自噬在阿爾茲海默病發病機制中的作用

周彥均 黃南渠 巴智勝 李園園 羅 勇

1)遵義醫科大學，貴州 遵義 563000 2)遵義醫科大學附屬第三醫院藥物臨床試驗機構辦公室，貴州 遵義 563000 3)遵義醫科大學第三附屬醫院神經內科，貴州 遵義 563000

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是發生于老年和老年前期、以進行性認知功能障礙和行為障礙為特征的中樞性神經系統疾病。臨床上表現為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間能力損害、抽象思維和計算能力損害、人格行為改變等表現為特征。根據國家統計局統計數據顯示，中國近14億人口中，60歲及以上的老人占總人口的17.3%，其中65歲及以上人口數高達1.583億，占11.4%，人口老齡化已成為中國非常嚴重問題[1]。伴隨著老齡化社會的到來，以AD為主的神經退行性疾病的發病率也逐年上升[2]。目前AD的發病機制仍不明確，其病因可能與遺傳因素、低教育程度、膳食因素、吸煙、雌激素水平降低、甲狀腺激素、血管病等諸多因素有關[3-4]。而自噬是一種主要的細胞調節機制，其使細胞能夠應對通常在代謝活細胞內發生的一些破壞性改變，這是通過維持細胞穩態，清除受損細胞器和蛋白質以及回收必需的分子(如氨基酸和脂肪酸)來實現的。自噬在神經元衰老和健康方面發揮著重要作用。基于其保護機制在清除異常聚集或錯誤折疊的蛋白質，從而維護機體的穩定，目前已有許多研究發現了自噬與神經退行性疾病之間的緊密聯系[5]。因此，進一步了解AD與自噬的內在聯系，對診斷AD、治療AD、預防AD提供新思路及方向。。

1 AD的發病機制

AD的大體病理表現為腦的體積縮小和重量減輕，腦溝加深、變寬，腦回萎縮，顳葉特別是海馬區萎縮明顯。而大腦皮層和海馬突觸的逐漸喪失，導致記憶受損和認知功能惡化[6]。目前有研究表明AD的發病機制可能有多種因素參與，其中β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)沉積、Tau蛋白過度磷酸化、線粒體功能障礙、神經炎癥等因素均可導致AD病理改變[7-8]。而Tau蛋白過度磷酸化與Aβ的生成與清除失衡是導致神經元變性和癡呆的主要病理機制。其中細胞外Aβ聚集形成的老年斑(senile plaque，SP)和Tau蛋白的過度磷酸化在細胞內出現的神經纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFT)是AD的主要病理特征[9]。雖然現在AD的發病機制研究假說較多，但目前尚無明確定論，故進一步探索AD發病機制對AD進一步治療提供新方向。

2 自噬的分子機制

自噬是將細胞內受損、衰老壞死或錯誤聚集的蛋白質和細胞器運送到溶酶體中形成自噬溶酶體，通過溶酶體降解和再循環細胞成分，實現細胞自身代謝需和物質循環更新的過程，從而達到維持細胞的穩態。其過程其與40多種相關蛋白有關[10]。通常情況下自噬由三種類型組成：巨自噬、微自噬及分子伴侶介導的自噬。其中巨自噬分子機制研究較為深入，也最具有特征，是三種自噬中最常見的自噬過程，故通常將巨自噬簡稱為自噬[11]。自噬是一條非選擇性降解途徑，其過程主要包括[12]：(1)自噬膜的產生，是自噬發生的標志之一；(2)自噬體的形成，是自噬發生的標志之二；(3)自噬體的運輸與溶酶體的形成；(4)自噬體的降解。

3 自噬在AD中的作用

自噬是清除降解動物細胞中錯誤蛋白質的重要途徑之一，同時維護蛋白質和細胞的穩定，有研究表明自噬功能障礙可能在AD的早期階段就已表現出來[13]，其中包括自噬在Aβ的產生和代謝中發揮重要作用、自噬可減少Tau蛋白的過度磷酸化從而延緩AD進展、在AD患者中線粒體自噬增加、自噬與神經炎性反應之間存在密切聯系等。

