时钟基因在年龄相关认知障碍疾病中的研究进展

杨宇荣1 邱颐2 王晓冬2

1内蒙古医科大学研究生学院，呼和浩特 010110；2内蒙古医科大学第二附属医院麻醉科，呼和浩特 010030

国际麻醉学与复苏杂志,2021,42(10):1098-1102.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210712-00401

 基金项目 

内蒙古自治区自然科学基金（2018LH08029）

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【综述】

昼夜节律是哺乳动物体内普遍存在的以昼夜更替为周期的生命活动，其维持主要受到时钟基因的调控。睡眠障碍及睡眠剥夺会干扰时钟基因的表达，引起昼夜节律紊乱。研究发现，昼夜节律及大脑中时钟基因的表达会随着年龄的增长而减弱，且改善睡眠质量可以提高老年人的记忆功能。而睡眠障碍和认知障碍在老年人中很常见，认知障碍老年人的睡眠障碍发生率较正常老年人高，且认知障碍越严重，睡眠障碍越明显。围手术期神经认知障碍（perioperative neurocognitive disorders, PND）、阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）和血管性认知障碍（vascular cognitive impairment, VCI）是几种常见的认知障碍疾病，且年龄是其发病的共同危险因素。本文就时钟基因及其在PND、AD、VCI中的研究进展进行总结，希望为临床预防、诊断、治疗老年认知障碍疾病提供理论基础。

1 时钟基因的概述  

哺乳动物体内普遍存在以昼夜更替为周期的生命活动，其维持主要依赖于体内时钟基因的周期性表达。时钟基因由核心钟基因和钟控基因组成，核心钟基因主要由编码正性调控因子的时钟基因（circadian locomotor output cycles kaput, clock）、芳香烃受体核转位蛋白样1基因（brain and muscle arnt‑like 1, bmal1）和编码负性调控因子的周期基因（period, per）、隐色素基因（cryptochrome, cry）组成。clock和bmal1翻译产生的clock和bmal1蛋白在细胞核内形成异二聚体clock/bmal1后与per、cry上游的启动子结合，调节per、cry转录和翻译，并在内质网形成per/cry蛋白，该二聚体转移到细胞核后与clock/bmal1结合，终止下游基因的转录。待per、cry蛋白被降解到一定水平后，抑制作用解除，clock、bmall基因再次进行转录、翻译。如此形成一个转录‑翻译反馈环，从而保持生物体的正常昼夜节律 。而钟控基因如孤儿核受体（reverse viral eryth‑roblastosis oncogene product, Rev‑erb）和视黄酸受体相关的孤儿核受体（retinoic acid‑related orphan receptors, RORs）则通过调控核心钟基因的表达来稳定该环路。其中Rev‑erbα由clock/bmal1 异二聚体激活并抑制bmal1的转录，而RORα则可激活bmal1的转录并调节其节律性 。

时钟基因广泛分布于哺乳动物的各个组织和器官中，并通过在不同组织中的特异性、节律性表达使确保DNA、蛋白质等大分子结构和功能完整性的途径保持正常节律性，从而使生物体适应环境产生周期性变化，维持生命体征平稳。

2 时钟基因与PND  

PND是老年患者手术、麻醉后常见的中枢神经系统并发症之一，是一种典型的认知功能障碍疾病，若不及时改善和干预，可能会进一步加重甚至发展为AD，又称老年痴呆。

据调查显示，绝大多数患者围手术期伴有不同程度的睡眠障碍，而这不仅会影响患者的昼夜节律和时钟基因表达，也会加重其术后认知功能障碍 。术前或术后及早给予镇静类药物改善患者围手术期睡眠质量，可使患者术后的认知功能得到明显改善 。此外，手术期间麻醉药物的使用也会显著影响哺乳动物体内时钟基因的表达，且这种改变可能与麻醉药引起的学习记忆损伤有关。这一观点在侯家保等 的研究中得到了进一步的证实，睡眠剥夺和七氟醚吸入均会导致大鼠海马bmal1、per2等时钟基因表达异常，进而导致海马学习与记忆的损伤，且睡眠剥夺会增加吸入麻醉后术后认知功能障碍的发生率。由此可见，手术患者术后认知功能的改变与其围手术期时钟基因表达异常密切相关；但遗憾的是，目前尚无法确定围手术期时钟基因的异常表达与术后认知功能改变之间有明确的因果关系。

关于PND形成的重要机制的相关研究主要集中在以下几个方面。

2.1　神经炎症

神经炎症和神经元损伤涉及多种神经退行性疾病，并被认为在术后认知功能障碍的发展中发挥关键作用。手术、麻醉后常伴有不同程度的全身炎症，炎性反应中释放的炎性因子会使血脑屏障的通透性发生改变，免疫细胞和促炎因子从外周进入中枢神经系统，引起神经炎症和神经元的损伤，导致认知功能障碍。

