線粒體自噬異常在阿爾茨海默病中的作用及機制研究綜述

林祎嘉，程麗珍，苗 雅

上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院老年病科，上海 200233

據(jù)2020 年發(fā)布的一項全國性橫斷面研究［1］顯示，在我國60歲及其以上人群中有983萬名阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）患者，該患者數(shù)量居世界各國之首。AD 是一種神經(jīng)退行性病變，嚴重威脅著人們的身體健康，其主要病理特征為細胞外β淀粉樣蛋白（amyloid-β protein，Aβ）沉積形成的老年斑（senile plaque，SP）和細胞內(nèi)微管相關(guān)蛋白——Tau 蛋白（Tau protein）過度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)（neurofibrillary tangles，NFTs）。有研究［2］證實，AD的發(fā)生發(fā)展中常伴隨有線粒體自噬的異常。線粒體自噬（mitophagy）是清除體內(nèi)受損或功能異常的線粒體的重要途徑。該自噬的異常會影響線粒體的正常生理功能，促進Aβ 沉積及Tau 蛋白過度磷酸化，從而加重神經(jīng)細胞的病理損傷并加速AD的進展。本文總結(jié)了線粒體自噬在AD 進程中的功能變化及其潛在作用機制，并就線粒體自噬功能異常對AD 發(fā)生發(fā)展的影響及靶向誘導該自噬在AD 治療中的應用進行探討，以期為AD 發(fā)病機制和治療方式的深入研究提供新的思路。

1 線粒體自噬

自噬是真核生物進化過程中的一種高度保守的細胞自我更新過程，可以選擇性清除受損的蛋白質(zhì)和細胞器，主要包括自噬體的形成、自噬體-溶酶體融合、溶酶體水解酶降解自噬體內(nèi)容物等過程。根據(jù)底物被傳遞到溶酶體的機制不同，自噬被分為分子伴侶介導的自噬、微自噬和巨自噬共3 種。線粒體自噬由LEMASTERS 等［3］提出，是巨自噬類型之一［4］，即能夠?qū)κ軗p傷或不完整的線粒體進行靶向吞噬和降解，且被認為是控制線粒體數(shù)量和質(zhì)量的一種主要機制。線粒體受到刺激［如活性氧（reactive oxygen species，ROS）聚集、營養(yǎng)缺乏、細胞衰老等］而發(fā)生損傷時，其會被特異性地包裹至自噬體中，形成自噬小泡。隨后，自噬小泡將包裹的內(nèi)容物釋放到溶酶體或液泡中，經(jīng)一系列水解酶的作用，內(nèi)容物得到降解［5］。研究［6］發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬主要受同源性磷酸酶張力蛋白誘導的激酶1 ［phosphatase and tensin homologue（PTEN）-induced putative kinase 1，PⅠNK1］/Parkin信號通路的調(diào)控。PⅠNK1是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，位于線粒體外膜；Parkin 是一種E3 泛素連接酶，位于細胞質(zhì)。當線粒體因受損導致其膜電位下降時，位于線粒體外膜的PⅠNK1 會發(fā)生聚集，并招募胞質(zhì)中的Parkin 至外膜上進行激活?；罨腜arkin 可介導受損線粒體的外膜蛋白發(fā)生泛素化，促進初始化自噬小體的形成，并招募微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1LC3）即LC3。隨后，LC3 通過LC3 相互作用區(qū)（LC3-interaction region，LⅠR）誘導損傷的線粒體形成線粒體自噬體，從而加速了受損線粒體的降解和清除［7］。線粒體的選擇性自噬可參與維持自身網(wǎng)絡(luò)功能的完整性，是胞內(nèi)線粒體新陳代謝的主要途徑，對維持細胞的穩(wěn)態(tài)具有重要意義。其自噬功能異常會影響線粒體的正常生理功能，導致細胞腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine-triphosphate，ATP）水平降低、ROS過量產(chǎn)生、細胞信號轉(zhuǎn)導受損等。有研究［8］發(fā)現(xiàn)，上述代謝改變均與AD、帕金森?。≒arkinson's disease，PD）、肌萎縮側(cè)索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS） 和亨廷頓病（Huntington disease，HD）等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病相關(guān)。

