阿爾茨海默病:自噬與β淀粉樣肽關(guān)系的研究進(jìn)展

金 賀，王 蓉，2，3，4

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院中心實驗室，2.北京市老年醫(yī)療研究中心，3.北京腦重大疾病研究院，4.神經(jīng)變性病教育部重點實驗室，北京 100053)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)又稱老年性癡呆，是一種最常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。該病起病隱匿，呈漸進(jìn)性發(fā)展，患者主要表現(xiàn)為記憶力下降、認(rèn)知能力減退，最終導(dǎo)致生活自理能力完全喪失［1］。隨著社會人口老齡化的進(jìn)展，AD已嚴(yán)重威脅人類健康，龐大的患者群體給家庭和社會帶來了沉重的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但該病的發(fā)病機(jī)制目前尚未明確。尸檢研究證實β淀粉樣肽(β-amyloid peptide，Aβ)沉積形成的老年斑(senile plaque，SP)和神經(jīng)元纖維纏結(jié)(nerve fiber tangles，NFT)是AD的兩大病理特征，并且已經(jīng)被列入AD的診斷標(biāo)準(zhǔn)［2，3］。由于寡聚態(tài)的Aβ具有神經(jīng)毒性，可引發(fā)復(fù)雜的級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和疾病的發(fā)生［4］，其產(chǎn)生過多或清除障礙在AD的發(fā)生發(fā)展過程中扮演重要角色。而自噬作為細(xì)胞內(nèi)清除異常折疊蛋白質(zhì)、受損細(xì)胞器和其他有害物質(zhì)的主要途徑，對β淀粉樣肽產(chǎn)生和清除的平衡具有重要作用［5］。筆者擬就目前AD中有關(guān)自噬與β淀粉樣肽關(guān)系的研究進(jìn)展做一綜述。

1 自噬

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬溶酶體系統(tǒng)是真核細(xì)胞降解和循環(huán)利用細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的兩種主要途徑，泛素-蛋白酶系統(tǒng)主要降解短半衰期蛋白質(zhì)，而自噬主要降解長半衰期蛋白質(zhì)和細(xì)胞器［6］。因此自噬是維持細(xì)胞正常周期的必要程序。根據(jù)底物進(jìn)入到溶酶體腔途徑的不同，哺乳動物自噬可分為三類:大自噬 (macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy)［7］。由于大自噬是自噬的主要途徑，本文所述及的自噬均指大自噬。自噬途徑起始于細(xì)胞內(nèi)形成雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬泡，自噬泡包裹細(xì)胞內(nèi)受損細(xì)胞器和聚集的蛋白質(zhì)，并逐漸延長、融合，形成自噬小體，自噬小體進(jìn)一步與溶酶體融合形成自噬溶酶體，溶酶體內(nèi)水解酶降解加工底物以維持細(xì)胞內(nèi)代謝平衡［6］。自噬過程受30多種自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene，Atg)以及其他分子的調(diào)控，分為啟動、延長、融合、降解四個步驟。在自噬的啟動和延長階段主要受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)途徑以及PI3KIII型途徑的調(diào)節(jié);自噬體與溶酶體融合的過程受LC3、beclin-1、LAMP1和2及早老素1等的調(diào)控;而溶酶體內(nèi)多種蛋白水解酶則參與自噬降解過程。由于大量研究表明異常聚集的蛋白質(zhì)可以導(dǎo)致細(xì)胞器損害、突觸功能障礙和神經(jīng)元退化，因此自噬作為清除細(xì)胞外異常聚集蛋白質(zhì)的主要途徑，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用［8］。

