運動調(diào)節(jié)FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬改善AD的機制研究

李亞楠 閆清偉

摘 要：研究證實阿爾茨海默癥（ Alzheimer's disease， AD）腦內(nèi)Aβ累積，導(dǎo)致線粒體功能障礙，造成線粒體自噬活性降低，無法徹底清除毒性物質(zhì)，導(dǎo)致AD發(fā)生發(fā)展。而運動可提高線粒體自噬活性，清除Aβ，改善AD的病理特征，但其機制尚不清楚。通過分析發(fā)現(xiàn)低氧下UNC-51樣激酶1（unc-51like kinase1，ULK1）磷酸化FUNDC1（FUN14 domain conTaining1）的Ser17位點，磷酸甘油變位酶家族蛋5（phosphOglyeerate-mutase family member 5，PGAM5）去磷酸化Ser13位點，促進FUNDC1與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）結(jié)合，介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生。而在運動刺激下，可激活A(yù)MPK-ULK1途徑，磷酸化FUNDC1的Ser17位點，誘導(dǎo)FUNDC1和LC3結(jié)合，提高線粒體自噬活性，減少Aβ，改善腦內(nèi)線粒體功能障礙，為防治AD提供新的治療靶點。

關(guān)鍵詞：運動;阿爾茨海默病;FUNDC1;線粒體自噬

一、前言

AD是一種累進性腦功能障礙退行性病變。主要表現(xiàn)為記憶力減退、認(rèn)知及學(xué)習(xí)功能障礙。典型的病理特征是β-淀粉樣蛋白沉積形成的老年斑（SPs）、Tau蛋白累積形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)（NFTs）[1]。目前世界上已有4000萬人患AD，預(yù)計經(jīng)過10年，患AD人數(shù)可能增加至8200萬例。2015年在AD方面耗資8000億美元，隨著患病人數(shù)的增加，費用也每年呈遞增式增加，這給全球經(jīng)濟帶來了挑戰(zhàn)[2]。所以針對AD的防治變得極為迫切，然而當(dāng)前尚無藥物可以根治AD，人們的注意力逐漸轉(zhuǎn)移到運動鍛煉。

大量研究證實運動可提高線粒體自噬水平，減少腦內(nèi)Aβ累積，改善線粒體功能，緩解AD腦損傷。人體實驗中：50～80歲認(rèn)知障礙患者進行3個月中等強度有氧運動后，通過MMSE、ADAS-cog等檢查發(fā)現(xiàn)，中等強度有氧運動可以緩解AD患者的認(rèn)知功能障礙[3]。另外AD患者經(jīng)過中、高強度有氧運動后，其學(xué)習(xí)記憶能力顯著提高，并且高強度有氧運動對學(xué)習(xí)記憶的改善作用主要表現(xiàn)在短期，長期內(nèi)則是中等強度有氧運動效果好[4]?？傊芯孔C實維持運動可提高AD患者學(xué)習(xí)認(rèn)知能力，而缺乏運動則會增加AD的患病率。動物實驗中：D-半乳糖模型大鼠經(jīng)過跑臺和游泳的混合運動后，Aβ42減少，D-半乳糖模型大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力顯著提高[5]。APP/PS1小鼠進行12周高強度間歇運動后，海馬內(nèi)Aβ降低，線粒體自噬活性提高，APP/PS1小鼠的認(rèn)知功能提高[6]。綜上所述，人體和動物實驗均證實運動可有效清除Aβ沉積，提高線粒體自噬活性，減輕AD腦內(nèi)線粒體氧化應(yīng)激狀態(tài)，抑制AD的發(fā)生發(fā)展。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)FUNDC1可能在運動介導(dǎo)線粒體自噬的分子機制中占有重要的地位。然而目前尚不清楚運動發(fā)揮此作用的機制，需要進一步深入探究。因此本文分析運動和FUNDC1的關(guān)系以及FUNDC1和線粒體自噬與AD的關(guān)系，提出運動改善AD的分子機制。

二、AD腦內(nèi)線粒體自噬障礙

自噬是一種保障細(xì)胞正常運行的過程。在氧化應(yīng)激等刺激下，細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)，損傷的細(xì)胞等毒性物質(zhì)轉(zhuǎn)運至自噬體，隨后與溶酶體形成自噬溶酶體被降解，從而維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。這種細(xì)胞自發(fā)的保護反應(yīng)稱為自噬。自噬可以分為：大自噬、微自噬以及伴侶自噬[7]。其中大自噬進一步劃分為選擇性和非選擇性自噬，已證實線粒體自噬是屬于選擇性自噬[2]。首先自噬體選擇性的篩選出功能障礙的線粒體，其次將其包裹在包被結(jié)構(gòu)內(nèi)與溶酶體融合，最后被降解清除，避免細(xì)胞再次損傷。

