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    自噬在阿爾茨海默病發(fā)病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

    2016-04-05 20:07:14王紅娟閆中瑞劉厚林
    山東醫(yī)藥 2016年15期
    關(guān)鍵詞:細(xì)胞器軸突溶酶體

    王紅娟,閆中瑞,劉厚林

    (濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院,山東濟(jì)寧 272011)

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    ·綜述·

    自噬在阿爾茨海默病發(fā)病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

    王紅娟,閆中瑞,劉厚林

    (濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院,山東濟(jì)寧 272011)

    自噬是溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞自我處理系統(tǒng),是細(xì)胞降解長(zhǎng)壽蛋白質(zhì)和功能受損的細(xì)胞器進(jìn)行循環(huán)利用或維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。阿爾茨海默病(AD)作為老年性癡呆的主要原因,其神經(jīng)元內(nèi)β淀粉樣蛋白(Aβ)的積累導(dǎo)致變性和神經(jīng)元凋亡,隨之出現(xiàn)老年斑、Tau蛋白過(guò)度磷酸化及代謝障礙。自噬作為清除細(xì)胞內(nèi)異常蛋白、細(xì)胞器及維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞衛(wèi)士,在AD的發(fā)生發(fā)展中有重要作用。自噬參與Aβ清除,促進(jìn)Aβ降解,抑制Aβ異常聚集。同時(shí)自噬能促進(jìn)Tau和磷酸化Tau的降解,自噬抑制能增加Tau的細(xì)胞毒性。軸突運(yùn)輸障礙影響自噬功能,軸突運(yùn)輸缺陷導(dǎo)致自噬小泡堆積和神經(jīng)突起的炎性改變,影響自噬體的成熟和正常功能的發(fā)揮。

    自噬;阿爾茨海默?。沪碌矸蹣拥鞍?;Tau蛋白磷酸化

    阿爾茨海默病(AD)是常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病,主要病理學(xué)特征為β淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成老年斑(SPs)、Tau蛋白過(guò)度磷酸化引發(fā)神經(jīng)元纖維纏結(jié)、神經(jīng)元突觸功能異常及丟失[1]。自噬是長(zhǎng)壽蛋白和胞質(zhì)細(xì)胞器降解的主要細(xì)胞代謝通路,凈化自身多余或受傷細(xì)胞器。目前,對(duì)于AD發(fā)病機(jī)制仍未明確,近年研究顯示自噬可能參與了AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病過(guò)程。本文就自噬在AD發(fā)病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展情況作一綜述。

    1 自噬的概念、分類、形成過(guò)程及調(diào)控分子機(jī)制

    1.1自噬的概念及分類1962年,Porter與Ashford發(fā)現(xiàn)大鼠肝中注入高血糖素后,細(xì)胞內(nèi)某種致密體出現(xiàn),還發(fā)現(xiàn)此種致密體包裹有線粒體,他們把這一致密體形成過(guò)程稱為自噬[2]。自噬的形態(tài)學(xué)特征最顯著的標(biāo)志是細(xì)胞質(zhì)中有大量包裹著細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器的空泡結(jié)構(gòu),稱作自噬泡。自噬是細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)成分利用溶酶體被降解的過(guò)程,是真核細(xì)胞所特有的。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的降解有兩種途徑,一種是泛素-蛋白酶體通路,另一種是自噬-溶酶體途徑[3]。細(xì)胞正常情況下很少發(fā)生自噬,細(xì)胞外因素如代謝障礙、衰老、受損的細(xì)胞器等,均導(dǎo)致細(xì)胞保持很低的自噬活性以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。適度的自噬是細(xì)胞完成自身代謝和細(xì)胞器更新的重要方式,調(diào)控細(xì)胞損傷和老化,對(duì)維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定有重要意義。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運(yùn)送到溶酶體腔方式的不同,哺乳動(dòng)物的自噬可分為大自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬[4]。目前,根據(jù)自噬對(duì)降解底物的選擇性將其分為選擇性和非選擇性自噬,選擇性自噬又可分為線粒體自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬、過(guò)氧化物酶體自噬、核糖體自噬、細(xì)胞核的碎片狀自噬等[5]。

