自噬與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病研究進(jìn)展

李曉瓊， 何玲玲綜述， 李新毅審校

自噬最初被比利時(shí)科學(xué)家Christian de Duve定義為存在于細(xì)胞中包裹細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器的膜泡現(xiàn)象，用來(lái)描述真核細(xì)胞內(nèi)存在的“Self-eating(自食)”現(xiàn)象[1]。廣義上，自噬主要分為巨自噬、微自噬及分子伴侶介導(dǎo)自噬3種類型。這里提到的巨自噬即人們通常所說(shuō)的自噬[2]。

自噬在真核生物進(jìn)化中高度保守，其本質(zhì)是一種降解過(guò)程，該過(guò)程由一系列自噬相關(guān)蛋白(Atg蛋白)介導(dǎo)，由雙膜結(jié)合的囊泡(自噬小體)所引發(fā)，它將細(xì)胞質(zhì)組分(包括蛋白質(zhì)和細(xì)胞器等)通過(guò)自噬運(yùn)輸?shù)饺苊阁w進(jìn)而被降解，以維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)[3]。在正常生理?xiàng)l件下，自噬在基礎(chǔ)水平是活躍的，稱為基礎(chǔ)性自噬，但在各種外界刺激如饑餓、錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)下可以迅速被激活，稱為誘導(dǎo)性自噬。自噬功能異常參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展。除了發(fā)揮重要的穩(wěn)態(tài)作用外，這一降解途徑還參與人類各種疾病的發(fā)生發(fā)展，包括代謝性疾病、感染性疾病、癌癥[4]以及風(fēng)濕免疫疾病[5]等，隨著對(duì)自噬的不斷深入了解，其對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影響也得到越來(lái)越多的關(guān)注。本文重點(diǎn)關(guān)注自噬相關(guān)mTOR通路以及其與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的相關(guān)性。

1 自噬相關(guān)mTOR通路

在自噬調(diào)控過(guò)程中，根據(jù)mTOR蛋白是否參與分為兩種通路，即與mTOR有關(guān)以及與mTOR無(wú)關(guān)的途徑。本文主要關(guān)注mTOR相關(guān)通路，其中，mTOR蛋白即雷帕霉素靶蛋白，屬于一種絲氨酸-蘇氨酸激酶，mTOR有兩種不同的形式，分別為對(duì)雷帕霉素敏感的mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和對(duì)其不敏感的mTOR復(fù)合物2(mTORC2)，其中與自噬關(guān)系較為密切的是mTORC1，可以通過(guò)聯(lián)合細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和生長(zhǎng)因子用以維持蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞生長(zhǎng)之間的平衡，同時(shí)也是細(xì)胞內(nèi)ATP含量和氧化還原狀態(tài)的傳感器[6]。它可以參與自噬調(diào)節(jié)，并且控制基因的轉(zhuǎn)錄和微管相關(guān)蛋白質(zhì)的翻譯[6]。

1.1 PI3K/Akt/TSC/mTOR通路 這條通路中mTOR是磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)通路下游效應(yīng)分子，在胰島素或生長(zhǎng)因子缺乏的情況下激活，該通路激活后會(huì)使胰島素受體喪失活性，抑制底物IRS1蛋白磷酸化，進(jìn)而不能與PI3K復(fù)合物相互作用并將其激活[7]。未被激活的PI3K復(fù)合物不能使磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PTDIN(4,5)P2)轉(zhuǎn)化為磷酰肌醇-3，4,5-三磷酸[PTDIN(3，4，5)P3]，PTDIN(3，4，5)P3的缺乏抑制AKt激酶磷酸化，進(jìn)一步可能抑制TSC(結(jié)節(jié)性腦硬化復(fù)合物)磷酸化[8]。未被磷酸化的TSC復(fù)合物具有GAP(GTP酶活化蛋白)活性，可以活化Rheb GTP酶(鳥苷三磷酸酶)，Rheb則以與GDP結(jié)合的形式存在[8]。這種Rheb復(fù)合物不能與mTORC1特有的催化亞基Raptor蛋白結(jié)合。這樣mTOR仍處于未激活狀態(tài)，故不能與ULK1-Atg13-FIP200復(fù)合物結(jié)合從而導(dǎo)致磷酸化的ULK1和Atg13蛋白減少[8]，這會(huì)影響自噬體的形成[6]。

1.2 AMPK/TSC/mTOR通路 細(xì)胞缺乏葡萄糖時(shí)，ATP/AMP比值降低，為獲取能量，細(xì)胞會(huì)啟動(dòng)依賴AMP活化蛋白激酶(AMPK)的自噬過(guò)程，當(dāng)AMPK激活后，TSC復(fù)合物中的TSC2蛋白發(fā)生磷酸化，磷酸化的TSC2蛋白促使GDP-Rheb復(fù)合物形成，進(jìn)而抑制其與mTOR相互作用[9]。如此，AMPK可以通過(guò)下游作用底物mTOR活性調(diào)控自噬水平；在生長(zhǎng)因子缺乏或營(yíng)養(yǎng)不良條件下，會(huì)使自噬水平上調(diào)，反之則會(huì)下調(diào)自噬水平[10]。

