早老素基因－1突变与老年性痴呆
作者：叶静 刘艾 刘协和
单位：叶静(华西医科大学附属第一医院精神科，成都，610041)； 刘艾(华西医科大学附属第一医院精神科，成都，610041)； 刘协和(卫生部北京医院，北京，100730)
关键词：
华西医学000190 综述 审校
分类号：R749.1+6 文献标识码：D
文章编号：1002-0179(2000)01-0123-02▲
老年性痴呆(Alzheimer Disease，AD)有家族遗传性和散发性两种。家族遗传性老年性痴呆(Familial Alzheimer Disease，FAD)又分为早发型(EOFAD)和晚发型(LOFAD)，被认为是常染色体显性遗传疾病，通过基因扫描和定位克隆方法已筛选出4种与AD明确相关的致病基因，即位于21q11.2-21q21区域的APP基因；19q13-13.2区域的APOE基因；14q24.3区域的早老素-1(Presinilin1，PS-1)基因，和1q31-42区的Presinilin 2基因，其中PS-1基因可能是EOFAD的主要责任基因，并且也有报道PS-1基因的某些突变和多态性也与散发性AD有关。
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1 PS-1基因特征及表达
Schellenberg等〔1〕于1992年首次发现14号染色体与AD连锁的证据，并定位于14q24.3，命名为AD3，包括D14S53之间6.4CM范围。外显子作图和直接cDNA筛选技术发现了新基因S182，其编码的相应蛋白质是早老素-1〔2〕。Haltia等〔3〕的研究也是得到同样的结果，他们均发现约70%～80%的EOFAD与14号染色体基因连锁，即PS-1基因与所有AD的10%人群相关。因此，目前认为PS-1基因在EOFAD的病因中占有重要地位，因为APP突变占EOFAD的5%，在非APOE4型患者中，携带PS-1 1/1型等位基因者占半数。
PS-1基因至少有12个外显子、8个内含子，但其可阅读框架由10个外显子构成(exon3-12)。利用P1噬菌体来源的人造染色体克隆完整的PS-1基因实验表明，PS-1基因长度为75kb，其内含子与外显子交界处很相似，且均具有保守序列。在脑及周围组织中，用Northern杂交，识别出PS-1基因的转录物为2.7kb〔3〕，并且与鼠的PS-1基因为同源序列。1996年Lee〔4〕和Suzuki等〔5〕，测定了人和鼠的mRNA表达，已明确PS的潜在功能及PS表达与AD病理之间的关系，反转录RNA的半定量PCR分析提示，PS-1mRNA存在于人和鼠的脑和大部分组织中，并且表达水平相似。对成熟脑的原位杂交分析显示，海马和内嗅区的神经元PS-1mRNA含量丰富，并且在白质中的神经胶质细胞也有表达。用PS-1特异抗体Ab14和αPS-1Loop做免疫印迹分析，证实脑中PS-1是由28KDa的M末端片段聚合而成。鼠脑的免疫组化研究揭示，新皮层和海马的各种神经元群的主树突和神经纤维网室聚集有丰富的PS-1蛋白；鼠脑的原位杂交分析显示，PS-1在不同视经元群都有表达，揭示PS-1基因突变是通过危及神经元功能引起AD的。但胶质细胞中PS-1mRNA也有显著表达，不能排除胶质细胞参与病理过程〔4〕。可能PS基因突变促进APP的病理过程，因为Scheuner等的研究结果显示〔6〕，PS-1基因突变者的血浆及培养的皮肤成纤维细胞中有Aβ42水平增高，而 Aβ42是促进神经元坏死和老年斑形成的毒性物质。
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2 PS-1基因产物及其在AD发病中的可能作用
尽管目前PS-1基因产物的详细结构尚不清，但从人和啮齿类动物cDNA的最长开放阅读框架推测，PS-1基因编码含467个氨基酸的蛋白，即S182蛋白，也称早老素或PS-1蛋白。它含7个疏水跨膜区(TM1-7)，并通过6个亲水环结构连接。PS-1蛋白拓扑学表明它是整合膜蛋白，如受体蛋白、通道蛋白或结构蛋白，它牢固镶嵌在细胞膜上。PS-1蛋白除有7个疏水跨膜区外，可能还存在至少两个较短的疏水残基序列，它虽不形成典型的跨膜序列，但与膜相连。在TM6与TM7之间的胞质环区域，因聚集大量FAD相关突变而显得重要〔4〕。
