形成不易聚集的P3，從而避免Aβ生成。人解整合素樣金屬蛋白酶10(AD-related disintegrin and metalloprotease10，ADAM10)是腦內(nèi)主要的α-分泌酶，12周低強度跑臺運動能夠增加APP/NSE雌性小鼠SIRT1、維甲酸受體β(retinoic acid receptor β，RARβ)、ADAM10的蛋白質(zhì)表達，抑制Rho相關(guān)激酶1(Rho-associated kinase1, ROCK1)的蛋白質(zhì)表達，促進APP向非Aβ裂解途徑轉(zhuǎn)移，減少Aβ沉積，改善小鼠空間學習記憶能力[27]。深入研究發(fā)現(xiàn)，一方面，SIRT1能夠激活RARβ促進ADAM10的轉(zhuǎn)錄，將APP處理轉(zhuǎn)向α-分泌酶的途徑[28,29]。另一方面，SIRT1能夠去乙?；毎酥蠪oxO轉(zhuǎn)錄因子3a(forkhead box O3a，F(xiàn)oxO3a)，使其失活進而抑制ROCK1。ROCK1能夠在APP的Ser655位點進行磷酸化調(diào)節(jié)。抑制ROCK1的活性可提高α-分泌酶活性，減少APP代謝途徑向β-分泌酶的偏倚，增加游離型αAPPs生成，從而抑制Aβ產(chǎn)生[30-32]。

3.2 運動可能通過SIRT1改善Tau蛋白過度磷酸化

AD病理條件下，Tau蛋白在微管結(jié)合域發(fā)生異常翻譯后修飾，例如磷酸化、乙?；?、泛素化和糖基化等。乙酰化和泛素化均發(fā)生在賴氨酸殘基中，異常乙?；梢种品核亟閷У牧姿峄疶au的蛋白質(zhì)水解，且乙酰化異常修飾會干擾Tau蛋白與微管的結(jié)合，導致其功能障礙，增加Tau蛋白異常集聚傾向[33]。Min等[34]發(fā)現(xiàn)，SIRT1能在多個位點直接去乙?；疶au蛋白，使其容易受泛素的影響降解為多個殘基，抑制Tau蛋白引發(fā)的病理癥狀在體內(nèi)擴散。敲除Sirt1，則導致Tau蛋白發(fā)生過度乙?；?，磷酸化的Tau蛋白聚集程度增加；相反，促進Tau脫乙?；上姿峄疶au蛋白。這提示，SIRT1介導Tau蛋白去乙?；芤种屏姿峄疶au蛋白的募集。另有研究表明，SIRT1-PGC1α信號可顯著降低Tau(Ser396)的磷酸化水平提高認知功能，減輕AD癥狀[35]。與此相悖的是，Lu等[36]認為，SIRT1與Tau蛋白磷酸化呈正相關(guān)：SIRT1去乙?；h(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白質(zhì)(cAMP-response element-binding protein，CREB)，降低Ser133處CREB的磷酸化水平從而抑制其活性，進而抑制O-GlcNAc轉(zhuǎn)移酶(O-GlcNAc transferase，OGT)的蛋白質(zhì)表達，使Tau蛋白的O-GlcNAc糖基化減少，導致Ser199、Ser214處Tau蛋白磷酸化水平增加。

Um等[37]對Tg小鼠進行3個月的跑臺訓練，發(fā)現(xiàn)運動能夠降低AD小鼠中Ser202、Ser404、Thr231等多個位點Tau蛋白磷酸化水平。Wu等[38]采用TgF344-AD小鼠進行8個月的跑臺訓練，發(fā)現(xiàn)運動能夠降低Tau蛋白過度磷酸化，減輕轉(zhuǎn)基因小鼠焦慮抑郁行為。體育鍛煉被廣泛認為是SIRT1的激活劑以及熱量限制的模擬物[39,40]。SIRT1能夠去乙?；疶au蛋白以減少磷酸化Tau蛋白集聚[34]。因此，運動通過提高SIRT1水平減少Tau蛋白磷酸化。Bayod等[41]采用雄性大鼠進行36周中等強度跑臺訓練，證實運動可激活SIRT1，降低海馬中Tau蛋白磷酸化程度，減弱神經(jīng)退行性變。提示運動改善Tau病理可能與SIRT1相關(guān)。但是，Mankhong等[42]則認為，運動對Tau相關(guān)病理的改善與SIRT1無關(guān)，有氧訓練對Tau乙?；囊种谱饔每赡芡ㄟ^除SIRT1以外，其他未知的乙?；?去乙?；瘷C制介導。綜上，運動可激活SIRT1，但其是否參與了Tau蛋白的異常磷酸化尚未有具體結(jié)論，需要進一步研究。