2 AD狀態(tài)下線粒體自噬異常及其相關(guān)機制

2.1 線粒體自噬異常

隨著AD 發(fā)展階段的不同，線粒體自噬這一過程也發(fā)生了較大的變化。BRAAK 等［9］依據(jù)AD 患者腦組織的病理改變（細胞外的Aβ沉積、神經(jīng)元內(nèi)NFTs變化）提出了Braak 病理分期，即將AD 分為6 期。YE 等［10］將Braak Ⅰ、Ⅱ期定義為AD 早期，且該研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)生早期病理沉積的AD 患者大腦中，線粒體膜電位已發(fā)生了去極化，細胞質(zhì)中增加的Parkin亦被招募至線粒體表面，繼而提示在AD 早期已表現(xiàn)出線粒體自噬增加。另有研究［11］將Braak Ⅱ、Ⅲ期作為AD 的早期，對AD 患者的皮膚成纖維細胞和腦組織進行活檢；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Braak Ⅱ、Ⅲ期患者的PⅠNK1 表達有所增加。BORDⅠ等［12］通過觀察AD 不同病理階段的海馬錐體神經(jīng)元中的自噬變化發(fā)現(xiàn)，Braak Ⅲ期的自噬相關(guān)基因有顯著上調(diào)，且自噬小體和溶酶體融合增多。還有研究［13］表明，在組織病理改變或臨床特征出現(xiàn)之前，AD 患者神經(jīng)元中線粒體自噬水平已有所增加，這可能是繼發(fā)于線粒體功能障礙的代償性表現(xiàn)。在AD 患者椎體神經(jīng)元細胞質(zhì)中，定位于自噬空泡的線粒體標志物——硫辛酸和細胞色素氧化酶-1的免疫反應性有所增加，同時線粒體自噬的降解產(chǎn)物濃度和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）水平較高，提示AD病程中發(fā)生了線粒體自噬增強的改變［14］。綜上，在AD 的早期，機體可能通過增強線粒體自噬來達到清除受損線粒體的目的。

隨著AD 的進展，機體會出現(xiàn)各種病理改變，這些改變會進一步加劇對線粒體自噬的破壞；而當機體無法清除不斷增加的受損線粒體時，神經(jīng)元中功能障礙的線粒體將會被異常積累，該現(xiàn)象則是AD 發(fā)生發(fā)展中的主要變化之一。YE等［10］研究發(fā)現(xiàn)，在AD 患者大腦中Parkin 水平會隨著Braak 分期的增加而逐漸下降，從而進一步推論出AD 晚期可能存在線粒體自噬水平的降低。此外，有研究者總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)退行性疾病中，神經(jīng)元內(nèi)常存在自噬空泡異常蓄積的現(xiàn)象；這可能是因為溶酶體內(nèi)pH 升高、Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)等病理變化破壞了溶酶體膜的穩(wěn)定性，導致溶酶體內(nèi)的多種水解酶活性下降，繼而抑制了線粒體自噬，使未被降解的自噬空泡在細胞中發(fā)生聚集［15］。而該聚集被認為是AD病程進展的一個顯著特征。

2.2 線粒體自噬異常的相關(guān)機制

在AD 早期自噬水平有顯著增強（包括線粒體自噬），這可能與溶酶體的功能變化有關(guān)。ⅠVANKOVⅠC等［16］通過誘導轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）的表達來增加溶酶體蛋白的表達，結(jié)果顯示線粒體自噬的誘導標志物也隨之增加；由此推測，溶酶體功能缺陷可能會抑制線粒體自噬，其被認為是AD 狀態(tài)下線粒體自噬異常的重要機制之一。有學者［17］通過定量分析AD 患者血液外泌體中的溶酶體蛋白發(fā)現(xiàn)，溶酶體基本蛋白水解酶——組織蛋白酶D及溶酶體膜成分——溶酶體相關(guān)膜蛋白1（lysosomeassociated membrane protein 1，LAMP-1）的水平均較高；這些發(fā)現(xiàn)提示蓄積在神經(jīng)元中的大量溶酶體成分被外泌體轉(zhuǎn)運至細胞外，表明AD 患者神經(jīng)元中可能存在溶酶體功能障礙，使得自噬溶酶體系統(tǒng)受到了破壞。同樣地，有研究［18］觀察發(fā)現(xiàn)，在溶酶體蛋白水解功能存在缺陷的AD 小鼠的大腦中Aβ 沉積增加，且恢復該小鼠的溶酶體蛋白水解功能后，其自噬效率有所增加（包括線粒體自噬），神經(jīng)元功能和認知能力亦得到了恢復。另外，有學者對AD 狀態(tài)下溶酶體功能缺陷的機制進一步研究，結(jié)果顯示早老素1（presenilin 1，PS1）基因突變與溶酶體功能下降密切相關(guān)，繼而推測PS1是家族性AD 的重要致病基因之一［19］。COFFEY 等［20］發(fā)現(xiàn)，溶酶體水解酶類的活性依賴于溶酶體內(nèi)的酸性環(huán)境，野生型PS1可有效維持酸性環(huán)境，而突變型PS1可導致環(huán)境堿化，從而降低自噬（包括線粒體自噬）的效率。

