综述：APP/Aβ信号传导协同编排阿尔茨海默病中的反应性星形胶质细胞网络

《Journal of Neurochemistry》：APP/Aβ Signaling Orchestrates Reactive Astrocyte Networks in Alzheimer's Disease

　　

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）的特征包括淀粉样β（amyloid-β，Aβ）沉积、神经原纤维病理改变、突触功能障碍以及慢性神经炎症，但驱动早期局灶性病理形成的机制仍未明晰。尽管传统观点主要从神经元中心视角解释该病，星形胶质细胞却高丰度表达淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）——以含Kunitz型蛋白酶抑制剂（Kunitz-type protease inhibitor，KPI）同种型为主——并且具备完成APP加工及Aβ清除所需的完整酶学机制。星形胶质细胞APP是一种应激反应性信号分子，其表达受炎症、代谢、兴奋毒性及机械性损伤调控。在局部组织应激条件下，反应性星形胶质细胞上调APP，并向淀粉样生成性加工倾斜。由此产生的生物活性片段，包括Aβ在内，可促进星形胶质细胞活化、破坏其稳态功能，并触发内源性APP的前馈性上调。研究人员提出，这种双向耦联可建立一个自我强化网络，在该网络中，APP整合局部应激信号，而可扩散的Aβ则在星形胶质合胞体（astroglial syncytium）内传播反应性状态。该理论框架将星形胶质细胞APP信号传导定位为局灶性淀粉样沉积、神经炎症及散发性AD进展的上游驱动因素。

1 Introduction

文章首先指出，阿尔茨海默病（AD）的经典病理学标志包括细胞外淀粉样β（Aβ）沉积、细胞内神经原纤维病理、突触丢失和慢性神经炎症，但这些病变为何以早期局灶性形式出现并沿特定模式扩展，仍缺乏统一解释。传统神经元中心模型强调神经元来源Aβ是斑块沉积的主因，但这一框架难以充分解释散发性AD漫长的临床前期及显著的区域异质性。文章据此引入星形胶质细胞视角，强调其在代谢、炎症与机械应激下可发生反应性星形胶质增生或萎缩/虚弱，并指出人类神经影像学和生物标志物研究显示，星形胶质细胞反应性往往早于明显神经变性及大体淀粉样沉积出现。因此，星形胶质细胞可能不是病程中的被动响应者，而是早期致病过程的主动参与者。作者进一步提出，APP为早期星形胶质反应与经典淀粉样病理之间提供了直接的生化桥梁，并据此建立本文的核心假说：星形胶质细胞APP作为应激响应性信号枢纽，将局部组织损伤与慢性淀粉样病理联结起来。

2 APP and Its Fragments in Astrocytes

本节系统梳理了星形胶质细胞中APP及其裂解产物的表达、加工和功能基础。APP是由21号染色体上的APP基因编码的I型整合膜蛋白，通过外显子7和8的选择性剪接形成APP695、APP751和APP770三种主要亚型。其差异主要体现为是否含有Kunitz型蛋白酶抑制剂结构域（KPI）及OX2结构域，这种分子差异为不同细胞类型中的加工命运和生理功能奠定了基础。

2.1 APP Expression in Astrocytes

作者总结了跨物种证据，显示APP mRNA与蛋白在小鼠、大鼠、非人灵长类和人类星形胶质细胞中均持续且丰富表达。单细胞和单核转录组数据进一步表明，APP转录是星形胶质谱系高度保守的分子特征。与神经元主要表达缺乏KPI结构域的APP695不同，星形胶质细胞以含KPI的APP751和APP770为主。人脑发育期至成年期，星形胶质细胞APP均广泛存在；在AD脑组织中，其表达呈空间重排，尤其集中于成熟老年斑周围肥大星形胶质突起构成的胶质屏障内。亚细胞层面，APP遍布内质网、高尔基体、质膜、内体/溶酶体系统及与α₁β₁整合素相关的黏附复合体，提示其既参与分泌通路，也参与膜运输和细胞黏附调控。

