細胞自噬與神經(jīng)退行性疾病的研究進展

邢歡歡，陳薇

1.桂林醫(yī)學院臨床醫(yī)學神經(jīng)內(nèi)科，廣西桂林 541004；2.桂林醫(yī)學院藥理學院藥理系，廣西桂林 541004

細胞自噬與神經(jīng)退行性疾病的研究進展

邢歡歡1，陳薇2

1.桂林醫(yī)學院臨床醫(yī)學神經(jīng)內(nèi)科，廣西桂林 541004；2.桂林醫(yī)學院藥理學院藥理系，廣西桂林 541004

細胞自噬廣泛存在于真核細胞中，是細胞內(nèi)的一種“自食”的現(xiàn)象，膜包裹部分胞質(zhì)和細胞內(nèi)需降解的細胞器、蛋白質(zhì)等形成自噬體，并與內(nèi)涵體形成自噬內(nèi)涵體，在激素和溶酶體的介導下降解體內(nèi)多余的蛋白質(zhì)和細胞器，維持體內(nèi)外內(nèi)環(huán)境和神經(jīng)元的穩(wěn)態(tài)，對機體起到保護的作用。神經(jīng)退行性疾病是一類以蛋白質(zhì)異常蓄積為特點的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。近年來的研究表明，通過自噬可以有效的清除神經(jīng)系統(tǒng)中異常積聚的蛋白質(zhì)和細胞器，利用提高細胞自噬能力對神經(jīng)退行性疾病進行治療具有光明的前景，從而減輕其臨床癥狀。

細胞自噬；神經(jīng)退行性疾??；α-突觸核蛋白；β-淀粉樣蛋白

自噬是一個吞噬自身細胞器進入囊泡后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物的過程，滿足自身代謝需求以及細胞器的更新。相關(guān)研究表示自噬與一些神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生有著密切的關(guān)系。

1 自噬

機體通過自噬清除錯誤折疊和變性的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)聚集體和細胞器，以實現(xiàn)細胞自我更新及機體的新陳代謝。機體降解體內(nèi)物質(zhì)的途徑主要有兩種，一種是通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，降解半衰期短的蛋白質(zhì)。一種是自噬-溶酶體系統(tǒng)，降解半衰期較長的蛋白質(zhì)和細胞器[1]。細胞自噬主要指大自噬、小自噬和分子伴侶介導的自噬。自噬在維持細胞穩(wěn)態(tài)、生長、腫瘤形成和感染過程中發(fā)揮著重要的作用。有研究表明，神經(jīng)細胞中蛋白質(zhì)聚集體的堆積與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)[2]。

1.1 自噬的類型

根據(jù)底物達到溶酶體腔的不同，將細胞自噬分為3種類型：微自噬，分子伴侶介導的自噬（CMA）和大自噬。微自噬是溶酶體主動吞噬胞漿的成分。當機體發(fā)生微自噬時，溶酶體膜自身發(fā)生變形，主動將胞質(zhì)底物吞并和降解。分子伴侶具有高度的選擇性，分子伴侶介導的自噬體只發(fā)生在哺乳動物中，是指胞漿內(nèi)的蛋白質(zhì)與分子伴侶結(jié)合，通過識別溶酶體膜上的受體，被溶酶體酶消化降解。分子伴侶介導的自噬體的底物蛋白質(zhì)具有可溶性，其胞質(zhì)中包含的靶向序列五肽 KFERQ被熱休克蛋白HSC70識別并與之結(jié)合，結(jié)合后形成的底物與溶酶體膜受體LAMP-2A特異性結(jié)合，進入溶酶體內(nèi)，溶酶體腔內(nèi)二級伴侶蛋白對其進行轉(zhuǎn)運。大自噬就是我們通常說的自噬，當機體細胞缺乏營養(yǎng)或者被病毒感染時，就會發(fā)生大自噬。當細胞受到外界環(huán)境的刺激，細胞質(zhì)中的內(nèi)容物就會被膜結(jié)構(gòu)包裹，形成雙層膜結(jié)構(gòu)的閉合性空泡，然后與內(nèi)涵體融合，形成自噬體，最后溶酶體的水解酶降解自噬體的內(nèi)層及其包含的內(nèi)容物。大自噬與小自噬在清除蛋白質(zhì)和細胞器是沒有明顯的選擇性，但是分子伴侶介導的自噬（CMA）則有明顯的選擇性，且只存在于哺乳動物中。楊怡等[3]在大鼠肝臟和培養(yǎng)的陳纖維細胞如何清除氧化損傷的蛋白質(zhì)試驗中發(fā)現(xiàn)，氧化損傷的蛋白質(zhì)更容易被由受體轉(zhuǎn)運入溶酶體被降解。在正常情況下，機體內(nèi)的自噬體處于一個較低的水平，當機體處于饑餓狀態(tài)下，自噬水平會被激發(fā)到原來的10倍，但是LAMP-2A沒有被重新合成。氧化應激條件下，LAMP-2A受體轉(zhuǎn)錄水平被激發(fā)，溶酶體膜相關(guān)受體LAMP-2A被激活，提高了CMA清除氧化損傷的蛋白質(zhì)和細胞器的能力。