大量研究發(fā)現(xiàn)，線粒體動力學改變也會對線粒體自噬水平產(chǎn)生極大的影響。線粒體動力學是指線粒體通過分裂和融合的動態(tài)轉(zhuǎn)化以重塑自身形態(tài)、維持自身穩(wěn)態(tài)的過程，其受多種相關(guān)蛋白的調(diào)控。視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（optic atrophy1，Opa1）負責線粒體內(nèi)膜的融合和線粒體嵴結(jié)構(gòu)的維護，該蛋白的低表達會使線粒體發(fā)生碎片化。線粒體融合蛋白（mitofusion，Mfn）負責線粒體外膜的融合，在線粒體自噬過程中，Mfn會被泛素蛋白酶體系統(tǒng)降解，從而降低了線粒體的融合功能，影響自噬［21］。線粒體發(fā)生分裂時，動力相關(guān)蛋白（dynamin-related protein 1，Drp1）與線粒體分裂蛋白1 （mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)is1）結(jié)合可促進線粒體片段化，誘導自噬小泡形成［22］。AD 中Aβ 和Tau 蛋白的毒性作用會導致線粒體的分裂、融合失衡。此外，有研究者構(gòu)建淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，App）轉(zhuǎn)基因小鼠模型（該轉(zhuǎn)基因鼠是國際上較公認的AD 動物模型，可過表達人的APP），并在AD患者和App轉(zhuǎn)基因小鼠的腦組織研究中發(fā)現(xiàn)，隨著AD 的進展神經(jīng)細胞中Drp1 水平有所升高，且該蛋白與Aβ 的相互作用可導致線粒體過度裂變及碎片化，從而影響正常的線粒體自噬功能［23］。有學者進一步研究［24］發(fā)現(xiàn)，Drp1 表達下降可抑制磷酸化Tau 蛋白的產(chǎn)生，減輕Tau基因突變導致的線粒體功能障礙，維持線粒體的生物活性。另有一些其他因素（如Aβ、磷酸化Tau 蛋白、ROS、氧化脂質(zhì)和脂蛋白）可抑制線粒體自噬，導致機體內(nèi)毒性積累，從而觸發(fā)神經(jīng)元的凋亡和死亡［25］。

