自噬與神經退行性疾病

姜 凌 常 誠

自噬是細胞通過單層或雙層膜包裹待降解物形成自噬體，然后運送到溶酶體形成自噬溶酶體并進行多種酶的消化及降解，以實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新，細胞對這種合成與降解的精細調節，對維持細胞的自身穩態有重要意義。自噬分為三種類型：巨自噬、微自噬、分子伴侶介導的自噬。細胞的自噬清除或降解異常聚集的蛋白對神經退行性疾病有重要作用。

19世紀50年代末在電子顯微鏡研究溶酶體時發現了哺乳動物的自噬，當時自噬體并沒有與溶酶體結合起來，只是被單純地定義為一個內含未降解胞質的雙側細胞膜結構［1］。1962年Ashford和Porten通過在肝灌流液中加入高血糖素，發現肝細胞的溶酶體增多，并發生自食現象［2］。之后很長時間自噬并沒有引起人們的關注。直到隨著分子生物學的發展，20世紀90年代首先在酵母中發現了參與自噬的分子機制，隨后在哺乳動物細胞中也發現有相似機制，自噬的研究才有了重大進步。自噬是廣泛存在于真核細胞中的生命現象，貫穿于正常細胞生長發育和生理病理過程，能清除細胞內過量或受損細胞器和蛋白質，參與抗原提呈及抵抗微生物胞內感染，對于維持蛋白質代謝平衡及細胞內環境穩定起重要作用，對防止如神經退行性病變、腫瘤、心肌病、病原微生物侵入感染等疾病以及對防止老化、延長壽命有積極作用［3］。本研究就細胞自噬與神經退行性疾病的相互關系以及如何調控細胞的自噬做個綜述。

1 自 噬

1.1 自噬的概念

自噬是細胞通過單層或雙層膜包裹待降解物形成自噬體，然后運送到溶酶體形成自噬溶酶體并進行多種酶的消化及降解，以實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新，細胞對這種合成與降解的精細調節，對維持細胞的自身穩態有重要意義［3］。自噬主要分為4個環節：即底物誘導自噬前體的形成、自噬體形成、自噬體與溶酶體融合和自噬體內容物被降解［4］。自噬也是細胞對內外界環境壓力變化的一種反應，在某些情況下自噬還可導致細胞死亡，被認為是區別于細胞凋亡（I型程序性死亡）的另一種細胞程序性死亡形式（Ⅱ型程序性死亡）［5］。

1.2 自噬的分類

自噬的過程中自噬體的形成是關鍵［6］。自噬被誘導后細胞開始在胞漿中形成300～900 nm大小的雙層膜，其雙層膜包囊泡內常見的包含物有胞漿成分和某些細胞器如線粒體、內吞體、過氧化物酶體等［7］。根據待降解物質進入溶酶體途徑不同，通常將自噬分為三種類型：巨自噬、微自噬及分子伴侶介導的自噬，與巨自噬和微自噬比較，分子伴侶介導的自噬的主要特點是細胞質內的蛋白質直接經溶酶體膜轉運入溶酶體腔，不需形成自噬體［8］。

1.3 自噬的發生過程

20世紀90年代人們通過利用酵母模式來研究自噬，迄今為止二十余個與自噬有關的基因被發現，其中將近一半的基因在果蠅、線蟲、哺乳動物等多細胞物種中都十分保守［9］。現已被統一命名為酵母自噬相關基因ATG。而哺乳動物自噬基因的命名與酵母相似，但也存在個別差異，如酵母的Atg8在哺乳動物稱為LC3，酵母的Atg6在哺乳動物則稱為Beclinl［1］。自噬在相關條件刺激下可以被誘導，除了饑餓誘導，細胞自噬也可以在其他條件下被激活。如生理壓力刺激下 （如低氧、能量缺失、高溫、胞質成分積聚、高密度條件）、激素作用、藥理成分作用（如雷帕霉素）、自身免疫行為、某些疾病的刺激如病毒、細菌、寄生蟲感染、急性胰腺炎、心臟病以及蛋白質聚集［1］。