1.3 Rag/mTOR通路 Rag/mTOR通路激活與否與氨基酸的利用率有關(guān)[8]。在細(xì)胞膜上有兩種檢測(cè)Rag/mTOR復(fù)合物的受體，分別為SLC1A5(溶質(zhì)載體1A5)受體和SLC7A5(溶質(zhì)載體7A5)-SLC3A2(溶質(zhì)載體3A2)受體。SLC1A5受體可以與細(xì)胞外液中的L-谷氨酰胺結(jié)合并將其轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中。胞內(nèi)L-谷氨酰胺濃度升高后，SLC7A5-SLC3A2受體介導(dǎo)將其移出細(xì)胞，同時(shí)也將其他氨基酸轉(zhuǎn)入細(xì)胞中[6]。在缺乏氨基酸缺乏或上述兩種受體功能障礙的情況下，這些化合物不能被溶酶體膜上的GTP酶：Rag(Rag相關(guān)GTP結(jié)合蛋白)獲取。Rag：GTP酶由A亞基或B亞基構(gòu)成，與C亞基或D亞基結(jié)合形成異源二聚體[11]。氨基酸存在時(shí)，Rag A或B亞基與GTP結(jié)合，Rag C亞基或D亞基與GDP結(jié)合，該異源二聚體則被激活；相反，在氨基酸缺乏時(shí)，Rag A亞基或B亞基與GDP結(jié)合，而Rag C亞基或D亞基與GTP結(jié)合，上述異源二聚體則不能被激活，而且不能與mTORC1 復(fù)合物中的Raptor蛋白結(jié)合[12]。同時(shí)，未激活的mTOR激酶不能與ULK1-Atg13-FIP200復(fù)合物作用參與自噬體的形成[6]。

2 自噬與中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病

老齡化是中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病最常見(jiàn)的危險(xiǎn)因素[2]。隨著人類預(yù)期壽命的不斷延長(zhǎng)，神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病帶給人們?cè)絹?lái)越多的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和社會(huì)負(fù)擔(dān)，但目前治療仍主要還是對(duì)癥治療，因此目前迫切需要更新更有效的方法用于治療神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。

總之，有證據(jù)表明自噬功能障礙可能參與一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病病情進(jìn)展。本文重點(diǎn)關(guān)注自噬與阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)以及肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)之間的關(guān)系。

2.1 自噬與阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD) AD是老年人中最常見(jiàn)的癡呆類型，其病理學(xué)特征系胞外淀粉樣蛋白(Aβ)沉積及胞內(nèi)過(guò)度磷酸化tau蛋白構(gòu)成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)構(gòu)成[2]。電鏡發(fā)現(xiàn)AD患者死后腦組織有自噬體的增加[13]。在正常的神經(jīng)元中，新生成的自噬體絕大部分沿著軸突逆行運(yùn)輸?shù)饺苊阁w所在位置。然而，在AD轉(zhuǎn)基因小鼠病理學(xué)中發(fā)現(xiàn)軸突的自噬體囊泡運(yùn)輸會(huì)受阻[14]，其中，tau蛋白作為一種微管相關(guān)蛋白，過(guò)度磷酸化tau蛋白可能與自噬體囊泡受阻有關(guān)[15]。Aβ可以在自噬體內(nèi)產(chǎn)生，自噬體內(nèi)同樣可以發(fā)現(xiàn)淀粉樣前體蛋白(APP)、β淀粉樣前體蛋白裂解酶(BACE)、γ-分泌酶，上述3種物質(zhì)是Aβ生成過(guò)程中所必需的。自噬體內(nèi) Aβ沉積可能導(dǎo)致Aβ分泌到胞外或者在溶酶體內(nèi)降解[16]。有研究發(fā)現(xiàn)缺乏Atg7基因的APP轉(zhuǎn)基因小鼠胞外Aβ斑塊減少，這提示自噬對(duì)Aβ有效分泌至關(guān)重要[17]。此外，溶酶體功能障礙也與AD發(fā)病密切相關(guān)，而早老素基因1(PS1)作為γ-分泌酶復(fù)合物構(gòu)成因素之一，是溶酶體酸化所必需的[18]。

Beclin1對(duì)自噬過(guò)程啟動(dòng)至關(guān)重要，有研究提示AD患者大腦內(nèi)Beclin1降低[19]。此外，對(duì)于AD小鼠模型，雷帕霉素可以通過(guò)抑制mTOR信號(hào)通路誘導(dǎo)自噬降低了Aβ水平并且改善其對(duì)AD小鼠造成的損害[20]。這些研究表明細(xì)胞自噬在阿爾茨海默病發(fā)病過(guò)程中扮演重要的角色，調(diào)控腦內(nèi)神經(jīng)元的自噬可能是未來(lái)治療阿爾茨海默病的一種方法。

