计算机模拟分析表明运动诱导的鸢尾素介导的神经保护作用支持阿尔茨海默病的非药物公共卫生预防策略

《International Journal of Environmental Research and Public Health》：In Silico Analyses Suggest That Exercise-Induced Irisin-Mediated Neuroprotection Supports Non-Pharmacological Preventive Strategies for Alzheimer’s Disease in Public Health Moara Manias, Jo?o Victor Rossetti Vieira and Aline Sampaio Cremonesi

　　

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是导致痴呆症的首要原因，并给医疗保健系统带来了巨大的经济和社会负担。在巴西，与AD相关的住院费用不断上升，且治愈性疗法的缺乏以及人口老龄化现状，进一步强化了对低成本、广泛应用的预防策略的需求。本研究整合流行病学与生物信息学分析，探讨了运动诱导产生的肌细胞因子（myokine）鸢尾素（irisin）在AD预防中的作用。研究人员分析了21世纪初巴西人口营养状况与约20年后AD住院情况的公开数据，采用滞后斯皮尔曼相关性（lagged Spearman correlation）评估其时间关联。此外，通过蛋白-蛋白相互作用网络和功能富集分析研究了与AD相关的基因。利用鸢尾素和整合素αV/β5受体（integrin αV/β5 receptor）的结构模型进行了分子对接（molecular docking）和分子动力学（molecular dynamics, MD）分析。历史数据显示，21世纪初超重和肥胖的患病率较高（成人人口占比46.7% ± 4.2%），并与二十年后AD住院人数呈强正相关（ρ = 0.88；p = 0.033）。功能分析揭示了与神经变性、神经营养因子和神经元可塑性相关的通路富集，涉及诸如脑源性神经营养因子（BDNF）、蛋白激酶B（AKT）、细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）和cAMP反应元件结合蛋白（CREB）等蛋白。对接和分子动力学分析表明，鸢尾素与αV/β5受体存在稳定相互作用，提示其可激活神经保护通路。这些发现强化了体育锻炼作为AD预防的战略性公共卫生工具的地位，为减轻该疾病未来的负担提供了流行病学和分子基础，从而推动公共卫生政策的重心从治疗转向预防。

本研究旨在通过整合来自公共卫生系统的流行病学数据和生物信息学工具，揭示鸢尾素在阿尔茨海默病预防中的作用，为将锻炼生理学成果转化为公共卫生预防策略提供科学依据。目前，阿尔茨海默病已成为全球公共卫生的重大挑战。它是导致痴呆症的首要病因，并与人口老龄化密切相关，给全球医疗系统带来了沉重的经济和社会负担。在巴西，统一医疗系统（SUS）中AD相关住院费用的持续攀升，加之治愈性疗法的空缺与人口老龄化的双重压力，凸显了寻找低成本、广覆盖预防策略的紧迫性。从生物学角度看，AD的特征是β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块的积累、过度磷酸化 Tau 蛋白形成的神经原纤维缠结，以及持续的氧化应激和神经炎症过程。这些机制导致突触功能障碍、神经元丢失和进行性认知衰退。尽管这些分子通路已被广泛描述，但行为和环境因素在调节这些病理生理轨迹中的决定性作用日益受到认可。在众多与认知保护相关的可改变因素中，体育锻炼尤为突出。证据表明，定期运动与脑内Aβ水平降低、淀粉样蛋白沉积减少、神经炎症减轻、海马神经发生刺激以及认知表现改善相关。这些益处部分似乎由运动诱导的全身生理适应所介导，包括释放能够作用于中枢神经系统的外周因子，例如鸢尾素。鸢尾素是一种来源于纤连蛋白III型结构域包含蛋白5（FNDC5）切割的肽段，其表达受过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子（PGC-1α）激活的刺激。鸢尾素能够穿过血脑屏障，触发与神经保护相关的反应，包括增加脑源性神经营养因子（BDNF）的表达、促进突触发生和增强神经元存活。AD患者的鸢尾素水平在海马和脑脊液中有所降低，而较高浓度则与更好的认知功能和更低的淀粉样蛋白病理负担相关。鸢尾素-BDNF轴被认为是介导运动相关神经保护效应的主要机制之一。抑制FNDC5表达会降低BDNF水平，并损害与突触可塑性、神经发生和记忆相关的过程。BDNF的表达可被鸢尾素直接或通过相关细胞内通路（如cAMP/PKA/CREB和STAT3）刺激。此外，鸢尾素与Akt/ERK1/2等神经保护信号机制的激活相关，有助于减少氧化应激和炎症反应。还有证据表明，鸢尾素可能直接干扰淀粉样蛋白病理生理学。FNDC5的过表达减少了Aβ40和Aβ42的分泌。近期进展已确定整合素αV/β5受体复合物是鸢尾素中枢作用（尤其在星形胶质细胞中）的特异性受体，但其相互作用的结构与动态细节尚不明确，这限制了将其作为运动启发干预措施基础的转化探索。

