自噬與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病及小膠質(zhì)細胞活化研究進展*

劉 娜 綜述 李文娟 審校

(濟寧醫(yī)學院法醫(yī)學與醫(yī)學檢驗學院，濟寧 272067)

1 自噬

自噬(autophagy)是細胞通過溶酶體(或液泡)清除損傷、衰老細胞器以及冗余蛋白的一種重要生理過程。細胞通過雙層膜包裹待降解物形成自噬體(autophagosome),然后運送到溶酶體形成自噬溶酶體,降解其所包裹的內(nèi)容物,以實現(xiàn)細胞代謝需要和細胞器的更新。自噬主要受2條信號通路調(diào)控：一是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白依賴的信號通路(mTOR-dependent)；二是非哺乳動物雷帕霉素靶蛋白依賴的信號通路(mTOR-independent)。mTOR 屬于磷酯酰肌醇激酶相關激酶(phosphoinositidekinase related kinases,PIKKs)家族中的新型絲/ 蘇氨酸蛋白激酶。氨基酸、生長因子、炎癥介質(zhì)、缺氧、DNA損傷和Wnt信號通路都能通過mTOR 依賴的信號通路來調(diào)節(jié)自噬[1]；而在非mTOR 依賴的信號通路中，則是通過IP3和PKA等其他的蛋白激酶來完成的[2]。

正常情況下，細胞內(nèi)自噬水平相當?shù)?，其主要作用是維持細胞的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，避免大量有害物質(zhì)蓄積對細胞造成傷害；當處于營養(yǎng)和能量缺乏、氧化應激、感染以及蛋白質(zhì)大量聚集等不利因素下，細胞自噬被激活，以提高自身耐受力，有助細胞的生存。若自噬過度激活且長期高水平存在，則造成細胞損傷甚至發(fā)生自噬性死亡。因此，自噬對細胞生存有促進和抑制的雙面作用[3]。

自噬異常與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[4]。由于自噬對神經(jīng)細胞的動態(tài)平衡及其在營養(yǎng)缺乏時的存活至關重要，神經(jīng)細胞對自噬比其他細胞更敏感。小膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)介導天然免疫應答反應的主要成分，幾乎參與所有的神經(jīng)病理生理過程。持續(xù)活化的小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生多種免疫效應分子，其介導的炎癥反應已成為促進神經(jīng)損傷過程和誘發(fā)神經(jīng)退行性疾病的重要進程。

2 自噬與神經(jīng)退行性疾病

目前研究認為，大量突變和錯誤折疊的蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)聚集是神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生的物質(zhì)基礎。在神經(jīng)元胞體和突觸內(nèi)，有毒蛋白質(zhì)和受損細胞器聚集而引發(fā)的蛋白質(zhì)和細胞器的質(zhì)量控制障礙可能擾亂正常的神經(jīng)功能，最終導致神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生，如阿爾茨海默癥(Alzheimer's disease,AD)[5]、帕金森病(Parkinson's disease,PD)[6]、亨廷頓病(Huntington’s disease,HD)[7]和肌萎縮性側(cè)索硬化(amyotrophic lateralsclerosis,ALS)[8]等。在神經(jīng)退行性疾病早期，激活自噬可加速變性蛋白的清除，延緩疾病的發(fā)展。錯誤折疊的受損蛋白能夠被細胞內(nèi)活化的分子伴侶系統(tǒng)和胞漿蛋白酶體系再折疊或清除。激活自噬加速了新合成蛋白質(zhì)聚集物的清除已經(jīng)得到了證實。然而，隨著疾病的進展，蛋白質(zhì)聚集物越來越多，對溶酶體蛋白酶降解的敏感性下降，自噬的持續(xù)性激活最終引發(fā)細胞死亡，這樣自噬又促進了神經(jīng)元的死亡[9]。

