阿爾茨海默病基因與自噬的研究進展*

何永利 綜述，陳陽美 審校

(重慶醫科大學附屬第二醫院神經內科 400010)

大量證據表明，阿爾茨海默病(AD)患者腦中自噬功能受損。自噬有助于清除錯折疊蛋白，自噬的損傷可能促成AD相關的淀粉樣斑塊和Tau聚集體的形成。在AD患者腦、AD動物模型腦組織和AD細胞模型中，均有大量積累的自噬體和后期自噬囊泡存在，表明與溶酶體融合或通過溶酶體降解遭到破壞[1-2]。由于自噬可以降解異常的蛋白質[如β-淀粉樣蛋白(Aβ)]和功能障礙的細胞器，因此對AD等神經退行性疾病的發生、發展發揮了重要的調控作用。自噬也因此被認為是AD病變中可以對Aβ在神經元中的聚集和減輕神經毒性的潛在治療靶點。本文討論了AD相關基因與自噬的關聯性，試圖理解自噬是如何涉及AD的發病機制及如何利用自噬途徑防治AD的。

1 AD

AD是最常見的神經變性疾病，也是全球第四大致死性疾病，其特征是認知功能和記憶形成的進行性損害[3]。AD是老年人中最流行的一種癡呆，影響了3 500萬人。在AD患者腦中，淀粉樣斑塊的胞外沉積和神經原纖維纏結(NFTs)的胞內聚集是其主要的病理特點。淀粉樣斑塊由前體蛋白(APP)經β-和-分泌酶水解成的Aβ纖維聚合物組成。AD患者腦中，損傷的神經元周圍胞外Aβ沉積是AD的主要致病因素。但是，大量證據表明神經元中胞內Aβ聚合物與認知障礙緊密相關，表明胞內Aβ可能也是AD的致病因素之一[4-5]。因此減少Aβ沉積或促進其清除已成為目前治療AD的重要策略之一，但迄今為止對于Aβ沉積尚無理想的治療方案。

2 自 噬

自噬是存在于真核生物中進化上保守的維持細胞內環境穩定的過程[6]。自噬是細胞內長半衰期蛋白或胞漿中的細胞器由雙層膜的自噬泡包裹后經溶酶體途徑降解的過程，它對細胞生長、存活、發展和死亡過程中起重要作用[6]。隨著年齡增長自噬能力的降低，且氧化自由基對蛋白質等的損壞會造成異常蛋白質及細胞器聚集，成為體內的生物垃圾，而成為許多急、慢性疾病的主要病因，如亨廷頓疾病、老年癡呆、帕金森和AD等[7]。

3 AD相關基因與自噬

3.1與AD相關的基因 與家族性早發AD相關的經典基因有APP、早老素1(presenilin 1，PS1)和早老素2(presenilin 2，PS2)。載脂蛋白(apolipoprotein E，APOE)是晚發性AD的最強危險因素[8]。最近遺傳研究發現了許多影響晚發性AD的新基因位點[9]。

3.2APP和Aβ APP是Ⅰ型膜蛋白，它可以被β-和γ-分泌酶依次切割而產生Aβ(AD老年斑的主要成分)。APP基因中有超過30個突變與家族性早發AD相關[10]。早期研究表明AD神經突內有自噬體聚集，且這些自噬體中存在APP、Aβ、CTF和BACE，所以自噬被認為是導致Aβ產生的原因[7,11]。但是，進一步研究自噬本身及其與AD的關系后發現，APP、Aβ、CTF和BACE其實是自噬的底物[12]。雷帕霉素、牛蒡甙元、卡馬西平等藥物能活化自噬從而降解Aβ和其他致病性蛋白來預防AD[13]，這些證據也支持了上述觀點。

APP或Aβ在自噬中的直接作用尚未確定，但是APP中AD相關突變可能通過損害自噬功能而導致AD發病。這種突變會產生更多易聚集的Aβ，由于底物積累而引起過度自噬。Aβ通過其疏水性羧基末端與膜直接相互作用，這干擾了正常的生物發生和胞內細胞器的轉運。Aβ的這一特征也可能影響自噬體的生物發生或轉運及其與溶酶體的融合，這種可能性在未來也需要被解決。溶酶體中Aβ聚集導致溶酶體膜不穩定和泄漏，這也損傷了自噬和溶酶體降解[14]。研究表明，過表達p62 的AD小鼠腦中自噬活性增加，提高了認知能力，且Aβ表達顯著降低[15]。Beclin1可促進APP降解并降低APP代謝物的分泌[16]。

