mTOR依賴的自噬通路與神經(jīng)變性疾病

(南華大學(xué)第一臨床學(xué)院附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,湖南衡陽(yáng)421001)

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,參與許多細(xì)胞通路,如轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞骨架形成、細(xì)胞成熟、細(xì)胞增殖及細(xì)胞存活。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)狀況、生長(zhǎng)條件、有絲分裂原、激素等條件發(fā)生改變時(shí),mTOR的特殊殘基發(fā)生磷酸化,使其活性發(fā)生改變,調(diào)節(jié)自噬水平,這在許多疾病的發(fā)展過(guò)程中起重要作用,如阿爾茨海默病、帕金森氏病及亨廷頓病。本文綜述mTOR依賴的自噬相關(guān)信號(hào)途徑及其在神經(jīng)變性疾病中的意義。

1 mTOR的分子結(jié)構(gòu)特征

mTOR分子量為289kDa,C末端由保守序列組成,與磷脂酰肌醇三激酶(the phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)的催化結(jié)構(gòu)域具有同源性,C末端還包括他克莫司結(jié)合蛋白(FK506-binding protein,FKBP)12-雷帕霉素結(jié)合域(FKBP12-rapamycin-binding domain,FRB),FAT[FKBP相關(guān)蛋白(FKBP-associated protein,FRAP),共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因(ataxia telengiectasia,ATM),激活/變換域相關(guān)蛋白(transactivation/transformation domain-associated protein,TRRAP)]域和 FATC(FRAP、ATM、TRRAP、C末端)域[1]。其中,FRB是FKBP12-雷帕霉素復(fù)合物的結(jié)合位點(diǎn):與FKBP12-FRB相鄰的 FAT域是mTOR與FKBP12蛋白相互作用的區(qū)域。mTOR的N末端至少有20個(gè)HEAT[亨廷頓蛋白(Huntingtin),延長(zhǎng)因子3(elongation factor 3),蛋白磷酸酶-2A(a subunit of protein phosphatase-2A),TOR 1)]重復(fù)序列,這部分區(qū)域由mTOR調(diào)控相關(guān)蛋白(regulatory-associated protein of mTOR,Raptor)和雷帕霉素不敏感的mTOR伴侶(rapamycin-insensitive companion of mTOR,Rictor)組成[2]。在細(xì)胞內(nèi)mTOR存在mTOR復(fù)合物1(mTOR Complex 1,mTORC1)與mTOR復(fù)合物2(mTOR Complex 2,mTORC2)兩種功能不同的復(fù)合體,由Raptor還是Rictor組成,決定了mTOR是形成mTORC1還是mTORC2;mTORC1和mTORC2對(duì)雷帕霉素的敏感性不同。雷帕霉素(西羅莫司)是從吸水鏈霉素的菌株中分離出來(lái)一種代謝產(chǎn)物,是一種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,能特異性地抑制mTOR活性。mTORC1對(duì)其敏感性高,雷帕霉素對(duì)mTORC1具有強(qiáng)烈的抑制作用。雷帕霉素通過(guò)與免疫親和蛋白FKBP12相結(jié)合,依附于mTOR的C末端,阻止 mTOR激活,從而抑制 mTORC1。而mTORC2對(duì)雷帕霉素不敏感,主要參與細(xì)胞極性和生長(zhǎng)空間的調(diào)節(jié)[3]。

2 mTOR參與自噬調(diào)節(jié)的相關(guān)信號(hào)途徑

在真核生物中,自噬是高度保守的過(guò)程,它發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中,細(xì)胞內(nèi)過(guò)多或異常的細(xì)胞器或蛋白質(zhì)被運(yùn)輸?shù)饺苊阁w中被降解。在細(xì)胞內(nèi)主要有三種類型的自噬:巨自噬(macroautophagy),微自噬(microautophary)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperonemediatedautophagy,CMA)。這些自噬過(guò)程都有一個(gè)共同點(diǎn),即都是在溶酶體中實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的降解。目前,巨自噬在神經(jīng)退行性病變中的作用尤為受到關(guān)注。在自噬的活性調(diào)節(jié)中,mTOR是調(diào)節(jié)自噬信號(hào)途徑的關(guān)鍵信號(hào)分子。該自噬途徑啟動(dòng)受觸發(fā)因素影響,如營(yíng)養(yǎng)剝奪、胰島素和其他生長(zhǎng)因子,這些因素可以與酪氨酸激酶受體(receptor tyrosine kinase,RTK)結(jié)合而導(dǎo)致該受體激活,而其下游信號(hào)級(jí)聯(lián)啟動(dòng)涉及磷酸化胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1),IRS1的激活則直接導(dǎo)致Ⅰ類PI3K的激活,繼而激活蛋白激酶B(protein kinase B,Akt),最終激活mTOR。而mTOR的激活可直接抑制自噬的啟動(dòng),通過(guò)調(diào)控自噬相關(guān)基因(autophagic related genes,Atgs),磷酸化Atg13,導(dǎo)致其不能與Atg 1結(jié)合,從而阻斷自噬。雷帕霉素則通過(guò)抑制mTOR而激活自噬[4]。

