自噬与神经退行性病变研究进展

自噬与神经退行性病变研究进展

宋爱霞刘宏骞张安民

(烟台大学体育学院，山东烟台264005)

关键词〔〕自噬；神经退行性病变；易聚集蛋白

中图分类号〔〕R741〔

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31050009)

通讯作者：张安民(1959-)，男，教授，硕士生导师，主要从事运动医学研究。

第一作者：宋爱霞(1974-)，女，硕士，讲师，主要从事运动生物力学研究。

神经退行性疾病主要包括阿尔茨海默病(AD)、亨廷顿舞蹈病(HD)和帕金森病(PD)等。共同病理特征是神经元内存在大量错误折叠并易聚集的蛋白质，如突变的α-共核蛋白、β-淀粉样蛋白(Aβ)、tau蛋白、亨廷顿蛋白(Htt)等对神经元产生毒性作用，从而影响神经元之间的连接性和可塑性，甚至可能触发细胞死亡信号通路的激活，导致神经元大量死亡。自噬作为真核细胞中普遍存在的一种溶酶体依赖型途径，可降解胞质内过多的蛋白质、细胞器和代谢产物，不仅能维持细胞的稳态效应，还能促进氨基酸、核苷酸和游离脂肪酸的再循环，并为细胞再生提供一定的底物和原料〔1〕。神经细胞中对神经元产生毒性作用的易聚集蛋白也能通过自噬作用降解。单纯的自噬障碍可产生神经退行性疾病的表型，病理上表现为细胞内包涵体的大量堆积〔2〕。这充分说明自噬在降解神经细胞中易聚集蛋白质过程中具有不可替代的作用。本文特将自噬和神经退行性病变的相关研究进展作一综述。

1自噬概述

自噬发生的过程：①自噬诱导：细胞在营养缺乏、微生物感染、细胞器损伤蛋白质聚集或折叠错误时，由来源于内质网的非核糖区域、高尔基体的自噬体膜脱落形成杯状双层膜结构的前自噬体(PAS)，此过程中，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)可通过整合各种信号刺激从而发挥对自噬的诱导作用；②自噬体的形成：PAS 逐渐扩张，包绕欲降解的胞质成分形成封闭的球状自噬体。Atg5-Atg12 和LC3-Ⅱ(酵母Atg8 的同系物)-磷脂酰乙醇(PE)泛素化蛋白连接系统在自噬体的伸展扩张过程中发挥了重要作用〔3〕；③自噬溶酶体的形成与降解：自噬体通过细胞骨架微管系统输送到溶酶体，与融合成自噬溶酶体，并由溶酶体酸性蛋白酶降解衰老或损伤的蛋白质或细胞器，产生脂肪酸、氨基酸、游离脂肪酸等物质，供细胞代谢利用，而残渣则被排出细胞或滞留在胞浆中，此过程中，主要有Ⅱ型溶酶体膜相关蛋白Lamp2、小GTP 蛋白Rab7、UVRAG等因子的参与〔4〕。

自噬的发生受到各种信号因子的调节，其中mTOR和Beclin 1可通过整合上游各种信号因子，从而发挥对自噬的直接调控作用。mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是氨基酸、营养状态的感受器，在自噬发生过程中具有“开关”作用，能抑制自噬的发生，使用雷帕霉素抑制mTOR的活性能激活自噬。PI3K/Akt/TSC2/mTOR信号通路和AMPK/TSC2/mTOR信号通路是mTOR上游调节自噬的最重要的通路。Beclin 1是酵母中Atg6的同源基因，一般不能直接发挥对自噬的诱导作用，而是通过与Bcl-2、UVRAG、mVps34、Barkor、死亡相关蛋白激酶1(DAPK1)的相互作用，从而调节细胞自噬〔5〕。正常的生理条件下，Beclin 1与Bcl-2相结合从而使自噬保持基础水平；营养缺乏或氧化应激时，Beclin 1通过减弱与Bcl-2的相互作用，与UVRAG、mVps34等因子相互结合从而激活自噬〔6〕。此外，胰岛素、ROS、Ca2+等因子也能调节自噬水平〔7〕。

