端粒酶系统在神经退行性疾病与围手术期认知障碍中的作用
作者：刘琛，许琦琦，赵紫健，陈耀，张芳芳，韩园，曹君利，徐州医科大学附属医院麻醉科
神经退行性疾病是老年人最常见的疾病之一，其特征是神经元功能障碍，最终导致神经元死亡，同时伴有运动和认知功能的丧失。包括：阿尔茨海默病（Alzheimer's disease,AD）、痴呆、帕金森病（Parkinson's disease,PD）、亨廷顿舞蹈症（Huntington's disease,HD）、肌萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis,ALS）等。但是，由于大脑修复能力有限，这类疾病目前仍没有有效的治疗方法，因此对患者健康造成了严重且持久的影响，带来了极大的社会负担。
围手术期认知功能障碍（perioperative cognitive disorder,PCD）是老年人最常见的术后并发症，随着人口老龄化这一问题的加剧，其发生率也日益提高，引起广泛关注。Anesthesiology2018年11月发表的《麻醉和手术相关认知改变的命名意见》一文，对围手术期认知改变进行了系统规范与命名，将PCD也纳入疾病行列，而不再是一个单纯的综合征。PCD与AD、PD等神经退行性疾病具有相似的发病机制与临床表现。因此，解决这一问题对降低PCD发生率、提高患者术后恢复质量、缩短住院时间、实现快速康复外科（enhanced recovery after surgery,ERAS）理念具有重大意义。
端粒酶系统主要由端粒和端粒酶组成，大量研究表明，端粒酶系统与AD、PD、HD等神经退行性疾病存在紧密联系，使得其有望成为治疗神经退行性疾病和PCD的新靶点。
1.端粒与端粒酶
端粒位于真核生物染色体末端，由高度保守的重复核苷酸序列与特异结合蛋白组成，对基因的稳定性具有重要的作用，它可防止染色体断端出现融合，防止染色体降解和重组，从而保持遗传信息的完整性。端粒酶是一种核糖核蛋白复合体，由端粒酶RNA（telomerase RNA component,TERC）、具有催化调控功能的蛋白亚基端粒酶逆转录酶（telomerase reverse transcriptase,TERT）和其他端粒相关蛋白组成，其中TERC自身可作为复制模板，在TERT和其他催化因子的调控下自我复制，合成染色体末端DNA序列，以维持端粒长度的稳定性。端粒酶的活性与TERT基因的表达密切相关。成年后正常人体细胞端粒酶的表达和活性被抑制，除再生组织中的干细胞和祖细胞、生殖细胞、间充质干细胞和活化淋巴细胞，绝大多数正常体细胞检测不到端粒酶活性。
2.端粒酶系统与中枢神经系统
2.1端粒酶在中枢神经系统中的分布
胚胎和成年期，大脑的神经干细胞（neural stem cells,NSCs）和神经祖细胞（neural progenitor cells,NPCs）中TERT表达水平均较高，但在NSCs和NPCs分化或者死亡时其水平迅速下降。因此，胚胎期脑组织中含大量端粒酶，并在出生后逐渐下降。但也有研究证实成年人脑组织中具有TERT的表达和活性，包括海马、嗅球和侧脑室的脑室下区，这可能是由于这些区域的NPCs丰富所致。
尽管有研究证实端粒酶活性仅限于脑内含干细胞的区域，但有研究发现在无增殖能力的神经元中也存在TERT蛋白的异位表达。各种损伤，包括缺血、淀粉样变、谷氨酸或NMDA诱导的兴奋性毒性等，都能明显地诱导啮齿动物神经元中TERT的表达。因此进一步探索端粒酶在中枢神经系统中的分布对了解端粒酶在神经退行性疾病中的特殊功能具有重要意义。
2.2端粒酶系统在神经退行性疾病病理进程中的作用
目前，神经退行性疾病发病与进展机制主要与氧化应激、免疫炎症、线粒体功能障碍、兴奋性毒素、细胞凋亡等有关，而这些环节中均有端粒酶系统参与。
2.2.1端粒酶系统与线粒体功能障碍
有证据表明，端粒损耗在衰老中的作用正是与线粒体生物发生和功能发挥下降有关。连接端粒系统与线粒体功能障碍的主要途径有3条：
其一，过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1,PGC-1）。PGC-1作为线粒体生物发生和功能发挥的主要调节因子，将端粒缩短与线粒体功能障碍建立联系。当端粒功能障碍导致DNA损伤时，p53和DDR通路被激活，进而抑制PGC-1α和PGC-1β，从而导致线粒体功能障碍。研究还发现，PGC-1α的过表达可以在分子水平上逆转老化肌肉向年轻肌肉的转变。