酵母自噬體的發生過程可分為（1）自噬的誘導：雷帕霉素作用的靶位點（TOR）是氨基酸、ATP和激素的感受器，在調節細胞生長和自噬的發生過程有門控作用。Beclin－1可促進酵母細胞中的自噬作用；此外，GDP結合的G蛋白亞基Gαi3是自噬的活化因子，高濃度c AMP也會誘導自噬的發生；（2）自噬體的形成：在酵母中發現此過程依賴于兩個泛素樣結合系統Atgl2－Atg5和Atg8系統。這種蛋白系統的高度保守性已被實驗證明，在人類發現的自噬基因有Beclin－1，h Atg5，h Atgl2。1）Atg5－Atg12系統：首先 Atg7（E1樣酶）將ATP連接到Atg12甘氨酸殘基羧基端上，然后將其傳遞給Atg10（E2樣酶）；Atg10使Atg12與 Atg5共價結合；Atg5－Atg12復合體與成對的Atg16L二聚體共同形成Atg5－Atg12－Atg16L多聚體，此多聚體能使 LC3－Ⅱ不對稱的結合于自噬體膜內外，從而使自噬體膜彎曲延伸；一旦自噬體完全形成后多聚體即脫落；2）LC3／Atg8系統：在Atg4作用下LC3形成LC3－Ⅰ并暴露出羧基端甘氨酸殘基；LC3－Ⅰ在Atg7和Atg3（E2樣酶）的作用下與磷脂酰乙醇胺（PE）結合形成LC3－Ⅱ，磷脂化后的LC3－Ⅱ緊密附著于自噬體膜上，伴隨著自噬體內涵體、溶酶體融合［10］；（3）自噬體的運輸、融合：Rho家族涉及細胞骨架，與自噬體的運輸有關。自噬體的融合機制與SNARE蛋白 Vam3，Vam7，Vtil，Sec19等密切相關。Atg7p通過Atg2p附著于微管Aut2p，并與導管素Tublp，Tub2p相互作用，完成自噬體向溶酶體的運輸；（4）自噬體的裂解：在此起重要作用的有Atgl5和Atg22，Atgl5通過多囊泡小體途徑向小囊泡轉運，這種蛋白最終起著脂肪酶相似的作用。與Atg15相比，Atg22是一種囊泡內膜蛋白，其只對自噬體降解起作用［11］。

2 自噬與神經退行性疾病

有人通過敲除小鼠大腦的 Atg5［12］與 Atg7［13］基因，發現腦內大量神經元退化而死亡，泛素化蛋白包涵體的堆積增多。絕大多數神經退行性疾病共同病理特征是神經元內存在易聚集蛋白，如突變的α－突觸核蛋白（α－synuclein）、淀粉樣前體蛋白、Tau蛋白、Huntingtin蛋白等，它們對神經元產生毒性作用，最終導致神經元的死亡，從而出現相應的臨床癥狀。Williams等研究證實，突變的易聚集蛋白主要靠自噬清除［14］。而神經元的死亡是不可逆的，所以細胞的自噬清除或降解異常聚集的蛋白對這些疾病就有重要的作用。

2.1 神經退行性疾病

神經退行性疾病是一類由于神經元進行性變性死亡，導致人體中樞神經系統等受損，影響患者的認知功能和運動功能，包括阿爾茨海默AD、亨廷頓病HD、帕金森病PD等。

2.1.1 阿爾茲海默病AD

阿爾茨海默病（AD）是一種老年人中常見的神經系統變性疾病，起病隱襲，是老年期癡呆最常見的類型，主要表現為緩慢進展的記憶力下降，言語、視空間和認知功能障礙。AD的病理改變主要表現為細胞外的神經炎性斑，細胞內的神經原纖維纏結和海馬神經元丟失。炎性斑主要是一命名為β淀粉樣蛋白（Aβ）的異常折疊后聚集所形成，而神經原纖維纏結（NFTs）則是命名為tau的細胞骨架相關蛋白的高度磷酸化后的聚集體。臨床上通過研究AD患者的腦皮層活檢標本，發現自噬小體及其他前溶酶體自噬小泡顯著增加［15］。

