自噬與神經(jīng)退行性病變研究進展

宋愛霞劉宏騫張安民

(煙臺大學(xué)體育學(xué)院，山東煙臺264005)

關(guān)鍵詞〔〕自噬；神經(jīng)退行性病變；易聚集蛋白

中圖分類號〔〕R741〔

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(31050009)

通訊作者：張安民(1959-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事運動醫(yī)學(xué)研究。

第一作者：宋愛霞(1974-)，女，碩士，講師，主要從事運動生物力學(xué)研究。

神經(jīng)退行性疾病主要包括阿爾茨海默病(AD)、亨廷頓舞蹈病(HD)和帕金森病(PD)等。共同病理特征是神經(jīng)元內(nèi)存在大量錯誤折疊并易聚集的蛋白質(zhì)，如突變的α-共核蛋白、β-淀粉樣蛋白(Aβ)、tau蛋白、亨廷頓蛋白(Htt)等對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用，從而影響神經(jīng)元之間的連接性和可塑性，甚至可能觸發(fā)細胞死亡信號通路的激活，導(dǎo)致神經(jīng)元大量死亡。自噬作為真核細胞中普遍存在的一種溶酶體依賴型途徑，可降解胞質(zhì)內(nèi)過多的蛋白質(zhì)、細胞器和代謝產(chǎn)物，不僅能維持細胞的穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，還能促進氨基酸、核苷酸和游離脂肪酸的再循環(huán)，并為細胞再生提供一定的底物和原料〔1〕。神經(jīng)細胞中對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用的易聚集蛋白也能通過自噬作用降解。單純的自噬障礙可產(chǎn)生神經(jīng)退行性疾病的表型，病理上表現(xiàn)為細胞內(nèi)包涵體的大量堆積〔2〕。這充分說明自噬在降解神經(jīng)細胞中易聚集蛋白質(zhì)過程中具有不可替代的作用。本文特將自噬和神經(jīng)退行性病變的相關(guān)研究進展作一綜述。

1自噬概述

自噬發(fā)生的過程：①自噬誘導(dǎo)：細胞在營養(yǎng)缺乏、微生物感染、細胞器損傷蛋白質(zhì)聚集或折疊錯誤時，由來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的非核糖區(qū)域、高爾基體的自噬體膜脫落形成杯狀雙層膜結(jié)構(gòu)的前自噬體(PAS)，此過程中，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)可通過整合各種信號刺激從而發(fā)揮對自噬的誘導(dǎo)作用；②自噬體的形成：PAS 逐漸擴張，包繞欲降解的胞質(zhì)成分形成封閉的球狀自噬體。Atg5-Atg12 和LC3-Ⅱ(酵母Atg8 的同系物)-磷脂酰乙醇(PE)泛素化蛋白連接系統(tǒng)在自噬體的伸展擴張過程中發(fā)揮了重要作用〔3〕；③自噬溶酶體的形成與降解：自噬體通過細胞骨架微管系統(tǒng)輸送到溶酶體，與融合成自噬溶酶體，并由溶酶體酸性蛋白酶降解衰老或損傷的蛋白質(zhì)或細胞器，產(chǎn)生脂肪酸、氨基酸、游離脂肪酸等物質(zhì)，供細胞代謝利用，而殘渣則被排出細胞或滯留在胞漿中，此過程中，主要有Ⅱ型溶酶體膜相關(guān)蛋白Lamp2、小GTP 蛋白Rab7、UVRAG等因子的參與〔4〕。