第二是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+）-NAD+依赖性蛋白脱乙酰酶（sirtuin-1,SIRT1）-PGC-1α轴。在这个轴中，短端粒被依赖于NAD+的DNA修复酶聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶-1［poly（ADP-ribose）polymerase-1,PARP-1］感知为双链断裂，从而激活DNA修复途径。PARP1过激活导致NAD+消耗，从而降低SIRT1活性。SIRT1可通过转录因子PGC-1α增加线粒体功能和生物发生，因此SIRT1的活性降低可能导致线粒体功能障碍，尤其是在肌肉中。
第三，除了NAD+-SIRT1-PGC-1α轴，SIRT1也可通过SIRT1-缺氧诱导因子-1ɑ-Myc-线粒体转录因子A通路抑制线粒体转录因子A，加重线粒体损害，此通路与PGC-1α无关。
2.2.2端粒酶系统与神经元凋亡
神经元凋亡可能与以下几个因素有关。首先，B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2,Bcl-2）家族中促凋亡和抗凋亡成员的比例是细胞凋亡发生的关键因素。Bcl-2是端粒酶活性的重要调控分子，可稳定线粒体膜抑制细胞凋亡。Bcl-2相关X蛋白（B-cell lymphoma-2-associated X protein,Bax）促进线粒体释放细胞色素C诱导细胞凋亡。Bcl-2/Bax表达比率下降可促使神经元凋亡。其次，线粒体膜电位（Ψm）可通过直接调节细胞色素C的释放控制膜通透性，这在细胞凋亡的终末步骤中起着至关重要的作用，Ψm降低可诱导细胞凋亡。最后，活性氧（reactive oxygen species,ROS）增加可以通过降低Ψm，间接增加细胞色素C的释放，从而促使细胞凋亡。
TERT可以通过调节以上因素抑制神经元凋亡。Li等将原代培养的神经元置于缺氧和葡萄糖剥夺（oxygen-glucose deprivation,OGD）3h后再灌注，模拟体内脑缺氧/缺血损伤。最终发现，OGD后8h，神经元TERT表达增加，同时可检测到OGD诱导的蛋白酶CC3表达和神经元凋亡。研究者又抑制TERT的表达，发现Bcl-2/Bax的表达率下降、ROS产生增加、Ψm降低、细胞凋亡增强。可以推测TERT通过增加Bcl-2/Bax的表达率，减少ROS的产生，增加Ψm而保护神经元免受包括脑缺氧/缺血在内的各种压力诱导的凋亡。与之相反，人参皂苷Rd能明显抑制人胶质瘤U251细胞的增殖、促进细胞凋亡，其机制可能与抑制端粒酶活性、下调Bcl-2和TERT表达有关。
2.2.3端粒酶系统与免疫炎症
越来越多的证据支持端粒酶在免疫功能相关基因表达中的调控作用。其确切的机制尚不清楚，很可能是端粒酶通过调节染色质结构和（或）通过与转录因子或染色质修饰因子相互作用，进行表观遗传修饰从而影响基因表达。dePunder等认为，端粒酶通过作用于关键的调控转录因子，在免疫激活和免疫衰老通路中发挥重要作用。免疫炎症又可通过提高细胞转化率，提高端粒长度缩短的速度，从而反作用于端粒酶系统。
2.2.4端粒酶与氧化应激
端粒长度除了与生物年龄密切相关，同时受氧化应激的影响。氧化应激增加了细胞每次分裂时端粒的消耗速率，加速了端粒的缩短。究其机制：氧化应激可能通过DNA损伤诱导p53通路的激活，加速端粒缩短并诱导衰老（或凋亡）。
2.2.5端粒酶系统与神经兴奋性毒素
Fu等在成年小鼠右侧海马区注射诱发癫痫的兴奋毒素红藻氨酸后，经端粒酶抗体和小胶质细胞特异性抗原免疫染色的脑切片检查，发现其海马区可检测到端粒酶活性和TERT的表达。但未受损伤的脑内未检测到端粒酶，可见兴奋性毒素所致的脑损伤可能由端粒酶介导。关于端粒酶与兴奋性毒素的关系，目前研究较少，还需进一步的研究。
3.端粒酶系统与神经退行性疾病
综上，我们有充分的理由推测端粒酶系统与神经退行性疾病、PCD具有一定的相关性。
3.1端粒酶系统与AD
AD是常见的神经退行性疾病，表现为学习和记忆力的功能障碍。AD的特征为海马和大脑皮质神经元死亡导致的认知功能障碍。目前AD患者脑组织端粒长度的研究结果仍是有争议的，有学者指出AD患者端粒长度更长，但也有研究表明AD患者海马区神经元端粒较对照组明显缩短，这可能是因为AD患者的神经元细胞增殖活跃，从而激活了端粒酶。因此，端粒长度是否可以作为AD患者的预测指标仍不确定。
AD病理学研究可见Tau蛋白的异常磷酸化，造成神经纤维缠结以及β淀粉样蛋白（amyloid-β,Aβ）的沉积形成老年斑。而端粒酶可以通过减少Tau蛋白的产生抑制AD的发生发展。Spilsbury等在AD的实验模型中检测到较高活性的TERT，敲除小鼠TERT后，神经元中介导Tau蛋白产生的ROS增加，从而加重神经元的氧化损伤。因此，他们推测端粒酶是抑制AD发生发展的保护因素。