    1.2自噬的形成過(guò)程自噬的形成過(guò)程分為以下幾個(gè)階段。①自噬膜的形成,即在饑餓、某項(xiàng)刺激等因素下,雙層膜的杯狀分隔膜在被降解物周圍形成;發(fā)生自噬的細(xì)胞胞質(zhì)中出現(xiàn)大量游離膜性結(jié)構(gòu),不斷扁平擴(kuò)張,稱之為吞噬泡。②自噬體的形成,即分隔膜逐漸延伸,將被降解物完全包繞隔離形成自噬體;自噬體具有脂質(zhì)雙分子層的膜結(jié)構(gòu),內(nèi)部含有胞質(zhì)及細(xì)胞器;自噬體的形成是自噬的核心部分,是其發(fā)生的典型特征。③自噬體的運(yùn)輸、融合,即自噬體形成后通過(guò)細(xì)胞骨架微管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸將其包裹物運(yùn)輸至溶酶體,自噬泡的外膜與溶酶體膜結(jié)合,內(nèi)膜及其包裹的物質(zhì)進(jìn)入溶酶體腔,被溶酶體中的酶溶解;這種吞噬了細(xì)胞內(nèi)成分的溶酶體稱自噬溶酶體。④自噬體的降解,即自噬體的內(nèi)膜及其內(nèi)部成分被溶酶體酶降解,降解成分部分被循環(huán)利用,部分排出細(xì)胞或沉積在胞質(zhì)中[6]。

    1.3自噬的調(diào)控分子機(jī)制細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)機(jī)制中包括依賴?yán)着撩顾匕械鞍?mTOR)和不依賴mTOR的信號(hào)通路等。①依賴mTOR的信號(hào)途徑:a.mTOR相關(guān)靶點(diǎn)在自噬啟動(dòng)階段發(fā)揮重要作用,包括Ⅰ型PI3K和TOR復(fù)合體1[7]。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是氨基酸、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的感受器,在自噬發(fā)生過(guò)程中起開(kāi)關(guān)作用,其活性受細(xì)胞內(nèi)氨基酸、ATP水平的調(diào)節(jié),營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)mTOR活性受到抑制,從而激活自噬[8,9]。P13K/Akt/TSC2/mTOR信號(hào)通路和AMPK/TSC2/mTOR信號(hào)通路是mTOR上游調(diào)節(jié)自噬的重要通路。mTOR和Beclin1可通過(guò)整合上游各種信號(hào)因子,從而發(fā)揮對(duì)自噬的調(diào)控作用。b.自噬體形成階段的靶點(diǎn)主要存在于Ⅲ型PI3K介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中。Ⅲ型PI3K可與Beclin1形成復(fù)合物,參與早期自噬體的形成,誘導(dǎo)自噬發(fā)生;自噬抑制劑3-MA可通過(guò)抑制Ⅲ型PI3K活性,發(fā)揮抑制或阻斷自噬體形成的作用[10~12]。②不依賴mTOR的信號(hào)途徑:不依賴mTOR的信號(hào)途徑之一就是周期的、可以通過(guò)Camp-Epac-PLC-ε介導(dǎo)的三磷酸肌醇途徑以及Ca2+-calplin-G-stimulatory protein 途徑。Beclin1是酵母中Atg6的同源基因,通過(guò)與Bcl-2、UVRAG、mVps34、Barkor、死亡相關(guān)蛋白激酶1的相互作用,調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬[13]。正常生理?xiàng)l件下,Beclin1與Bcl2相結(jié)合,使自噬保持基礎(chǔ)水平,營(yíng)養(yǎng)缺乏或氧化應(yīng)激時(shí),壓力激活酶Jun N末端肌酶1致Bcl2磷酸化,使Bcl2從Beclin1分離,Beclin1通過(guò)減弱與Bcl2的相互作用,與UVRAG、mVps34等因子結(jié)合激活自噬[14]。此外,胰島素、活性氧(ROS)、Ca2+等因子也能調(diào)節(jié)自噬水平。

    2 自噬在AD發(fā)病中的作用機(jī)制

    AD是常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病,主要的病理特征為神經(jīng)細(xì)胞外出現(xiàn)Aβ、神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)因Tau蛋白異常形成NFT、SP及神經(jīng)元和突觸缺失等。與之相對(duì)應(yīng)的病因?qū)W研究形成了以Aβ、Tau蛋白和軸突運(yùn)輸障礙機(jī)制為主的三大領(lǐng)域,其與自噬關(guān)系的研究越來(lái)越深入。