自噬的發(fā)生受到各種信號因子的調(diào)節(jié)，其中mTOR和Beclin 1可通過整合上游各種信號因子，從而發(fā)揮對自噬的直接調(diào)控作用。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是氨基酸、營養(yǎng)狀態(tài)的感受器，在自噬發(fā)生過程中具有“開關(guān)”作用，能抑制自噬的發(fā)生，使用雷帕霉素抑制mTOR的活性能激活自噬。PI3K/Akt/TSC2/mTOR信號通路和AMPK/TSC2/mTOR信號通路是mTOR上游調(diào)節(jié)自噬的最重要的通路。Beclin 1是酵母中Atg6的同源基因，一般不能直接發(fā)揮對自噬的誘導(dǎo)作用，而是通過與Bcl-2、UVRAG、mVps34、Barkor、死亡相關(guān)蛋白激酶1(DAPK1)的相互作用，從而調(diào)節(jié)細胞自噬〔5〕。正常的生理條件下，Beclin 1與Bcl-2相結(jié)合從而使自噬保持基礎(chǔ)水平；營養(yǎng)缺乏或氧化應(yīng)激時，Beclin 1通過減弱與Bcl-2的相互作用，與UVRAG、mVps34等因子相互結(jié)合從而激活自噬〔6〕。此外，胰島素、ROS、Ca2+等因子也能調(diào)節(jié)自噬水平〔7〕。

2自噬與神經(jīng)退行性病變

2.1自噬與ADAD是老年人中常見的慢性大腦退行性變性疾病，其臨床表現(xiàn)為緩慢的記憶力下降、言語和認知功能障礙以及伴或不伴輕度的神經(jīng)系統(tǒng)體征。AD的主要病理特征為大腦皮層和海馬區(qū)大量淀粉樣老年斑塊(SP)沉積、神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFTs)及特定的腦區(qū)神經(jīng)元和突觸的丟失〔8〕。與之相對應(yīng)的病因?qū)W研究形成了以Aβ、tau蛋白和神經(jīng)元缺失機制為主的三大研究領(lǐng)域。其中，Aβ的生成和聚集是AD發(fā)病的中心環(huán)節(jié)。

一般來說，可溶性Aβ本身并沒有神經(jīng)毒性，但若β-折疊形成的絲狀纖維聚集物變?yōu)椴蝗苄猿恋頃r就會產(chǎn)生神經(jīng)細胞毒性作用，其中以Aβ42/Aβ43聚集產(chǎn)生的毒性作用最強〔9〕。研究認為，AD的發(fā)病早期有自噬的激活，并作為一種保護機制抑制細胞進一步損傷，但隨著疾病的發(fā)展，自噬功能逐漸降低。同時，Aβ抑制溶酶體的降解功能并使其迅速達到毒性水平，使溶酶體產(chǎn)生活性氧，后者通過抑制自噬溶酶體對內(nèi)源物的消化降解，使溶酶體內(nèi)外質(zhì)子梯度改變從而引起細胞死亡，提示自噬功能障礙可能是導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)Aβ聚集、引起神經(jīng)元損傷和細胞外SP形成的重要病理機制〔10〕。AD患者神經(jīng)細胞中也常出現(xiàn)大量聚集的tau蛋白。一般來說，AD患者中tau蛋白發(fā)生異常的高度磷酸化而不能與微管相結(jié)合，使之不穩(wěn)定并發(fā)生聚集，導(dǎo)致AD患者形成NFTs。自噬對清除tau蛋白及其聚集體具有重要作用。通過自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素可使高度磷酸化的tau蛋白通過自噬溶酶體途徑消化降解，從而降低神經(jīng)毒性，緩解AD癥狀〔11〕。

2.2自噬與HDHD是一種以影響運動能力為主的神經(jīng)退行性疾病，屬于常染色體顯性遺傳疾病。臨床表現(xiàn)為慢性進行性舞蹈樣不自主運動、精神障礙甚至癡呆。該病的致病基因是IT-15，其1號外顯子含有一段多態(tài)性三核苷酸CAG重復(fù)序列，當CAG重復(fù)拷貝數(shù)大于37時即會發(fā)病〔12〕。IT-15編碼一種相對分子量為350 ku的Htt。HD的主要病理特征是中樞神經(jīng)的神經(jīng)元存在一些由突變型Htt形成的包涵體和聚集體，其主要成分是由延長多聚谷氨酰胺系列(Poly Q)的Htt片段聚集成的纖維狀蛋白質(zhì)〔13〕。