3 線粒體自噬異常促進AD 進展的病理機制

3.1 線粒體自噬異常導致神經(jīng)細胞能量代謝障礙

大腦是能量代謝最為活躍的部位，需要以ATP的形式持續(xù)供能，這其中的大部分ATP均是通過線粒體的氧化磷酸化產(chǎn)生。在人的腦細胞中，神經(jīng)元承擔著神經(jīng)系統(tǒng)的主要功能活動。與腦內(nèi)其他細胞相比，神經(jīng)元更依賴于由線粒體氧化磷酸化提供的ATP，而線粒體功能發(fā)生障礙可直接導致神經(jīng)元死亡，繼而影響神經(jīng)元接受、整合、傳遞和傳導信息的功能［26］。因此，線粒體數(shù)量和功能異常導致的能量代謝紊亂會嚴重影響神經(jīng)元的功能，進而促進AD 等神經(jīng)退行性疾病進展。早期研究發(fā)現(xiàn)，AD 患者大腦中存在線粒體自噬異常，使得受損線粒體在神經(jīng)元中累積而無法生成ATP，從而導致能量衰竭。采用正電子發(fā)射型計算機斷層顯像技術(shù)的相關(guān)研究［27］顯示，AD 患者腦的顳葉皮質(zhì)和頂葉后側(cè)中的葡萄糖代謝均有所減少，提示其腦組織中的氧化磷酸化和能量代謝受損。有研究對比不同年齡段（2、5、18個月）App轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮層多種基因的mRNA 水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有年齡組小鼠中，與線粒體能量代謝有關(guān)的基因均表達上調(diào)，其中線粒體基因Atpase-6和氧化損傷標志物8-羥基鳥苷的熒光原位雜交信號為陽性；繼而推測，線粒體能量代謝基因的上調(diào)可能是其氧化損傷的一種應激性補償，這也進一步說明在AD 進展過程中存在能量代謝受損［28］。此外，線粒體功能損傷還可引起ROS的大量產(chǎn)生，造成線粒體及細胞內(nèi)各種蛋白質(zhì)、脂類及核酸的氧化損傷，進而抑制電子傳遞鏈酶復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的活性，導致能量合成障礙；同時，ROS的大量積累也會促進神經(jīng)細胞凋亡，導致認知功能出現(xiàn)障礙［29］。綜合上述研究，我們發(fā)現(xiàn)AD 動物模型及患者的腦內(nèi)均會發(fā)生線粒體自噬異常，導致?lián)p傷的線粒體聚積，從而引發(fā)大腦能量代謝發(fā)生障礙，促進AD的發(fā)生和進展。

3.2 線粒體自噬異常加速神經(jīng)細胞凋亡

目前已有研究［30］證明，功能性神經(jīng)細胞的進行性丟失也是AD 的病理特征之一。在AD 的發(fā)生發(fā)展中，凋亡即程序性細胞死亡，表現(xiàn)為神經(jīng)元進行性丟失，最終導致認知功能發(fā)生障礙。有研究［31］報道，在AD 疾病的早期已出現(xiàn)了較明顯的神經(jīng)細胞凋亡。在凋亡通路中，線粒體扮演了較為重要的角色。異常的線粒體是細胞凋亡的觸發(fā)器，當線粒體功能發(fā)生障礙時，其外膜通透性會增加，位于線粒體內(nèi)外膜間的凋亡相關(guān)蛋白會擴散至細胞質(zhì)中，從而啟動細胞凋亡程序。同時，ATP生成異常亦可增強神經(jīng)細胞對凋亡相關(guān)蛋白的敏感性，加速該細胞的凋亡。

3.3 線粒體自噬異常與AD相關(guān)病理蛋白負荷增加的相互影響

當線粒體自噬功能發(fā)生異常時，大量功能失調(diào)的線粒體會沉積在細胞中，進而促進了Aβ 的沉積和Tau 蛋白磷酸化。KUKREJA 等［32］對mtDNA 突變小鼠進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙會加劇Aβ 的病理改變，并誘發(fā)神經(jīng)退行性變。另有針對AD 患者的神經(jīng)元和腦標本的研究［33-34］發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙可導致氧化應激產(chǎn)物累積，增強神經(jīng)元中β-分泌酶和γ-分泌酶的活性，且γ-分泌酶會進一步增加β-分泌酶的表達，促進Aβ 的產(chǎn)生和積累。此外，當機體內(nèi)環(huán)境處于缺血或營養(yǎng)缺乏狀態(tài)時，營養(yǎng)不良的神經(jīng)元軸突中積累的自噬空泡可能也會促進局部Aβ 斑塊的產(chǎn)生［14］。線粒體中存在的Aβ 結(jié)合乙醇脫氫酶（Aβ binding alcohol dehydrogenase，ABAD）能對抗應激損傷，維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。當線粒體功能受損時，Aβ 可與ABAD 結(jié)合以改變后者的構(gòu)象，從而降低機體對抗應激損傷的能力［35］。還有研究［36］表明，沉默信息調(diào)節(jié)因子（sirtuins/silent information regulators，SⅠRTs）是一類組蛋白去乙酰化酶，參與APP 的代謝過程，其活性受煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的調(diào)控；在過表達Sirt1的轉(zhuǎn)基因AD 小鼠中，其α-分泌酶的表達水平較高，可減輕Aβ 沉積；而當線粒體功能發(fā)生損傷后，其氧化應激產(chǎn)物可下調(diào)細胞內(nèi)NAD+水平，降低SⅠRT1 的活性，導致α-分泌酶水平下降，最終促使APP 代謝異常，促進Aβ生成。

