细胞自噬与神经退行性疾病的研究进展

邢欢欢，陈薇

1.桂林医学院临床医学神经内科，广西桂林 541004；2.桂林医学院药理学院药理系，广西桂林 541004

细胞自噬与神经退行性疾病的研究进展

邢欢欢1，陈薇2

1.桂林医学院临床医学神经内科，广西桂林 541004；2.桂林医学院药理学院药理系，广西桂林 541004

细胞自噬广泛存在于真核细胞中，是细胞内的一种“自食”的现象，膜包裹部分胞质和细胞内需降解的细胞器、蛋白质等形成自噬体，并与内涵体形成自噬内涵体，在激素和溶酶体的介导下降解体内多余的蛋白质和细胞器，维持体内外内环境和神经元的稳态，对机体起到保护的作用。神经退行性疾病是一类以蛋白质异常蓄积为特点的中枢神经系统退行性疾病。近年来的研究表明，通过自噬可以有效的清除神经系统中异常积聚的蛋白质和细胞器，利用提高细胞自噬能力对神经退行性疾病进行治疗具有光明的前景，从而减轻其临床症状。

细胞自噬；神经退行性疾病；α-突触核蛋白；β-淀粉样蛋白

自噬是一个吞噬自身细胞器进入囊泡后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物的过程，满足自身代谢需求以及细胞器的更新。相关研究表示自噬与一些神经退行性疾病的发生有着密切的关系。

1 自噬

机体通过自噬清除错误折叠和变性的蛋白质，蛋白质聚集体和细胞器，以实现细胞自我更新及机体的新陈代谢。机体降解体内物质的途径主要有两种，一种是通过泛素-蛋白酶体系统，降解半衰期短的蛋白质。一种是自噬-溶酶体系统，降解半衰期较长的蛋白质和细胞器[1]。细胞自噬主要指大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬。自噬在维持细胞稳态、生长、肿瘤形成和感染过程中发挥着重要的作用。有研究表明，神经细胞中蛋白质聚集体的堆积与神经退行性疾病密切相关[2]。

1.1 自噬的类型

根据底物达到溶酶体腔的不同，将细胞自噬分为3种类型：微自噬，分子伴侣介导的自噬（CMA）和大自噬。微自噬是溶酶体主动吞噬胞浆的成分。当机体发生微自噬时，溶酶体膜自身发生变形，主动将胞质底物吞并和降解。分子伴侣具有高度的选择性，分子伴侣介导的自噬体只发生在哺乳动物中，是指胞浆内的蛋白质与分子伴侣结合，通过识别溶酶体膜上的受体，被溶酶体酶消化降解。分子伴侣介导的自噬体的底物蛋白质具有可溶性，其胞质中包含的靶向序列五肽 KFERQ被热休克蛋白HSC70识别并与之结合，结合后形成的底物与溶酶体膜受体LAMP-2A特异性结合，进入溶酶体内，溶酶体腔内二级伴侣蛋白对其进行转运。大自噬就是我们通常说的自噬，当机体细胞缺乏营养或者被病毒感染时，就会发生大自噬。当细胞受到外界环境的刺激，细胞质中的内容物就会被膜结构包裹，形成双层膜结构的闭合性空泡，然后与内涵体融合，形成自噬体，最后溶酶体的水解酶降解自噬体的内层及其包含的内容物。大自噬与小自噬在清除蛋白质和细胞器是没有明显的选择性，但是分子伴侣介导的自噬（CMA）则有明显的选择性，且只存在于哺乳动物中。杨怡等[3]在大鼠肝脏和培养的陈纤维细胞如何清除氧化损伤的蛋白质试验中发现，氧化损伤的蛋白质更容易被由受体转运入溶酶体被降解。在正常情况下，机体内的自噬体处于一个较低的水平，当机体处于饥饿状态下，自噬水平会被激发到原来的10倍，但是LAMP-2A没有被重新合成。氧化应激条件下，LAMP-2A受体转录水平被激发，溶酶体膜相关受体LAMP-2A被激活，提高了CMA清除氧化损伤的蛋白质和细胞器的能力。