2.1 PI3K/Akt信號(hào)途徑

Ⅰ類PI3K/Akt信號(hào)通路是mTOR參與自噬的一條經(jīng)典的信號(hào)途徑。當(dāng)位于細(xì)胞表面的RTK和G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors,GPCRs)與相應(yīng)的細(xì)胞外配體相結(jié)合,就可以隔離PI3K的調(diào)節(jié)亞基并釋放催化亞基,使磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)磷酸化,轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峒〈既姿?phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate,PI3P)。PI3P是一個(gè)重要的細(xì)胞內(nèi)信號(hào),可以與許多具有同源性底物的蛋白質(zhì)相結(jié)合,如磷脂酰肌醇依賴性激酶1(phosphoinositide-dependent kinase 1,PDK1)和Akt,PDK1與PI3P在細(xì)胞膜上結(jié)合并使Akt磷酸化,激活的Akt可以使細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中許多目標(biāo)蛋白磷酸化,抑制mTORC1的激活,促進(jìn)自噬發(fā)生[5]。這一過(guò)程與許多調(diào)控因素有關(guān),其中,結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物(tuberous sclerosis complex,TSC)發(fā)揮了重大作用。TSC是位于mTOR上游的重要調(diào)節(jié)分子之一,對(duì)mTOR的活性起負(fù)性調(diào)節(jié)作用。TSC2是一種GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein,GAP),可以使腦內(nèi) Ras同系物(ras homolog enriched in brain,Rheb)的活化型Rheb-GTP變成不活化的 Rheb-GDP[6]。Rheb-GTP能夠與Raptor直接作用,激活mTORC1復(fù)合物。Akt磷酸化激活后,可以使TSC2磷酸化,繼而阻止TSC1/2復(fù)合物形成,激活mTORC1,抑制自噬。而第十號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因(phosphatase and tensin homolog deleted from chromosome 10,PTEN)則對(duì)PI3K/Akt信號(hào)通路起負(fù)性調(diào)節(jié)作用,可以促進(jìn)自噬發(fā)生[7]。

2.2 非依賴PI3K/Akt途徑

當(dāng)某些條件發(fā)生改變,如能量發(fā)生變化、缺氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏,可以激活肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)/腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK)通路,影響mTORC1活性。LKB1是一種抑癌基因,位于AMPK上游。AMPK對(duì)能量變化很敏感,三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)水平下降,一磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)/ATP升高,AMPK得到激活,活化的AMPK可以直接磷酸化TSC2,提高GAP活性,使Rheb-GTP轉(zhuǎn)變?yōu)镽heb-GDP,從而抑制mTORC1,激活自噬[8]。此外,AMPK也能通過(guò)發(fā)育及DNA損傷反應(yīng)調(diào)節(jié)基因1(regulated indevelopment and DNA damage response 1,REDD1)調(diào)節(jié)TSC1/2的活性。在缺氧階段,AMPK還能提高REDD1的表達(dá),將TSC2從其抑制性結(jié)合蛋白14-3-3中釋放出來(lái),抑制mTORC1激活[9],促進(jìn)自噬發(fā)生。

