自噬調控與阿爾茨海默病相關的分子機制研究進展

馬思飛，郭美娜，劉文君，史厚珍，翟鴻儒，張維寧，錢進軍,,3，王佳,,3，劉子重

(1.江蘇大學醫學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學附屬四院，江蘇 鎮江 212001；3.鎮江杰勝瑞科技有限公司，江蘇 鎮江 212013)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一種致命的神經退行性疾病，其特征為記憶力減退，精神衰弱及慢性不可逆性認知障礙。關于AD的發病機制暫不明確，其原因涉及各種復雜的病理生理過程，如氧化應激、神經炎癥、興奮性中毒、線粒體功能障礙等，故而形成多種假說，如Aβ級聯假說[1]、tau蛋白磷酸化假說[2]、炎性因子假說[3]和細胞周期假說[4]等。目前神經科學界普遍認可的觀點是AD的發生伴隨著神經元的進行性退化。AD典型的兩大病理學標志物為細胞內的神經元纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFTs)以及β-淀粉樣蛋白(β-amyloid, Aβ)形成[5]；NFTs主要是tau蛋白過度磷酸化和聚集的結果，Aβ是由淀粉樣肽聚集形成的。

自噬即“自己吃自己的過程”，是一種細胞內自我降解的過程，負責降解及回收細胞成分，如錯誤折疊或積累的蛋白及受損的細胞器[6]，是一種進化保守的細胞過程。自噬作為一個高度動態的過程，是由細胞應激，如蛋白質聚集物的出現、細胞器的損壞、營養缺乏和病原體感染等誘發[7]。在自噬過程中，蛋白降解成氨基酸，繼而參與其他蛋白合成或提供能量。隨著年齡增加，機體自噬能力將逐漸下降[8]，導致各種蛋白積累在細胞內。與泛素降解系統相比，自噬能夠降解范圍更廣的底物，包括完整的細胞器、蛋白寡聚體、蛋白多聚體和大型蛋白復合物[9]。自噬失調與多種疾病，如神經退行性疾病[10]、癌癥[11]、炎癥[12]、衰老[13]和代謝性疾病[14]等密切相關。本文將對AD相關的自噬機制進行系統的闡述。

1 連接自噬和AD的生物通路

1.1 內源性溶酶體系統

自噬是調節Aβ和tau蛋白產生和清除的關鍵調節途徑，在該過程中，Aβ和tau蛋白聚集物陷于或產生于核內體(核內體提供了細胞外物質進入細胞內的運載途徑)，然后包裹成袋狀樣囊泡再被運送到溶酶體中[15]。溶酶體是一種細胞消化器，參與清除蛋白突變體或Aβ聚合體，并減少其聚集[16]。自噬囊泡被送到溶酶體后經溶酶體酶降解。根據溶酶體降解細胞內容物的過程可以將自噬分為三大類[17]： 微自噬、分子伴侶介導的自噬和巨自噬。① 在微自噬中，溶酶體膜直接內陷，胞質內成分被吸收到溶酶體中；② 分子伴侶介導的自噬，即分子伴侶蛋白促進胞質蛋白降解并靶控胞質內蛋白進入溶酶體腔；③ 巨自噬：在巨自噬中，亞細胞雙層膜結構包裹被降解的胞質蛋白，命名為“自噬體”，自噬體轉運細胞廢物至溶酶體降解。巨自噬是自噬最常見的形式，也是與AD密切相關的一種自噬機制。

在健康者中樞神經系統中，Aβ肽段和tau蛋白的清除率高于其生成率，故不會造成蓄積。Aβ肽段清除的方式主要有兩種：首先，可經各種Aβ降解酶，如β-分泌酶1[18]和組織蛋白酶D[19]降解。其次，可在營養不良的神經元的自噬體中積累[20]。

有趣的是，Aβ和tau蛋白聚集會抑制自噬及內源性溶酶體系統，進而減少Aβ和tau蛋白的清除。AD患者往往伴隨自噬溶酶體的成熟障礙，其神經元中出現大量的自噬空泡積聚。為了探究體內自噬在Aβ病理中的角色，研究者將淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)轉基因AD模型小鼠與自噬功能缺陷(Atg7條件性敲除)小鼠雜交，觀察到自噬缺陷子代鼠細胞外淀粉樣斑塊明顯增加，并伴隨記憶障礙[21]。自噬缺陷小鼠大腦皮層神經元出現淀粉樣改變[22]。

1.2 神經炎癥信號通路

在體內，炎癥通常具有保護作用，然而，過度的炎癥和慢性應激可導致細胞損傷。AD發生時，錯誤聚集的Aβ蛋白促進小膠質細胞和星形膠質細胞活化，釋放炎癥介質[23]，繼而誘導先天免疫反應。炎癥、自噬以及AD三者之間存在交叉關系[24]： ① 炎癥因子誘導自噬發生，如IL-1β介導的炎癥反應激活小膠質細胞自噬[25]；炎癥介質的水平與自噬關鍵調節因子雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和哺乳動物參與自噬啟動因子(Beclin1)表達相關。② AD伴隨著自噬的改變，Aβ42在體外影響多種自噬相關蛋白如p62[26]、p70S6K[20]表達。③ AD伴隨著炎癥介質的增加及自噬缺陷的發生，成年App和PS-1雙轉基因突變體小鼠腦區IL-1β表達明顯增加，同時伴隨自噬囊泡在其海馬及皮層營養不良的神經元中積累[25]。④ 自噬缺陷誘導炎癥發生，抑制自噬的發生也會增強小膠質細胞的活化，如IL-1β等細胞因子的分泌和活性氧類的產生[27]。綜上所述，AD、炎癥及自噬三者存在緊密聯系，自噬可能通過抑制神經炎癥，在AD中發揮神經保護功能。