1.2 自噬的分子机制

自噬体的生物合成分为以下3个阶段：起始（initiation），核化（nucleation）和延伸（expansion）。 在酵母细胞的实验研究中，发现了30多种自噬相关因子，其中包括ULK复合物。自噬体的起始需要ULK复合物的配合，当机体处于饥饿或氨基酸缺乏的环境下，LUK复合物中的ULK1和ULK2被激活，并将其底物磷酸化[4]，促进自噬的发生。研究表明，ULK复合物的活性与mTORC1(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)密切相关。当细胞处于营养充足的情况下，ULK复合物与mTORC1结合在一起，ULK处于失活状态。细胞处于饥饿状态时，mTORC1活性被抑制，ULK复合物和mTORC1解离,ULK1和ULK2激酶活性提高，促进自噬泡的形成。膜泡形成后，ULK复合物从由细胞质转移至内质网，并与PIK3C3（肌醇-3磷酸激酶）形成复合体，启动膜泡成核反应，介导前自噬体的形成。自噬体核化后，在Atg12-Atg5-Atg16L复合物的介导下，经由微管相关蛋白1轻链3（LC3）结合到自噬体膜上，待自噬体隔离膜闭合后，脂化的LC3结合在自噬体膜内表面，因此LC3蛋白成为我们计数细胞自噬体的重要蛋白标志物[5]。

1.3 自噬的形成过程

自噬体的形成过程中有两个泛素化系统参与。Atg5-Atg12系统和LC3-Atg8系统。Atg5-Atg12系统使得自噬体弯曲延伸，当自噬体形成后，系统中形成的多聚体（Atg5-Atg12-Atg16L）就会自动脱落。LC3-Atg8系统中的LC3-2磷脂化后与自噬体膜紧密附着，与包含内涵体与自噬体的溶酶体融合。Atg/ulk激酶复合物 （Atg1/ULK1-Atg13-Atg17）在外界的各种刺激下接受自噬信号，与各种调节因子相互作用，尤其是mTOR和Beclin1两种因子整合细胞上游各种信号因子，对自噬起抑制作用。雷帕霉素靶蛋白可以很好的抑制其活性，激活自噬的发生。研究表明，细胞内肌醇和三磷酸肌醇水平对细胞自噬的产生也有显著的影响。抑制细胞内自由肌醇水平和三磷酸水平可促进细胞自噬。同时三磷酸肌醇可以通过钙离子信号实现对细胞自噬的抑制作用，并受到第二信使cAMP的调控[6]。钙离子在三磷酸肌醇的作用下从内质网释放到胞质中，胞质中钙离子水平升高激活钙蛋白酶，最终腺苷酸环化酶被激活。3型磷脂酰肌醇磷酸化生成3型磷脂酰肌醇，与胞浆中-PX-基序的蛋白质相聚集，参与自噬体的形成。自噬体形成后，胞浆中内涵体或多泡小体与之融合，最后与溶酶体在微管融合形成自噬溶酶体，自噬溶酶体在溶酶体水解酶的作用下对蛋白质和细胞器进行降解。

2 细胞自噬与神经退行性疾病

神经退行性疾病主要发生在中老年人中，其病理特征是神经元的变性凋亡和蛋白质的异常蓄积及突变。机体中存在的泛素-蛋白酶体系统在一定程度上可以缓解半衰期较短的蛋白聚集物，但是随着突变蛋白质的不断增多，蛋白水解酶无法完全清除异常蓄积的蛋白质以及半衰期较长的蛋白质，只能依靠细胞自噬。细胞自噬可以帮助细胞清除存活时间较长的具有毒性的异常蛋白质蓄积物，从而使机体恢复正常。由此可见，细胞自噬在神经退行性疾病的治疗中扮演着极为重要的角色。神经退行性疾病一般包括阿尔兹海默症，帕金森病，亨廷顿病，脊髓侧索硬化症等。这些疾病的共同特点都是蛋白质的异常蓄积。