2.1 自噬與AD

AD是最為常見的一種與年齡密切相關的神經(jīng)退行性疾病， 主要表現(xiàn)為進行性的記憶和認知功能障礙，最典型的病理特征為腦內(nèi)相關區(qū)域β淀粉樣蛋白(β-amyloid,Aβ)沉積、磷酸化Tau蛋白沉積、神經(jīng)纖維纏結和突觸及神經(jīng)元丟失。APP是Aβ的前體蛋白，除了作為自噬的底物以外，本身可誘導自噬活化[10]，并抑制mTOR活性。正常生理條件下，細胞內(nèi)Aβ活化自噬促進自身降解，形成一種負反饋平衡調(diào)節(jié)機制。在健康的大腦中，成熟的自噬溶酶體能有效清除自噬小泡，抑制細胞內(nèi)Aβ的堆積；而疾病狀態(tài)下，溶酶體功能障礙促進了Aβ的產(chǎn)生和堆積。家族性AD患者體內(nèi)ps-1基因突變導致溶酶體酸性下降， 自噬小體的成熟轉(zhuǎn)化過程受阻，導致自噬小泡大量堆積，引起神經(jīng)元損傷和死亡。

2.2 自噬與PD

PD是中老年常見的神經(jīng)退行性疾病之一，其主要臨床表現(xiàn)為靜息震顫、肌肉僵硬、動作遲緩以及步態(tài)不穩(wěn)。細胞內(nèi)α-synuclein 聚集形成包涵體又稱為Lewy小體，是其典型的病理改變。目前研究發(fā)現(xiàn)至少有6種基因突變，即α-synuclein、Parkin、PINK-1、UCH-L1、DJ-1以及LRRK2，可以導致家族遺傳型PD。野生型和突變型α-synuclein 均能誘導巨自噬活化作為代償機制；當代償失衡時，α-synuclein 形成聚集體，對細胞產(chǎn)生毒性作用。另外，自噬是參與線粒體循環(huán)更新的重要途徑，這也是PD發(fā)病的重要機制之一。當線粒體損傷時，PINK-1 和Parkin 被募集至線粒體膜，誘導線粒體自噬(mitophagy)活化，從而清除損傷的線粒體。家族遺傳型PD患者PINK-1 和Parkin 突變導致線粒體自噬受阻，受損線粒體和ROS 大量堆積對神經(jīng)元造成損傷[11]。

3 自噬與神經(jīng)損傷性疾病

中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生急性損傷時，作為常駐免疫細胞的小膠質(zhì)細胞被激活，啟動免疫反應?；罨男∧z質(zhì)細胞能夠產(chǎn)生多種免疫效應分子，如活性氧(reactive oxygen species，ROS)、促炎細胞因子(如TNF、IL-1、IL-12、IL-6)等。小膠質(zhì)細胞的適當活化有利于損傷的恢復，但若活化過度則加重損傷。多項研究發(fā)現(xiàn)，自噬在急性神經(jīng)損傷的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

3.1 自噬與創(chuàng)傷性腦/脊髓損傷

急性腦損傷或脊髓損傷是一類嚴重的神經(jīng)損傷，能夠誘導神經(jīng)細胞發(fā)生自噬。適當水平的自噬可起到保護作用，而自噬過度則加重病情。Goldshmith等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠脊髓損傷模型中，注射自噬誘導劑雷帕霉素后脊髓損傷部位小膠質(zhì)細胞的活化減少，同時炎癥反應減少，星形膠質(zhì)細胞增生，從而促進了神經(jīng)元的存活。在創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injuries,TBI)模型中，通過加入自噬抑制劑氯喹[13]抑制自噬，減少炎癥因子TNF-α和IL-1β的表達，減少腦水腫、增加神經(jīng)細胞功能恢復從而起到神經(jīng)保護作用。由此可推測，在TBI中炎癥因子對病情發(fā)展具有重要作用，而自噬過程則直接或間接地與炎癥因子聯(lián)系，但自噬和小膠質(zhì)細胞炎癥反應間的確切關系還有待進一步證實。

3.2 自噬與缺血性腦損傷

腦灌注不足是指因兩支或兩支以上腦動脈主干終末之間的邊緣地帶供血不足所引起的一種臨床綜合征，多見于彌散性腦動脈硬化，充血性心力衰竭以及能引起血流緩慢的疾病。腦灌注不足可激活小膠質(zhì)細胞并發(fā)生自噬。Yang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠模型的慢性腦低灌注可誘導小膠質(zhì)細胞激活和自噬，加重腦白質(zhì)病變與小鼠認知功能缺陷；而自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-methyadenine,3-MA)可抑制小膠質(zhì)細胞自噬發(fā)生，減少腦白質(zhì)病變。另一項在局灶性腦缺血小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn)，缺血導致小膠質(zhì)細胞發(fā)生自噬，并促進了炎癥發(fā)生和神經(jīng)損傷；使用自噬抑制劑3-MA可減少小膠質(zhì)細胞的自噬和炎癥反應[15]，表明抑制自噬可改善腦灌注不足的病情。