各牧草品種CP產(chǎn)量年際變化顯著(P<0.05)，月變化顯著(P<0.05)。2年平均以星星草CP產(chǎn)量最高，為69.73 g/m2，其次為同德老芒麥(65.79 g/m2)、垂穗披堿草(60.71 g/m2)、中華羊茅(51.00 g/m2)、青海早熟禾(41.49 g/m2)。同德老芒麥和垂穗披堿草CP產(chǎn)量在8月達到最高值，顯著高于7月和9月，青海草地早熟禾、星星草和青海中華羊茅CP產(chǎn)量2年的變化沒有規(guī)律。2014年CP產(chǎn)量在9月達到最高值，2015年在8月達到最高值(圖 6)。

一般來說，含正常長度的谷氨酰胺殘基的Htt碎片可被泛素蛋白酶體途徑降解，但含延長的谷氨酰胺殘基的Htt碎片聚集時則不能被該途徑降解，這就導(dǎo)致蛋白質(zhì)降解障礙并在胞漿里或核中聚集。在HD中發(fā)現(xiàn)自噬體膜內(nèi)Htt大量聚集，在動物模型中通過敲除Beclin 1基因可抑制自噬活性，增加Htt的積累。但使用雷帕霉素作用后可提高細胞降解突變性Htt蛋白的能力，減少胞漿中Htt蛋白的大量聚集，從而提高細胞的存活率。但若突變的Htt聚集體已經(jīng)形成并聚集，雷帕霉素就失去了作用。因此，雷帕霉素主要在疾病的發(fā)病初期通過減少聚集物的形成，降解胞質(zhì)內(nèi)具有毒性的Htt片段，減輕這種疾病。Zheng等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)，表達外源Htt能顯著減少小鼠紋狀體和大腦皮質(zhì)部位神經(jīng)元突變型Htt聚集體的形成，改善HD小鼠異常運動癥狀，延長HD小鼠壽命。伴隨著HD小鼠行為學(xué)的改善，表達外源Htt可明顯提高小鼠腦內(nèi)自噬關(guān)鍵蛋白LC3的表達水平，即外源Htt能通過增強自噬活性，從而減輕HD癥狀。

2.3自噬與PDPD是老年人中常見的一種以運動障礙為主要表現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，臨床表現(xiàn)為靜息震顫、運動遲緩、步態(tài)異常、肌肉僵硬，主要病理特征是黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元變性缺損以及胞內(nèi)以泛素和α-突觸核蛋白為主要成分的路易小體(LB)的形成〔15〕。