2.1 帕金森病PD

1.2.1 人口学特征 收集患者的性别、年龄，性别依据生理学特征分为男和女；根据 COPD 发病特点，纳入年龄为 40 岁及以上的符合纳入标准的研究对象。

帕金森病是一种病因不明的进行性老年疾患，以静止性震颤、姿势反射减少及始动困难为特征，又称震颤麻痹。其病理基础是黑质多巴胺能神经元的缺失和路易小体的形成。研究表明，PD致病的关键在于人体中的Synuclein蛋白的突变。正常的Synuclein蛋白通过分子伴侣介导的自噬降解，突变的Synuclein蛋白却与 CMA（Synuclein蛋白和HSC70结合的区域）牢固结合，分子伴侣携带的底物无法进入溶酶体腔中，溶酶体酶无法将其降解，最终突变型Synuclein蛋白聚集形成路易小体，刺激氧化应激，导致PD的发生。Parkin蛋白具有泛素连接酶E3的作用，它与PINKI相互作用启动细胞自噬途径，清除失去功能的线粒体，此过程称为“线粒体自噬”[7]。

2.2 亨廷顿病HD

亨廷顿氏舞蹈症是一种家族显性遗传型疾病。以情绪异常，冷漠易怒。手指、腿部、脸部或身体出现不自主动作以及.智力衰减，判断力、记忆力、认知能力减退为特征。病理基础是基因突变或第4对染色体内DNA(脱氧核糖核酸)基质之CAG三核甘酸重复序列过度扩张,导致脑神经细胞持续退化，最终产生亨廷顿蛋白Htt这种有害物质。Htt的大量产生蓄积使得细胞自噬水平降低和线粒体功能受损，最终导致神经元障碍。

2.3 阿尔茨海默病AD

阿尔茨海默病又称老年痴呆症，以记忆力减退，认知功能障碍，人格改变和语言障碍等神经精神症状为特征。病理基础是神经细胞内神经纤维结的缠绕和β-蛋白淀粉样变性及TAU蛋白的大量蓄积。大量研究表明，在AD患者和AD模型鼠脑中存在着依赖mTOR（雷帕霉素靶蛋白激酶）自噬调节途径。雷帕霉素作为自噬诱导剂，可以使高度磷酸化的TAU蛋白通过自噬溶酶体途径降解，从而降低神经元的毒性，减轻AD症状。同时也有证据表明，AD患者和AD模型鼠脑中，自噬功能的异常均与Aβ的产生，清除，诱导的神经毒性密切相关。大量的自噬小体在Aβ沉积之前，就存在于PS1/APP小鼠的神经细胞内，随着小鼠周龄的增加，自噬囊泡数目较正常小鼠的囊泡数目呈几何倍数增加，到第9周时，至少增加23倍[8-9]。在AD的基因研究中表明，PS-1,GSK-3B通过干扰溶酶体酸化和溶酶体降解过程介导AD的发生，这提示自噬溶酶体途径参与AD的发生发展过程。研究表明，正常脑组织神经细胞中的自噬囊泡很少，但在PS1突变的家族性AD病人的陈纤维细胞中发现大量异常的自噬囊泡和受损的长寿命蛋白[10]。自噬囊泡的增多，可能是因为AD溶酶体蛋白水解酶活性被抑制，造成自噬溶酶体系统功能障碍，自噬囊泡无法被水解[11]。伴随着年龄的增长，在脑黑质神经核团中线粒体的清除率达最大值，由此可能导致帕金森氏症的发生。因此，细胞自噬与帕金森病的发生发展密切相关。

3 细胞自噬在神经退行性疾病的应用前景

机体降解体内物质的途径主要有两种，一种是通过泛素-蛋白酶体系统，降解半衰期短的蛋白质。一种是自噬-溶酶体系统，降解半衰期较长的蛋白质和细胞器[12]。绝多数蛋白形成的分子结构很大，从而很难进入酶蛋白酶体的桶装结构，因此细胞自噬是清除这些蛋白的重要途径。有研究表明，海藻糖能提高细胞对变性的Prone蛋白、突变的Huntingtin蛋白和α-Synuclein蛋白的清除，它是一种新型的细胞自噬诱导剂[13]。因此研究细胞自噬与神经退行性变疾病的关系有助于开发相应的药物，从而改善患者的临床症状。

4 小结与展望

近十多年来，自噬在神经退行性疾病中的作用机制已经成为研究的热点。其分子机制的研究也取得了巨大的进展。人们渐渐认识到自噬在某些疾病（神经退行性疾病，肿瘤，肌病，病原微生物的感染）的预防方面起着巨大的作用，但是对于自噬的起源，信号转导等机制还不了解。也有研究表明，自噬不仅对于神经退行性疾病有着积极的治疗作用，同时也可能是导致神经退行性疾病异常蛋白质蓄积的罪魁祸首。因此自噬对于神经退行性疾病的治疗作用可能存在一个阈值，这个阈值还有待去发现。未来，或许可以通过调控细胞的自噬水平，来抑制疾病的发生发展，提高人们的生活质量。

（

）

[1]宋爱霞,刘宏骞,张安民.自噬与神经退行性病变研究进展[J].中国老年学杂志,2015(3)：819-821.