3．1自噬對Aβ的清除作用Aβ由第21號染色體編碼，39-43個氨基酸組成，是淀粉樣蛋白前體(β-amyloid precursor protein，APP)經蛋白水解酶作用后形成的分解產物。APP可以被α-、β-、γ-三種蛋白酶分解；而其中β-蛋白酶和γ-蛋白酶的連續作用分解產生Aβ。最常見的殘基亞型是Aβ40和Aβ42，兩者之中Aβ40更為常見，但Aβ42更原纖維產生與病情有關[14]。Aβ和自噬之間存在復雜的相互作用，有研究表明在AD患者腦中，由于營養神經因子缺乏導致神經突發生膨脹、變性甚至壞死，自噬泡中發現異常聚集Aβ，表明自噬可能與AD的發病過程有關[15]。也有研究表明，AD患者腦內的神經細胞中，軸突遠端自噬應激加強，這一過程有助于清除分解受損的蛋白質及細胞器，但隨著疾病的逐漸進展，不斷堆積的有害物質使自噬過程逐漸受阻，微管相關蛋白輕鏈3-II(Light Chain 3-II，LC3-II)不斷堆積，導致自噬泡與溶酶體的結合受阻，進而導致AD的進一步發生[16]。同時也有研究發現通過AMP活化的蛋白激酶催化亞單位α1(protein kinase AMP-activated catalytic subunit alpha 1，PRKAA1)通路從而使Aβ降解，從而進一步促進自噬的發生[17]。也有研究表明自噬對Aβ代謝中不完全起清除作用，自噬在AD病理表達中失調，在Aβ代謝中起重要作用，除了其廣泛確定的抗體降解作用外，也有研究還發現自噬也會影響抗體的分泌[18]。因此，自噬在Aβ代謝中的作用是雙功能的。

3．2自噬與Tau蛋白Tau蛋白是含量最高的微管相關蛋白，基因位于17染色體長臂，可表達出6種同工異構體。Tau蛋白為含磷酸基蛋白，正常腦中的Tau蛋白分子含2～3個磷酸基。而AD患者腦中，每分子Tau蛋白可含5～9個磷酸基，Tau蛋白異常過度磷酸化，使細胞喪失正常功能。同時AD患者腦中Tau蛋白總量較正常人多，且過度磷酸化Tau蛋白含量增加而正常Tau蛋白含量減少。同時正常Tau蛋白與微管蛋白的結合力是異常Tau蛋白的10倍，這就導致Tau蛋白失去其促進微管裝配形成的生物學功能并喪失維持微管穩定的作用。越來越多的證據表明，自噬途徑與神經元生理和病理條件下的Tau蛋白磷酸化有關[19-20]。慢性腦灌注不足可增強Tau蛋白過度磷酸化并減少阿爾茨海默病小鼠的自噬[21]。已顯示多種形式的Tau蛋白被UPS(泛素-蛋白酶體系統)和自噬-溶酶體系統降解[22]。與此同時，Tau蛋白過度磷酸化導致自噬功能障礙。自噬體轉運主要取決于其在自噬過程中沿微管的運動，Tau過度磷酸化導致神經元微管不穩定，從而影響溶酶體和線粒體的放置和功能[23]。另一方面，自噬激活抑制Tau聚集并消除其細胞毒性。自噬功能障礙也誘導Tau蛋白聚集和神經變性。在自噬缺陷的實驗動物模型中，盡管沒有NFT，但Atg7表達的沉默增加了磷酸化Tau蛋白和糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase 3 beta，GSK3β)[24]。自噬相關蛋白NDP52的誘導可減少神經元中的Tau蛋白磷酸化[25]。也有研究發現增加多功能蛋白p62表達水平來激活自噬以去除Tau[26]，所以自噬與病理性Tau清除之間存在密切聯系。