2.2 APP Processing in Astrocytes

文章随后概述APP在星形胶质细胞中的蛋白水解加工途径。非淀粉样生成性途径中，α-分泌酶主要由去整合素和金属蛋白酶结构域蛋白10（ADAM-10）介导，在Aβ序列内部切割APP，生成可溶性APPα（sAPPα）和膜结合C83片段；随后γ-分泌酶复合体切割C83，产生p3和APP胞内结构域（AICD）。淀粉样生成性途径则由β位点APP裂解酶1或2（BACE1、BACE2）起始，生成sAPPβ和C99，再经γ-分泌酶连续切割产生Aβ与AICD。作者特别指出，星形胶质细胞中BACE2可能具有重要作用，且其功能可随细胞环境不同而呈现致淀粉样或保护性。现有证据表明，星形胶质细胞具备ADAM-10、BACE1及γ-分泌酶各组成成分，因此拥有独立完成APP加工并贡献脑内Aβ负荷的能力。静息条件下其Aβ基础产量在不同模型间存在差异，但在应激状态下，星形胶质细胞会同步上调APP及加工酶表达，整体加工平衡转向淀粉样生成性方向，从而增加sAPPβ和Aβ生成。

2.3 Functional Diversity of APP-Derived Fragments

作者强调，APP裂解产物并非单一方向发挥作用，而是构成一个功能多样、相互交织的信号网络。全长APP参与细胞黏附、胞内运输和应激响应信号转导；sAPPα通常具有神经营养和稳态维持作用；sAPPβ营养效应较弱，在病理背景下可能参与反应性信号；AICD与转录调控及炎症信号有关；细胞外Aβ则可强力调节星形胶质细胞反应性、Ca²⁺信号、炎症介质释放和代谢障碍。基于此，文章认为APP信号不应被视为单一路径，而应理解为由不同蛋白水解产物介导的复合性调控体系。

2.4 KPI-Containing APP Isoforms in Astrocytes

本节聚焦星形胶质细胞中占优势的含KPI结构域APP亚型。作者指出，这类亚型在AD脑组织中同样富集，并可通过胞外KPI结构域调节局部丝氨酸蛋白酶级联，影响凝血、激肽释放酶信号、纤溶酶活化及免疫细胞调节。相较于神经元特异性的APP695，含KPI亚型具有不同且依赖环境的加工动力学。一方面，KPI结构域促进细胞表面同源二聚化，可能偏向α-分泌酶切割；另一方面，破坏该二聚化又会同时降低sAPPβ和Aβ分泌，提示其也有助于维持β-分泌酶相互作用。作者据此认为，这些亚型的代谢归宿在很大程度上取决于细胞类型特异性的膜转运、表面滞留时间及内体分选过程。

2.5 Astrocytic Uptake and Clearance of Aβ

除合成功能外，星形胶质细胞还是细胞外Aβ的重要清除库。文章指出，星形胶质细胞更易内吞寡聚Aβ，而高度纤维化聚集体更难被降解并可长期滞留胞内。尸检、人群疾病样本以及体内输注、细胞移植实验均支持星形胶质细胞是内吞Aβ的重要长期储存与处理细胞。其胞内降解主要依赖脑啡肽酶（NEP）、胰岛素降解酶（IDE）和基质金属蛋白酶2/9（MMP-2/9）。然而，在慢性病理状态下，内吞运输网络会发生故障，尤其是动力蛋白依赖运输缺陷可导致Aβ在增大的功能失调内体中累积。载脂蛋白E（ApoE）作为晚发散发性AD主要遗传风险因子，对该清除轴具有关键调节作用；尤其是ApoE ε4可损害Aβ摄取、溶酶体清除及自噬功能。低密度脂蛋白受体（LDLR）和脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1）介导的受体依赖性摄取同样是决定清除效率的重要环节。总体而言，作者认为星形胶质细胞位于Aβ产生与清除的代谢十字路口，其清除机制受损将促进细胞外Aβ停滞并加速淀粉样病理。

