乙酰胆碱酯酶在阿尔茨海默病发病机制中的生化机制及未来治疗策略

《Discover Neuroscience》：Biochemical mechanisms of acetylcholinesterase in Alzheimer’s disease pathogenesis and future therapeutic strategies

　　

阿尔茨海默病是一种主要的神经退行性疾病，其中β-淀粉样蛋白（Aβ）、tau病理、神经炎症及胆碱能系统功能障碍相互作用导致认知功能衰退。尽管乙酰胆碱酯酶（AChE）传统上被视为终止胆碱能信号的酶，但越来越多的证据表明其还与β-淀粉样蛋白和tau蛋白存在非催化性相互作用，可能影响淀粉样蛋白相关通路。然而，这些非传统功能的相对作用和机制意义仍未完全明确。本文综述了乙酰胆碱酯酶在阿尔茨海默病中的酶学、结构和信号传导作用，并审查了将该酶与β-淀粉样蛋白积聚、tau病理及早老素-1相关淀粉样蛋白加工相联系的研究证据。研究人员还讨论了胆碱酯酶抑制剂及新兴的多靶点策略，强调了症状相关胆碱能改善与潜在疾病修饰效应之间的区别。总体而言，乙酰胆碱酯酶是一个具有治疗意义的重要靶点，其非经典功能值得在实验和临床研究中进一步探讨。

本文围绕乙酰胆碱酯酶（AChE）在阿尔茨海默病（AD）发病机制中的多重角色及未来治疗策略展开系统综述。

**1 Introduction（引言）**

中枢神经系统（CNS）依赖复杂的神经回路调控认知、行为和运动功能。神经退行性疾病——如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿病（HD）、肌萎缩侧索硬化（ALS）和多发性硬化（MS）——以特定神经元群的进行性和不可逆性丧失为特征，导致严重的认知和躯体功能障碍。2026年全球约有5700万痴呆症患者，其中60%–70%被认为患有阿尔茨海默病，预计到2060年该数字将增至1.52亿。在AD的各种病理生理方面中，胆碱能神经传递的中断是认知功能丧失最早且最可靠的指标之一。近期结构和生化研究发现，AChE具有非经典的、非催化性作用，可直接加速Aβ纤维形成并与过度磷酸化tau相互作用，而传统临床干预主要集中于乙酰胆碱酯酶抑制剂（AChEIs）提供的症状缓解。本综述聚焦于重新定义AChE在AD病理中的关键作用——从单纯的神经递质降解酶转变为多层面的致病性伴侣分子，为新型多靶点疾病修饰治疗构建框架。

**2 The pathophysiology of Alzheimer‘s disease（阿尔茨海默病的病理生理学）**

AD的特征性病理改变包括Aβ等蛋白质的积聚和细胞外斑块的形成，以及磷酸化tau蛋白导致的细胞内神经原纤维缠结。这些过程伴随神经炎症、氧化应激和神经发生减少，促进突触变性和神经元间通讯受损。根据淀粉样蛋白假说，Aβ肽的积聚触发AD的病理级联反应。跨膜蛋白酶BACE1是该通路的限速酶；生理性BACE1支持突触功能，但其过表达加速Aβ产生和斑块形成。与淀粉样蛋白病理并行，AD以严重的胆碱能功能障碍为特征——基底前脑胆碱能神经元的进行性丧失急剧降低乙酰胆碱（ACh）水平，而Aβ沉积周围AChE活性的改变进一步加剧这一过程。糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）的过度活化将淀粉样蛋白毒性联系至tau病理，驱动tau过度磷酸化和神经原纤维缠结形成。

**3 Choline and neural transmission（胆碱与神经传递）**

ACh介导的神经传递构成神经系统功能的基础。胆碱能系统参与注意、学习和记忆以及应激反应、觉醒与睡眠、感觉信息处理等关键过程。ACh由胆碱乙酰转移酶（ChAT）在胞质中合成，通过囊泡乙酰胆碱转运体（VAChT）转运至突触囊泡。去极化时ACh释放至突触间隙，激活毒蕈碱型和烟碱型受体。ACh释放后迅速被AChE降解为胆碱和乙酸，调节突触中神经递质浓度。应激也参与调控前脑ACh释放。