3.3 運動提高SIRT1表達促進線粒體生物發(fā)生

AD的細胞和動物模型中發(fā)現(xiàn)，細胞和機體耗氧量下降，減弱了ATP的產(chǎn)生以及線粒體生物發(fā)生[43]。線粒生物發(fā)生減弱則會導致線粒體功能發(fā)生障礙，進而首先損傷高耗氧量的大腦。線粒體轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)以序列非特異性方式以及序列特異性方式與mtDNA相結(jié)合，保護mtDNA免受高氧化還原環(huán)境的影響而突變，從而影響mtDNA的完整性和數(shù)量[44,45]。提高SIRT1蛋白的表達，可以增加TFAM蛋白表達和mtDNA數(shù)目，并可減輕AD鼠海馬細胞損傷；注射SIRT1抑制劑后，則會減少TFAM表達以及mtDNA數(shù)量[46]。

運動可以提高SIRT1水平，促進線粒體生物發(fā)生，緩解線粒體功能障礙。丁小燕[47]、Steiner等[48]、Casuso等[49]采用APP/PS1雄性小鼠、雄性ICR小鼠、Wistar鼠證實，運動可以提高小鼠腦中SIRT1、PGC-1α的mRNA表達以及蛋白質(zhì)水平的表達，促進線粒體生物發(fā)生。進一步研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1能夠與PGC-1α相互作用使其去乙?；岣逷GC-1α的活性[50]。PGC-1α是線粒體生物發(fā)生的中心調(diào)節(jié)劑，可調(diào)控多種轉(zhuǎn)錄因子例如包括核呼吸因子1、核呼吸因子2和TFAM等[51]。另有研究表明，SIRT1和PGC-1α以游離蛋白質(zhì)的形式存在于線粒體中，并與TFAM發(fā)生反應(yīng)，形成TFAM/SIRT1、SIRT1/PGC-1α、PGC-1α/TFAM等多種蛋白質(zhì)復合物，提高mtDNA活性從而正性調(diào)節(jié)線粒體功能[52]。

3.4 運動可能通過SIRT1改善線粒體自噬

線粒體自噬是指受損的線粒體被特異性地包裹進自噬體內(nèi)，同溶酶體融合，被溶酶體中的降解酶降解的過程，是一種特殊類型的自噬。跑臺運動可以通過SIRT1激活腦內(nèi)溶酶體的功能；使用EX527抑制SIRT1活性，則導致運動產(chǎn)生的益處(溶酶體基因轉(zhuǎn)錄)降低[53]。同源性磷酸酶張力蛋白誘導激酶1(phosphatase and tensin homolog induced putative kinase1，PINK1)/Parkin通路在啟動線粒體自噬中發(fā)揮重要的作用。在受損的線粒體中，PINK1位于線粒體外膜可以將細胞質(zhì)的Parkin募集到受損線粒體中。Parkin引發(fā)對下游蛋白質(zhì)(線粒體融合蛋白1、線粒體融合蛋白2)的泛素化，將受損線粒體碎片化，促使自噬體快速識別及包裹，將其清除[54]。運動可以增強PINK1/Parkin介導的有絲分裂吞噬功能，改善線粒體功能障礙以及Aβ誘導的認知功能下降[55, 56]。先前有研究表明，SIRT1上調(diào)FOXO3a/PINK1/Parkin信號通路改善線粒體自噬[57]。zhao等[58]認為，運動可能通過SIRT1/FOXO3a/PINK1/Parkin通路改善AD腦內(nèi)線粒體自噬。目前，關(guān)于運動提高SIRT1改善AD中線粒體自噬的研究較少，需進一步討論。

3.5 運動提高SIRT1表達抑制神經(jīng)炎癥

AD病理過程中，局部長期積累過多的致炎因子、炎癥反應(yīng)產(chǎn)物通過氧化應(yīng)激損傷、產(chǎn)生興奮性毒性物質(zhì)等途徑促使慢性炎癥以及神經(jīng)變性導致病程加重。運動提高SIRT1蛋白表達，抑制神經(jīng)炎癥，緩解AD。運動可以提高SIRT1蛋白表達，降低腦內(nèi)NF-κB蛋白水平[59,60]。NF-κB作為一種炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，能夠調(diào)控炎癥過程中多種類型的趨化因子、細胞因子和酶，進而產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)促進慢性炎癥形成[61]。SIRT1可以在P65(Lys310)直接去乙?；疦F-κB并降低其過度活化，改善AD神經(jīng)炎癥[62]。張憲亮等[21]也證實，有氧運動可以提高SIRT1蛋白表達水平，下調(diào)TgAPP/PS1小鼠NF-κB P65的mRNA以及蛋白質(zhì)水平，減少了促炎因子白細胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、白細胞介素6、腫瘤壞死因子α的mRNA水平，增加了抗炎因子白細胞介素10、腫瘤壞死因子β的mRNA水平，抵抗神經(jīng)炎癥。JI等[63]證實，抗阻運動能夠提高胰島素抵抗小鼠海馬內(nèi)SIRT1蛋白表達水平，抑制海馬中NF-κB、NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein3，NLRP3)炎性小體、IL-1β以及白細胞介素18蛋白質(zhì)水平，從而發(fā)揮抵抗炎癥的功能。尚不清楚NLRP3炎性小體激活的具體機制，但NLRP3炎性小體的激活必需有NF-κB參與，因此運動能夠通過改善SIRT1/NF-κB/NLRP3炎性小體信號通路，抑制IL-1β等炎性因子，從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用。Mee-Inta等[64]認為，SIRT1降低腦中NF-κB表達也存在其它機制，即運動后SIRT1能夠激活核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2，Nrf2)進而抑制NF-κB，從而減少促炎性介質(zhì)產(chǎn)生，以及激活PGC-1α抑制NF-κB介導的小膠質(zhì)細胞活化，從而抑制神經(jīng)炎癥。