3.2端粒酶系统与轻度认知损伤（mild cognitive impairment,MCI）
MCI是一种神经系统慢性退行性疾病，是介于认知正常老化和痴呆之间的一种认知缺损状态，表现为记忆力减退与年龄的不相称，但尚未达到AD的标准。确诊为MCI的患者发展为AD的危险率极高，MCI患者患AD的概率比认知正常的受试者高20%~40%。有研究发现，认知功能正常者白细胞端粒长度（leukocy tetelomere length,LTL）明显长于MCI者，在老年人中，端粒长度越长MCI风险越低，MCI患者LTL的缩短可能反映了一种活跃的细胞增殖，这种细胞增殖可能由氧化应激和慢性全身炎症等因素触发。
有证据表明，AD和MCI大脑中的淀粉样斑块伴有神经炎症状态，其特征是星形胶质细胞和小胶质细胞的活化，以及促炎介质的释放。大脑的这种炎症状态又促进了周围免疫状态的激活，从而导致外周血LTL发生变化。据此，可以推测LTL缩短可能是伴随疾病从前体状态（即MCI）发展到AD的一个生物标志。但有学者认为MCI患者与认知正常者的端粒长度无明显差异。不同研究之间的差异可能有几个原因：如年龄范围跨度的不同，端粒长度在个体间和个体内差异大，不同的混杂因素和认知测评方法。若要明确端粒酶系统在MCI中的作用及其机制，还需进一步的研究。
3.3端粒酶系统与PD
PD是一种与衰老相关的慢性退行性疾病，其最主要的病理改变是中脑黑质多巴胺能神经元的变性死亡，引起纹状体多巴胺含量显著性减少而致病。导致这一病理改变的确切病因目前尚不清楚，遗传因素、环境因素、年龄老化、氧化应激等均可能参与PD多巴胺能神经元的变性死亡过程。一方面，端粒酶的TERT可保护多巴胺能神经元，进而防止PD的发生与发展。trt-1是线虫端粒酶的催化亚基。人类和线虫的TERT蛋白在结构上具有很大相似性，它是包括PD在内的人类疾病研究的经典模型。成功表达绿色荧光蛋白的trt-1线虫可用于评估多巴胺能神经退行性变。在该模型中，锰可损伤多巴胺能神经元，缺乏trt-1的线虫会加重锰诱导的多巴胺神经元损伤。
另一方面，端粒酶通过介导脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor,BDNF）的表达，调节PD患者脑功能。BDNF具有神经保护作用，其在PD患者中表达上调。而端粒酶活性缺失或降低的基因型Terc−/−成年小鼠海马BDNF表达下降，脑室下区神经发生显著减少，端粒酶活性降低，神经干细胞的增殖、神经分化和神经发生均受到破坏。
3.4端粒酶系统与其他神经退行性疾病
HD和痴呆等神经退行性疾病中LTL有改变，表明端粒长度的变化是部分神经退行性疾病的共同特征。
3.5端粒酶系统与PCD
PCD是老年人手术后最常见的并发症之一，其发病机制尚不清楚。然而，许多临床前研究表明，PCD可能是全身麻醉所致。例如，在成年啮齿动物中，七氟醚和异氟醚麻醉可诱导神经炎症和细胞凋亡，同时产生相应的学习和记忆障碍。丙泊酚可增强老年患者海马区细胞突触的表达，从而导致老年患者认知功能障碍。
PCD与神经退行性疾病具有相似的临床表现和发病机制，麻醉与手术不仅与PCD的发生有关，与AD的发展或恶化也相关：首先，缺氧、低碳酸血症和麻醉药都可以促进AD的神经病理改变。缺氧和低碳酸血症促使神经细胞凋亡，同时能增加Aβ的产生。大规模的研究发现缺氧和低碳酸血症是引起PCD的两大危险因素，故可以推测缺氧和低碳酸血症通过激发AD病理过程导致PCD的产生。其次，PCD和AD都可能与神经突触功能失常有关。
研究证实，异氟醚、异丙酚等麻醉药物能促进Aβ寡聚化，并增加Tau蛋白的表达，导致PCD的发病。同时Aβ寡聚化、Tau蛋白也参与AD以及PD的发病过程。最后，载脂蛋白Eε4等位基因已被证明与AD的发生相关，并且也有研究表明载脂蛋白Eε4等位基因与PCD相关。由此我们推测，端粒酶系统可能在PCD的发生、发展过程中也发挥作用，但目前尚没有关于端粒酶系统与围手术期认知关系的研究，未来需要进一步的研究来证实。
4.总结
越来越多的证据表明TERT、端粒酶活性或端粒长度的变化与神经退行性疾病之间存在相关性，但其具体机制仍不明确，进一步了解TERT、其他端粒相关蛋白乃至整个端粒酶系统在神经退行性疾病中的确切功能，进而了解其在PCD中的作用，将有助于它们成为治疗神经退行性疾病和PCD的新靶点。为解决围手术期认知损伤问题，降低PCD发生率，提高手术患者术后恢复质量，实现ERAS理念提供新方法。
来源：刘琛,许琦琦,赵紫健, 等.端粒酶系统在神经退行性疾病与围手术期认知障碍中的作用[J].国际麻醉学与复苏杂志,2020,41(6):627-631.