3．3線粒體自噬與AD線粒體在自噬起始中起著至關重要的作用，目前，對于線粒體自噬增加在AD中所起的作用存在爭議。有人認為線粒體自噬可能通過清除受損線粒體和運走具有細胞毒性的Aβ，在改善或抵制AD的發生和發展中發揮保護作用[27]。許多研究已表明，AD中受損的神經元經歷線粒體功能障礙和早期發生的生物能量缺陷，以促進Aβ和Tau病理表達，而新發現表明，去除受損線粒體(線粒體自噬)自噬-溶酶體通路也在AD中受損，導致功能失調的線粒體積聚增多，通過氧化損傷和細胞能量缺乏導致線粒體自噬受損增加從而引發Aβ和Tau異常積聚，從而導致突觸功能喪失和認知功能障礙的發生，反過來，這些會削弱線粒體自噬[28]。相關研究表明，AD病理特征為早期線粒體和突觸變性與線粒體淀粉樣蛋白累積和神經元內纖維纏結[29-31]，PTEN誘導的假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1，PINK1)過表達通過激活自噬受體(OPTN和NDP52)增強自噬信號，從而促進受損線粒體的清除，從而降低Aβ水平[32]。也有新研究發現SIRT2蛋白過度活化導致線粒體能量損失并導致線粒體自噬的功能障礙，從而使Aβ過表達[33]。但也有學者持不同意見，認為增加的線粒體自噬并不能使其發揮原有作用，反而是與分裂和融合障礙共同加劇了疾病的發生，溶酶體也不能與功能障礙的線粒體有效的融合，功能異常的線粒體對增加自噬不具有選擇性[34]。線粒體在自噬體的最初發生和自噬調節細胞死亡的幾個階段中起重要作用[35]。此外，線粒體在血清饑餓期間通過彼此連接(線粒體融合)形成管狀結構，其也迅速誘導自噬[36]。然而，在衰老過程中積累的功能失調的衰老線粒體功能失調，缺乏融合和阻礙自噬的能力[37]。線粒體在自噬起始中起著至關重要的作用。

3．4自噬與神經炎癥研究表明神經炎癥是AD發病機制中重要組成部分，值得注意的是，神經元炎癥是AD進展中的一個突出特征[38]。在自我保護機制中炎癥反應通常有益，但這個過程需要嚴格控制，以避免持續的炎癥狀態，可能會導致自我損害的。許多研究得出結論，神經炎癥與AD期間導致大腦中的神經元損傷有關[39]。近年來，越來越多的證據支持慢性炎癥反與AD的發病密切相關。在AD患者的血液中抗炎因子IL-10與促炎因子IL-1的比值大幅降低，并且服用非甾體類抗炎藥的人群中AD發病率較低[40]，促炎因子如IL-1B和IL-18的積累可能損傷神經元細胞，從而導致學習和記憶的海馬依賴性損傷[41]。這些均表明AD發病與神經炎癥機制有密切聯系。同時Aβ自身就可促進炎癥的發生，而神經炎癥又可促神經纖維元纏結和Aβ產生，從而使AD患者的認知功能障礙進一步加重[42]。也有相關研究表明，自噬激活劑雷帕霉素具有保護神經作用，其可以通過激動自噬以減少Aβ沉淀并促進Aβ的清除且改善Tau蛋白過度磷酸化和NFT引起的病理過程從而抑制AD的發生，其證明AD的保護機制與神經炎癥有關[43]。有相關研究顯示，雷帕霉素是通過自噬誘導、抗炎等機制發揮神經保護作用[44-45]。有研究表明自噬是星形膠質細胞中Aβ誘導的神經炎癥反應的重要機制，并證明PG通過增強自噬抑制神經炎癥反應的潛在神經保護機制[46]。因此可以推測自噬與神經炎性反應之間存在密切聯系。

4 總結

雖然AD的病因尚不清楚，但許多因素包括遺傳因素、飲食因素、雌激素水平降低、甲狀腺激素等似乎與AD都有密切的關系，關于自噬的研究進展表明其在AD的中可能是個保護因素，但也有可能是個誘發因素。自噬可以影響Aβ的產生、分泌和清除，且其還將與Tau的磷酸化狀態相互影響，自噬還與線粒體直接存在密切聯系，同時自噬可以抑制神經炎性反應從而發揮神經保護作用。因此，研究自噬與AD發病機制的關系以期為治療AD提供方向及新思路。