3.6 運動提高SIRT1表達增強突觸可塑性

AD早期，突觸便出現(xiàn)形態(tài)受損以及功能障礙。敲低小鼠海馬中SIRT1同樣出現(xiàn)神經(jīng)元軸突長度變短以及軸突數(shù)量減少等形態(tài)變化，且與突觸功能、脂質(zhì)代謝和髓鞘形成的海馬相關(guān)基因表達也發(fā)生改變。相反，大腦中提高SIRT1蛋白表達的小鼠則表現(xiàn)出規(guī)則的突觸可塑性，記憶力顯著提高[65]。因此，SIRT1對于改善AD小鼠記憶和突觸可塑性是必不可少的。

運動能夠提高SIRT1水平，增強突觸可塑性及其功能。劉濤等[66]對AD模型鼠進行8周跑臺訓練，證實運動能夠增加AD鼠海馬組織中BDNF、SIRT1的蛋白質(zhì)表達，改善長時程形成，從而提高AD鼠記憶能力。深入研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1和BDNF具有協(xié)同作用，激活SIRT1可限制mir-134蛋白表達，增加海馬下游環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白/BDNF蛋白質(zhì)水平[67]。Revilla等[68]發(fā)現(xiàn)，6個月自主運動提高了3xTg-AD小鼠海馬內(nèi)SIRT1和神經(jīng)膠質(zhì)源性營養(yǎng)因子(glial cellline-derived neurotrophic factor，GDNF)蛋白質(zhì)表達，增強了突觸可塑性。此外，AD發(fā)病過程中，大多數(shù)突觸完整性下降與載脂蛋白E4(apolipoprotein E4, ApoE4)基因相關(guān)。APOE4陽性基因型增加了AD的危險性，并且在70～79歲年齡段家族性AD中表現(xiàn)出最大的危險效應(yīng)[69]。ApoE4轉(zhuǎn)基因小鼠出現(xiàn)神經(jīng)可塑性障礙、海馬區(qū)LTP降低以及額葉皮質(zhì)中Sirt1基因表達失調(diào)等現(xiàn)象[70]。Theendakara等[71]認為，ApoE4降低SIRT1神經(jīng)保護作用，促使Tau蛋白以及APP的磷酸化，導致細胞程序性死亡。提高SIRT1蛋白表達，可顯著改善攜帶ApoE4基因的AD鼠新物體辨別能力[72]。無論自主運動[18]還是被動運動[73]均能夠提高SIRT1。說明運動可能通過增加SIRT1蛋白表達抑制ApoE4，增強突觸可塑性，改善AD認知功能。

4 問題與展望

SIRT1與Aβ沉積、Tau蛋白過度磷酸化、線粒體生物發(fā)生、線粒體自噬、神經(jīng)炎癥反應(yīng)和突觸可塑性等密切相關(guān)。提示上調(diào)SIRT1是AD的潛在治療靶點。本研究從以上幾個方面，探討了運動通過調(diào)控SIRT1改善AD的可能機制(見Fig.1)。但仍有許多問題需要進行探究：(1) 尚不知有效激活SIRT1最大閾值、最佳運動方式以及運動強度。(2) 尚不明確運動改善Sirtuin家族在AD發(fā)生中的機制。未來仍需深入探索這些分子與其調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子之間的分子調(diào)控機制，以及其在預防AD發(fā)生和改善AD病程中的主次作用。

Fig.1 The possible mechanisms of exercise in the upregulaiton of SIRT1 to improve AD Exercise increases the expression of SIRT1 to prevent and delay AD from the following aspects: SIRT1 can inhibit Aβ production, reduce tau protein hyperphosphorylation, promote mitochondrial biogenesis, improve mitophagy, inhibit neuroinflammation and enhance synaptic plasticity