阿爾茨海默病基因與自噬的研究進(jìn)展*

何永利 綜述，陳陽(yáng)美 審校

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科 400010)

大量證據(jù)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(cuò)折疊蛋白，自噬的損傷可能促成AD相關(guān)的淀粉樣斑塊和Tau聚集體的形成。在AD患者腦、AD動(dòng)物模型腦組織和AD細(xì)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(guò)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(zhì)[如β-淀粉樣蛋白(Aβ)]和功能障礙的細(xì)胞器，因此對(duì)AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展發(fā)揮了重要的調(diào)控作用。自噬也因此被認(rèn)為是AD病變中可以對(duì)Aβ在神經(jīng)元中的聚集和減輕神經(jīng)毒性的潛在治療靶點(diǎn)。本文討論了AD相關(guān)基因與自噬的關(guān)聯(lián)性，試圖理解自噬是如何涉及AD的發(fā)病機(jī)制及如何利用自噬途徑防治AD的。

1 AD

AD是最常見的神經(jīng)變性疾病，也是全球第四大致死性疾病，其特征是認(rèn)知功能和記憶形成的進(jìn)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(wàn)人。在AD患者腦中，淀粉樣斑塊的胞外沉積和神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)的胞內(nèi)聚集是其主要的病理特點(diǎn)。淀粉樣斑塊由前體蛋白(APP)經(jīng)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(jīng)元周圍胞外Aβ沉積是AD的主要致病因素。但是，大量證據(jù)表明神經(jīng)元中胞內(nèi)Aβ聚合物與認(rèn)知障礙緊密相關(guān)，表明胞內(nèi)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(jìn)其清除已成為目前治療AD的重要策略之一，但迄今為止對(duì)于Aβ沉積尚無(wú)理想的治療方案。

2 自 噬

自噬是存在于真核生物中進(jìn)化上保守的維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的過(guò)程[6]。自噬是細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)半衰期蛋白或胞漿中的細(xì)胞器由雙層膜的自噬泡包裹后經(jīng)溶酶體途徑降解的過(guò)程，它對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、存活、發(fā)展和死亡過(guò)程中起重要作用[6]。隨著年齡增長(zhǎng)自噬能力的降低，且氧化自由基對(duì)蛋白質(zhì)等的損壞會(huì)造成異常蛋白質(zhì)及細(xì)胞器聚集，成為體內(nèi)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(guān)基因與自噬

3.1與AD相關(guān)的基因 與家族性早發(fā)AD相關(guān)的經(jīng)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(fā)性AD的最強(qiáng)危險(xiǎn)因素[8]。最近遺傳研究發(fā)現(xiàn)了許多影響晚發(fā)性AD的新基因位點(diǎn)[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(chǎn)生Aβ(AD老年斑的主要成分)。APP基因中有超過(guò)30個(gè)突變與家族性早發(fā)AD相關(guān)[10]。早期研究表明AD神經(jīng)突內(nèi)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(rèn)為是導(dǎo)致Aβ產(chǎn)生的原因[7,11]。但是，進(jìn)一步研究自噬本身及其與AD的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，APP、Aβ、CTF和BACE其實(shí)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(lái)預(yù)防AD[13]，這些證據(jù)也支持了上述觀點(diǎn)。

APP或Aβ在自噬中的直接作用尚未確定，但是APP中AD相關(guān)突變可能通過(guò)損害自噬功能而導(dǎo)致AD發(fā)病。這種突變會(huì)產(chǎn)生更多易聚集的Aβ，由于底物積累而引起過(guò)度自噬。Aβ通過(guò)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(fā)生和胞內(nèi)細(xì)胞器的轉(zhuǎn)運(yùn)。Aβ的這一特征也可能影響自噬體的生物發(fā)生或轉(zhuǎn)運(yùn)及其與溶酶體的融合，這種可能性在未來(lái)也需要被解決。溶酶體中Aβ聚集導(dǎo)致溶酶體膜不穩(wěn)定和泄漏，這也損傷了自噬和溶酶體降解[14]。研究表明，過(guò)表達(dá)p62 的AD小鼠腦中自噬活性增加，提高了認(rèn)知能力，且Aβ表達(dá)顯著降低[15]。Beclin1可促進(jìn)APP降解并降低APP代謝物的分泌[16]。

3.3PS PS1和PS2是含有9個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)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(qiáng)子2形成γ-分泌酶復(fù)合物，將APP切割成Aβ。據(jù)報(bào)道，PS中有約200個(gè)突變會(huì)導(dǎo)致Aβ42/Aβ40比值增高而導(dǎo)致早發(fā)家族性AD[10]。除了作為Aβ產(chǎn)生的γ-分泌酶功能之外，PS也通過(guò)調(diào)節(jié)vAT-Pase介導(dǎo)的溶酶體酸化而有效地進(jìn)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(guò)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(xì)胞鈣離子穩(wěn)態(tài)，因而導(dǎo)致AD相關(guān)的病理過(guò)程[19]。