雖然目前PD患者α-突觸核蛋白聚集的原因尚不清楚，但主要的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)障礙和氧化應(yīng)激被認為是這些易聚集蛋白質(zhì)積累的重要發(fā)病機制〔16〕。通常認為，LB的形成不是細胞死亡的主要原因，甚至PD患者中LB的形成還可能是一種細胞保護機制。而α-突觸核蛋白的初原纖維和寡聚體則具有細胞毒性，是PD發(fā)病機制中的主要原因〔17〕。α-突觸核蛋白過量表達則抑制Atg9定位于泡膜，使自噬泡形成受阻，自噬功能異常，導(dǎo)致蛋白質(zhì)異常聚集、線粒體功能障礙、ROS增加以及細胞凋亡〔18〕。由此可見，α-突觸核蛋白抑制自噬會促進其發(fā)病。一般來說，PD患者泛素蛋白酶體途徑障礙，不能有效清除大量聚集的α-突觸核蛋白?？扇苄缘摩?突觸核蛋白可通過分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)途徑最終被溶酶體消化降解，但致病性α-突觸核蛋白突變體與溶酶體膜上的特異性受體具有很高的結(jié)合力，從而阻斷溶酶體的攝入，并抑制其降解，增加胞質(zhì)內(nèi)各類蛋白質(zhì)聚集，因此通過CMA途徑不能有效降解α-突觸核蛋白〔19〕。這樣，胞質(zhì)內(nèi)α-突觸核蛋白就會過度增加從而寡聚化或形成聚集體，并和其他蛋白一起破壞胞內(nèi)蛋白的動態(tài)平衡，導(dǎo)致神經(jīng)細胞毒性。而大自噬則能有效降解大量聚集的α-突觸核蛋白〔20〕。大量研究證明，一旦泛素蛋白酶體途徑和CMA途徑受阻，大自噬途徑即會上調(diào)，殘留的α-突觸核蛋白聚集物即會降解。研究表明，雷帕霉素可通過抑制自噬的負性調(diào)節(jié)因子mTOR從而激活自噬，增強以各種形式聚集的α-突觸核蛋白和損傷細胞器的降解。而鋰鹽、丙戊酸鹽等一些能夠降低細胞內(nèi)肌醇水平的藥物則能夠以mTOR非依賴性方式調(diào)節(jié)自噬活性。鋰鹽可通過抑制肌醇單磷酸鹽(IMPase)，降低肌醇和肌醇三磷脂(IP3)水平從而激活自噬〔21〕。通常認為，使用雷帕霉素和鋰鹽聯(lián)合治療PD疾病可增強這兩條相互獨立的途徑從而上調(diào)自噬水平，這比單一促進一種途徑能發(fā)揮更大的效應(yīng)。

近期研究表明，線粒體功能異常也是誘導(dǎo)PD發(fā)病的重要機制。當線粒體損傷時，PINK-1和Parkin被募集到線粒體膜上，誘導(dǎo)線粒體自噬，清除受損線粒體。但PD患者PINK-1和Parkin突變導(dǎo)致線粒體自噬途徑受損，損傷線粒體聚集和ROS大量產(chǎn)生對神經(jīng)元造成損傷〔22〕。

3小結(jié)

在神經(jīng)退行性疾病中，由于泛素蛋白酶體途徑不能發(fā)揮對突變Htt聚集體、tau蛋白、α-突觸核蛋白等的正常降解作用，致使這些蛋白質(zhì)大量聚集〔23〕。而自噬作為真核細胞中普遍存在的生命現(xiàn)象，不僅對應(yīng)激狀態(tài)下細胞存活、清除神經(jīng)細胞內(nèi)衰老的細胞器或錯誤折疊與聚集的蛋白質(zhì)具有重要作用，還可作為神經(jīng)細胞的自我保護機制，預(yù)防神經(jīng)變性，維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)；但過度自噬則可能導(dǎo)致神經(jīng)元大量死亡，誘發(fā)或加重神經(jīng)退行性疾病。因此，隨著對自噬與神經(jīng)系統(tǒng)疾病分子機制研究的不斷深入，通過一系列途徑適度調(diào)節(jié)自噬水平已經(jīng)成為預(yù)防或治療神經(jīng)退行性病變的重要途徑。

4參考文獻

1Chen HY，White E.Role of autophagy in cancer prevention〔J〕.Cancer Prev Res (Phila)，2011；4(7)：973-83.

2Komatsu M，Waguri S，Chiba T，etal.Loss of autophagy in the central nervous system causes neurodegeneration in mice〔J〕.Nature，2006；441(7095)：880-4.

3Mcleland CB，Rodriguez J，Stern ST.Autophagy monitoring assay：qualitative analysis of MAP LC3-I to Ⅱ conversion by immunoblot〔J〕.Methods Mol Biol，2011；697(1)：199-206.

4Liang CY，Lee JS，Inn KS，etal.Beclin1-binding UVRAG targets the class C Vps complex to coordinate autophagosome maturation and endocytic trafficking〔J〕.Nat Cell Biol，2008；10(7)：776-87.