有可靠证据显示，海马小胶质细胞可以有节律地表达炎性因子和clock、bmal1等时钟基因，且中枢神经系统的炎症过程受到昼夜节律调节 。睡眠不足可诱发神经炎症，损害血脑屏障功能，使小鼠学习和记忆功能下降。Ni等 通过研究发现，术前睡眠障碍会增加手术引起的神经炎症和血脑屏障破坏，从而使老年大鼠术后学习和记忆障碍加剧。

2.2　信号转导

近年来研究发现，环磷酸腺苷（cyclic Adenosine monophosphate, cAMP）信号转导通路在调控昼夜节律和记忆形成的过程中整合程度很高。哺乳动物体内的下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus, SCN）是生物节律的起搏器，其昼夜起搏信号除了由时钟基因转录翻译形成的反馈环决定外，还由细胞内cAMP信号转导所维持,并决定其振幅、相位和周期，且这种信号转导本身也具有昼夜节律。研究发现时钟基因per1和per2的启动子中都包含cAMP反应元件（cAMP‑response element binding, CRE），且这些CRE可以与SCN蛋白提取物中的CRE结合蛋白（cAMP‑response element binding protein, CREB）结合，而其完整性对于per调控cAMP和丝裂原激活蛋白激酶信号通路具有关键作用 。此外，cAMP信号转导通路在记忆形成的过程中也起到核心作用。Eckel‑Mahan等 的研究发现，干扰cAMP信号通路的昼夜节律会影响小鼠长期记忆的形成。而先前的研究也证明，麻醉药可通过抑制海马cAMP/蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）/CREB信号通路诱发老龄大鼠术后认知功能障碍 。

2.3　氧化应激

除上述机制外，围手术期氧化应激也被认为是术后认知功能障碍形成的重要原因之一。而近年来的研究发现，时钟基因对于维持氧化应激的昼夜节律及稳态至关重要，且与机体衰老有关。研究者在针对性地敲除小鼠核心钟基因bmal1后发现，其包括大脑在内的所有器官均会表现出高水平的活性氧（reactive oxygen species, ROS），且神经细胞中反应氧化损伤的一般标记物F4‑神经蛋白（F4‑neuroprostanes, F4‑NPs）的含量显著增加 ，并表现出包括学习记忆形成受损在内的早衰症状，而这种早衰症状在给予抗氧化剂后可得到明显改善。

3 时钟基因与AD  

AD是一种典型的神经退行性疾病。研究发现，AD患者在发病早期乃至整个发病期间，伴有不同程度的睡眠障碍，很多睡眠障碍的出现甚至早于典型认知障碍 ，且长期的睡眠障碍会增加老年人罹患AD的风险。研究发现，bmal1的基因多态性与AD的易感性相关 ，AD患者早期的昼夜节律改变与bmal1基因中 DNA 甲基化的异常循环密切相关 。由此可见，时钟基因的异常表达参与AD的发生、发展。

3.1　时钟基因与蛋白质聚集

目前的研究认为AD是一种蛋白质聚集导致的疾病，淀粉样β蛋白（amyloid β‑protein, Aβ）和tau蛋白在脑中聚集和积累所形成的淀粉样蛋白斑块和神经原纤维缠结是AD的主要病理学特征。研究发现，脑内Aβ和tau蛋白的表达具有昼夜节律性，睡眠剥夺会使其急剧增加并聚集，加速AD的神经变性 。此外，Aβ和tau的聚集也会影响睡眠节律及时钟基因的表达。研究发现，Aβ可以促进神经元细胞中bmal1蛋白的降解 ，且皮下注射Aβ42进行主动免疫不仅可消除小鼠脑内的Aβ沉积物，也可使Aβ的含量变化和昼夜节律恢复正常 。Holton等 对tau蛋白病小鼠模型的研究也表明，tau蛋白会影响神经退行性疾病患者的睡眠结构。由此可见，昼夜节律与AD之间存在着相互促进的关系。

此外，机体通过自噬清除AD的病原性蛋白质聚集物是大脑预防神经变性的关键机制。研究发现，自噬标志物具有昼夜节律，且其昼夜节律可能受时钟基因Rev‑erbα的调节。增强Rev‑erbα的活性可以减少Aβ的沉积，并逆转AD的认知缺陷 。

3.2　时钟基因与神经炎症

神经炎症和和胶质细胞活化是AD发病的关键因素。几丁质酶‑3样蛋白‑1（chitinase‑3‑like‑1， CHI3L1）是一种在体内广泛分布的糖蛋白，在脑脊液中与Aβ、tau等蛋白平行增加，可用来预测AD的发展进程。研究表明，CHI3L1的减少会减轻神经炎症、促进胶质细胞的吞噬作用、减少淀粉样蛋白斑块的形成，延缓AD的发展进程。Lananna等 发现，bmal1是调节星形胶质细胞分泌合成CHI3L1的重要“开关”，敲除小鼠的bmal1基因其脑脊液中CHI3L1的含量会受到明显抑制。

