自噬與衰老相關(guān)性疾病

據(jù)統(tǒng)計(jì)2000～2050年間,全球60歲以上的人口比例將從11%增加到22%,這意味著60歲以上人口數(shù)量將從6.05億增加到20億人[1]。人口的老齡化為這個(gè)世界帶來(lái)了很多機(jī)會(huì),但同時(shí)也帶來(lái)了很多挑戰(zhàn),老年人的身體功能隨著年齡的增加在逐漸下降。

1 衰老相關(guān)性疾病

近年來(lái),臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的疾病伴隨著衰老而發(fā)生或者加重,這些疾病被稱為衰老相關(guān)性疾病[2]。衰老相關(guān)性疾病分為2種,即退行性與進(jìn)行性衰老相關(guān)性疾病。腫瘤屬于代表性的進(jìn)行性衰老相關(guān)性疾病,而退行性衰老相關(guān)性疾病一般指阿爾茲海默病(Alzheimer’s disease, AD)、帕金森病(Parkinson’s disease, PD)、年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)、2型糖尿病、骨質(zhì)疏松與動(dòng)脈粥樣硬化等。與此同時(shí),衰老相關(guān)性疾病已經(jīng)成為人類死亡的重要因素,其引起的心理健康惡化是世界上最大的致殘因素,超過(guò)20%老年病人的日常生活伴隨著此類殘疾[3]。世界衛(wèi)生組織(WHO)在2013年通過(guò)了“第十二個(gè)工作總規(guī)劃草案”,優(yōu)先解決事項(xiàng)為“應(yīng)對(duì)非傳染性疾病——衰老相關(guān)性疾病”,解決老齡化問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫[4]。

2 自噬

自噬,也稱“自體吞噬”或“自我進(jìn)食”,是一種高度保守的細(xì)胞代謝機(jī)制,用于降解和回收長(zhǎng)壽命蛋白質(zhì)和受損的細(xì)胞器。自噬一般分為3種類型:巨自噬(macroautophagy)、分子伴侶自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)以及微自噬(microautophagy)。最常被研究且具有自噬最完整特征類型的是巨自噬。在自噬開(kāi)始的過(guò)程中,自噬體的形成需要含有自噬相關(guān)蛋白(ATG)與哺乳動(dòng)物同系物Beclin1。Beclin1通過(guò)募集Ⅲ型磷脂酰肌醇(PI)3-激酶VPS34,其與VPS15和ATG14L復(fù)合,產(chǎn)生磷脂酰肌醇3-磷酸[PI(3)P][5]。PI(3)P募集具有PI(3)P結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸和自噬體形成[6]。由Beclin1復(fù)合物啟動(dòng)的過(guò)程產(chǎn)生了新生的自噬體膜,將受損的細(xì)胞器與蛋白封裝后與溶酶體融合為囊泡,產(chǎn)生自噬溶酶體[7],并且其內(nèi)容物最終被降解用于再循環(huán)。Beclin1和VPS34控制自噬活性,其中該復(fù)合物的AMP活化蛋白激酶(AMPK)和UNC-51樣激酶-1(ULK1)依賴性調(diào)節(jié)發(fā)揮重要作用[8]。雖然通常自噬對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)以及細(xì)胞器的消除是非選擇性的,但有時(shí)自噬也參與特定蛋白(如p62/SQSTM1)或特定細(xì)胞器的降解,如aggrephagy(用于蛋白質(zhì)聚集體的降解)、mitophagy(用于線粒體的降解)、pexophagy(用于過(guò)氧化物酶體的降解)以及網(wǎng)狀噬菌體和異種自噬[9]。有學(xué)者將器官的衰老部分歸因于自噬的減少而引起細(xì)胞死亡的增加,這是因?yàn)樽允赏康臏p少,會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷的細(xì)胞器和功能失調(diào)的蛋白質(zhì)累積,觸發(fā)細(xì)胞死亡。研究人員同時(shí)也在小鼠和蠕蟲機(jī)體上證明了自噬相關(guān)基因會(huì)影響正常壽命，從而抑制腫瘤的發(fā)生[10]。