自噬過(guò)程的核心分子機(jī)制是Atgs,一系列由Atg基因的產(chǎn)物組成的復(fù)合物參與調(diào)節(jié)自噬的各個(gè)過(guò)程。在酵母及高等真核生物中,已經(jīng)有30多種Atgs產(chǎn)物及其同源蛋白被證實(shí)參與調(diào)節(jié)自噬過(guò)程。自噬過(guò)程是由壓力信號(hào)觸發(fā)而激活,自噬體形成的第一步受到兩個(gè)重要激酶的調(diào)控,即mTOR和III類PI3K復(fù)合體。mTOR作為自噬啟動(dòng)階段信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的上游調(diào)控因素,調(diào)控自噬相關(guān)基因的表達(dá)。mTOR能夠磷酸化Atg13的哺乳動(dòng)物同系物、Atg1哺乳動(dòng)物同系物UNC-51樣激酶(UNC-51 like kinase,ULK)1及ULK2,阻止自噬的發(fā)展[10]。粘著斑激酶家族相互作用蛋白(FAK-family interacting protein of 200kDa,FIP200)是一種 ULK結(jié)合蛋白,FIP200和Atg13都是維持ULK1的穩(wěn)定及活性的關(guān)鍵。哺乳動(dòng)物Atg13結(jié)合于ULK1/2和FIP200,激活ULKs,通過(guò)ULKs促進(jìn)FIP200磷酸化。因此,這提示了在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,激活 mTOR,磷酸化Atg13和ULKs,繼而阻止自噬。抑制mTOR,去磷酸化ULKs、Atg13,可以導(dǎo)致自噬[11]。

3 自噬與神經(jīng)變性疾病的關(guān)系

鑒于神經(jīng)細(xì)胞屬于終末分化細(xì)胞,不能進(jìn)行分裂增殖,因此,通過(guò)自噬降解細(xì)胞內(nèi)衰老的細(xì)胞器以及變性蛋白等以維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)顯得尤為重要。自噬功能的紊亂(過(guò)度、降低或自噬-溶酶體融合障礙)在神經(jīng)變性疾病的發(fā)生與發(fā)展中起著重要作用。神經(jīng)變性疾病的一個(gè)普遍的特點(diǎn)是功能失調(diào)的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)聚集,如阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森氏病(Parkinson disease,PD)、亨廷頓病(Huntington disease,HD),這些有害的細(xì)胞器及蛋白質(zhì)在特定類型的神經(jīng)元中聚集,并引起神經(jīng)元功能受損,最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。神經(jīng)元內(nèi)蛋白聚集程度與神經(jīng)元的毒性存在正相關(guān)關(guān)系,雖然這些蛋白聚集體的致病作用仍然存在爭(zhēng)議,但清除神經(jīng)元內(nèi)聚集的蛋白質(zhì)通?？梢栽谝欢ǔ潭壬细纳萍膊〉陌Y狀[12]。兩項(xiàng)應(yīng)用Atg7或Atg5缺陷的小鼠實(shí)驗(yàn)證明,神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)有聚集傾向蛋白的清除需要依靠自噬過(guò)程。阻斷自噬也能引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡增多,也同樣解釋了在自噬缺陷小鼠腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞出現(xiàn)高水平凋亡的現(xiàn)象。因此,在神經(jīng)元胞體及突觸中,盡管激活自噬可能帶來(lái)潛在的病理性損害,但通過(guò)精細(xì)調(diào)控,局部激活自噬,有望為神經(jīng)變性疾病治療提供新思路。

3.1 阿爾茨海默病

AD是老年癡呆最常見(jiàn)的類型(占50% ～60%),是一類與年齡呈正相關(guān)的,以進(jìn)行性認(rèn)知障礙和行為損害為特征的中樞神經(jīng)退行性病變。在神經(jīng)纖維纏結(jié)中,以過(guò)度磷酸化tau蛋白聚集為特點(diǎn),在神經(jīng)元外可以看到 β-淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)聚集并有神經(jīng)元丟失。自噬是一種保守的依賴溶酶體的過(guò)程,也是細(xì)胞內(nèi)自我保護(hù)機(jī)制,可以降解老化的、錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)及受損的細(xì)胞器。研究結(jié)果表明,神經(jīng)細(xì)胞的自噬溶酶體系統(tǒng)逐漸退化可能是AD發(fā)病的重要病理生理學(xué)機(jī)制之一[13]。早期的研究報(bào)道了阿爾茨海默型癡呆癥病人的海馬和前額葉皮層錐體神經(jīng)元中,發(fā)現(xiàn)大量積累的自嗜體,這為人們探討自噬與AD兩者的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在AD患者的大腦中,自嗜體大量累積,尤其是在營(yíng)養(yǎng)不良和神經(jīng)纖維纏結(jié)的神經(jīng)細(xì)胞中。在營(yíng)養(yǎng)不良的神經(jīng)細(xì)胞中,不成熟的AVs形式的顯著積累,說(shuō)明在AD患者中,自嗜體轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體及成熟過(guò)程可能受損。這提示了在AD病人中,不適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)清除可能是由自噬溶酶體降解通路的妥協(xié)或者這條通路的改變引起的,最終導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙及神經(jīng)元缺失。最近的研究表明,自噬是異常聚集的Aβ和tau蛋白的一種關(guān)鍵清除途徑[14]。誘導(dǎo)自噬,可以促進(jìn)聚集的Aβ和tau蛋白清除。因此,控制自噬溶酶體蛋白的退化為AD的防治提供了一種新途徑[15]。