[2]董雯,王蓉.白藜芦醇诱导细胞自噬在神经退行性疾病进展中的作用[J].药学学报,2016(1):18-22.

[3]杨怡,王姗姗,魏尔清,等.自噬在神经突起变性过程中的作用[J].中国药理学与毒理学杂志,2015,29(2):191-201.

[4]朱朋胤,姜忠伟,车皓月,等.细胞自噬作用在阿尔茨海默病治疗过程中的作用[J].第二军医大学学报,2016,37(1):77-82.

[5]姜凌,常诚.自噬与神经退行性疾病[J].卒中与神经疾病, 2014,21(2):125-128.

[6]王莉,刘媛,伍亚民.自噬在神经系统疾病中的作用研究进展[J].中国临床神经科学,2015(3)：344-349.

[7]Nixon R,A..The role of autophagy in neurodegenerative disease[J].Nature Nedicine,2013,19(18):983-997.

[8]Grenier K.,McLelland G.L.,Fon E.A..Parkin-and PINKI-dependent mitophagy in neurons:will the real pathway please stand up[J].Frontiers in Neurology,2013（4）:100.

[9]李乐兴,戴汉川.细胞自噬调控的分子机制研究进展[J].中国细胞生物学学报,2015(2):263-270.

[10]郑晨曦，张建平，姚伟伟，等.线粒体自噬与神经退行性疾病[J].中华神经外科疾病研究杂志,2015(3):286-288.

[11]刘洹洹，王志舒，谭晓荣.线粒体自噬与人类疾病[J].中国生物化学与分子生物学报,2015(5):466-472.

[12]Yang D S，Stavrides P，Mohan P S，et al.Reversal of autophagydysfunction in the TgCRND8 mouse model of Alzheimer'sdisease ameliorates amyloid pathologies and memory deficits[J].Brain，2011，134(1):258-277.

[13]Schmeisser H,Bekisz J,Zoon KC.New function of typeI IFN:induction of autophagy[J].J Interferon Cytokine Res, 2014（34）:71-78.

Research Progress of Autophagy and Neurodegenerative Diseases

XING Huan-huan1,CHEN Wei2
1.Department of Neurology,Clinical Medicine of Guilin Medical College,Guilin,Guangxi,541004 China；2.Department of Pharmacology,School of Pharmacology of Guilin Medical College,Guilin,Guangxi,541004 China

Autophagy is widely existed in eukaryotic cells,and it is a kind of"self food"phenomenon in the cell.Membrane coated part of the cytoplasm and degradation of organelles,protein which cell domestic demand,and these two forms the autophagy.They form autophagy endosomes with endosomes.In the hormone and lysosomal mediation,autophagy endosomes can degrade excess protein and organelles and maintain the body's environment and neuronal homeostasisin vivo toprotect the body.Neurodegenerative disease is a kind of central nervous system degenerative disease characterized by abnormal accumulation of protein.Recent studies have shown that autophagy can effectively remove the abnormal accumulation of proteins in the nervous system and organelles.Increasing autophagy has a bright future for neurodegenerative diseases,thereby reducing their clinical symptoms.

Autophagy;Neurodegenerative diseases;α-Synuclein;β-Amyloid protein

R741

A doi 10.11966/j.issn.2095-994X.2016.02.04.29

2016-01-12；

2016-11-13

国家自然科学基金委员会，氧化异阿扑菲衍生物对阿尔茨海默病转Aβ42基因果蝇模型的神经保护作用及其机制研究（基金号：81260496）。

邢欢欢（1990.1-），女，江苏淮安人，硕士，研究方向:神经病学。

陈薇（1975.3-），女，四川成都人，硕士，教授，研究方向：神经病学，E-mail：709426883@qq.com。