1.3 雷帕霉素靶標信號通路

哺乳動物mTOR是一種非典型的絲氨酸/蘇氨酸激酶。mTOR參與APP的代謝，其通過上調細胞中β-分泌酶和-分泌酶，抑制自噬，導致Aβ降解減少，Aβ產生和沉積增多，從而介導AD發生[28]。也有研究表明PTEN/AKT/mTOR信號通路干預有助改善AD癥狀。AMP活化蛋白激酶作為細胞能量穩態的調控因子，可通過抑制mTOR活性增強自噬、促進溶酶體降解Aβ，進而抑制AD進程[29]。體內實驗發現，雷帕霉素阻斷mTOR信號通路能夠減少AD轉基因小鼠大腦皮層淀粉樣沉積[30]，緩解其認知缺陷，該發現與在神經元中激活自噬具有相同的效果。干預mTOR信號通路參與的自噬調控可能是治療AD的潛在靶點之一。

2 自噬和AD相關基因

2.1 Atg7

Atg7是調節自噬的關鍵基因[31]。研究表明，Atg7特異性敲除小鼠表現為記憶功能缺陷[32]。Carvalho等[33]研究表明，AD模型小鼠ATG7表達下降。ATG7可以介導Aβ肽轉運到神經元核內體中降解[34]。體外實驗證明，通過siRNA技術干擾Atg7的轉錄和表達，可以抑制Aβ40產生和分泌[35]。但也有研究表明，大鼠海馬內注射Aβ能夠增加ATG7蛋白的表達，同時降低其記憶能力[36]。由此表明，ATG7作為自噬的關鍵分子參與AD進程。

2.2 Bcl2

BCL2作為抗凋亡因子，可與BECN1交聯調節自噬[37]。在AD小鼠所有有絲分裂后神經元中過表達Bcl2可改善記憶及認知障礙[38]。體外研究表明，Aβ處理后的神經元BCL2的表達降低[39]。體外過表達Bcl2可以抑制Aβ誘導的細胞死亡，發揮神經元的保護功能。研究顯示，在AD模型小鼠中過表達Bcl2可以減少Aβ沉積，改善AD癥狀。

2.3 Beclin1

Beclin1基因介導自噬啟動和自噬體的產生。研究表明，與健康對照者的小膠質細胞相比，AD患者死后大腦中分離出的小膠質細胞BECN1水平降低，繼而會降低腦組織的正常自噬水平[40]。同樣，AD成年小鼠皮層和海馬腦區BECN1水平下降，即AD發生伴隨著BECN1蛋白表達下調[41]。體外研究結果表明，在BV2細胞系中，BECN1蛋白的表達與其細胞活力呈正相關[42]。體內研究發現，與對照組小鼠相比，BECN1雜合子小鼠神經元自噬水平顯著增高，即BECN1蛋白通過調控自噬、保護神經元繼而改善AD進展[43]。此外，BECN1也可以通過調控神經炎癥信號通路參與AD發生，BECN1表達降低可能增加小膠質細胞介導的炎性反應，利用慢性脂多糖誘導神經炎癥發生后，小鼠海馬BECN1蛋白表達下降。

2.4 MAPT

tau蛋白作為AD的病理學標志物之一，是由重組人微管相關蛋白tau(microtubule-associated protein tau，MAPT)基因編碼[44]。它是一種天然未折疊的可溶性蛋白，在包括AD在內的一些神經退行性疾病中形成異常低聚物。tau蛋白的毒性主要是由低聚物而不是單體或原纖維所致[45]。從分子水平，細胞內MAPT聚集抑制參與正向調節內涵體分選復合物形成的復合物Ⅲ相關因子(IST1 factor associated with ESCRT-Ⅲ，IST1)表達，后者為自噬體-溶酶體融合的正調控因子。上調MAPT轉基因小鼠中IST1表達，可減輕自噬缺失，降低MAPT聚集，改善突觸可塑性和認知功能；下調IST1表達，則可導致幼齡小鼠自噬功能缺失，并伴隨其認知功能受損[46]。MAPT基因缺陷可以減輕神經炎癥的發生[47]。

2.5 PSEN1(早老蛋白-1)

PSEN1是App剪切酶-分泌酶復合物和自噬蛋白水解作用的調節因子。Psen1基因突變參與AD的早期進程，且該效應是由突變基因編碼的蛋白質穩定性和疏水性異常而介導的[48]。研究表明，PSEN1通過促進溶酶體酸化和蛋白水解參與自噬調控，溶酶體蛋白水解異?？赡軐е碌鞍桌鄯e和神經元死亡[49]。

3 總結

綜上，盡管AD的發病機制尚不完全清楚，且目前所得的絕大多數理論仍源于動物模型研究，但生理條件下的自噬對神經元的衰老、凋亡至關重要。自噬缺陷通過影響Aβ和tau蛋白代謝、mTOR通路、神經炎癥信號通路參與AD的發病機制，自噬功能障礙也是神經退行性疾病發展的關鍵因素之一。因此，自噬上調可能是AD的一種有前景的治療策略。