**4 Acetylcholinesterase（乙酰胆碱酯酶）**

AChE（EC 3.1.1.7）在胆碱能神经系统中具有经典的酶学功能，快速将ACh分解为胆碱和乙酸，终止胆碱能神经信号传递。在AD中，胆碱能系统受损和ACh可用性降低与认知和记忆障碍相关，这为使用AChE抑制剂治疗AD症状提供了依据。

**4.1 Non-catalytic structural and signaling roles of AChE（AChE的非催化结构与信号作用）**

除酶活性外，AChE还具有不依赖于ACh分解的独特结构和非酶性信号功能，包括细胞黏附、轴突生长、突触形成和调控等。实验研究表明AChE与AD相关病理蛋白存在相互作用，特别是通过其外周阴离子位点（PAS）影响Aβ积聚，并与磷酸化tau蛋白存在关联。但这些关联与在人类AD中的确定性因果关系仍需进一步实验验证。

**4.2 Overall relationship to Alzheimer’s disease pathophysiology（与AD病理生理学的总体关系）**

AChE在AD中应被视为具有两个概念上不同但可能互补的作用：调节胆碱能神经传递的传统酶学作用，以及可能贡献于神经元和突触过程及AD相关病理通路的非酶性结构/信号作用。AChE同工型表达和加工的改变可能 contribute 于AD相关的神经和突触功能变化。在AD患者脑中，选择性剪接和翻译后加工的改变影响AChE同工型的相对分布，特别是突触型（T）和可溶型（R）剪接变体之间的平衡变化以及糖基化改变。虽然AD中脑脊液总AChE水平略降，但其在淀粉样斑块周围的局部表达显著增加。机制上，Aβ肽通过L型电压门控钙通道上调AChE——特别是G1a同工型。AChE的PAS中的芳香族残基结合Aβ以加速其聚集为毒性纤维，形成稳定的神经毒性AChE-Aβ复合物，驱动破坏性前馈循环。此外，过度磷酸化tau与多价金属离子（Cu²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Al³⁺）形成静电复合物驱动tau聚集，同时直接上调所有分子同工型的AChE活性。除斑块聚集外，AChE通过上调早老素1（PS1）直接调节淀粉样前体蛋白（APP）加工，形成双向致病循环。可变mRNA剪接产生功能不同的AChE变体：致病性N端延伸变体（N-AChE-S）激活GSK-3β驱动tau过度磷酸化、神经原纤维缠结形成和caspase-3介导的凋亡；而通读变体（AChE-R）通过减轻淀粉样纤维聚集和神经毒性发挥短暂保护作用。实验模型证据表明过度磷酸化tau可能与AChE表达或活性增加相关，GSK3β依赖性机制参与此调控。AChE活性增加可促进ACh分解，可能导致胆碱能神经传递受损。此外，细胞内钙信号、毒蕈碱受体激活、转录因子Sp-1、AP-1和NFAT以及GSK3β通路参与调控AChE表达。近期研究表明AChE可能通过与γ-分泌酶复合物组分特别是PS1的相互作用影响APP加工和Aβ产生。然而，目前这种相互模型应被视为由细胞和动物实验观察支持的机制假说，而非人类疾病中因果证明的通路。

**4.3 Structure of the enzyme acetylcholinesterase（AChE的结构）**

AChE是维持神经系统功能的关键球状蛋白酶。其催化位点位于约20埃长的深窄沟槽底部，该沟槽具有多个关键功能区域，包括外周阴离子位点（PAS）、催化活性位点（CAS）、羟基（OH）口袋和乙酰口袋。沟槽侧面排列着色氨酸W86和苯丙氨酸F337等芳香族氨基酸残基，通过π-阳离子相互作用稳定ACh分子。PAS位于沟槽入口附近，包含酪氨酸Y72、Y124、Y341以及天冬酰胺B74和色氨酸W286等关键残基。活性位点包含两个亚位点：酯位点含有催化三联体（Ser200-His440-Glu327）和基于Gly121、Gly122和Ala204的NH肽基团的氧负离子洞；阴离子位点通过Trp86、Glu202和Tyr337侧链识别ACh的季铵尾部。AChE催化机制包括酰化和脱酰化两个主要阶段。酰化阶段中，Ser200的羟基被His440作为通用碱夺取质子后形成烷氧负离子攻击ACh的羰基碳，形成由三点构型氧负离子洞稳定的四面体中间体。脱酰化阶段是限速步骤，水分子进入活性位点后被His440重新激活，产生的氢氧根离子裂解酶-酰基复合物的羰基键，释放乙酸并再生丝氨酸羟基。Glu327的羧酸基团与新兴咪唑鎓阳离子之间的静电相互作用在稳定中间体和过渡态中起关键作用。突触间隙中ACh分解产生的胆碱再摄取由高效主动转运系统（CHT1）介导，是ACh合成的关键步骤。