此外，Rev‑erbα可通过与ROR反应元件（ROR response elements, RORE）的顺式结合来抑制 bmal1的转录，并将昼夜节律与巨噬细胞驱动的炎症联系起来。Griffin等 的研究发现，Rev‑erbα缺失会使小鼠海马小胶质细胞自发性激活、星形胶质细胞继发性增生、促炎因子表达增加，对其进行内源信号光学成像（optical intrinsic signal imaging, OISI）检查后发现其大脑压后皮质静息态功能连接（functional connectivity, FC）显著降低，而该区域被认为与衰老和AD时大脑功能改变密切相关，且在敲除bmal1基因后小鼠大脑FC也会有类似的表现 。

4 时钟基因与VCI 

VCI是指由脑血管病危险因素、显性或非显性脑血管病所引起的从轻度认知损害到痴呆的一大类综合征，其最严重的形式就是血管性痴呆（vascular dementia, VaD）。据流行病学调查显示，VaD患者睡眠障碍发生率较高，甚至高于AD和混合性痴呆。姚鹏等 对VCI小鼠模型行睡眠剥夺后发现,睡眠碎片化会加重小鼠的认知功能障碍。由此可见，昼夜节律与VCI的发病有着密切的联系。

血管病变是VCI的核心环节，且在VCI的众多危险因素中，尤以高血压和糖尿病最为重要。据调查，高血压合并糖尿病会使老年人患VaD的风险增高6倍。目前的研究认为，时钟基因对于血管结构和功能的维持至关重要，并可通过多种方式参与高血压和糖尿病的形成。

4.1　时钟基因与血管病变

血管内皮细胞、平滑肌细胞及成纤维细胞中都存在时钟基因的节律性表达。血管内皮细胞产生的一氧化氮、过氧化氢及前列环素是重要的血管舒张因子，其合成分泌需要内皮型一氧化氮合酶、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶的参与。前列腺素和血栓素A2是重要血管收缩因子，其合成分泌需要内皮细胞环氧合酶‐1。Viswambharan等 通过研究发现，小鼠per2基因的突变会影响内皮型一氧化氮合酶、环氧合酶‐1的表达，使一氧化氮和前列环素的产生减少，前列腺素的释放增加，从而影响其内皮正常的舒缩功能。且研究发现，在敲除小鼠的核心时钟基因clock或bmal1后，也会造成其血管内皮损伤、舒缩功能受损，并加重血管的病理性重塑，形成血栓 。

4.2　时钟基因与高血压、糖尿病

人体内正常血压的波动具有明显的昼夜节律，时钟基因异常表达会影响这种昼夜节律，并参与高血压的形成。时钟基因的单核苷酸多态性与人群中高血压的患病率密切相关。研究发现，bmal1中的rs6486121和clock中的rs6850524会增加高血压的患病风险 。此外，研究者还发现高血压患者的血清CRY1蛋白含量显著降低，且与体内总抗氧化状态、BMI及部分生化特征呈明显相关性，因此他们认为CRY1蛋白的血清含量可用来评估人体测量指数异常人群患高血压病的风险 。

除此之外，最近的研究也揭示了时钟基因在维持胰腺β细胞功能及葡萄糖稳态中具有重要作用。研究发现，在特异性敲除小鼠胰腺bmal1基因后，其葡萄糖耐量和胰岛素分泌会受到损伤，且这种损伤会随着年龄的增长变得更加明显 。此外，研究者在2型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）小鼠模型中发现，时钟基因与血管平滑肌的昼夜收缩有关，他们认为这一结论暗示时钟基因与T2D的血压昼夜节律丧失、心血管疾病及卒中风险增加有关。而这一猜测也在Corella等 的研究中得到了证实，他们发现clock基因突变与T2D的发病相关且会增加T2D患者心血管疾病和卒中的发生率。

因此，干预时钟基因的表达可能会成为未来降低人群中高血压、糖尿病发病率，延缓老年人血管病变，减少VCI发生率的重要研究方向。

5 小结与展望  

综上所述，时钟基因作为广泛分布于机体各个组织、器官的关键性基因，在几种与年龄相关的认知障碍疾病的发生、发展中有着至关重要的作用。近年来，随着生活水平和医疗水平的不断提高，老年人口占人口总数的比例不断增大，老年人所面临的认知障碍也成为了医学工作者亟待解决的重要问题。因此本文在阐述时钟基因的基础上，对时钟基因在PND、AD和VCI中的研究进展进行总结归纳，希望能为早期预防和治疗老年认知障碍疾病提供新的思路。

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