2自噬与神经退行性病变

2.1自噬与ADAD是老年人中常见的慢性大脑退行性变性疾病，其临床表现为缓慢的记忆力下降、言语和认知功能障碍以及伴或不伴轻度的神经系统体征。AD的主要病理特征为大脑皮层和海马区大量淀粉样老年斑块(SP)沉积、神经元纤维缠结(NFTs)及特定的脑区神经元和突触的丢失〔8〕。与之相对应的病因学研究形成了以Aβ、tau蛋白和神经元缺失机制为主的三大研究领域。其中，Aβ的生成和聚集是AD发病的中心环节。

一般来说，可溶性Aβ本身并没有神经毒性，但若β-折叠形成的丝状纤维聚集物变为不溶性沉淀时就会产生神经细胞毒性作用，其中以Aβ42/Aβ43聚集产生的毒性作用最强〔9〕。研究认为，AD的发病早期有自噬的激活，并作为一种保护机制抑制细胞进一步损伤，但随着疾病的发展，自噬功能逐渐降低。同时，Aβ抑制溶酶体的降解功能并使其迅速达到毒性水平，使溶酶体产生活性氧，后者通过抑制自噬溶酶体对内源物的消化降解，使溶酶体内外质子梯度改变从而引起细胞死亡，提示自噬功能障碍可能是导致胞质内Aβ聚集、引起神经元损伤和细胞外SP形成的重要病理机制〔10〕。AD患者神经细胞中也常出现大量聚集的tau蛋白。一般来说，AD患者中tau蛋白发生异常的高度磷酸化而不能与微管相结合，使之不稳定并发生聚集，导致AD患者形成NFTs。自噬对清除tau蛋白及其聚集体具有重要作用。通过自噬诱导剂雷帕霉素可使高度磷酸化的tau蛋白通过自噬溶酶体途径消化降解，从而降低神经毒性，缓解AD症状〔11〕。

2.2自噬与HDHD是一种以影响运动能力为主的神经退行性疾病，属于常染色体显性遗传疾病。临床表现为慢性进行性舞蹈样不自主运动、精神障碍甚至痴呆。该病的致病基因是IT-15，其1号外显子含有一段多态性三核苷酸CAG重复序列，当CAG重复拷贝数大于37时即会发病〔12〕。IT-15编码一种相对分子量为350 ku的Htt。HD的主要病理特征是中枢神经的神经元存在一些由突变型Htt形成的包涵体和聚集体，其主要成分是由延长多聚谷氨酰胺系列(Poly Q)的Htt片段聚集成的纤维状蛋白质〔13〕。

各牧草品种CP产量年际变化显著(P<0.05)，月变化显著(P<0.05)。2年平均以星星草CP产量最高，为69.73 g/m2，其次为同德老芒麦(65.79 g/m2)、垂穗披碱草(60.71 g/m2)、中华羊茅(51.00 g/m2)、青海早熟禾(41.49 g/m2)。同德老芒麦和垂穗披碱草CP产量在8月达到最高值，显著高于7月和9月，青海草地早熟禾、星星草和青海中华羊茅CP产量2年的变化没有规律。2014年CP产量在9月达到最高值，2015年在8月达到最高值(图 6)。

一般来说，含正常长度的谷氨酰胺残基的Htt碎片可被泛素蛋白酶体途径降解，但含延长的谷氨酰胺残基的Htt碎片聚集时则不能被该途径降解，这就导致蛋白质降解障碍并在胞浆里或核中聚集。在HD中发现自噬体膜内Htt大量聚集，在动物模型中通过敲除Beclin 1基因可抑制自噬活性，增加Htt的积累。但使用雷帕霉素作用后可提高细胞降解突变性Htt蛋白的能力，减少胞浆中Htt蛋白的大量聚集，从而提高细胞的存活率。但若突变的Htt聚集体已经形成并聚集，雷帕霉素就失去了作用。因此，雷帕霉素主要在疾病的发病初期通过减少聚集物的形成，降解胞质内具有毒性的Htt片段，减轻这种疾病。Zheng等〔14〕研究发现，表达外源Htt能显著减少小鼠纹状体和大脑皮质部位神经元突变型Htt聚集体的形成，改善HD小鼠异常运动症状，延长HD小鼠寿命。伴随着HD小鼠行为学的改善，表达外源Htt可明显提高小鼠脑内自噬关键蛋白LC3的表达水平，即外源Htt能通过增强自噬活性，从而减轻HD症状。