2 自噬與AD

2.1 自噬功能紊亂與AD發(fā)病

AD是一種以漸進(jìn)性癡呆為特征性臨床表現(xiàn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，病理改變主要有腦萎縮，細(xì)胞外Aβ形成的老年斑沉積和細(xì)胞內(nèi)tau蛋白磷酸化形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)。近年來很多學(xué)者認(rèn)為，作為老年斑主要成分的Aβ可能是AD的原發(fā)性病理因子［9］。在正常情況下Aβ的產(chǎn)生和降解保持平衡。大量證據(jù)表明無論是AD模型還是AD患者，自噬功能異常均與Aβ的產(chǎn)生、清除及其誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性密切相關(guān)。Aβ沉積之前，PS1/APP小鼠神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)就已發(fā)現(xiàn)大量自噬小體的存在，8周齡小鼠神經(jīng)細(xì)胞自噬囊泡數(shù)目較正常小鼠高5倍，而9月齡小鼠則至少高23倍［10，11］。而且自噬相關(guān)標(biāo)志物Atg5、Atg12和LC3與AD的老年斑沉積和神經(jīng)原纖維纏結(jié)等病理改變相關(guān)［12］。對AD相關(guān)基因的研究也表明PS-1、GSK-3β可通過干擾溶酶體酸化和自噬降解過程而介導(dǎo)AD的發(fā)生［13，14］，而早發(fā)型AD相關(guān)基因APP突變及過表達(dá)ApoE4均可導(dǎo)致自噬溶酶體功能損害［15］，提示自噬溶酶體途徑參與AD的發(fā)生發(fā)展。

2.2 自噬調(diào)控與AD的防治

多項研究業(yè)已證實，以自噬途徑為靶點進(jìn)行干預(yù)是改善AD病理表現(xiàn)行之有效的方法。例如雷帕霉素、Dimebon等可通過抑制mTOR活性激活自噬從而改善AD動物模型的病理和行為學(xué)表現(xiàn)［16，17］。亮氨酸缺乏可引起引起SH-SY5Y細(xì)胞發(fā)生自噬，并且Aβ隨之減少［18］。牛蒡子提取物牛蒡子甘元既可通過促進(jìn)自噬而增加Aβ清除又可減少Aβ生成［19］。并且條件性去除小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自噬相關(guān)蛋白(ATGs)可導(dǎo)致其自噬功能喪失并伴隨泛素化蛋白的聚集和神經(jīng)退行性病變的發(fā)生［20，21］。ATG5基因敲除或beclin1和Ulk1基因沉默細(xì)胞Aβ和βCTF水平顯著升高［22］。但自噬在AD發(fā)生發(fā)展中的具體作用機(jī)制目前尚不清楚，所以探討自噬與Aβ產(chǎn)生和清除之間的關(guān)系具有重要意義。

3 自噬與Aβ

3.1 自噬影響Aβ的分泌

大量證據(jù)表明正常情況下自噬可以通過清除Aβ，對神經(jīng)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。α7型煙堿樣乙酰膽堿受體(α7nAChR)是一種含半胱氨酸環(huán)的配體門控離子通道受體，對Ca2+具有高度通透性，可調(diào)節(jié)乙酰膽堿的釋放，對認(rèn)知和記憶功能有重要影響，并且在人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系SH-SY5Y細(xì)胞和海馬CA1區(qū)及皮層廣泛表達(dá)［23-27］。細(xì)胞實驗表明在培養(yǎng)基中用外源性Aβ1-42處理使神經(jīng)細(xì)胞中Aβ1-42聚集，后續(xù)用α7nAChR拮抗物α-BTX共作用可增強(qiáng)Aβ在SH-SY5Y細(xì)胞中的毒性作用，而用nAChR興奮劑nicotine處理可增強(qiáng)α7nAChR與自噬小體的聚集，并抑制應(yīng)用Aβ后導(dǎo)致的細(xì)胞死亡［28］?；蛩降难芯恳脖砻饔肁tg7siRNA抑制早期階段自噬體的形成或用α7nAChR siRNA可以顯著增強(qiáng)自噬誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性。故Shil-Ya Hung等認(rèn)為是α7nAChR作為載體將Aβ轉(zhuǎn)運至細(xì)胞質(zhì)，經(jīng)自噬途徑降解，從而抑制Aβ的細(xì)胞毒性［28］。在動物模型中Nordberg和Hellstrom-Lindahl分別用長期(4.5月)和短期(10天)的nicotine處理都可以減少APPsw小鼠腦內(nèi)Aβ的沉積和不可溶性Aβ，而不影響可溶性Aβ、α/β/γ分泌酶活性和APP合成，提示nicotine誘導(dǎo)的自噬增強(qiáng)可能在細(xì)胞外Aβ的清除中發(fā)揮作用［29，30］。溶酶體組織蛋白酶 B(CSTB)是木瓜蛋白酶家族中的一種半胱氨酸蛋白酶，可降解溶酶體系統(tǒng)內(nèi)的多肽和蛋白質(zhì)。Dun-Sheng Yang等在TgCRND8小鼠中敲除CSTB基因，以加強(qiáng)CSTB活性，發(fā)現(xiàn)小鼠腦組織中Aβ沉積現(xiàn)象明顯改善，Aβ40和Aβ42水平顯著下降，并且在驚恐試驗和嗅覺記憶實驗中與對照組相比表現(xiàn)出更好的學(xué)習(xí)和記憶能力［31，32］。而 CSTB 缺失的小鼠腦內(nèi) Aβ1-42水平升高，Aβ斑塊過度沉積［33］。又PADK作為一種溶酶體調(diào)節(jié)劑，可以升高CSTB水平及其活性，減少AD小鼠腦組織中的Aβ沉積［34］。ATG5基因敲除或Beclin1和Ulk1基因沉默細(xì)胞Aβ和βCTF水平顯著升高［22］。

