自噬與神經退行性病變研究進展

自噬與神經退行性病變研究進展

宋愛霞劉宏騫張安民

(煙臺大學體育學院，山東煙臺264005)

關鍵詞〔〕自噬；神經退行性病變；易聚集蛋白

中圖分類號〔〕R741〔

基金項目：國家自然科學基金資助項目(31050009)

通訊作者：張安民(1959-)，男，教授，碩士生導師，主要從事運動醫學研究。

第一作者：宋愛霞(1974-)，女，碩士，講師，主要從事運動生物力學研究。

神經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元內存在大量錯誤折疊并易聚集的蛋白質，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)等對神經元產生毒性作用，從而影響神經元之間的連接性和可塑性，甚至可能觸發細胞死亡信號通路的激活，導致神經元大量死亡。自噬作為真核細胞中普遍存在的一種溶酶體依賴型途徑，可降解胞質內過多的蛋白質、細胞器和代謝產物，不僅能維持細胞的穩態效應，還能促進氨基酸、核苷酸和游離脂肪酸的再循環，并為細胞再生提供一定的底物和原料〔1〕。神經細胞中對神經元產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生神經退行性疾病的表型，病理上表現為細胞內包涵體的大量堆積〔2〕。這充分說明自噬在降解神經細胞中易聚集蛋白質過程中具有不可替代的作用。本文特將自噬和神經退行性病變的相關研究進展作一綜述。

1自噬概述

自噬發生的過程：①自噬誘導：細胞在營養缺乏、微生物感染、細胞器損傷蛋白質聚集或折疊錯誤時，由來源于內質網的非核糖區域、高爾基體的自噬體膜脫落形成杯狀雙層膜結構的前自噬體(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揮對自噬的誘導作用；②自噬體的形成：PAS 逐漸擴張，包繞欲降解的胞質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在自噬體的伸展擴張過程中發揮了重要作用〔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或細胞器，產生脂肪酸、氨基酸、游離脂肪酸等物質，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型溶酶體膜相關蛋白Lamp2、小GTP 蛋白Rab7、UVRAG等因子的參與〔4〕。

自噬的發生受到各種信號因子的調節，其中mTOR和Beclin 1可通過整合上游各種信號因子，從而發揮對自噬的直接調控作用。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是氨基酸、營養狀態的感受器，在自噬發生過程中具有“開關”作用，能抑制自噬的發生，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上游調節自噬的最重要的通路。Beclin 1是酵母中Atg6的同源基因，一般不能直接發揮對自噬的誘導作用，而是通過與Bcl-2、UVRAG、mVps34、Barkor、死亡相關蛋白激酶1(DAPK1)的相互作用，從而調節細胞自噬〔5〕。正常的生理條件下，Beclin 1與Bcl-2相結合從而使自噬保持基礎水平；營養缺乏或氧化應激時，Beclin 1通過減弱與Bcl-2的相互作用，與UVRAG、mVps34等因子相互結合從而激活自噬〔6〕。此外，胰島素、ROS、Ca2+等因子也能調節自噬水平〔7〕。

2自噬與神經退行性病變

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系統體征。AD的主要病理特征為大腦皮層和海馬區大量淀粉樣老年斑塊(SP)沉積、神經元纖維纏結(NFTs)及特定的腦區神經元和突觸的丟失〔8〕。與之相對應的病因學研究形成了以Aβ、tau蛋白和神經元缺失機制為主的三大研究領域。其中，Aβ的生成和聚集是AD發病的中心環節。

一般來說，可溶性Aβ本身并沒有神經毒性，但若β-折疊形成的絲狀纖維聚集物變為不溶性沉淀時就會產生神經細胞毒性作用，其中以Aβ42/Aβ43聚集產生的毒性作用最強〔9〕。研究認為，AD的發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，使溶酶體產生活性氧，后者通過抑制自噬溶酶體對內源物的消化降解，使溶酶體內外質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致胞質內Aβ聚集、引起神經元損傷和細胞外SP形成的重要病理機制〔10〕。AD患者神經細胞中也常出現大量聚集的tau蛋白。一般來說，AD患者中tau蛋白發生異常的高度磷酸化而不能與微管相結合，使之不穩定并發生聚集，導致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退行性疾病，屬于常染色體顯性遺傳疾病。臨床表現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性三核苷酸CAG重復序列，當CAG重復拷貝數大于37時即會發病〔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的神經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〔13〕。

各牧草品種CP產量年際變化顯著(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產量2年的變化沒有規律。2014年CP產量在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，這就導致蛋白質降解障礙并在胞漿里或核中聚集。在HD中發現自噬體膜內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病初期通過減少聚集物的形成，降解胞質內具有毒性的Htt片段，減輕這種疾病。Zheng等〔14〕研究發現，表達外源Htt能顯著減少小鼠紋狀體和大腦皮質部位神經元突變型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小鼠行為學的改善，表達外源Htt可明顯提高小鼠腦內自噬關鍵蛋白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的神經系統變性疾病，臨床表現為靜息震顫、運動遲緩、步態異常、肌肉僵硬，主要病理特征是黑質致密部多巴胺能神經元變性缺損以及胞內以泛素和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，但主要的蛋白質降解系統障礙和氧化應激被認為是這些易聚集蛋白質積累的重要發病機制〔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，導致蛋白質異常聚集、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。可溶性的α-突觸核蛋白可通過分子伴侶介導的自噬(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合力，從而阻斷溶酶體的攝入，并抑制其降解，增加胞質內各類蛋白質聚集，因此通過CMA途徑不能有效降解α-突觸核蛋白〔19〕。這樣，胞質內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蛋白的動態平衡，導致神經細胞毒性。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，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節因子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肌醇水平的藥物則能夠以mTOR非依賴性方式調節自噬活性。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合治療PD疾病可增強這兩條相互獨立的途徑從而上調自噬水平，這比單一促進一種途徑能發揮更大的效應。

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

3小結

在神經退行性疾病中，由于泛素蛋白酶體途徑不能發揮對突變Htt聚集體、tau蛋白、α-突觸核蛋白等的正常降解作用，致使這些蛋白質大量聚集〔23〕。而自噬作為真核細胞中普遍存在的生命現象，不僅對應激狀態下細胞存活、清除神經細胞內衰老的細胞器或錯誤折疊與聚集的蛋白質具有重要作用，還可作為神經細胞的自我保護機制，預防神經變性，維持內環境的穩態；但過度自噬則可能導致神經元大量死亡，誘發或加重神經退行性疾病。因此，隨著對自噬與神經系統疾病分子機制研究的不斷深入，通過一系列途徑適度調節自噬水平已經成為預防或治療神經退行性病變的重要途徑。

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〔2013-12-17修回〕

(編輯李相軍)