3.3PS PS1和PS2是含有9個跨膜結構域的同源整合膜蛋白[10]。它們與呆蛋白、前咽缺損1和早老素增強子2形成γ-分泌酶復合物，將APP切割成Aβ。據報道，PS中有約200個突變會導致Aβ42/Aβ40比值增高而導致早發家族性AD[10]。除了作為Aβ產生的γ-分泌酶功能之外，PS也通過調節vAT-Pase介導的溶酶體酸化而有效地進行溶酶體蛋白水解，其突變破壞了這些溶酶體功能和自噬[17]。PS1(Ser367)磷酸化能通過自噬途徑提高β-CTF降解而降低Aβ水平[18]。PS1缺失或PS1 FAD突變能引起溶酶體和自噬障礙，從而擾亂細胞鈣離子穩態，因而導致AD相關的病理過程[19]。

3.4Tau Tau的大量聚集與神經退行性疾病和認知障礙密切相關，表明Tau也是AD的一個重要因子。過度磷酸化Tau的聚集形成叫做雙螺旋絲(PHFs)的神經細胞纖維包含物，而PHFs是NFTs的主要成分。所有的Tau病變均以磷酸化Tau起源的NFT為特征[20]。各種形式的Tau都可以被自噬降解[20]。有研究表明，Tau聚集是由于自噬功能障礙引起的[21]。

診斷AD不可或缺的病理特征是NFTs，其主要成分是Tau蛋白。自噬需要自噬體和溶酶體沿微管的運動[22]。因此，Tau缺失使微管不穩定并損害自噬，從而加劇了Niemann-Pick型C小鼠表型和Aβ積累[23]。Tau尤其是Tau聚集體是自噬的底物，表明AD中自噬障礙可能有助于Tau聚集體形成導致NFTs增高[24]。研究表明，有些化合物(如雷帕霉素、海藻糖和西羅莫司脂化物)能通過激活自噬降解病理性Tau來預防AD發生[25]。核蛋白NDP52是自噬的一種受體，它通過自噬選擇性降解底物。NDP52可介導磷酸化Tau通過自噬清除[26]。

3.5金屬蛋白酶結構域10(ADAM10) 去整合素和ADAM10是APP剪切的主要α分泌酶，能阻止Aβ產生[27]。ADAM10過表達能預防淀粉樣病變和提高長時程增強作用及學習記憶功能[28]。ADAM10中罕見的編碼變體與晚發家族AD相關。沒有關于ADAM10與自噬和AD相關的報道，但最近一則報道指出在內皮細胞中ADAM10可以被自噬調節，反過來調節小鼠對內皮ADAM10相關疾病狀態的敏感性[29]。因此，有可能ADAM10在神經元和神經膠質細胞也可以被自噬調節。神經元和膠質細胞ADAM10的自噬調節及AD相關的ADAM10變體對自噬的影響需要在將來的研究中得到闡明。

3.6β位點裂解酶-1(BACE1) BACE1是機體內主要的β-分泌酶，是分解APP產生Aβ的限速酶。研究表明，在小鼠腦內注射BACE1 siRNA可減輕AD小鼠Aβ沉積并提高認知功能[30]，這說明抑制BACE1表達會改善Aβ相關的認知功能障礙，因此BACE1被作為AD藥物潛在靶點。

有研究報道，Se-Met處理過表達APP的N2a細胞后Aβ水平顯著降低，并且Se-Met的抗淀粉樣蛋白作用是由于抑制BACE1活性而抑制了Aβ產生的。此外，Se-Met處理的細胞中LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例和LC3陽性熒光點數均顯著降低，表明Se-Met通過調節自噬途徑促進Aβ清除[31]。誘導神經元自噬增強了BACE1周轉，溶酶體抑制劑抑制了BACE1周轉。在人APP轉基因神經元和AD小鼠腦的遠端軸突中，BACE1相關的自噬液泡大量聚集。在遠端軸突中，誘導自噬能增加BACE1的自噬保留，從而導致APP β剪切的增強[32]。BACE1蛋白水平的降低被證明是通過MAPK14介導的溶酶體降解。BACE1的溶酶體降解似乎依賴于自噬的刺激，因為自噬阻斷劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)或沉默ATG5消除了MAPK14對BACE1蛋白水平的作用[33]。然而，自噬刺激導致BACE1蛋白溶酶體降解的具體機制還不清楚。