4 自噬與神經(jīng)感染性疾病

自噬不僅參與神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)損傷性疾病的發(fā)生與發(fā)展，也是一種重要的抗病毒機制。當發(fā)生病毒感染時，一方面機體會啟動自噬反應來激活天然和適應性免疫應答以清除病毒，另一方面病毒也可能進化出逃逸自噬對自身降解作用的機制，甚至利用自噬來促進病毒的復制[16]。嗜神經(jīng)病毒包括單純皰疹病毒1型(Herpes simplex virus type 1，HSV-1)17]、流行性乙型腦炎病毒(Japanese encephalitis virus，JEV)[18]、寨卡病毒(Zika Virus，ZIKA)[19]。

4.1 自噬與單純皰疹病毒(HSV-1)腦炎

HSV-1為有包膜的雙鏈DNA病毒， HSV-1腦炎是最嚴重的急性腦炎之一，在無治療措施干預時病死率達70%[20]。在HSV-1感染早期，蛋白激酶R(protein kinase R，PKR)被病毒來源的雙鏈DNA激活，通過介導翻譯起始因子e IF2α磷酸化阻斷細胞蛋白質(zhì)的合成，并激活自噬，降解清除病毒顆粒和病毒蛋白。HSV-1 則利用編碼的蛋白質(zhì)干擾細胞自噬過程，從而保護自身不受損害。研究發(fā)現(xiàn)，HSV-1神經(jīng)毒力因子ICP34.5的C-末端結構域(GADD34 結構域)通過募集蛋白磷酸酶1α(protein phosphatase1α,PP1α)，使PKR磷酸化的e IF2α去磷酸化，抑制HSV-1誘導的自噬激活。ICP34.5的 N-末端結構域(68-87位氨基酸)能夠和Beclin 1結合，導致自噬體的累積和成熟障礙，抑制自噬降解作用。在感染晚期，病毒皮層蛋白Us11可以通過直接與PKR結合抑制e IF2α磷酸化。 HSV-1的免疫反應依賴于TLR2和TLR9的表達以及IFN的產(chǎn)生[21]。小膠質(zhì)細胞通過TLR-2識別病原體，并釋放多種炎癥因子，如 MCP1、 IL-1β、 I 型IFN、 IFN-γ、 TNF-α等。HSV-1腦炎時的免疫應答、免疫損傷、抗病毒、病毒逃逸等是復雜的動態(tài)平衡的過程，自噬和小膠質(zhì)細胞的作用有待進一步細致探討。

4.2 自噬與流行性乙型腦炎

流行性乙型腦炎(Japanese encephalitis，JE)是由JEV感染引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病。JEV感染神經(jīng)元細胞導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)壓力和活性氧的產(chǎn)生，從而誘導細胞凋亡和炎癥反應(RIG-1/IRF-3、P13K/NF等信號通路)。病毒感染細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激通路與自噬存在密切聯(lián)系。JEV感染神經(jīng)元后能夠激活eIF2α/PERK、IRE1 / XBP1和ATF6介導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)應激通路，而XBP1和ATF6可以激活自噬。XBP1和ATF6都在病毒誘導的細胞死亡中起著至關重要的作用，且很可能通過自噬誘導發(fā)揮作用[22]。作為單正鏈RNA病毒，JEV需要依賴細胞內(nèi)膜結構進行病毒的復制和組裝，JEV感染誘導小膠質(zhì)細胞自噬能夠提高自身復制效率[23]。在JEV感染初期，自噬具有抗病毒和延遲病毒誘導的細胞死亡的作用；隨著感染進展，自噬體成熟受到抑制，導致錯誤折疊蛋白的聚集和神經(jīng)退行性改變[24]。

