自噬調(diào)控與阿爾茨海默病相關(guān)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(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)附屬四院，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；3.鎮(zhèn)江杰勝瑞科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一種致命的神經(jīng)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(guān)于AD的發(fā)病機制暫不明確，其原因涉及各種復(fù)雜的病理生理過程，如氧化應(yīng)激、神經(jīng)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(lián)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(jīng)科學(xué)界普遍認可的觀點是AD的發(fā)生伴隨著神經(jīng)元的進行性退化。AD典型的兩大病理學(xué)標志物為細胞內(nèi)的神經(jīng)元纖維纏結(jié)(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(jié)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(nèi)自我降解的過程，負責(zé)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(tài)的過程，是由細胞應(yīng)激，如蛋白質(zhì)聚集物的出現(xiàn)、細胞器的損壞、營養(yǎng)缺乏和病原體感染等誘發(fā)[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(dǎo)致各種蛋白積累在細胞內(nèi)。與泛素降解系統(tǒng)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(fù)合物[9]。自噬失調(diào)與多種疾病，如神經(jīng)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(guān)。本文將對AD相關(guān)的自噬機制進行系統(tǒng)的闡述。

1 連接自噬和AD的生物通路

1.1 內(nèi)源性溶酶體系統(tǒng)

自噬是調(diào)節(jié)Aβ和tau蛋白產(chǎn)生和清除的關(guān)鍵調(diào)節(jié)途徑，在該過程中，Aβ和tau蛋白聚集物陷于或產(chǎn)生于核內(nèi)體(核內(nèi)體提供了細胞外物質(zhì)進入細胞內(nèi)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(jīng)溶酶體酶降解。根據(jù)溶酶體降解細胞內(nèi)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(dǎo)的自噬和巨自噬。① 在微自噬中，溶酶體膜直接內(nèi)陷，胞質(zhì)內(nèi)成分被吸收到溶酶體中；② 分子伴侶介導(dǎo)的自噬，即分子伴侶蛋白促進胞質(zhì)蛋白降解并靶控胞質(zhì)內(nèi)蛋白進入溶酶體腔；③ 巨自噬：在巨自噬中，亞細胞雙層膜結(jié)構(gòu)包裹被降解的胞質(zhì)蛋白，命名為“自噬體”，自噬體轉(zhuǎn)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(guān)的一種自噬機制。

在健康者中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(jīng)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(yǎng)不良的神經(jīng)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(nèi)源性溶酶體系統(tǒng)，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(jīng)元中出現(xiàn)大量的自噬空泡積聚。為了探究體內(nèi)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(zhuǎn)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(jīng)元出現(xiàn)淀粉樣改變[22]。

1.2 神經(jīng)炎癥信號通路

在體內(nèi)，炎癥通常具有保護作用，然而，過度的炎癥和慢性應(yīng)激可導(dǎo)致細胞損傷。AD發(fā)生時，錯誤聚集的Aβ蛋白促進小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞活化，釋放炎癥介質(zhì)[23]，繼而誘導(dǎo)先天免疫反應(yīng)。炎癥、自噬以及AD三者之間存在交叉關(guān)系[24]： ① 炎癥因子誘導(dǎo)自噬發(fā)生，如IL-1β介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)激活小膠質(zhì)細胞自噬[25]；炎癥介質(zhì)的水平與自噬關(guān)鍵調(diào)節(jié)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(guān)。② AD伴隨著自噬的改變，Aβ42在體外影響多種自噬相關(guān)蛋白如p62[26]、p70S6K[20]表達。③ AD伴隨著炎癥介質(zhì)的增加及自噬缺陷的發(fā)生，成年App和PS-1雙轉(zhuǎn)基因突變體小鼠腦區(qū)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(yǎng)不良的神經(jīng)元中積累[25]。④ 自噬缺陷誘導(dǎo)炎癥發(fā)生，抑制自噬的發(fā)生也會增強小膠質(zhì)細胞的活化，如IL-1β等細胞因子的分泌和活性氧類的產(chǎn)生[27]。綜上所述，AD、炎癥及自噬三者存在緊密聯(lián)系，自噬可能通過抑制神經(jīng)炎癥，在AD中發(fā)揮神經(jīng)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(diào)細胞中β-分泌酶和-分泌酶，抑制自噬，導(dǎo)致Aβ降解減少，Aβ產(chǎn)生和沉積增多，從而介導(dǎo)AD發(fā)生[28]。也有研究表明PTEN/AKT/mTOR信號通路干預(yù)有助改善AD癥狀。AMP活化蛋白激酶作為細胞能量穩(wěn)態(tài)的調(diào)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(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素阻斷mTOR信號通路能夠減少AD轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮層淀粉樣沉積[30]，緩解其認知缺陷，該發(fā)現(xiàn)與在神經(jīng)元中激活自噬具有相同的效果。干預(yù)mTOR信號通路參與的自噬調(diào)控可能是治療AD的潛在靶點之一。

2 自噬和AD相關(guān)基因

2.1 Atg7

Atg7是調(diào)節(jié)自噬的關(guān)鍵基因[31]。研究表明，Atg7特異性敲除小鼠表現(xiàn)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(dǎo)Aβ肽轉(zhuǎn)運到神經(jīng)元核內(nèi)體中降解[34]。體外實驗證明，通過siRNA技術(shù)干擾Atg7的轉(zhuǎn)錄和表達，可以抑制Aβ40產(chǎn)生和分泌[35]。但也有研究表明，大鼠海馬內(nèi)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(guān)鍵分子參與AD進程。

2.2 Bcl2

BCL2作為抗凋亡因子，可與BECN1交聯(lián)調(diào)節(jié)自噬[37]。在AD小鼠所有有絲分裂后神經(jīng)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(jīng)元BCL2的表達降低[39]。體外過表達Bcl2可以抑制Aβ誘導(dǎo)的細胞死亡，發(fā)揮神經(jīng)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(dǎo)自噬啟動和自噬體的產(chǎn)生。研究表明，與健康對照者的小膠質(zhì)細胞相比，AD患者死后大腦中分離出的小膠質(zhì)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(qū)BECN1水平下降，即AD發(fā)生伴隨著BECN1蛋白表達下調(diào)[41]。體外研究結(jié)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(guān)[42]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，與對照組小鼠相比，BECN1雜合子小鼠神經(jīng)元自噬水平顯著增高，即BECN1蛋白通過調(diào)控自噬、保護神經(jīng)元繼而改善AD進展[43]。此外，BECN1也可以通過調(diào)控神經(jīng)炎癥信號通路參與AD發(fā)生，BECN1表達降低可能增加小膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的炎性反應(yīng)，利用慢性脂多糖誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥發(fā)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(xué)標志物之一，是由重組人微管相關(guān)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(nèi)的一些神經(jīng)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(nèi)MAPT聚集抑制參與正向調(diào)節(jié)內(nèi)涵體分選復(fù)合物形成的復(fù)合物Ⅲ相關(guān)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(diào)控因子。上調(diào)MAPT轉(zhuǎn)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(diào)IST1表達，則可導(dǎo)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(jīng)炎癥的發(fā)生[47]。

2.5 PSEN1(早老蛋白-1)

PSEN1是App剪切酶-分泌酶復(fù)合物和自噬蛋白水解作用的調(diào)節(jié)因子。Psen1基因突變參與AD的早期進程，且該效應(yīng)是由突變基因編碼的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和疏水性異常而介導(dǎo)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(diào)控，溶酶體蛋白水解異?？赡軐?dǎo)致蛋白累積和神經(jīng)元死亡[49]。

3 總結(jié)

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