3.4Tau Tau的大量聚集與神經(jīng)退行性疾病和認(rèn)知障礙密切相關(guān)，表明Tau也是AD的一個(gè)重要因子。過(guò)度磷酸化Tau的聚集形成叫做雙螺旋絲(PHFs)的神經(jīng)細(xì)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(yùn)動(dòng)[22]。因此，Tau缺失使微管不穩(wěn)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(dǎo)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(guò)激活自噬降解病理性Tau來(lái)預(yù)防AD發(fā)生[25]。核蛋白NDP52是自噬的一種受體，它通過(guò)自噬選擇性降解底物。NDP52可介導(dǎo)磷酸化Tau通過(guò)自噬清除[26]。

3.5金屬蛋白酶結(jié)構(gòu)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(chǎn)生[27]。ADAM10過(guò)表達(dá)能預(yù)防淀粉樣病變和提高長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用及學(xué)習(xí)記憶功能[28]。ADAM10中罕見的編碼變體與晚發(fā)家族AD相關(guān)。沒(méi)有關(guān)于ADAM10與自噬和AD相關(guān)的報(bào)道，但最近一則報(bào)道指出在內(nèi)皮細(xì)胞中ADAM10可以被自噬調(diào)節(jié)，反過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)小鼠對(duì)內(nèi)皮ADAM10相關(guān)疾病狀態(tài)的敏感性[29]。因此，有可能ADAM10在神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞也可以被自噬調(diào)節(jié)。神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞ADAM10的自噬調(diào)節(jié)及AD相關(guān)的ADAM10變體對(duì)自噬的影響需要在將來(lái)的研究中得到闡明。

3.6β位點(diǎn)裂解酶-1(BACE1) BACE1是機(jī)體內(nèi)主要的β-分泌酶，是分解APP產(chǎn)生Aβ的限速酶。研究表明，在小鼠腦內(nèi)注射BACE1 siRNA可減輕AD小鼠Aβ沉積并提高認(rèn)知功能[30]，這說(shuō)明抑制BACE1表達(dá)會(huì)改善Aβ相關(guān)的認(rèn)知功能障礙，因此BACE1被作為AD藥物潛在靶點(diǎn)。

有研究報(bào)道，Se-Met處理過(guò)表達(dá)APP的N2a細(xì)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(chǎn)生的。此外，Se-Met處理的細(xì)胞中LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比例和LC3陽(yáng)性熒光點(diǎn)數(shù)均顯著降低，表明Se-Met通過(guò)調(diào)節(jié)自噬途徑促進(jìn)Aβ清除[31]。誘導(dǎo)神經(jīng)元自噬增強(qiáng)了BACE1周轉(zhuǎn)，溶酶體抑制劑抑制了BACE1周轉(zhuǎn)。在人APP轉(zhuǎn)基因神經(jīng)元和AD小鼠腦的遠(yuǎn)端軸突中，BACE1相關(guān)的自噬液泡大量聚集。在遠(yuǎn)端軸突中，誘導(dǎo)自噬能增加BACE1的自噬保留，從而導(dǎo)致APP β剪切的增強(qiáng)[32]。BACE1蛋白水平的降低被證明是通過(guò)MAPK14介導(dǎo)的溶酶體降解。BACE1的溶酶體降解似乎依賴于自噬的刺激，因?yàn)樽允勺钄鄤?-甲基腺嘌呤(3-MA)或沉默ATG5消除了MAPK14對(duì)BACE1蛋白水平的作用[33]。然而，自噬刺激導(dǎo)致BACE1蛋白溶酶體降解的具體機(jī)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(xì)胞產(chǎn)生的載脂蛋白。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，APOE主要由星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生并通過(guò)APOE受體將膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)至神經(jīng)元[34]。根據(jù)兩個(gè)氨基酸殘基(112和158)不同，APOE分為3個(gè)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(fā)性AD 3倍的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于純合載體則增加了8～10倍[10]。APOEε2可降低遲發(fā)性AD的風(fēng)險(xiǎn)并延緩發(fā)病年齡[10]。APOE結(jié)合Aβ影響Aβ的清除，APOE4加速Aβ原纖維形成并增加實(shí)質(zhì)內(nèi)Aβ沉積。因此，APOE4誘導(dǎo)的Aβ數(shù)量的提高和聚集可能導(dǎo)致了AD中自噬的損傷。再有，APOE4本身增強(qiáng)Aβ誘導(dǎo)的溶酶體膜不穩(wěn)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(dǎo)條件下，與表達(dá)APOE3的星形膠質(zhì)細(xì)胞相比，表達(dá)APOE4的細(xì)胞表現(xiàn)出較低的自噬通量。自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素通過(guò)APOE4星形膠質(zhì)細(xì)胞增強(qiáng)Aβ斑塊降解，而自噬抑制劑氯喹阻斷了APOE3星形膠質(zhì)細(xì)胞中Aβ斑塊的降解?？傊?，這些研究結(jié)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(guān)。這表明自噬障礙可能在介導(dǎo)APOE4在AD中的病理作用中發(fā)揮作用。