PS-1蛋白的氨基酸序列与c.elegans菌的整合膜蛋白SPE4结构相似，提示PS-1蛋白在演化过程中结构和功能的保守性，相似结构多位于跨膜区，二者区别在于PS-1蛋白的N末端大片段的亲水区VRSQ，并且缺少可识别的信号肽和糖基化位点。SPE4蛋白参与了水溶性膜蛋白的运输和转移，SPE4蛋白突变可破坏膜发芽、融合等。PS-1蛋白可能具有相似结合，参与了其他膜蛋白如βAPP的剪切，或参与轴突运输过程中膜结合囊泡的融合。PS-1蛋白的氨基酸序列还与几种跨膜蛋白的结构略有相似，如哺乳动物染色质A及电压门控Ca2+通道蛋白的α亚单位等，因此PS-1蛋白可能作为一种离子通道存在，此外还可能具有信号传递功能。
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3 PS-1基因突变与AD发病的关系
目前已发现40余种PS-1基因突变，并在LOFAD和SAD病例中也发现PS-1的致病性错义突发〔7〕。大部分PS-1基因突变位于7个TM区域内或附近。在10个外显子中已发现4-9和11有突变，而且外显子5、8、9、11占突变总数75%；目前还发现几种剪切突变和内含子8多态性与AD发病有关。
PS-1基因突变可导致APP异常转运和加工，产生过多的Aβ4蛋白。Aβ4蛋白具有神经毒性，是构成老年斑的主要物质。取PS-1错义突变(Ala→Glu)患者成纤维细胞进行培养，发现Aβ4蛋白水平明显高于对照组；EOFAD病人PS-1N-末端单克隆抗体免疫组化研究显示出灰质和白质的老年斑，PS-1mRNA的RT-PCR分析揭示，PS-1功能损害有助于老年斑的形成〔8〕。也有研究发现，SAD患者PS-1突变与Aβ4沉淀无关，而与神经纤维缠结形成有关〔9〕。PS-1基因突变导致tau蛋白过度磷酸化和Aβ4蛋白增加的机理可能与离子通道改变有关。研究表明，PS-1蛋白具有进化调节通道的作用，如Natch通道。PS-1基因突变可能改变细胞处理的方式，导致APP异常剪切，产生过多Aβ4蛋白。PS-1还与一种电压依赖性钙离子通道α-1D亚基有弱的同源性。在FAD，PS-1基因突变引起了通道微孔结构破环，各亚基之间相互作用障碍，从而影响了细胞膜内外钙离子的交换。而tau蛋白的过度磷酸化和Aβ4蛋白增加均与细胞内钙离子增加有关。
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在EOFAD家系中还发现了PS-1基因的剪切位点突变。Gruts等率先报道了2个家系PS-1基因5’端出现了两种不同的拼接形式，其中一种缺少12个碱基，在26-29密码子处丢失4种氨基酸，并且这种拼接形式占RT-PCR总产量的60%，这些序列构成了蛋白激酶C和酪蛋白激酶Ⅱ的酶切位点；此外还发现了外显子9的错误剪切，导致290-319氨基酸序列丢失。目前还发现了外显子8和外显子3的替代性拼接。这些突变可影响转录时mRNA的正常剪切，虽然mRNA能正常表达并产生正常蛋白，但表达率有所降低。
1996年Wragg等〔10〕报道，PS-1基因外显子8的3＇端内含子具有多态性，根据这一多态性，可将PS-1基因分为两种等位基因，并由此构成1/1、1/2、2/2型3种基因型，迟发AD与该基因多态性1/1有关联，其患病风险率是其他类型两倍，推算约有22%的迟发AD的患病应归因于该基因型，并认为PS-1基因多态性对于迟发AD遗传可能呈非显性遗传模式。也有报道〔11〕，日本人中PS-1基因1/1型频率在散发AD中明显增高；但部分作者报道，PS-1基因多态性与AD无关联，其中包括西班牙、美国、中国和中国台湾〔12，13〕。其研究结果差异表明，PS-1基因内含子的多态性与AD关联不具有普遍意义，可能存在人群或种族差异。
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4 结语
PS-1基因改变与FAD的密切关系为FAD发病的病因学提供了证据，尤其是近年通过基因突变筛查方法逐渐发现SAD与PS-1突变相关应引起重视，SAD与遗传因素及环境因素的关系还应继续研究；PS-1突变导致AD的具体机制尚不清楚，PS-1的确切生理功能尚属未知。目前学者们正致力于通过转基因鼠表达突变的PS-1基因或制备剔除PS基因鼠等实验来阐明PS蛋白的生理功能及PS-1突变导致AD的具体机理〔14〕。■
参考文献：
[1] Schellenberg GD，Bird TD，Wijsman EM，et al.Science 1992；258：668～671.