有研究者通過構(gòu)建低負荷運動大鼠模型，分析線粒體功能障礙與AD 相關(guān)病理蛋白間的關(guān)系；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大鼠出現(xiàn)了認知功能障礙、海馬體明顯萎縮以及大量磷酸化Tau 蛋白在神經(jīng)元線粒體中蓄積；繼而提示，AD 相關(guān)的病理蛋白沉積與線粒體功能減退有關(guān)［37］。有研究［38］報道，線粒體是AD 相關(guān)病理蛋白毒性作用的關(guān)鍵靶點；在AD 中，Aβ 會加重磷酸化Tau 蛋白的毒性，這種協(xié)同作用從多個方面嚴重損害了線粒體功能，導致ATP 水平顯著降低，繼而促進AD的進展。

綜上，線粒體功能障礙出現(xiàn)在AD 進程的早期，可誘導Aβ的生成和Tau蛋白發(fā)生磷酸化，而Aβ的沉積和磷酸化Tau 蛋白會加重線粒體功能障礙及細胞氧化應激損傷，從而形成“惡性循環(huán)”，加速了AD 的發(fā)生發(fā)展。

4 靶向誘導線粒體自噬的治療策略

AD 是一種多因素累積的進行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，目前尚沒有藥物可以明顯延緩或預防該疾病。近年來有證據(jù)表明，線粒體自噬誘導劑可增強線粒體自噬及線粒體抵抗氧化應激的能力，并可誘導該自噬清除Aβ以延緩AD 病程。在NAD+水平較低的AD 小鼠中，補充NAD+前體（如煙酰胺、煙酰胺單核苷酸和煙酰胺核糖體）可改善其線粒體功能，減輕Aβ 的沉積和Tau 蛋白的磷酸化程度，從而改善小鼠的認知功能障礙［36］。FANG 等［39］發(fā)現(xiàn)，尿石素A（urolithin A，UA） 和放線酰胺素可激活PⅠNK1/Parkin 信號通路，誘導線粒體自噬的發(fā)生以清除受損的線粒體，降低Aβ 水平和Tau 蛋白磷酸化程度，減少AD 的病理改變，從而改善學習和記憶缺陷。FAN等［40］在2017年的研究發(fā)現(xiàn)，亞精胺等多胺可通過影響自噬相關(guān)基因的表達以提高自噬活性，還可通過抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）的活性、激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）來增強線粒體自噬；同時，該研究還發(fā)現(xiàn)mTOR抑制劑——雷帕霉素能激活AMPK，進而介導線粒體自噬增強，誘導受損線粒體被清除。WANG 等［41］研究報道，在App/Ps1雙轉(zhuǎn)基因小鼠中，雷帕霉素被證明也可通過誘導Parkin途徑增強線粒體自噬，促進該小鼠海馬內(nèi)線粒體自噬體與溶酶體的融合，從而減少Aβ 的病理沉積， 改善小鼠的認知功能障礙。 此外，LONSKAYA 等［42］發(fā)現(xiàn)在App轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，Parkin 的溶解度下降可抑制線粒體自噬；當運用尼洛替尼治療時，該小鼠體內(nèi)的可溶性Parkin 增加、Aβ沉積減少。該結(jié)果提示，尼洛替尼可通過增加Parkin的溶解來促進內(nèi)源性Parkin循環(huán)，進而增強細胞的線粒體自噬；繼而推測，尼洛替尼對AD 可能有潛在的治療效果。

5 總結(jié)與展望

近年來，線粒體自噬的分子和細胞機制被廣泛研究，眾多實驗證明在AD 患者的大腦中存在異常的線粒體自噬，使受損的線粒體不能正常被清除，從而直接或間接地加速了患者腦內(nèi)Aβ 沉積及Tau 蛋白過度磷酸化等病理改變，加重了病程的發(fā)生發(fā)展。同時，線粒體自噬損傷也被認為是衰老和神經(jīng)退行性病變的關(guān)鍵因素之一。目前，有關(guān)線粒體自噬障礙在AD 發(fā)生發(fā)展中的作用和相關(guān)機制尚未被完全闡明，仍需要更深入的研究。因此，對線粒體自噬異常與AD 關(guān)系的進一步探索或可為靶向誘導線粒體自噬調(diào)控、改善AD 的神經(jīng)病理變化提供新的思路，從而為臨床上選擇神經(jīng)退行性疾病的治療策略提供保障。