4.3 自噬與ZIKA感染

黃病毒科感染與自噬和ER應激過程緊密聯(lián)系。黃病毒感染期間自噬的誘導最初被認為是ER應激衍生的非折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)的結果；進一步研究發(fā)現(xiàn)病毒的一些非結構蛋白也可以不依賴UPR的方式誘導自噬。ZIKV隸屬于黃病毒科黃病毒屬，其感染與嚴重的臨床出生缺陷如小頭畸形等有關[25]。在人類神經(jīng)干細胞中，ZIKV感染導致的ER重排和囊泡簇的形成被認為是病毒RNA復制和病毒粒子組裝的部位[26]。研究發(fā)現(xiàn)，ZIKV 感染人類胚胎神經(jīng)干細胞后， NS4A和NS4B可協(xié)同抑制Akt-mTOR信號通路，而Akt-mTOR信號通路正是大腦發(fā)育和細胞自噬調(diào)節(jié)過程中的關鍵細胞通路之一。因此，NS4A和NS4B可能是ZIKV 感染導致自噬的異常激活和神經(jīng)缺陷發(fā)生的重要分子[27]，以ZIKV蛋白為靶點的小分子可能成為一種潛在的治療手段。

5 自噬與小膠質(zhì)細胞活化

小膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的常駐免疫細胞，介導天然免疫應答反應。小膠質(zhì)細胞的適度活化對神經(jīng)突觸的發(fā)生、神經(jīng)元結構和功能的維持以及調(diào)節(jié)血腦屏障的完整性具有重要作用?；罨男∧z質(zhì)細胞可作為抗原遞呈細胞，表達MHC-II等免疫分子，主要誘導Thl反應，激活CTL細胞的直接殺傷作用。持續(xù)活化的小膠質(zhì)細胞能夠產(chǎn)生多種免疫效應分子，如ROS、活性氮(reactive nitrogen species,RNS)、促炎細胞因子(如TNF、IL-1、IL-12、IL-6等)、抗炎因子(如IL-10、TGF-β、PGE2等)及分泌蛋白酶等。這些效應分子在早期促進宿主防御和修復的同時，也促成了慢性炎癥反應形成和炎性產(chǎn)物水平持續(xù)升高，從而影響神經(jīng)系統(tǒng)多種病理過程的啟動、進展直至最后結局的全過程[28]。

研究表明，腦低灌注、缺血及脊髓損傷、病毒感染等均可導致小膠質(zhì)細胞的激活、炎癥反應，并誘發(fā)自噬發(fā)生?；谧允膳c小膠質(zhì)細胞活化過程都與神經(jīng)疾病的發(fā)生密切相關，越來越多的研究開始探索自噬與小膠質(zhì)細胞活化的關系。小膠質(zhì)細胞內(nèi)高水平的自噬可能是小膠質(zhì)細胞激活時同時啟動的自穩(wěn)調(diào)節(jié)，有助于抑制小膠質(zhì)細胞的過度激活。如果細胞出現(xiàn)自噬缺陷，會引起老化細胞器和蛋白質(zhì)的大量聚集，可能會由于清除減少細胞內(nèi)ROS增加，激活細胞凋亡或其他炎性信號。中樞神經(jīng)系統(tǒng)小膠質(zhì)細胞內(nèi)的自噬可能是其激活時同時啟動的，通過調(diào)節(jié)自噬充分發(fā)揮小膠質(zhì)細胞的神經(jīng)保護作用，抑制小膠質(zhì)細胞活化來保護神經(jīng)元有可能為神經(jīng)損傷等疾病治療提供新的策略。

6 小結與展望

作為真核細胞重要的物質(zhì)降解過程，自噬的分子細胞機理和生理病理意義正在被逐漸認識。自噬不僅可以清除受損細胞器和冗余蛋白，維持細胞內(nèi)環(huán)境平衡，也是固有免疫的重要組成。適度的自噬可以促進疾病的恢復，而自噬紊亂則使病情惡化。自噬在神經(jīng)退行性疾病、損傷性疾病和感染性等疾病進程中扮演重要角色，小膠質(zhì)細胞作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一類重要的免疫細胞，在維護中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用。深入探索自噬與小膠質(zhì)細胞活化的具體作用機制，將對小膠質(zhì)細胞活化相關的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的靶向治療具有深遠意義。