[2] Sherrington R，Rogaev E，liang Y，et al.Nature 1995；375：754～760.
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[3] Cmpion D.Ann Neurol 1995；36：362.
[4] Lee MK，J Neurosci 1996；16：7513～7525.
[5] SuzukiT，Nishiyama K，Murayama S，et al.Biochem Biophys Res Commun 1996；219(3)；708～713.
[6] Scheuner D，Eckman C，Jensen M，et al.Nat Med 1996；2(8)：864～870.
[7] 马秋兰，钱采韵，刘焯霖，等：中国神经精神疾病杂志 1999；25；142～144。
[8] Weggen S，Diehlmann A，Buslei R，et al.Neuroreport 1998；9：3279～3283.
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[9] Bouras C，Gianna K，Kopoulos P，et al.Lancet 1996；347：1185～1186.
[10] Wagg M，Hutton M，Talbot C，et al.Lancet 1996；347∶509～512.
[11] Higuchi S，Muramatasu T，Matsushita S，et al.Lancet 1996；347：1186.
[12] 吴晓东，江三多，金通观，等：中华老年医学杂志 1998；17：143～145.
[13] Hu CJ，Sung SM，Liu HC，et al.J Neurol Sci 1998；157：158～161.
[14] Wong PC，Zheng H，Chen H，et al.Nature 1997；387：288～291.
收稿日期：1999-12-19, http://www.100md.com
单位：叶静(华西医科大学附属第一医院精神科，成都，610041)； 刘艾(华西医科大学附属第一医院精神科，成都，610041)； 刘协和(卫生部北京医院，北京，100730)
关键词：
华西医学000190 综述 审校
分类号：R749.1+6 文献标识码：D
文章编号：1002-0179(2000)01-0123-02▲
老年性痴呆(Alzheimer Disease，AD)有家族遗传性和散发性两种。家族遗传性老年性痴呆(Familial Alzheimer Disease，FAD)又分为早发型(EOFAD)和晚发型(LOFAD)，被认为是常染色体显性遗传疾病，通过基因扫描和定位克隆方法已筛选出4种与AD明确相关的致病基因，即位于21q11.2-21q21区域的APP基因；19q13-13.2区域的APOE基因；14q24.3区域的早老素-1(Presinilin1，PS-1)基因，和1q31-42区的Presinilin 2基因，其中PS-1基因可能是EOFAD的主要责任基因，并且也有报道PS-1基因的某些突变和多态性也与散发性AD有关。
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1 PS-1基因特征及表达
Schellenberg等〔1〕于1992年首次发现14号染色体与AD连锁的证据，并定位于14q24.3，命名为AD3，包括D14S53之间6.4CM范围。外显子作图和直接cDNA筛选技术发现了新基因S182，其编码的相应蛋白质是早老素-1〔2〕。Haltia等〔3〕的研究也是得到同样的结果，他们均发现约70%～80%的EOFAD与14号染色体基因连锁，即PS-1基因与所有AD的10%人群相关。因此，目前认为PS-1基因在EOFAD的病因中占有重要地位，因为APP突变占EOFAD的5%，在非APOE4型患者中，携带PS-1 1/1型等位基因者占半数。