2.1.2 帕金森病PD

帕金森病又稱震顫麻痹，是以靜止性震顫、肌強直、運動遲緩及姿勢步態異常為臨床特征的神經變性疾病，特點是黑質致密部多巴胺能神經元的進行性、廣泛性丟失。Polymeropoulos等對一個意大利Contursi家族（常染色體顯性遺傳）進行家系連鎖分析，這個家系患者的臨床表現符合典型的PD，病理檢查發現路易小體（Lewybody）［16］。研究發現PD是以細胞內出現主要含有聚集α－突觸核蛋白的包涵體－lewy小體（LBs）為病理標志的神經變性疾病。黑質多巴胺能神經元的死亡與包涵體－lewy小體中的α－突觸核蛋白的累積有關。

2.1.3 亨廷頓病（HD）

HD是一種遲發性神經退行性遺傳病，該病主要侵害基底節和大腦皮質，屬常染色體顯性遺傳性疾病。致病基因為IT－15，由IT－15基因編碼的蛋白（由3144個氨基酸組成）被命名為亨廷頓蛋白（Htt）。從Htt氨基末端第17位氨基酸殘基開始有一段重復的CAG序列，該序列重復次數大于35就會產生HD病癥。HD的主要病理改變是在中樞神經的神經元中出現由突變的Htt（m HTT）形成的包涵體和聚集體，其主要成分是由含延長Poly Q的Htt多片段聚集形成的纖維狀蛋白質，從而導致神經元變性丟失、認知進行性損害、舞蹈樣不自主運動等改變［17］。所以，也有把HD定義為一種蛋白質異常折疊性疾病。

2.2 自噬相關基因與神經退行性疾病

在AD早期進程中Beclin－1作為自噬中的重要角色，在受病變影響的區域中是減少的。在AD轉基因鼠體內Beclin－1表達水平降低70%，神經元自噬減少，溶酶體裂解，細胞內外Aβ累積增加，加劇了神經元變性［18］。在表達淀粉樣蛋白前提蛋白（APP）的轉基因小鼠中基因性的Beclin－1表達的減少增加了神經元內淀粉樣蛋白的聚集；反之，如果我們上調Beclin－1水平，增加其表達，相應的神經元內淀粉樣蛋白的聚集就會減少。PINK1作為PD的一種致病基因，在常染色體隱性遺傳PD中發生突變，在此之前正常的全長的PINK1與Beclin－1相互作用，作為一個正性介質，調節細胞的自噬，而突變后的PINK1（突變位點位于 W437X）使Beclin－1的活性下降，抑制了自噬。常染色體隱性遺傳的PD中突變的另一種基因Parkin，作為功能失調線粒體的選擇性自噬信號而出現［19］。而在HD中可發現自噬分隔膜中Htt大量聚集，在動物模型中通過乳胞素或敲除Beclin－1基因阻斷自噬，可增加Htt的聚集［20］。研究表明，突變亨廷頓（Htt）的轉錄后修飾，增加賴氨酸殘基444乙酰化可促進突變Htt形成自噬體，這大大提高了巨噬清除蛋白突變體的作用。

2.3 自噬的調控與神經退行性疾病

自噬的調控有以下幾個途徑，即（1）m TOR途徑：TOR激酶對細胞生長具有重要調節作用哺乳動物細胞中的核糖體蛋白質S6（p70S6）抑制自噬的發生，它位于TOR信號途徑下游，其活性受m TOR調節。雷帕霉素通過抑制m TOR的活性，發揮抑制p70S6活性、誘導自噬發生的作用。在酵母細胞TOR激酶可能通過抑制ATG1激酶的活性來抑制自噬的發生；（2）ClassⅠ PI3K／PKB途徑：ClassⅠ PI3K是自噬的負調節分子，它可去磷酸化PtdIns4P和PtdIns（4，5）P2，生成PtdIns（3，4）P2和 PtdIns（3，4，5）P3，然后結合Akt／PKB和它的活化分子PDK1，抑制自噬的發生。結節性硬化復合物1（TSC1）和TSC2蛋白位ClassI PI3K／PKB途徑的下游，可通過抑制小G蛋白Rheb，抑制TOR激酶的活性，對自噬發揮正向調節作用。PTEN磷酸酶也是自噬的正向調節分子，它使PtdIns（3，4，5）P3去磷酸化，從而解除ClassI PI3K／PKB途徑對自噬的抑制；（3）Gαi3蛋白途徑：GTP結合的G蛋白亞基Gαi3是自噬的抑制因子，而GDP結合的Gαi3蛋白則是自噬的活化因子。GAIP作為RGS家族成員之一，通過Gαi3蛋白加速GTP的水解，促進自噬的發生。另外，AGS3也能正向調控自噬效應。氨基酸作為自噬過程蛋白降解物的終產物，可負性反饋調節自噬。外源性氨基酸的去除可以阻斷TOR信號途徑，而自噬產生的內源性氨基酸可補足氨基酸缺陷，恢復TOR信號轉導；（4）其他途徑：激素在自噬的調控中也起重要作用。胰島素可抑制自噬，而胰高血糖素則促進自噬。酪氨酸激酶受體、PKA、casein激酶Ⅱ、MAP激酶、calcium也存在于自噬過程錯綜復雜的調控網絡中，但其機制還不甚清楚［21］。