3 Stressors Increase APP and Its Fragments in Astrocytes

本节说明多类生理及病理应激可共同驱动星形胶质细胞APP上调及淀粉样生成性加工增强。脂多糖（LPS）、兴奋毒性刺激、创伤性脑损伤（TBI）、促炎细胞因子、缺血、病毒感染、高胆固醇等因素，均可诱导星形胶质细胞APP表达显著升高，并伴随加工酶体系协调变化，使sAPPβ和Aβ产量增加。作者强调，这种变化往往发生在经典形态学反应性出现之前，提示APP上调是星形胶质细胞应激反应中的早期事件。分子层面上，细胞因子驱动的Janus激酶/信号转导与转录激活因子3（JAK/STAT3）通路构成双向回路：促炎因子激活STAT3，而APP升高又反过来增强细胞因子释放和持续性STAT3磷酸化，后者进一步促进β-分泌酶介导的淀粉样生成性加工。文章还指出，退行性脑环境中存在空间异质性：损伤区或斑块近旁星形胶质细胞倾向于肥大和反应性，而远端细胞群则可表现为萎缩和内吞功能障碍。这种差异可能直接影响局部APP加工及Aβ处理动力学。

4 Mechanisms Regulating APP Upregulation in Astrocytes

作者将星形胶质细胞APP上调的机制归结为与第二信使系统紧密耦联的分子网络。细胞内环磷酸腺苷（cAMP）升高可激活蛋白激酶A（PKA），直接促进APP转录并诱导反应性形态变化；这一过程对跨膜Na⁺/K⁺离子梯度高度敏感，因此离子稳态紊乱可直接连接至APP表达调控。实验结果显示，PKA药理学激活增强APP表达，而抑制则降低其表达。与此同时，前列腺素E₂（PGE₂）可通过提升cAMP同步增加APP和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）表达。与PKA通路并行，佛波酯激活蛋白激酶C（PKC）可改变APP翻译后分选，促使加工偏向非淀粉样生成性方向并加快sAPPα分泌。因而，PKA和PKC共同承担了将胞外应激信号转换为APP表达和裂解模式变化的整合作用。

5 Effects of APP and Its Fragments on Astrocytes

本节讨论APP及其产物对星形胶质细胞状态的反向调节作用，构成全文所强调的自我强化反馈网络核心。

5.1 Effects of Full-Length APP

全长APP（holo-APP）可直接调控星形胶质细胞反应状态的诱导和维持。原代星形胶质细胞暴露于全长APP后，会出现与LPS急性刺激高度相似的反应性转录谱；体内星形胶质细胞特异性APP过表达足以触发自主性细胞因子生成和反应状态建立，而条件性敲除星形胶质细胞APP则可减弱炎症反应。转基因APP小鼠中的反应性星形胶质细胞还表现出白细胞介素-1β（IL-1β）、转化生长因子β（TGFβ）和白细胞介素-10（IL-10）免疫反应性增强。文章还提到，AD中血管周围水通道蛋白4（AQP4）极性丧失是另一重要现象，尽管尚无直接证据证明APP对AQP4的生化调控，但APP介导的星形胶质形态和结构重塑可能间接影响AQP4锚定与类淋巴清除效率。

5.2 Effects of Aβ Species

Aβ物种对星形胶质细胞的影响是文章论述最为集中的部分之一。由于星形胶质细胞与老年斑密切毗邻，其长期暴露于较高Aβ水平。体内实验显示，Aβ42寡聚体局灶注射可迅速诱发广泛的反应性星形胶质增生，而Aβ42免疫干预则可减轻转基因模型中的星形胶质反应。人类正电子发射断层显像（PET）研究亦表明，星形胶质增生是AD极早期事件，并与淀粉样负荷相关。体外研究进一步证明，Aβ可直接诱导星形胶质细胞释放细胞因子和趋化因子，破坏代谢通量，降低谷氨酸摄取能力，改变Ca²⁺稳态，并诱导诱导型一氧化氮合酶（iNOS）表达及一氧化氮（NO）生成。Aβ还能反过来上调星形胶质细胞APP表达，形成正反馈回路。作者据此认为，这些自主性星形胶质缺陷共同推动神经炎症、代谢耗竭、兴奋毒性、异常胶质递质传递及硝化应激。