    2.1自噬參與Aβ清除正常情況下,自噬具有神經(jīng)保護(hù)作用,當(dāng)自噬功能出現(xiàn)障礙時(shí),Aβ降解及清除障礙,造成沉積及神經(jīng)元損傷,導(dǎo)致AD發(fā)生。Aβ沉積之前,PS1/APP小鼠神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)就已發(fā)現(xiàn)大量自噬小體的存在,8周齡小鼠神經(jīng)細(xì)胞自噬囊泡數(shù)目較正常小鼠高5倍,9月齡小鼠則至少高23倍[15]?;虮磉_(dá)技術(shù)提示,AD患者腦組織中自噬啟動(dòng)因子Beclin1 mRNA表達(dá)減少,Beclin1蛋白缺乏,成熟自噬體形成障礙,導(dǎo)致自噬囊泡聚集,Aβ生成增多[16]。自噬系統(tǒng)功能障礙可能導(dǎo)致Aβ沉積,通過(guò)AD模型體外和體內(nèi)共培養(yǎng)間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC),發(fā)現(xiàn)MSC可增加細(xì)胞增殖和增強(qiáng)LC3-Ⅱ表達(dá),增加溶酶體內(nèi)Aβ免疫反應(yīng)性,胞內(nèi)Aβ水平較Aβ-treated細(xì)胞下降。此外,MSC顯著降低海馬體Aβ水平,進(jìn)而增加海馬神經(jīng)元的生存。MSC培養(yǎng)基還能上調(diào)AD模型中Becn1/Beclin1表達(dá)。這些結(jié)果表明,MSC細(xì)胞顯著提高自噬體形成,并增加AD模型中Aβ蛋白清除,這可能會(huì)導(dǎo)致增加存活神經(jīng)元抗Aβ毒性[17]。研究發(fā)現(xiàn),TgCRND8鼠標(biāo)模型刺激自噬溶酶體蛋白水解,呈現(xiàn)自噬底物蛋白水解缺陷,大量溶酶體內(nèi)Aβ積累。通過(guò)基因刪除溶酶體半胱氨酸蛋白酶抑制劑,比較半胱氨酸蛋白酶抑制物,選擇性地恢復(fù)組織蛋白酶活動(dòng),充分清除Aβ、泛素化蛋白及其他自溶酶體/溶酶體自噬基質(zhì),以及減少總Aβ40/42水平和細(xì)胞外淀粉樣蛋白沉積[18]。在體外研究中,超表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)可恢復(fù)被Aβ1-42阻斷的自噬和自噬泡中Aβ1-42降解,調(diào)節(jié)Aβ1-42介導(dǎo)的過(guò)度自噬。此外,TFEB過(guò)度表達(dá)增強(qiáng)組織蛋白酶D的表達(dá)和活性,恢復(fù)被溶酶體酸性環(huán)境干擾的Aβ1-42,促進(jìn)自噬體與溶酶體的融合。TFEB過(guò)度表達(dá)通過(guò)調(diào)節(jié)自噬溶酶體途徑減少Aβ積累,減少Aβ-誘發(fā)ROS生成和細(xì)胞凋亡,從而減輕AD進(jìn)展[19]。同時(shí),自噬影響Aβ的分泌。Nilsson等[20]認(rèn)為,Aβ分泌及斑塊的形成依賴于自噬,自噬缺陷的APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)細(xì)胞外Aβ斑塊明顯降低,但卻伴隨著細(xì)胞內(nèi)Aβ的異常聚集。因此,自噬促進(jìn)APP代謝中Aβ的生成以及向細(xì)胞外分泌,并通過(guò)溶酶體途徑促進(jìn)Aβ的轉(zhuǎn)運(yùn),與AD病理性標(biāo)志SPs的形成密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),自噬抑制劑和誘導(dǎo)劑均增強(qiáng)α-分泌酶、β-分泌酶、γ-分泌酶的活性,促進(jìn)Aβ形成。自噬抑制劑較誘導(dǎo)劑可能更有效激活γ-分泌,促進(jìn)Aβ生產(chǎn)和積累。因此,自噬抑制劑可能激活γ-分泌酶和促進(jìn)Aβ生產(chǎn)、積累,但對(duì)Aβ清除無(wú)影響[21]。有研究[22]發(fā)現(xiàn),口服疫苗接種致APP/PS1大鼠腦內(nèi)rAAV/Aβ、p62水平下降,上調(diào)LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ,提示增強(qiáng)自噬。表明自噬參與誘導(dǎo)Aβ清除,并調(diào)節(jié)自噬通路,可能是一個(gè)重要的預(yù)防和干預(yù)AD策略。