對于神經退行性疾病，自噬可以清除積聚的內質網內外錯誤折疊的蛋白質，可降低神經功能的損害，而有些小分子誘導劑可以誘導自噬，通過上調自噬水平，達到治療神經退行性疾病的目的。如雷帕霉素，它是一種親脂性大環內酯類抗生素，作用的一個下游靶點m TOR是一種分子質量為289ku的絲／蘇氨酸蛋白激酶，是磷脂酰肌醇激酶3／蛋白激酶B（PI3K／Akt）和絲／蘇氨酸激酶11（LKB1）能量敏感型通路的節點［22］；另一個下游靶點是空泡膜蛋白1（VMP1），后者可募集微管相關蛋白LC3［23］；還有一種作為雷帕霉素的受體的親免蛋白，如FKBP，分子質量小，易于通過血腦屏障，對神經起到保護作用［24］。雷帕霉素通過這三者調控著自噬。研究發現鋰鹽也具有降低突變蛋白的聚集和細胞死亡率作用，引起哺乳細胞的細胞自噬［25］。用鋰鹽處理發現能夠有效地清除可溶性的HDQ74（huntingtin poly Q突變體），并且減少HDQ74的聚集，而且對α－synucleins具有相同的作用。研究表明鋰鹽通過抑制IMPase活性，致inositol和IP3的減少，產生細胞自噬的作用，在加入肌醇和PEI后IP3的含量提高，自噬作用也被同時減弱，說明鋰鹽引起細胞自噬的作用主要是由IP3的含量進行調控的。同樣具有調節細胞內IP3含量的藥物如2－苯基戊酸納、氨酰咪嗪也具有引起細胞自噬的作用。此外，鋰鹽通過抑制IMPase引起的細胞自噬作用并不依賴于對m TOR的抑制，而且當鋰鹽和雷帕霉素一起作用時能夠提高清除huntingtin和α－synucleins突變體的作用，說明兩種作用途徑具有協同作用［26］。另外，最近有研究發現海藻糖也有清除突變的huntingtin蛋白和α－synuclein蛋白的能力，并且阻止隨后發生的細胞凋亡，其引起自噬的具體機制尚需進一步研究。

3 結束語

隨著社會老齡化趨勢越來越嚴重，神經退行性疾病發病率日益增加，目前的治療很難根治神經退行性疾病。雖然目前對細胞的自噬的研究尚處于初級階段，但自噬對于神經退行性疾病的重要性不可或缺。我們可以通過應用本研究中提到的一些小分子誘導劑以及激活自噬的有利條件（如饑餓）等，誘導細胞的自噬，上調自噬水平，從而清除更多的異常積聚的蛋白質，爭取達到治愈神經退行性疾病的目的。但是，需要注意的是，自噬是一把雙刃劍，既參與降解異常蛋白質，有利于防止神經元內異常蛋白質的蓄積；另一方面，如果自噬過度活躍會損傷細胞器，如造成線粒體功能障礙，過度激活自噬體可能會加速神經退行性疾病的致病過程［3］。總之，通過調節自噬來治療神經退行性疾病，甚至是更多的其他疾病（如腫瘤、心肌病、病原微生物侵入感染）有廣闊的前景，但仍然需要大量的臨床試驗。

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