1.2 自噬的分子機制

自噬體的生物合成分為以下3個階段：起始（initiation），核化（nucleation）和延伸（expansion）。 在酵母細胞的實驗研究中，發(fā)現(xiàn)了30多種自噬相關(guān)因子，其中包括ULK復合物。自噬體的起始需要ULK復合物的配合，當機體處于饑餓或氨基酸缺乏的環(huán)境下，LUK復合物中的ULK1和ULK2被激活，并將其底物磷酸化[4]，促進自噬的發(fā)生。研究表明，ULK復合物的活性與mTORC1(哺乳動物雷帕霉素靶蛋白)密切相關(guān)。當細胞處于營養(yǎng)充足的情況下，ULK復合物與mTORC1結(jié)合在一起，ULK處于失活狀態(tài)。細胞處于饑餓狀態(tài)時，mTORC1活性被抑制，ULK復合物和mTORC1解離,ULK1和ULK2激酶活性提高，促進自噬泡的形成。膜泡形成后，ULK復合物從由細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并與PIK3C3（肌醇-3磷酸激酶）形成復合體，啟動膜泡成核反應，介導前自噬體的形成。自噬體核化后，在Atg12-Atg5-Atg16L復合物的介導下，經(jīng)由微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（LC3）結(jié)合到自噬體膜上，待自噬體隔離膜閉合后，脂化的LC3結(jié)合在自噬體膜內(nèi)表面，因此LC3蛋白成為我們計數(shù)細胞自噬體的重要蛋白標志物[5]。

1.3 自噬的形成過程

自噬體的形成過程中有兩個泛素化系統(tǒng)參與。Atg5-Atg12系統(tǒng)和LC3-Atg8系統(tǒng)。Atg5-Atg12系統(tǒng)使得自噬體彎曲延伸，當自噬體形成后，系統(tǒng)中形成的多聚體（Atg5-Atg12-Atg16L）就會自動脫落。LC3-Atg8系統(tǒng)中的LC3-2磷脂化后與自噬體膜緊密附著，與包含內(nèi)涵體與自噬體的溶酶體融合。Atg/ulk激酶復合物 （Atg1/ULK1-Atg13-Atg17）在外界的各種刺激下接受自噬信號，與各種調(diào)節(jié)因子相互作用，尤其是mTOR和Beclin1兩種因子整合細胞上游各種信號因子，對自噬起抑制作用。雷帕霉素靶蛋白可以很好的抑制其活性，激活自噬的發(fā)生。研究表明，細胞內(nèi)肌醇和三磷酸肌醇水平對細胞自噬的產(chǎn)生也有顯著的影響。抑制細胞內(nèi)自由肌醇水平和三磷酸水平可促進細胞自噬。同時三磷酸肌醇可以通過鈣離子信號實現(xiàn)對細胞自噬的抑制作用，并受到第二信使cAMP的調(diào)控[6]。鈣離子在三磷酸肌醇的作用下從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放到胞質(zhì)中，胞質(zhì)中鈣離子水平升高激活鈣蛋白酶，最終腺苷酸環(huán)化酶被激活。3型磷脂酰肌醇磷酸化生成3型磷脂酰肌醇，與胞漿中-PX-基序的蛋白質(zhì)相聚集，參與自噬體的形成。自噬體形成后，胞漿中內(nèi)涵體或多泡小體與之融合，最后與溶酶體在微管融合形成自噬溶酶體，自噬溶酶體在溶酶體水解酶的作用下對蛋白質(zhì)和細胞器進行降解。