3.7APOE APOE是一類主要由外周組織中肝臟和巨噬細胞產生的載脂蛋白。在中樞神經系統中，APOE主要由星形膠質細胞產生并通過APOE受體將膽固醇轉運至神經元[34]。根據兩個氨基酸殘基(112和158)不同，APOE分為3個亞型：APOEε2、APOEε3和APOEε4。APOEε3是最常見的APOE亞型，APOEε4增加了雜合子攜帶者的家族性和散發性AD 3倍的風險，對于純合載體則增加了8～10倍[10]。APOEε2可降低遲發性AD的風險并延緩發病年齡[10]。APOE結合Aβ影響Aβ的清除，APOE4加速Aβ原纖維形成并增加實質內Aβ沉積。因此，APOE4誘導的Aβ數量的提高和聚集可能導致了AD中自噬的損傷。再有，APOE4本身增強Aβ誘導的溶酶體膜不穩定及其滲漏[35]，這可能破壞了自噬和溶酶體降解[14]。在幾種自噬誘導條件下，與表達APOE3的星形膠質細胞相比，表達APOE4的細胞表現出較低的自噬通量。自噬誘導劑雷帕霉素通過APOE4星形膠質細胞增強Aβ斑塊降解，而自噬抑制劑氯喹阻斷了APOE3星形膠質細胞中Aβ斑塊的降解。總之，這些研究結果表明，APOE4能損害自噬，并且這種作用與清除Aβ斑塊的能力降低有關。這表明自噬障礙可能在介導APOE4在AD中的病理作用中發揮作用。

3.8髓系細胞觸發受體2(TREM2) TREM2是在骨髓細胞(如小神經膠質細胞、樹突狀細胞、破骨細胞和巨噬細胞)亞型細胞膜上表達的先天免疫受體。TREM2可能在骨髓細胞中起作用，最可能是破骨細胞和小神經膠質細胞，這二者都參與骨重建和腦功能，后者的功能受糖基化調控。全基因組關聯研究表明TREM2在晚發性AD的進展中可能發揮作用。TREM2在AD轉基因小鼠模型的小膠質細胞中表達上調。最近研究報道，幾種TREM2突變引起無骨病變的額顳癡呆癥綜合癥。在損傷的中樞神經系統中，小膠質細胞上表達的TREM2對清除神經碎片起關鍵作用。AD相關的TREM2的R47H變體通過小膠質細胞減少了Aβ吞噬作用。APOE是TREM2的配體，且APOE不能與R47H變體結合。小膠質細胞中TREM2的回收由參與自噬的蛋白質Beclin1調節。AD腦小膠質細胞中Beclin1水平降低與TREM2的再循環和吞噬功能受損有關。因此，TREM2和自噬之間的關系機制亟待闡明。

3.9磷脂酰肌醇結合網格蛋白裝配蛋白(PICALM) PICALM主要在神經元中表達，并且涉及網格蛋白介導的胞吞作用和突觸囊泡轉運。PICALM在AD腦中表達降低且與NFT共定位。在Tau疾病和與Tau不相關的神經退行性疾病中，PICALM的降低與自噬標志物LC3-Ⅱ升高和Beclin1水平降低密切相關。PICALM通過調節SNAREs的內吞和調節Tau積累來影響自噬。在斑馬魚模型中，PICALM表達的改變加劇了Tau介導的細胞毒性。全基因組關聯研究將PICALM鑒定為AD的風險基因。PICALM改變APP轉運并調節Aβ斑塊沉積和Aβ誘導的毒性。PICALM與LC3相互作用，并通過自噬靶向APP-CTF進行降解。

3.10簇集蛋白(Clusterin) Clusterin是應激激活的伴侶蛋白。Clusterin中各種單核苷酸多態性(SNPs)均與AD有關。許多研究調查了AD和Clusterin的關系及這個伴侶在疾病中的作用。在Aβ斑塊中發現有Clusterin 存在，它與Aβ相互作用改變了Aβ的溶解度和聚集。在AD大腦中，Clusterin mRNA表達升高。最近發現Clusterin能促進LC3脂質化，并在癌癥的應激條件下誘導自噬體形成。Clusterin敲除的腎中，缺血再灌注損傷(IRI)自噬被激活。進一步研究發現在低氧腎細胞中Clusterin依賴的促存活自噬與錯折疊蛋白反應緊密相關。

3.11其他AD相關基因 除了上述AD相關基因之外，許多其他基因也與AD有關。幾乎沒有關于這些基因與自噬之間潛在關系的報道。將來的研究可能會揭示這些基因與自噬和AD發病機制的關系。

APP、Aβ、Tau、ADAM10和BACE1是自噬的底物。PS、APOE、PICALM和Clusterin等可通過不同機制調節自噬。最新的AD遺傳研究發現大量與AD有關的基因，它們在AD中的致病作用將在未來得到闡明。這些基因也可能與自噬有關系，其自身可能在AD發病機制中發揮作用。