mTOR信號(hào)途徑在控制體內(nèi)蛋白質(zhì)平衡、維持正常神經(jīng)功能過(guò)程中發(fā)揮必不可少的作用。mTOR信號(hào)途徑可以調(diào)控許多形式的記憶和學(xué)習(xí)功能。在AD動(dòng)物模型中,mTOR信號(hào)途徑抑制劑雷帕霉素通過(guò)增強(qiáng)自噬來(lái)改善認(rèn)知功能障礙,其機(jī)制與減輕Aβ及tau蛋白的病理?yè)p傷作用相關(guān)[16]。在轉(zhuǎn)基因小鼠模型中,長(zhǎng)期使用雷帕霉素抑制mTOR,可以阻止AD樣認(rèn)知功能障礙,降低Aβ水平[17]。上述結(jié)果表明mTOR抑制劑可以通過(guò)增強(qiáng)自噬,降低Aβ、改善認(rèn)知功能,這為AD模型的改善認(rèn)知功能障礙的治療提供了可行的治療思路。

3.2 帕金森氏病

PD是大腦黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元丟失,以靜止性震顫、肌強(qiáng)直及運(yùn)動(dòng)遲緩的運(yùn)動(dòng)障礙為特征的一種疾病。帕金森氏病有兩大病理學(xué)特點(diǎn),其一是黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元選擇性喪失,其二是殘留在神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)內(nèi)由α-突觸核蛋白和泛素構(gòu)成的嗜酸性包涵體—路易小體(Lewy bodys,LB)。PD患者黑質(zhì)神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果顯示在變性的含色素的神經(jīng)元中可見(jiàn)明顯的細(xì)胞凋亡和自噬的特點(diǎn)。隨后的研究表明,PD致病性標(biāo)志LB的主要成分α-突觸核蛋白是由巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬所降解[18]。

自噬對(duì)于PD的形成過(guò)程中具有雙重作用,疾病發(fā)生早期,適度激活自噬具有保護(hù)作用;而隨著疾病的發(fā)展,當(dāng)損傷作用超過(guò)自噬的代償范圍,自噬則扮演著促進(jìn)多巴胺神經(jīng)元死亡的作用,而自噬的這一作用已在PD病人大腦尸檢以及多種模型上得以證實(shí)。氧化應(yīng)激是帕金森氏病的重要致病機(jī)制之一,Gomez-Santos團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用多巴胺毒性誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞氧化應(yīng)激,發(fā)現(xiàn)自噬體的數(shù)量和神經(jīng)細(xì)胞死亡數(shù)均大大增加[19]。在氧化應(yīng)激的細(xì)胞培養(yǎng)模型中,抑制mTOR活性可以通過(guò)激活自噬導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞死亡[20]。REDD1是mTORC1抑制劑。在PD病人的多巴胺能神經(jīng)元中,REDD1表達(dá)上調(diào),在PD的細(xì)胞模型中,REDD1高表達(dá)[21]。REDD1可以通過(guò)抑制mTOR活性導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此,恢復(fù)mTOR的活性可以對(duì)抗REDD1,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。然而,在轉(zhuǎn)基因小鼠中,抑制mTOR、促進(jìn)自噬可以減少有害的α-突觸核蛋白聚集,減輕神經(jīng)退行性改變[22]。

因此,PD的治療關(guān)鍵可能是激活mTOR信號(hào)途徑和減少自噬。而在PD中,mTOR的激活可能需要一個(gè)合適的調(diào)控水平[23]。