3 自噬與衰老進(jìn)行性疾病

自噬一直被認(rèn)為是通過(guò)自噬-溶酶體對(duì)細(xì)胞毒性成分的降解而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),從而抑制腫瘤的發(fā)生。但自噬介導(dǎo)的分泌因子也可能通過(guò)自體或者信號(hào)通路刺激腫瘤細(xì)胞增殖,在腫瘤的治療過(guò)程中增加腫瘤的藥物抗性。在過(guò)去幾年中,自噬在腫瘤中的雙向調(diào)節(jié)作用被很多學(xué)者所關(guān)注[11]。Wu等[12]發(fā)現(xiàn)阿帕替尼可以通過(guò)Akt/mTOR通路提高自噬的表達(dá),從而抑制結(jié)腸癌HCT116和SW480細(xì)胞的增殖。Beclin1可以介導(dǎo)自噬蛋白定位在特定的位置,對(duì)于自噬體的成熟不可或缺,自噬功能上調(diào),也伴隨著B(niǎo)eclin1的增加。Lade等[13]與Liang等[14]研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于正常的肝臟與乳腺上皮組織,在肝癌與乳腺癌的癌細(xì)胞中,Beclin1呈現(xiàn)明顯的低表達(dá)甚至缺失。在人乳腺癌MCF-7細(xì)胞中穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄Beclin1后發(fā)現(xiàn),細(xì)胞的成瘤性得到了明顯抑制。Thorburn等[15]研究發(fā)現(xiàn),抑制自噬可以調(diào)節(jié)促凋亡蛋白PUMA的增加,使腫瘤細(xì)胞對(duì)Trail誘導(dǎo)的凋亡更加敏感。然而,還有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)抑制自噬會(huì)增加腫瘤細(xì)胞對(duì)抗癌藥物的敏感性,說(shuō)明某種情況下,自噬的存在對(duì)腫瘤細(xì)胞起到了一定的積極作用。Burton等[16]通過(guò)自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine, 3-MA)聯(lián)合不同的中藥單體作用在前列腺癌細(xì)胞上發(fā)現(xiàn),抑制保護(hù)性自噬后,增強(qiáng)了中藥單體對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制與促凋亡作用。Ma等[17]也在黑色素瘤中發(fā)現(xiàn),自噬抑制劑聯(lián)合抗腫瘤藥物可以促進(jìn)腫瘤的消退,減輕腫瘤的負(fù)荷。自噬抑制劑的這種作用,在乳腺癌[18]與膠質(zhì)細(xì)胞瘤[19]的研究中也得到了驗(yàn)證。

4 自噬與衰老退行性疾病

4.1 自噬與AD 最新的證據(jù)強(qiáng)烈支持自噬是作為維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和延長(zhǎng)生物壽命的主要機(jī)制,并且自噬在AD中也扮演了極其重要的角色[20]。盡管β-淀粉樣蛋白(Aβ)的細(xì)胞外沉積形成淀粉樣斑塊與神經(jīng)原的纖維纏結(jié)是導(dǎo)致AD的主要原因,但自噬-溶酶體途徑中的錯(cuò)配與障礙可能先于這些神經(jīng)細(xì)胞病理學(xué)特征而形成[21]。電鏡下觀察AD的神經(jīng)軸突發(fā)現(xiàn),雖然營(yíng)養(yǎng)障礙可以誘導(dǎo)大量的自噬小泡產(chǎn)生,但是無(wú)營(yíng)養(yǎng)障礙的軸突間原本也會(huì)存在大量的自噬小泡。Beclin1在AD早期的減少可導(dǎo)致淀粉樣前體蛋白基因(amyloidprecursor, APP)、Aβ和C-末端片段增加,還能引起小膠質(zhì)細(xì)胞變化和神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu)的異常;而其過(guò)表達(dá)可減少Aβ的積累[22]。雷帕霉素(rapamycin)是一種自噬的誘導(dǎo)劑與mTOR通路的抑制劑,如果在神經(jīng)組織大量纏結(jié)以及斑塊廣泛形成前就開(kāi)始治療,能夠降低Aβ的沉積以及改善認(rèn)知[23]。研究人員通過(guò)細(xì)胞以及APP/PS1的轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠發(fā)現(xiàn),牛蒡子苷元(Arctigenin, ARC-G)可以通過(guò)抑制mTOR以及AMPK/Raptor通路激活自噬來(lái)抑制BACE1的表達(dá),并且促進(jìn)Aβ的清除,顯著降低了老年斑并且有效地緩解了記憶障礙[24]。Qi等[25]發(fā)現(xiàn),ARC-G也可以通過(guò)PI3K/Akt通路降低tau蛋白的磷酸化,有效地減輕了AD小鼠的學(xué)習(xí)記憶障礙。