2 細胞自噬與神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病主要發(fā)生在中老年人中，其病理特征是神經(jīng)元的變性凋亡和蛋白質(zhì)的異常蓄積及突變。機體中存在的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)在一定程度上可以緩解半衰期較短的蛋白聚集物，但是隨著突變蛋白質(zhì)的不斷增多，蛋白水解酶無法完全清除異常蓄積的蛋白質(zhì)以及半衰期較長的蛋白質(zhì)，只能依靠細胞自噬。細胞自噬可以幫助細胞清除存活時間較長的具有毒性的異常蛋白質(zhì)蓄積物，從而使機體恢復正常。由此可見，細胞自噬在神經(jīng)退行性疾病的治療中扮演著極為重要的角色。神經(jīng)退行性疾病一般包括阿爾茲海默癥，帕金森病，亨廷頓病，脊髓側(cè)索硬化癥等。這些疾病的共同特點都是蛋白質(zhì)的異常蓄積。

2.1 帕金森病PD

1.2.1 人口學特征 收集患者的性別、年齡，性別依據(jù)生理學特征分為男和女；根據(jù) COPD 發(fā)病特點，納入年齡為 40 歲及以上的符合納入標準的研究對象。

帕金森病是一種病因不明的進行性老年疾患，以靜止性震顫、姿勢反射減少及始動困難為特征，又稱震顫麻痹。其病理基礎(chǔ)是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的缺失和路易小體的形成。研究表明，PD致病的關(guān)鍵在于人體中的Synuclein蛋白的突變。正常的Synuclein蛋白通過分子伴侶介導的自噬降解，突變的Synuclein蛋白卻與 CMA（Synuclein蛋白和HSC70結(jié)合的區(qū)域）牢固結(jié)合，分子伴侶攜帶的底物無法進入溶酶體腔中，溶酶體酶無法將其降解，最終突變型Synuclein蛋白聚集形成路易小體，刺激氧化應激，導致PD的發(fā)生。Parkin蛋白具有泛素連接酶E3的作用，它與PINKI相互作用啟動細胞自噬途徑，清除失去功能的線粒體，此過程稱為“線粒體自噬”[7]。

2.2 亨廷頓病HD

亨廷頓氏舞蹈癥是一種家族顯性遺傳型疾病。以情緒異常，冷漠易怒。手指、腿部、臉部或身體出現(xiàn)不自主動作以及.智力衰減，判斷力、記憶力、認知能力減退為特征。病理基礎(chǔ)是基因突變或第4對染色體內(nèi)DNA(脫氧核糖核酸)基質(zhì)之CAG三核甘酸重復序列過度擴張,導致腦神經(jīng)細胞持續(xù)退化，最終產(chǎn)生亨廷頓蛋白Htt這種有害物質(zhì)。Htt的大量產(chǎn)生蓄積使得細胞自噬水平降低和線粒體功能受損，最終導致神經(jīng)元障礙。