3.3 亨廷頓病

HD是一種基底節(jié)和大腦皮質(zhì)變性疾病。其臨床特征主要表現(xiàn)為認(rèn)知障礙和精神癥狀,但最主要的表現(xiàn)是運(yùn)動(dòng)障礙,如舞蹈病、癲癇發(fā)作、不自主運(yùn)動(dòng)和肌張力障礙。HD是一種常染色體顯性遺傳性運(yùn)動(dòng)障礙疾病,該基因造成在亨廷頓(Huntingtin,Htt)基因內(nèi),三核苷酸重復(fù)序列拷貝數(shù)異常增多(＞35拷貝),導(dǎo)致Htt蛋白的N末端,三核苷酸重復(fù)序列編碼一段長(zhǎng)的多聚谷氨酰胺功能區(qū)。因此,神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)N-末端殘基的聚集是造成變異Htt蛋白毒性的主要原因,也是HD疾病的重要標(biāo)志。

抑制mTOR信號(hào)途徑、激活自噬可能是治療HD的新思路。研究表明,亨廷頓蛋白可以引起神經(jīng)元退化,而自噬能夠清除亨廷頓蛋白的細(xì)胞內(nèi)聚集,因此,自噬在亨廷頓病過(guò)程中至關(guān)重要。在HD模型中早期觀察到AVs和自噬的增加,是細(xì)胞利用自噬嘗試盡可能地清除突變型Htt蛋白,而隨著時(shí)間的變化,突變型Htt蛋白的積累遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了細(xì)胞自噬所能負(fù)荷的范圍,導(dǎo)致細(xì)胞自噬功能紊亂,導(dǎo)致HD的發(fā)生[24]。在HD細(xì)胞模型中,雷帕霉素抑制mTOR激活,可以通過(guò)增加細(xì)胞自噬,而達(dá)到清除多聚谷氨酰胺聚集物的作用[25],在蒼蠅和小鼠動(dòng)物模型中,可以減少亨廷頓蛋白聚集及細(xì)胞死亡,避免神經(jīng)退行性病變[26]。此外,在果蠅模型中,一些小分子可以強(qiáng)化mTOR的抑制,有利于 Htt蛋白的清除[27]。然而,在一些實(shí)驗(yàn)性的HD模型中,僅抑制mTORC1,而不是兩種復(fù)合體都抑制,不會(huì)影響自噬或Htt蛋白的聚集。相比之下,自噬和減少Htt蛋白的聚集需要抑制mTORC1和mTORC2的結(jié)合,這提示mTOR信號(hào)途徑眾多信號(hào)分子可能共同參與HD的病理生理學(xué)機(jī)制[28]。調(diào)控mTOR信號(hào)途徑的神經(jīng)保護(hù)作用還可能與DNA破壞蛋白34(DNA damage protein 34,GADD34)有關(guān)。在HD細(xì)胞模型中,GADD34可以導(dǎo)致TSC2去磷酸化,誘導(dǎo)自噬,因此,當(dāng)GADD34過(guò)度表達(dá)時(shí),細(xì)胞存活率增加[29]。

4 展 望

大量的證據(jù)表明,自噬不論在正常的大腦神經(jīng)元中還是病理?xiàng)l件下都有重要作用。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)和細(xì)胞器受到損害,導(dǎo)致有害的蛋白質(zhì)聚集,擾亂正常的神經(jīng)細(xì)胞功能,最終可以導(dǎo)致神經(jīng)變性疾病,如AD、PD 及 HD。

圖1 mTOR依賴的自噬通路與神經(jīng)變性疾病

mTOR調(diào)控廣泛的細(xì)胞通路,并通過(guò)多條信號(hào)途徑來(lái)調(diào)節(jié)自噬(圖1),這提示mTOR可能對(duì)細(xì)胞保護(hù)和細(xì)胞生存有重要影響,也能防止老化所致的功能障礙并延長(zhǎng)壽命。然而,在神經(jīng)系統(tǒng)中,mTOR在許多疾病中的作用及其機(jī)制尚不完全清楚,研究的結(jié)果也不一致。例如,在AD中,激活mTOR可能可以通過(guò)阻止Aβ暴露來(lái)防止神經(jīng)退行性變,控制認(rèn)知功能下降。但是,其他一些研究表明,激活mTOR下游的信號(hào)途徑能夠?qū)е聇au蛋白過(guò)度磷酸化和神經(jīng)元纖維聚集,而抑制mTOR,激活自噬,可以減少Aβ。因此,調(diào)控mTOR的活性也可能產(chǎn)生一些不可預(yù)知的不利結(jié)果。mTOR作為自噬調(diào)節(jié)通路的關(guān)鍵靶點(diǎn),闡明其復(fù)雜性及其信號(hào)途徑來(lái)控制潛在的危害,這對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供有效的治療方案是至關(guān)重要的。

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