2.3自噬与PDPD是老年人中常见的一种以运动障碍为主要表现的神经系统变性疾病，临床表现为静息震颤、运动迟缓、步态异常、肌肉僵硬，主要病理特征是黑质致密部多巴胺能神经元变性缺损以及胞内以泛素和α-突触核蛋白为主要成分的路易小体(LB)的形成〔15〕。

虽然目前PD患者α-突触核蛋白聚集的原因尚不清楚，但主要的蛋白质降解系统障碍和氧化应激被认为是这些易聚集蛋白质积累的重要发病机制〔16〕。通常认为，LB的形成不是细胞死亡的主要原因，甚至PD患者中LB的形成还可能是一种细胞保护机制。而α-突触核蛋白的初原纤维和寡聚体则具有细胞毒性，是PD发病机制中的主要原因〔17〕。α-突触核蛋白过量表达则抑制Atg9定位于泡膜，使自噬泡形成受阻，自噬功能异常，导致蛋白质异常聚集、线粒体功能障碍、ROS增加以及细胞凋亡〔18〕。由此可见，α-突触核蛋白抑制自噬会促进其发病。一般来说，PD患者泛素蛋白酶体途径障碍，不能有效清除大量聚集的α-突触核蛋白。可溶性的α-突触核蛋白可通过分子伴侣介导的自噬(CMA)途径最终被溶酶体消化降解，但致病性α-突触核蛋白突变体与溶酶体膜上的特异性受体具有很高的结合力，从而阻断溶酶体的摄入，并抑制其降解，增加胞质内各类蛋白质聚集，因此通过CMA途径不能有效降解α-突触核蛋白〔19〕。这样，胞质内α-突触核蛋白就会过度增加从而寡聚化或形成聚集体，并和其他蛋白一起破坏胞内蛋白的动态平衡，导致神经细胞毒性。而大自噬则能有效降解大量聚集的α-突触核蛋白〔20〕。大量研究证明，一旦泛素蛋白酶体途径和CMA途径受阻，大自噬途径即会上调，残留的α-突触核蛋白聚集物即会降解。研究表明，雷帕霉素可通过抑制自噬的负性调节因子mTOR从而激活自噬，增强以各种形式聚集的α-突触核蛋白和损伤细胞器的降解。而锂盐、丙戊酸盐等一些能够降低细胞内肌醇水平的药物则能够以mTOR非依赖性方式调节自噬活性。锂盐可通过抑制肌醇单磷酸盐(IMPase)，降低肌醇和肌醇三磷脂(IP3)水平从而激活自噬〔21〕。通常认为，使用雷帕霉素和锂盐联合治疗PD疾病可增强这两条相互独立的途径从而上调自噬水平，这比单一促进一种途径能发挥更大的效应。

近期研究表明，线粒体功能异常也是诱导PD发病的重要机制。当线粒体损伤时，PINK-1和Parkin被募集到线粒体膜上，诱导线粒体自噬，清除受损线粒体。但PD患者PINK-1和Parkin突变导致线粒体自噬途径受损，损伤线粒体聚集和ROS大量产生对神经元造成损伤〔22〕。

3小结

在神经退行性疾病中，由于泛素蛋白酶体途径不能发挥对突变Htt聚集体、tau蛋白、α-突触核蛋白等的正常降解作用，致使这些蛋白质大量聚集〔23〕。而自噬作为真核细胞中普遍存在的生命现象，不仅对应激状态下细胞存活、清除神经细胞内衰老的细胞器或错误折叠与聚集的蛋白质具有重要作用，还可作为神经细胞的自我保护机制，预防神经变性，维持内环境的稳态；但过度自噬则可能导致神经元大量死亡，诱发或加重神经退行性疾病。因此，随着对自噬与神经系统疾病分子机制研究的不断深入，通过一系列途径适度调节自噬水平已经成为预防或治疗神经退行性病变的重要途径。

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〔2013-12-17修回〕

(编辑李相军)