3.2 Aβ聚集與自噬誘導(dǎo)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病

雖然自噬通過清除異常聚集的蛋白質(zhì)發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用已被大家廣泛接受和認(rèn)可，但隨著研究的深入，有些學(xué)者認(rèn)為異常的自噬反而導(dǎo)致了造成神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變的異常聚集蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，對細(xì)胞具有損傷作用［35］。自噬的功能可受多種因素的影響，如衰老、營養(yǎng)不良、氧化應(yīng)激、小分子物質(zhì)等。例如Aβ既可以被自噬途徑清除，又可以作為調(diào)控點來誘導(dǎo)自噬以維持其自身的平衡［28，36，37］。正常情況下Aβ清除障礙可激活beclin1誘導(dǎo)的自噬正調(diào)控通路，使其對Aβ清除能力增強(qiáng)，對抗Aβ毒性引起的神經(jīng)損傷［28］。但研究表明AD病人早期腦內(nèi)beclin1蛋白表達(dá)減少，beclin1缺乏使自噬體成熟過程受阻，AVs積累，造成 Aβ生成增加［8］。這提示一旦自噬功能障礙可使Aβ不能被有效清除。Nixon等用免疫電子顯微鏡研究顯示，在AD患者腦內(nèi)營養(yǎng)不良神經(jīng)突的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)自噬泡和自噬小體顯著聚集，也提示在AD中自噬介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑發(fā)生進(jìn)展性功能障礙［38］。而在Yu等研究中發(fā)現(xiàn)無論在神經(jīng)細(xì)胞還是非神經(jīng)細(xì)胞(過表達(dá)野生型人類APP的轉(zhuǎn)基因小鼠肝細(xì)胞)自噬囊泡中均富集Aβ、APP羧基末端(C末端)片段β-CTF和早老素依賴性 γ分泌酶，認(rèn)為自噬體可產(chǎn)生Aβ［10，11］。但其具體機(jī)制尚不清楚，有待于進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，在正常情況下，神經(jīng)元自噬功能活躍［39］，APP可在自噬溶酶體中剪切生成Aβ，隨后被自噬溶酶體清除，以防止Aβ聚集［40］。但隨著年齡增長，基因作用，代謝產(chǎn)物聚集等因素的影響，體內(nèi)自噬溶酶體的降解過程受損，自噬能力減弱，Aβ的清除變慢，游離的Aβ增加達(dá)到一定濃度時，就會聚集、沉積，從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性，并進(jìn)一步阻止自噬的更新［10］。所以明確自噬功能在AD不同階段的變化情況，在體內(nèi)Aβ達(dá)到臨界濃度之前，以自噬過程中某些信號分子為靶點進(jìn)行干預(yù)，以期阻止Aβ的沉積，對于防治AD的發(fā)生發(fā)展具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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