**5 Acetylcholine receptors（乙酰胆碱受体）**

ACh通过烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）和毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAChRs）两大受体家族发挥生理效应。烟碱型受体是配体门控离子通道，介导快速突触传递；毒蕈碱型受体是G蛋白偶联受体，产生较慢、较持久的调节效应。在AD中，胆碱能信号改变和ACh受体功能障碍可能导致注意、学习和记忆受损，这为胆碱酯酶抑制剂的使用提供了重要依据——抑制AChE减少ACh分解，增加突触间隙中ACh的可用性，从而增强烟碱型和毒蕈碱型受体的刺激。然而，AChE抑制主要提供症状缓解而非疾病修饰效应。

**6 Modern therapeutic approaches（现代治疗策略）**

AChE不再仅被视为增加ACh水平的靶点，而是具有两个关键位点——催化活性位点和贡献于Aβ肽聚集的外周阴离子位点——的可利用于治疗多条疾病通路的分子。这促进了多靶点药物（MTDLs）的开发，能够同时与两个位点相互作用，在增加胆碱能活性的同时干扰淀粉样斑块形成并减少氧化应激和相关神经炎症。胆碱酯酶抑制剂（多奈哌齐、利斯的明、加兰他敏）是AD治疗的现有基石，主要通过增强残余胆碱能神经传递缓解症状。但传统胆碱酯酶抑制剂尚未被证明为疾病修饰疗法。研究还揭示AChE抑制剂具有超出传统作用的额外效应，通过调节α-、β-和γ-分泌酶活性影响APP代谢。这些药物的使用面临重大挑战：属于症状性药物无法长期阻止或逆转潜在退行性过程，选择性差、血脑屏障穿透能力有限，且可能引起剂量依赖性副作用。慢性酶抑制还通过补偿机制增加AChE表达，逐渐削弱疗效。靶向高亲和力胆碱转运体（CHT1）的药物也成为潜在策略。近期研究聚焦于调控胆碱能受体：M2毒蕈碱受体激活增加Aβ产生，而M1和M4受体的正向变构调节剂可能通过增加ACh受体亲和力改善记忆。M1和M4毒蕈碱受体新型正向变构调节剂（PAMs）在高级临床试验中显示出改进的选择性特征。α7烟碱型乙酰胆碱受体（α7 nAChRs）的变构调节也被确定为增加突触可塑性和恢复海马长时程增强（LTP）的平行机制。此外，免疫治疗领域取得显著进展，针对聚集型或可溶性Aβ的单克隆抗体如aducanumab和lecanemab已被批准，提供直接靶向疾病根本原因的新方法。其他治疗干预旨在再生丢失的神经元、减少谷氨酸兴奋性毒性，以及通过增强α-分泌酶活性减少Aβ肽产生。

**7 Conclusion（结论）**

AChE在AD病理生理中发挥多层面的非经典作用，远超突触ACh水解。通过其PAS作为结构伴侣，AChE直接加速Aβ聚集、调节PS1表达并加剧tau过度磷酸化，驱动恶性神经退行性循环。此外，向缺陷性糖基化轻链（G1）分子同工型的病理转变提供了作为AD进展特异性脑脊液生物标志物的诊断前景。本综述提示治疗策略必须从传统的姑息性酶抑制转向疾病修饰干预。AD治疗的未来在于开发能够同时阻断催化域和外周域的多靶点"双位点抑制剂"，或设计用于破坏AChE与神经毒性级联之间机械和信号连接的分子的药物。