2.2 自噬與帕金森病(Parkinson’s disease，PD) 帕金森病是繼阿爾茨海默氏病后第2種常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病。PD患者主要表現(xiàn)為震顫、僵硬、運(yùn)動(dòng)遲緩等。上述這些癥狀由黑質(zhì)多巴胺分泌不足導(dǎo)致[21]。PD的另一個(gè)特征是多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)含有泛素化的含α-突觸核蛋白的包涵體，即路易氏體(Lewy體)。軸突轉(zhuǎn)運(yùn)受阻可能是α-突觸核蛋白在路易體中累積的原因[22]。有研究提示某些基因的突變參與PD發(fā)病及進(jìn)展，這些基因很可能與胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)通路的功能有關(guān)，這些轉(zhuǎn)運(yùn)通路相關(guān)物質(zhì)最終會(huì)出現(xiàn)在溶酶體中，提示自噬可能參與PD的發(fā)生[23]。對(duì)一些PD患者的尸檢發(fā)現(xiàn)自噬體累積，同時(shí)伴有多巴胺能神經(jīng)元中溶酶體標(biāo)志的缺失[24]。PD患者腦內(nèi)PI3K/AKT/mTOR通路可能受到不同程度的影響，PD患者尸檢結(jié)果發(fā)現(xiàn)多巴胺能神經(jīng)元中磷酸化AKT活性下降，然而有研究提示PD病程中自噬有可能獨(dú)立于PI3K/AKT/mTOR通路導(dǎo)致神經(jīng)元損害[25]，關(guān)于PD發(fā)病過(guò)程中是否通過(guò)影響PI3K/AKT/mTOR通路參與自噬仍需進(jìn)一步的研究確定。

2.3 自噬與肌萎縮側(cè)索硬化(Amyotrophic lateral sclerosis，ALS) 肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)是由運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性導(dǎo)致的致死性及進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。ALS的主要臨床表現(xiàn)是肌無(wú)力、肌萎縮甚至癱瘓[26]。有研究提示自噬可能在ALS發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮一定作用[27]。在沒(méi)有任何疾病背景的情況下，缺失Atg5和Atg7的神經(jīng)元會(huì)出現(xiàn)小鼠的運(yùn)動(dòng)功能障礙，這提示自噬體生成障礙可能是ALS毒性蛋白集聚的主要原因[28]。有研究表明LC3-Ⅱ(自噬的一種生物標(biāo)志物)表達(dá)降低可以通過(guò)增強(qiáng)mTOR水平降低自噬活性，最終改善ALS轉(zhuǎn)基因小鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的存活情況[29]。

3 自噬有望成為神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的治療新靶點(diǎn)

在神經(jīng)退行性疾病動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)自噬水平上調(diào)有一定的神經(jīng)保護(hù)作用。盡管不能消除神經(jīng)退行性疾病的病因，但基于其能夠促進(jìn)細(xì)胞存活并改善線粒體功能和抗氧化應(yīng)激能力，自噬有可能減緩神經(jīng)退行性疾病相關(guān)癥狀[30]。

在AD小鼠模型中，長(zhǎng)時(shí)間雷帕霉素治療可以減少Aβ42含量并改善AD小鼠認(rèn)知功能障礙[31]。卡馬西平(一種抗癲癇藥物)可以通過(guò)降低mTOR活性增強(qiáng)自噬水平以發(fā)揮與雷帕霉素類似的作用[32]。此外，白藜蘆醇也可以通過(guò)誘導(dǎo)自噬發(fā)揮PD大鼠模型神經(jīng)元保護(hù)作用。

4 結(jié) 論

自噬在進(jìn)化上高度保守，正常條件下自噬能維持胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，在不利的條件下促進(jìn)細(xì)胞存活。自噬受損導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)有毒物質(zhì)累積危害人體健康。蛋白質(zhì)平衡的打破導(dǎo)致人類最促進(jìn)的神經(jīng)退行性疾病，如AD。近年大量研究表明自噬對(duì)于異常蛋白質(zhì)聚集的清除至關(guān)重要。

有關(guān)神經(jīng)退行性變動(dòng)物模型的研究表明自噬水平增強(qiáng)可以減少細(xì)胞內(nèi)有毒蛋白質(zhì)累積。然而自噬過(guò)度激活可能發(fā)揮有害作用，因此關(guān)于增強(qiáng)自噬水平的時(shí)機(jī)應(yīng)謹(jǐn)慎。綜上所述，增強(qiáng)自噬藥物有望在未來(lái)治療神經(jīng)退行性疾病方面提供一個(gè)新的靶點(diǎn)。