2.3 阿爾茨海默病AD

阿爾茨海默病又稱老年癡呆癥，以記憶力減退，認知功能障礙，人格改變和語言障礙等神經(jīng)精神癥狀為特征。病理基礎(chǔ)是神經(jīng)細胞內(nèi)神經(jīng)纖維結(jié)的纏繞和β-蛋白淀粉樣變性及TAU蛋白的大量蓄積。大量研究表明，在AD患者和AD模型鼠腦中存在著依賴mTOR（雷帕霉素靶蛋白激酶）自噬調(diào)節(jié)途徑。雷帕霉素作為自噬誘導劑，可以使高度磷酸化的TAU蛋白通過自噬溶酶體途徑降解，從而降低神經(jīng)元的毒性，減輕AD癥狀。同時也有證據(jù)表明，AD患者和AD模型鼠腦中，自噬功能的異常均與Aβ的產(chǎn)生，清除，誘導的神經(jīng)毒性密切相關(guān)。大量的自噬小體在Aβ沉積之前，就存在于PS1/APP小鼠的神經(jīng)細胞內(nèi)，隨著小鼠周齡的增加，自噬囊泡數(shù)目較正常小鼠的囊泡數(shù)目呈幾何倍數(shù)增加，到第9周時，至少增加23倍[8-9]。在AD的基因研究中表明，PS-1,GSK-3B通過干擾溶酶體酸化和溶酶體降解過程介導AD的發(fā)生，這提示自噬溶酶體途徑參與AD的發(fā)生發(fā)展過程。研究表明，正常腦組織神經(jīng)細胞中的自噬囊泡很少，但在PS1突變的家族性AD病人的陳纖維細胞中發(fā)現(xiàn)大量異常的自噬囊泡和受損的長壽命蛋白[10]。自噬囊泡的增多，可能是因為AD溶酶體蛋白水解酶活性被抑制，造成自噬溶酶體系統(tǒng)功能障礙，自噬囊泡無法被水解[11]。伴隨著年齡的增長，在腦黑質(zhì)神經(jīng)核團中線粒體的清除率達最大值，由此可能導致帕金森氏癥的發(fā)生。因此，細胞自噬與帕金森病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

3 細胞自噬在神經(jīng)退行性疾病的應用前景

機體降解體內(nèi)物質(zhì)的途徑主要有兩種，一種是通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)，降解半衰期短的蛋白質(zhì)。一種是自噬-溶酶體系統(tǒng)，降解半衰期較長的蛋白質(zhì)和細胞器[12]。絕多數(shù)蛋白形成的分子結(jié)構(gòu)很大，從而很難進入酶蛋白酶體的桶裝結(jié)構(gòu)，因此細胞自噬是清除這些蛋白的重要途徑。有研究表明，海藻糖能提高細胞對變性的Prone蛋白、突變的Huntingtin蛋白和α-Synuclein蛋白的清除，它是一種新型的細胞自噬誘導劑[13]。因此研究細胞自噬與神經(jīng)退行性變疾病的關(guān)系有助于開發(fā)相應的藥物，從而改善患者的臨床癥狀。

4 小結(jié)與展望

近十多年來，自噬在神經(jīng)退行性疾病中的作用機制已經(jīng)成為研究的熱點。其分子機制的研究也取得了巨大的進展。人們漸漸認識到自噬在某些疾?。ㄉ窠?jīng)退行性疾病，腫瘤，肌病，病原微生物的感染）的預防方面起著巨大的作用，但是對于自噬的起源，信號轉(zhuǎn)導等機制還不了解。也有研究表明，自噬不僅對于神經(jīng)退行性疾病有著積極的治療作用，同時也可能是導致神經(jīng)退行性疾病異常蛋白質(zhì)蓄積的罪魁禍首。因此自噬對于神經(jīng)退行性疾病的治療作用可能存在一個閾值，這個閾值還有待去發(fā)現(xiàn)。未來，或許可以通過調(diào)控細胞的自噬水平，來抑制疾病的發(fā)生發(fā)展，提高人們的生活質(zhì)量。

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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

國家自然科學基金委員會，氧化異阿撲菲衍生物對阿爾茨海默病轉(zhuǎn)Aβ42基因果蠅模型的神經(jīng)保護作用及其機制研究（基金號：81260496）。

邢歡歡（1990.1-），女，江蘇淮安人，碩士，研究方向:神經(jīng)病學。

陳薇（1975.3-），女，四川成都人，碩士，教授，研究方向：神經(jīng)病學，E-mail：709426883@qq.com。