5Kang R，Zeh HJ，Lotze MT，etal.The Beclin 1 network regulates autophagy and apoptosis〔J〕.Cell Death Differ，2011；18(4)：571-80.

6Zhang R，Zhu F，Ren J，etal.Beclin1/PI3K-mediated autophagy prevents hypoxia-induced apoptosis in EAhy926 cell line〔J〕.Cancer Biother Radiopharm，2011；26(3)：335-43.

7Vicencio JM，Lavandero S，Szabadkai G.Ca2+，autophagy and protein degradation：thrown off balance in neurodegenerative disease〔J〕.Cell Calcium，2010；47(2)：112-21.

8O'Dwyer L，Lamberton F，Bokde AL，etal.Multiple indices of diffusion identifies white matter damage in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease〔J〕.PLoS One，2011；6(6)：e21745.

9Keller L，Welander H，Chiang HH，etal.The PSEN1 I143T mutation in a Swedish family with Alzheimer's disease：clinical report and quantification of Aβ in different brain regions〔J〕.Eur J Hum Genet，2010；18(11)：1202-8.

10Jokubaitis VJ，Sinka L，Driessen R，etal.Angiotensin-converting enzyme(CD143) marks hematopoietic stem cells in human embryonic，fetal，and adult hematopoietic tissues〔J〕.Blood，2008；111(8)：4055-63.

11Moreira PI，Santos RX，Zhu X，etal.Autophagy in Alzheimer's disease〔J〕.Expert Rev Neurother，2010；10(7)：1209-18.

12Stern EA.Functional changes in neocortical activity in huntington's disease model mice：an in vivo intracellular study〔J〕.Front Syst Neurosci，2011；5：47.

13Jhanjee A，Anand KS，Bajaj BK.Hypersexual features in Huntington's disease〔J〕.Singapore Med J，2011；52(6)：e131-3.

14Zheng S，Clabough EB，Sarkar S，etal.Deletion of the huntingtin polyglutamine stretch enhances neuronal autophagy and longevity in mice〔J〕.PLoS Genet，2010；6(2)：e1000838

15Gallagher DA，Schapira AH.Etiopathogenesis and treatment of Parkinson's disease〔J〕.Curr Top Med Chem，2009；9(10)：860-8.

16Fornai F，Schlüter OM，Lenzi P，etal.Parkinson-like syndrome induced by continuous MPTP infusion：convergent roles of the ubiquitin-proteasome system and alpha-synuclein〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2005；102(9)：3413-8.

17Wakabayashi K，Tanji K，Mori F，etal.The Lewy body in Parkinson's disease：molecules implicated in the formation and degradation of alpha-synuclein aggregates〔J〕.Neuropathology,2007；27(5)：494-506.

18Winslow AR，Rubinsztein DC.The Parkinson disease protein α-synuclein inhibits autophagy〔J〕.Autophagy，2011；7(4)：429-31.

19Li B，Zhang Y，Yuan Y，etal.A new perspective in Parkinson's disease，chaperone-mediated autophagy〔J〕.Parkinsonism Relat Disord,2011；17(4)：231-5.

20Wong E，Cuervo AM.Autophagy gone awry in neurodegenerative diseases〔J〕.Nature Neurosci，2010；13(7)：805-11.

21Sarkar S，Krishna G，Imarisio S，etal.A rational mechanism for combination treatment of Huntington's disease using lithium and rapamycin〔J〕.Hum Mol Genet,2008；17(2)：170-8.

22Zuo L，Motherwell MS.The impact of reactive oxygen species and genetic mitochondrial mutations in Parkinson's disease〔J〕.Gene，2013；532(1)：18-23.

23Nijholt DA，De Kimpe L，Elfrink HL，etal.Removing protein aggregates：the role of proteolysis in neurodegeneration〔J〕.Curr Med Chem，2011；18(16)：2459-76.

〔2013-12-17修回〕

(編輯李相軍)