3.8髓系細(xì)胞觸發(fā)受體2(TREM2) TREM2是在骨髓細(xì)胞(如小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、破骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)亞型細(xì)胞膜上表達(dá)的先天免疫受體。TREM2可能在骨髓細(xì)胞中起作用，最可能是破骨細(xì)胞和小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，這二者都參與骨重建和腦功能，后者的功能受糖基化調(diào)控。全基因組關(guān)聯(lián)研究表明TREM2在晚發(fā)性AD的進(jìn)展中可能發(fā)揮作用。TREM2在AD轉(zhuǎn)基因小鼠模型的小膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)。最近研究報(bào)道，幾種TREM2突變引起無(wú)骨病變的額顳癡呆癥綜合癥。在損傷的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，小膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)的TREM2對(duì)清除神經(jīng)碎片起關(guān)鍵作用。AD相關(guān)的TREM2的R47H變體通過(guò)小膠質(zhì)細(xì)胞減少了Aβ吞噬作用。APOE是TREM2的配體，且APOE不能與R47H變體結(jié)合。小膠質(zhì)細(xì)胞中TREM2的回收由參與自噬的蛋白質(zhì)Beclin1調(diào)節(jié)。AD腦小膠質(zhì)細(xì)胞中Beclin1水平降低與TREM2的再循環(huán)和吞噬功能受損有關(guān)。因此，TREM2和自噬之間的關(guān)系機(jī)制亟待闡明。

3.9磷脂酰肌醇結(jié)合網(wǎng)格蛋白裝配蛋白(PICALM) PICALM主要在神經(jīng)元中表達(dá)，并且涉及網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞作用和突觸囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)。PICALM在AD腦中表達(dá)降低且與NFT共定位。在Tau疾病和與Tau不相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病中，PICALM的降低與自噬標(biāo)志物L(fēng)C3-Ⅱ升高和Beclin1水平降低密切相關(guān)。PICALM通過(guò)調(diào)節(jié)SNAREs的內(nèi)吞和調(diào)節(jié)Tau積累來(lái)影響自噬。在斑馬魚模型中，PICALM表達(dá)的改變加劇了Tau介導(dǎo)的細(xì)胞毒性。全基因組關(guān)聯(lián)研究將PICALM鑒定為AD的風(fēng)險(xiǎn)基因。PICALM改變APP轉(zhuǎn)運(yùn)并調(diào)節(jié)Aβ斑塊沉積和Aβ誘導(dǎo)的毒性。PICALM與LC3相互作用，并通過(guò)自噬靶向APP-CTF進(jìn)行降解。

3.10簇集蛋白(Clusterin) Clusterin是應(yīng)激激活的伴侶蛋白。Clusterin中各種單核苷酸多態(tài)性(SNPs)均與AD有關(guān)。許多研究調(diào)查了AD和Clusterin的關(guān)系及這個(gè)伴侶在疾病中的作用。在Aβ斑塊中發(fā)現(xiàn)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(dá)升高。最近發(fā)現(xiàn)Clusterin能促進(jìn)LC3脂質(zhì)化，并在癌癥的應(yīng)激條件下誘導(dǎo)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在低氧腎細(xì)胞中Clusterin依賴的促存活自噬與錯(cuò)折疊蛋白反應(yīng)緊密相關(guān)。

3.11其他AD相關(guān)基因 除了上述AD相關(guān)基因之外，許多其他基因也與AD有關(guān)。幾乎沒(méi)有關(guān)于這些基因與自噬之間潛在關(guān)系的報(bào)道。將來(lái)的研究可能會(huì)揭示這些基因與自噬和AD發(fā)病機(jī)制的關(guān)系。

APP、Aβ、Tau、ADAM10和BACE1是自噬的底物。PS、APOE、PICALM和Clusterin等可通過(guò)不同機(jī)制調(diào)節(jié)自噬。最新的AD遺傳研究發(fā)現(xiàn)大量與AD有關(guān)的基因，它們?cè)贏D中的致病作用將在未來(lái)得到闡明。這些基因也可能與自噬有關(guān)系，其自身可能在AD發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用。