PS-1基因至少有12个外显子、8个内含子，但其可阅读框架由10个外显子构成(exon3-12)。利用P1噬菌体来源的人造染色体克隆完整的PS-1基因实验表明，PS-1基因长度为75kb，其内含子与外显子交界处很相似，且均具有保守序列。在脑及周围组织中，用Northern杂交，识别出PS-1基因的转录物为2.7kb〔3〕，并且与鼠的PS-1基因为同源序列。1996年Lee〔4〕和Suzuki等〔5〕，测定了人和鼠的mRNA表达，已明确PS的潜在功能及PS表达与AD病理之间的关系，反转录RNA的半定量PCR分析提示，PS-1mRNA存在于人和鼠的脑和大部分组织中，并且表达水平相似。对成熟脑的原位杂交分析显示，海马和内嗅区的神经元PS-1mRNA含量丰富，并且在白质中的神经胶质细胞也有表达。用PS-1特异抗体Ab14和αPS-1Loop做免疫印迹分析，证实脑中PS-1是由28KDa的M末端片段聚合而成。鼠脑的免疫组化研究揭示，新皮层和海马的各种神经元群的主树突和神经纤维网室聚集有丰富的PS-1蛋白；鼠脑的原位杂交分析显示，PS-1在不同视经元群都有表达，揭示PS-1基因突变是通过危及神经元功能引起AD的。但胶质细胞中PS-1mRNA也有显著表达，不能排除胶质细胞参与病理过程〔4〕。可能PS基因突变促进APP的病理过程，因为Scheuner等的研究结果显示〔6〕，PS-1基因突变者的血浆及培养的皮肤成纤维细胞中有Aβ42水平增高，而 Aβ42是促进神经元坏死和老年斑形成的毒性物质。
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2 PS-1基因产物及其在AD发病中的可能作用
尽管目前PS-1基因产物的详细结构尚不清，但从人和啮齿类动物cDNA的最长开放阅读框架推测，PS-1基因编码含467个氨基酸的蛋白，即S182蛋白，也称早老素或PS-1蛋白。它含7个疏水跨膜区(TM1-7)，并通过6个亲水环结构连接。PS-1蛋白拓扑学表明它是整合膜蛋白，如受体蛋白、通道蛋白或结构蛋白，它牢固镶嵌在细胞膜上。PS-1蛋白除有7个疏水跨膜区外，可能还存在至少两个较短的疏水残基序列，它虽不形成典型的跨膜序列，但与膜相连。在TM6与TM7之间的胞质环区域，因聚集大量FAD相关突变而显得重要〔4〕。
PS-1蛋白的氨基酸序列与c.elegans菌的整合膜蛋白SPE4结构相似，提示PS-1蛋白在演化过程中结构和功能的保守性，相似结构多位于跨膜区，二者区别在于PS-1蛋白的N末端大片段的亲水区VRSQ，并且缺少可识别的信号肽和糖基化位点。SPE4蛋白参与了水溶性膜蛋白的运输和转移，SPE4蛋白突变可破坏膜发芽、融合等。PS-1蛋白可能具有相似结合，参与了其他膜蛋白如βAPP的剪切，或参与轴突运输过程中膜结合囊泡的融合。PS-1蛋白的氨基酸序列还与几种跨膜蛋白的结构略有相似，如哺乳动物染色质A及电压门控Ca2+通道蛋白的α亚单位等，因此PS-1蛋白可能作为一种离子通道存在，此外还可能具有信号传递功能。
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3 PS-1基因突变与AD发病的关系
目前已发现40余种PS-1基因突变，并在LOFAD和SAD病例中也发现PS-1的致病性错义突发〔7〕。大部分PS-1基因突变位于7个TM区域内或附近。在10个外显子中已发现4-9和11有突变，而且外显子5、8、9、11占突变总数75%；目前还发现几种剪切突变和内含子8多态性与AD发病有关。
PS-1基因突变可导致APP异常转运和加工，产生过多的Aβ4蛋白。Aβ4蛋白具有神经毒性，是构成老年斑的主要物质。取PS-1错义突变(Ala→Glu)患者成纤维细胞进行培养，发现Aβ4蛋白水平明显高于对照组；EOFAD病人PS-1N-末端单克隆抗体免疫组化研究显示出灰质和白质的老年斑，PS-1mRNA的RT-PCR分析揭示，PS-1功能损害有助于老年斑的形成〔8〕。也有研究发现，SAD患者PS-1突变与Aβ4沉淀无关，而与神经纤维缠结形成有关〔9〕。PS-1基因突变导致tau蛋白过度磷酸化和Aβ4蛋白增加的机理可能与离子通道改变有关。研究表明，PS-1蛋白具有进化调节通道的作用，如Natch通道。PS-1基因突变可能改变细胞处理的方式，导致APP异常剪切，产生过多Aβ4蛋白。PS-1还与一种电压依赖性钙离子通道α-1D亚基有弱的同源性。在FAD，PS-1基因突变引起了通道微孔结构破环，各亚基之间相互作用障碍，从而影响了细胞膜内外钙离子的交换。而tau蛋白的过度磷酸化和Aβ4蛋白增加均与细胞内钙离子增加有关。