5.3 Effects of Other APP Fragments

除Aβ外，其他APP裂解片段也能影响星形胶质细胞。sAPPα和sAPPβ在海马亚颗粒区来源的神经前体细胞中可增加GFAP免疫反应性、促进细胞增殖并提高存活率，提示其可参与星形胶质分化和星形胶质增生。sAPPα还可直接改变星形胶质细胞蛋白质组、分泌组、形态和囊泡运输。AICD在大胶质细胞中的细胞自主功能尚未完全明了，但已有证据表明其可通过丝裂原活化蛋白激酶（MAP kinase）通路和核因子κB（NF-κB）网络诱导反应性状态。

6 An Integrative Model of Astrocytic APP Signaling

在整合模型中，作者提出星形胶质细胞APP并非惰性的代谢前体，而是应激响应性信号分子和代谢整合器。星形胶质细胞基础状态下即表达全长APP及其加工装置；当遭遇炎症、代谢、兴奋毒性或机械性应激时，APP表达升高并向淀粉样生成性切割偏移。其产物，尤其Aβ，可进一步改变星形胶质生理，使反应性表型得以强化和传播。该模型中，全长APP被视为局部微环境损伤的感受器，而Aβ则是向邻近星形胶质细胞扩散反应状态的主要可弥散效应分子。慢性年龄相关和环境性打击会推动星形胶质细胞由稳态转向神经破坏性状态，一方面增强Aβ生成，另一方面削弱受体介导的Aβ清除，最终导致局部淀粉样积聚。STAT3、NF-κB、Toll样受体（TLR）、NLRP3炎性小体、嘌呤能信号及细胞黏附通路等共同整合这一前馈网络，并与小胶质细胞、神经元及神经血管单元形成互作。作者据此认为，散发性AD可能发生于应激诱导的星形胶质细胞APP信号突破局部稳态控制之后，进而形成自维持的反应性星形胶质网络。

6.1 Relationship to Conventional AD Hypotheses

文章最后强调，该模型并不否定神经元中心或小胶质细胞中心学说，而是对其进行补充。神经元仍是突触Aβ的重要来源，小胶质细胞仍参与慢性炎症性修剪；但星形胶质细胞APP信号可能作为这些病理臂的上游放大器和空间组织者发挥作用。该框架并不要求星形胶质细胞成为脑内Aβ总量的主要来源，而是指出即使APP加工出现轻度偏移，也可能通过持续损害星形胶质细胞稳态、代谢和血脑屏障支持功能，对疾病进展产生不成比例的局部影响。

7 Outstanding Questions and Future Directions

在展望部分，作者提出若干关键未决问题。首先，环境和细胞应激如何精确映射到星形胶质细胞APP转录、胞内运输和酶学切割，尤其是富含KPI和OX2结构域APP变体所涉及的上游机制，仍待阐明。其次，需要明确慢性细胞自主性反应状态是否会直接削弱Aβ降解网络，使星形胶质细胞由净清除库转变为病理性Aβ来源。第三，需判断这些APP依赖性反应状态能否在不破坏局部回路稳态支持功能的前提下被选择性逆转。作者认为，解决这些问题需要依赖细胞类型特异性操纵、空间分辨单细胞多组学、人源诱导多能干细胞（iPSC）来源星形胶质细胞、三维脑类器官以及星形胶质细胞特异性转基因模型。未来还应进一步评估，应激诱导的星形胶质细胞APP信号究竟是AD特异性脆弱机制，还是更广义的大胶质细胞应激程序的一部分，并考察其在缺血性卒中、胶质瘤、脱髓鞘疾病及多种原发性星形胶质病中的适用性。