研究人员首先开展了一项基于时间滞后的生态学研究，以探究巴西人口营养状况与神经退行性疾病发病率之间的关联。研究提取了2000年至2007年食品与营养监测系统（SISVAN）中超重和肥胖的年度患病率作为人群暴露变量，以及2020年至2025年医院信息系统（SIH/SUS）中神经退行性疾病病理的年度住院量作为结局指标。采用约20年的时间滞后，通过斯皮尔曼系数评估二者相关性。接着，研究人员从GeneCards数据库中筛选与AD和运动相关的基因，并通过STRING平台映射与FNDC5蛋白的相互作用。在Cytoscape软件中处理网络，通过交集中心性指标识别枢纽蛋白，并使用MCODE算法分离密集连接的簇。随后在DAVID平台进行基于KEGG通路库的功能富集分析。最后，利用从数据库获取的鸢尾素和整合素αV、β5的序列，通过ColabFold进行结构建模，在ClusPro 2.0中进行蛋白-蛋白对接，并在GROMACS软件中进行分子动力学模拟，以分析复合物的结构稳定性、构象波动和界面相互作用。

研究结果如下：
3.1 超重与阿尔茨海默病的流行病学及基于网络的关联分析
分析DATASUS数据显示，2000年至2007年间，巴西成人群体中超重（包括超重和肥胖）的平均患病率为46.17%（±4.2%）。时间滞后分析证实，21世纪初的营养状况与二十年后因痴呆和阿尔茨海默病住院的病例数之间存在强且统计学显著的正相关（分别为ρ = 0.94，p = 0.016 和 ρ = 0.88；p = 0.033）。这虽不能表明因果关系，但支持了长期超重可能是巴西公共卫生系统中神经变性的一个决定性风险因素的假设。从GeneCards数据库中识别出的11,695个AD相关基因中，观察到FNDC5蛋白与22个参与多种生物过程的靶蛋白存在直接相互作用。将网络扩展至第二层级相互作用后，共计涉及753个蛋白质，对其进行功能富集分析。该过程揭示了210条不同的生物通路，其中207条具有统计学显著性（FDR ≤ 0.05）。在过表达类别中，“神经退行性变-多种疾病”通路（富集倍数 = 5.77）和“神经营养因子”通路（富集倍数 = 7.03）尤为突出，后者已被文献描述为鸢尾素可能的靶点。基于星形胶质细胞中αV/β5受体的网络建模也同样在两个层级进行扩展，得到一个包含755个蛋白质的网络，揭示了与PI3K-Akt通路（富集倍数 = 19.67）的关联，该通路被认为是细胞代谢、生长、增殖和存活的核心调节器。数据表明，αV/β5受体复合物参与这些生物过程的调节，其活性在鸢尾素存在下可能被增强。根据分析，鸢尾素信号通过与整合素家族受体（特别是αV/β5复合物）的相互作用发生，由此发挥其生物学效应并激活AKT和ERK蛋白通路，这些通路在脑组织中与神经保护效应相关。另一个与AD相关的、被确定为鸢尾素作用靶点的机制是与Tau蛋白过度磷酸化相关的神经原纤维缠结（NFTs）形成。与鸢尾素刺激相关的蛋白质促进Tau抑制，从而减少与突触丢失和记忆障碍相关的NFTs形成。