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在EOFAD家系中还发现了PS-1基因的剪切位点突变。Gruts等率先报道了2个家系PS-1基因5’端出现了两种不同的拼接形式，其中一种缺少12个碱基，在26-29密码子处丢失4种氨基酸，并且这种拼接形式占RT-PCR总产量的60%，这些序列构成了蛋白激酶C和酪蛋白激酶Ⅱ的酶切位点；此外还发现了外显子9的错误剪切，导致290-319氨基酸序列丢失。目前还发现了外显子8和外显子3的替代性拼接。这些突变可影响转录时mRNA的正常剪切，虽然mRNA能正常表达并产生正常蛋白，但表达率有所降低。
1996年Wragg等〔10〕报道，PS-1基因外显子8的3＇端内含子具有多态性，根据这一多态性，可将PS-1基因分为两种等位基因，并由此构成1/1、1/2、2/2型3种基因型，迟发AD与该基因多态性1/1有关联，其患病风险率是其他类型两倍，推算约有22%的迟发AD的患病应归因于该基因型，并认为PS-1基因多态性对于迟发AD遗传可能呈非显性遗传模式。也有报道〔11〕，日本人中PS-1基因1/1型频率在散发AD中明显增高；但部分作者报道，PS-1基因多态性与AD无关联，其中包括西班牙、美国、中国和中国台湾〔12，13〕。其研究结果差异表明，PS-1基因内含子的多态性与AD关联不具有普遍意义，可能存在人群或种族差异。
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4 结语
PS-1基因改变与FAD的密切关系为FAD发病的病因学提供了证据，尤其是近年通过基因突变筛查方法逐渐发现SAD与PS-1突变相关应引起重视，SAD与遗传因素及环境因素的关系还应继续研究；PS-1突变导致AD的具体机制尚不清楚，PS-1的确切生理功能尚属未知。目前学者们正致力于通过转基因鼠表达突变的PS-1基因或制备剔除PS基因鼠等实验来阐明PS蛋白的生理功能及PS-1突变导致AD的具体机理〔14〕。■
参考文献：
[1] Schellenberg GD，Bird TD，Wijsman EM，et al.Science 1992；258：668～671.
[2] Sherrington R，Rogaev E，liang Y，et al.Nature 1995；375：754～760.
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[3] Cmpion D.Ann Neurol 1995；36：362.
[4] Lee MK，J Neurosci 1996；16：7513～7525.
[5] SuzukiT，Nishiyama K，Murayama S，et al.Biochem Biophys Res Commun 1996；219(3)；708～713.
[6] Scheuner D，Eckman C，Jensen M，et al.Nat Med 1996；2(8)：864～870.
[7] 马秋兰，钱采韵，刘焯霖，等：中国神经精神疾病杂志 1999；25；142～144。
[8] Weggen S，Diehlmann A，Buslei R，et al.Neuroreport 1998；9：3279～3283.
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[9] Bouras C，Gianna K，Kopoulos P，et al.Lancet 1996；347：1185～1186.
[10] Wagg M，Hutton M，Talbot C，et al.Lancet 1996；347∶509～512.
[11] Higuchi S，Muramatasu T，Matsushita S，et al.Lancet 1996；347：1186.
[12] 吴晓东，江三多，金通观，等：中华老年医学杂志 1998；17：143～145.
[13] Hu CJ，Sung SM，Liu HC，et al.J Neurol Sci 1998；157：158～161.
[14] Wong PC，Zheng H，Chen H，et al.Nature 1997；387：288～291.
收稿日期：1999-12-19, http://www.100md.com