4.2 自噬與AMD 多位研究學(xué)者發(fā)現(xiàn),視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(RPE)自噬的變化與視網(wǎng)膜外層的變性有著密切關(guān)系,并且與年齡呈正相關(guān)[26]。研究發(fā)現(xiàn),在老年小鼠的RPE中與來(lái)自人類尸體眼睛中的玻璃狀疣中發(fā)現(xiàn)了大量的自噬外泌體,同時(shí),越來(lái)越多的證據(jù)顯示,RPE清除細(xì)胞內(nèi)碎片的能力降低以及脂褐素的堆積與自噬的失調(diào)密不可分。RB1CC1是自噬必需的上游誘導(dǎo)物,被mTOR所抑制,Yao等[27]通過(guò)建立特異性Rb1cc1條件性敲除小鼠模型,驗(yàn)證了RPE中自噬的選擇性減少會(huì)引起RPE的年齡相關(guān)性變性與光感受器的繼發(fā)性變性,證明了自噬在維持衰老的RPE的正常穩(wěn)態(tài)中起到了關(guān)鍵作用。SQSTM1/P62作為連接溶酶體與蛋白酶體的標(biāo)志性蛋白質(zhì),在細(xì)胞內(nèi)廣泛存在[28]。在PD、AD以及亨廷頓舞蹈病的研究中,都有報(bào)道在泛素蛋白陽(yáng)性的包涵體中,自噬的減少常常伴隨著SQSTM1/P62的積累[29]。Kaarniranta等[30]通過(guò)對(duì)AMD病人的研究發(fā)現(xiàn),自噬的降低使得p62/SQSTM1較之ELAVL1/HuR在細(xì)胞內(nèi)有更多的積累,這表明自噬在RPE中清除蛋白質(zhì)聚集體的作用要大于蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白水解。在AMD的輔助研究中發(fā)現(xiàn)了5種自身反應(yīng)性靶標(biāo):熱休克蛋白70(HSP70)家族中的HSP8與HSP9,另一個(gè)熱休克蛋白HSPB4,也稱為α-晶狀體蛋白A鏈(CRYAA),膜聯(lián)蛋白A5和蛋白質(zhì)S100-A9[31]。 盡管這些蛋白質(zhì)可能參與各種對(duì)AMD發(fā)展至關(guān)重要的作用和機(jī)制,包括免疫調(diào)節(jié)和抗氧化、抗凋亡保護(hù),但它們都可以參與自噬活化,證實(shí)了自噬在AMD發(fā)病機(jī)制中的重要作用。

4.3 自噬與PD 有學(xué)者通過(guò)對(duì)PD病人神經(jīng)元的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元存在著自噬變性,表明PD的主要病理學(xué)變化可能和自噬功能失調(diào)緊密相關(guān)[32]。有多種PD的相關(guān)基因已被證實(shí)與線粒體自噬相關(guān):調(diào)控α-突觸核蛋白(α-synuclein,α-Syn)的SNCA基因、PINK1基因、DJ-1基因、富亮氨酸重復(fù)激酶2 (leucine duplication kinase 2,LRRK2) 等[33]。上述基因通常均定位于衰老的線粒體上,調(diào)控線粒體的自噬,降解受損和老化的線粒體,當(dāng)基因突變或者降解功能受損時(shí),神經(jīng)元保護(hù)性自噬下調(diào),結(jié)構(gòu)功能改變,從而導(dǎo)致PD。LC3是迄今為止被了解的最為透徹的自噬相關(guān)基因8(autophagy-related 8 genes, Atg8)的一個(gè)同源蛋白,通常定位于自噬體膜上,對(duì)自噬體的形成十分重要,被廣泛認(rèn)為是自噬過(guò)程中的標(biāo)記蛋白[34]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)使用海藻糖上調(diào)PD模型小鼠的LC3后,小鼠的PD癥狀有所緩解,說(shuō)明小鼠的PD癥狀可能與自噬相關(guān)[35]。位于自噬泡上的LRRK2基因通?？梢种萍?xì)胞炎癥因子的生成與釋放,有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),敲除了自噬泡上的LRRK2基因,可以抑制部分小膠質(zhì)細(xì)胞釋放炎癥因子以及多巴胺能神經(jīng)元的死亡,從而改善PD病情[36]。通過(guò)雷帕霉素及其類似的自噬激活劑激活自噬,也是目前通過(guò)mTOR依賴性途徑治療PD的主要手段。研究人員將雷帕霉素應(yīng)用于1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)造模的小鼠中發(fā)現(xiàn),小鼠的LC3、多巴胺能神經(jīng)元均明顯增多,而α-Syn顯著下降[37]。同時(shí),鋰鹽、卡馬西平等藥物也能通過(guò)mTOR非依賴性途徑誘導(dǎo)自噬,從而減輕魚藤酮造模的PD小鼠的癥狀。雖然自噬的發(fā)病機(jī)制尚無(wú)明確定義,但是通過(guò)增強(qiáng)衰老蛋白和α-Syn的降解,降低錯(cuò)誤折疊蛋白的異常沉積,是促進(jìn)PD病人病情改善的有效途徑,我們期盼自噬途徑可以成為PD防治的新思路。

5 展望

自噬作為調(diào)節(jié)衰老相關(guān)性疾病的重要方法,旨在減輕老年人的痛苦,提高老年人的健康壽命,已經(jīng)得到了研究學(xué)者的廣泛認(rèn)同。但是針對(duì)不同的疾病,以及該疾病不同的階段,自噬對(duì)其具體的作用機(jī)制仍待深入探究。