    2.2自噬促進(jìn)Tau及磷酸化Tau降解Tau蛋白是一種微管相關(guān)蛋白,主要分布在神經(jīng)元,其功能是與微管蛋白結(jié)合促進(jìn)微管的形成并保持其穩(wěn)定性,對(duì)維持神經(jīng)細(xì)胞骨架完整性和正常軸突運(yùn)輸起重要的作用。病理狀態(tài)下,Tau被高度磷酸化,失去結(jié)合微管的能力,聚集并形成成對(duì)螺旋絲,從而導(dǎo)致細(xì)胞骨架異常及細(xì)胞死亡。自噬對(duì)Tau蛋白聚集有清除作用,自噬缺陷可導(dǎo)致Tau蛋白清除障礙。因此,AD患者神經(jīng)元中Tau蛋白過(guò)度磷酸或聚合形成了神經(jīng)纖維纏結(jié)。觀察自噬對(duì)Tau降解的影響,在饑餓誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的基礎(chǔ)上觀察兩種MEFs細(xì)胞中Tau和磷酸化Tau的降解情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)自噬缺失的細(xì)胞中Tau和磷酸化Tau降解速率明顯降低,提示自噬能促進(jìn)Tau和磷酸化Tau的降解,自噬抑制能增加Tau的細(xì)胞毒性[23]。越來(lái)越多的證據(jù)表明,Tau積累與神經(jīng)細(xì)胞退化和AD認(rèn)知能力下降的發(fā)展較Aβ斑塊更具相關(guān)性。氧化應(yīng)激是AD的發(fā)病機(jī)制中早期重要事件,因此認(rèn)為導(dǎo)致Tau過(guò)度磷酸化。多項(xiàng)研究[24]表明,神經(jīng)元中自噬通路在生理和病理?xiàng)l件下是很重要的。因此,這個(gè)途徑在降解內(nèi)在可溶性Tau蛋白中扮演著關(guān)鍵角色。

    2.3軸突運(yùn)輸障礙影響自噬功能軸突運(yùn)輸功能障礙是AD的另一個(gè)重要的病理表現(xiàn)。在軸突上進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)神經(jīng)元的存活十分必要,其有助于清理有自噬體富集產(chǎn)生的異常蛋白質(zhì),也有助于將營(yíng)養(yǎng)成分從突觸運(yùn)送到神經(jīng)細(xì)胞胞體中。自噬體不僅在神經(jīng)元中被發(fā)現(xiàn),也存在于軸突及樹(shù)突的遠(yuǎn)端部分。AD患者腦組織中,營(yíng)養(yǎng)障礙的神經(jīng)突起和腫脹的軸突內(nèi)大量聚集的細(xì)胞器意味著軸突運(yùn)輸異常[25]。抑制神經(jīng)元自噬使軸突末梢膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常,伴嚴(yán)重的軸突水腫,由此推測(cè)自噬是突起重塑和延伸的關(guān)鍵機(jī)制。正常神經(jīng)元內(nèi)自噬小體和核內(nèi)體突觸內(nèi)以激活形式存在,當(dāng)發(fā)生AD時(shí),成熟的自噬體及其逆運(yùn)輸障礙,導(dǎo)致神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)不良及變性軸突腫脹大量積累自噬的中間體(自噬空泡)。增強(qiáng)的自噬反應(yīng),自噬空泡Aβ清除缺陷,導(dǎo)致β淀粉狀蛋白質(zhì)在AD積聚[26]。研究發(fā)現(xiàn),營(yíng)養(yǎng)障礙的軸突包繞淀粉樣斑塊,同時(shí)能與有功能的神經(jīng)元連接,據(jù)此推測(cè)軸突的損害可能先于突觸的丟失和神經(jīng)元的損害,在AD的早期病理過(guò)程中起重要作用,同時(shí)說(shuō)明Tau蛋白早期磷酸化使軸突運(yùn)輸缺陷,導(dǎo)致自噬小泡的堆積和神經(jīng)突起的炎性改變,可能是淀粉樣斑塊異常聚集引起軸突反應(yīng)性的改變,但又無(wú)法清除這些異常聚集的蛋白,而使自身受損,最終無(wú)法起到有效運(yùn)輸功能,影響自噬體的成熟和正常功能的發(fā)揮[27,28]。

    綜上所述,AD發(fā)病早期誘導(dǎo)自噬,自噬囊泡水平Aβ沉積及AD病理改變一致,此種狀態(tài)自噬發(fā)揮代償性保護(hù)作用。自噬溶酶體降解異常蛋白,在AD病情嚴(yán)重時(shí),mTOR信號(hào)通路表達(dá)增強(qiáng)或Beclin1表達(dá)下降,自噬抑制或自噬損傷,特別是自噬溶酶體障礙,異常蛋白積聚,AD病理改變明顯。

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    劉厚林(E-mail: liuhoulin888@163.com)

    10.3969/j.issn.1002-266X.2016.15.036

    R741.02

    A

    1002-266X(2016)15-0095-04

    2015-10-18)

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