3.2 鸢尾素-αV/β5受体相互作用的结构分析及复合物的构象稳定性
分子对接模拟表明，单体形式的鸢尾素与αV/β5复合物之间存在稳定的相互作用界面，平均结合自由能为-808.07 kcal/mol，标准差为45.48 kcal/mol，提示分子间具有高亲和力。复合物稳定主要通过静电相互作用实现，涉及αV和β5整合素的酸性残基与αV整合素的碱性残基。分子动力学中的RMSD分析显示，相互作用初期不稳定，随后趋于稳定，表明鸢尾素与αV/β5受体之间的相互作用得到巩固。回转半径总体上保持稳定，但在3纳秒后各笛卡尔轴出现明显变化，提示复合物在相互作用过程中发生了构象拉伸。对局部柔性的分析表明，鸢尾素的R71残基位于高柔性区域，与蛋白质内在灵活的环区一致；而αV亚基的H410残基虽然具有柔性，但并未处于最高结构移动性区域。溶剂可及表面积分析表明，参与相互作用界面的残基在整个模拟过程中主要暴露于溶剂，这有利于与鸢尾素的相互作用，且稳定性高。

在讨论部分，研究人员指出，流行病学、网络和结构数据与一个合理的模型相一致，即超重作为AD的可改变风险因素，而体育活动至少部分通过鸢尾素介导的机制发挥保护作用。因此，旨在全生命周期减少超重和促进体育活动的策略应被视为公共卫生的优先事项。网络分析提示鸢尾素与涉及神经保护、突触可塑性和炎症调节的细胞内通路激活相关。这些发现共同支持了定期体育活动可能有助于人群长期预防痴呆症的假设。结构分析表明，鸢尾素与αV/β5受体复合物的相互作用通过与受体酸性和碱性沟槽的特定接触而稳定，这与先前描述的证据一致。分子动力学模拟表明，该界面由结构稳定的静电相互作用与构象变化区域之间的平衡维持，即使在缺乏整合素相互作用伙伴中存在的RGD结构域的情况下，也利于有效的配体识别和受体-配体复合物的稳定。对该相互作用界面的详细表征，为合理开发能够选择性调节位于星形胶质细胞上的αV/β5受体的新分子提供了机制基础，从而引导具有功能和生理后果的特异性分子反应。

结论部分，研究指出巴西人口自21世纪初以来的高超重率可能与约20年后阿尔茨海默病发病率的增加相关。尽管分析受限于漏报、时间点少和潜在混杂因素等，但发现与文献一致，强化了代谢因素在调节痴呆风险中的相关性。网络分析表明，鸢尾素与参与神经保护、突触可塑性和炎症调节的细胞内通路的激活相关。这些发现共同支持了定期体育活动可能有助于人群长期预防痴呆症的假设。结构分析证实，鸢尾素与αV/β5受体复合物的相互作用通过特定接触得以稳定，分子动力学模拟表明该界面由稳定的静电相互作用和构象变化区域维持。这种相互作用界面的详细表征为合理开发能够选择性调节星形胶质细胞αV/β5受体的新分子提供了机制基础。结果汇聚成一个整合模型，表明生活方式因素，特别是与体重控制和体育活动相关的因素，可能通过特定分子机制影响AD风险。尽管未确立因果关系，但发现强化了在人群层面进行预防性干预的相关性，尤其是在可改变风险因素高流行的背景下。