研究證實Aβ誘導(dǎo)的線粒體自噬障礙是AD發(fā)病的重要因素。正常生理條件下，功能障礙的線粒體主要是通過線粒體自噬來清除。但AD海馬內(nèi)線粒體自噬活性較低，造成毒性物質(zhì)堆積，加劇AD的病理現(xiàn)象。并且研究證實突變型APP轉(zhuǎn)基因小鼠與對照組相比，轉(zhuǎn)基因小鼠線粒體分裂蛋白基因表達(dá)升高，而融合、生物發(fā)生以及線粒體自噬基因表達(dá)降低[2]。另外在AD患者海馬體內(nèi)發(fā)現(xiàn)溶酶體功能受損，含有Aβ的自噬體積聚[8]。提示AD線粒體自噬活性下降可能是由于溶酶體功能失調(diào)所致。而提高線粒體自噬活性可能是防治AD的治療策略。自噬相關(guān)基因LC3在細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)化成LC3-I，隨后與磷脂酰乙醇胺結(jié)合形成LC3-II。LC3-Ⅱ是促進自噬溶酶體降解的重要蛋白，因此LC3-Ⅱ被認(rèn)為是判斷自噬體的金標(biāo)準(zhǔn)[9]。而P62是一種泛素結(jié)合蛋白，在線粒體自噬過程中P62與LC3連接并被降解。因此P62在細(xì)胞中表達(dá)增加，而自噬活性會下降，兩者是負(fù)相關(guān)的關(guān)系[10]。綜上所述在實驗研究中，檢測LC3-II、P62的表達(dá)可作為觀察線粒體自噬活性的指標(biāo)。

三、FUNDC1調(diào)節(jié)AD腦線粒體自噬的分子機制

在2012年證實FUNDC1是一種哺乳動物內(nèi)的線粒體外膜蛋白[11]。FUNDC1中含有155個氨基酸結(jié)構(gòu)域，其中N端結(jié)構(gòu)域包含一段與LC3結(jié)合的區(qū)域（LC3-interacting region，LIR）。因此FUNDC1與LC3作用，誘導(dǎo)線粒體自噬。FUNDC1處于特定的環(huán)境中，介導(dǎo)的線粒體自噬機制是復(fù)雜的。在正常環(huán)境中肌酸激酶2（creatine kinase 2，CK2）磷酸化FUNDC1的Ser13位點，與此同時BCL2L1阻礙PGAM5去磷酸化Ser13位點，導(dǎo)致FUNDC1被磷酸化，抑制線粒體自噬。在低氧刺激下BCL2L1被降解，因此BCL2L1與PGAM5結(jié)合受阻，PGAM5重新發(fā)揮去磷酸化作用，誘導(dǎo)FUNDC1與LC3結(jié)合，促進線粒體自噬。如果PGAM5基因突變，那么線粒體自噬會被顯著抑制[12]。提示低氧下PGAM5可去磷酸化FUNDC1的Ser13位點，促進FUNDC1與LC3結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生。另外介導(dǎo)FUNDC1發(fā)生線粒體自噬的分子機制中還有一個重要的參與者—ULK1。低氧刺激下ULK1表達(dá)上調(diào)并被轉(zhuǎn)運至線粒體外膜，磷酸化FUNDC1的Ser17位點，促進FUNDC1與蛋白CanX（Calexin）分離并和LC3結(jié)合，介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生[13]。

研究證實敲除FUNDC1基因，會阻斷ULK1轉(zhuǎn)移和抑制線粒體自噬。因此FUNDC1可能是ULK1在線粒體外膜的作用靶點，促進線粒體自噬發(fā)生。在心臟缺血再灌注實驗中，低氧可誘導(dǎo)血小板中FUNDC1結(jié)合LC3提高線粒體自噬活性，減輕I/R所致的心臟損傷，敲除FUNDC1基因后，F(xiàn)UNDC1-LC3途徑被阻斷，線粒體自噬活性降低[14]。同樣在大腦神經(jīng)元細(xì)胞中也證實FUNDC1和LC3結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生，減輕腦損傷[15]。綜上所述在骨骼肌、心肌、大腦神經(jīng)元細(xì)胞中提高線粒體自噬可能和FUNDC1-LC3途徑相關(guān)。研究證實大腦神經(jīng)元內(nèi)線粒體自噬活性下降，Aβ大量堆積，可能造成AD的重要因素。因此在大腦神經(jīng)元內(nèi)FUNDC1與LC3結(jié)合提高線粒體自噬活性可能是清除Aβ，防治AD的治療策略。

四、運動通過FUNDC1調(diào)節(jié)AD腦線粒體自噬的分子機制

研究證實運動可介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生，但其具體機制尚不完全清楚。有氧運動可激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase， AMPK），促進其介導(dǎo)線粒體自噬的通路發(fā)生，改善AD大腦神經(jīng)元[16]。AMPK是細(xì)胞內(nèi)重要的調(diào)控物質(zhì)能量代謝的蛋白質(zhì)。運動干預(yù)可調(diào)控AMPK的T172位點磷酸化激活A(yù)MPK，AMPK在S555區(qū)磷酸化ULK1，從而激活并上調(diào)ULK1。而FUNDC1作為ULK1的下游蛋白，受到其磷酸化作用的調(diào)控。ULK1可在Ser17位點磷酸化FUNDCl，進而增強FUNDCl與LC3的相互作用，若敲除FUNDC1上的ULK1結(jié)合序列，會抑制線粒體自噬。研究證實SD大鼠經(jīng)過運動后，骨骼肌中FUNDC1、ULK1以及LC3-II/I比值表達(dá)增加，p62表達(dá)下降，提示運動可能是通過AMPK-ULK1通路影響FUNDC1的表達(dá)，介導(dǎo)FUNDC1與LC3結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬保護骨骼肌細(xì)胞[17]。在早期心衰大鼠實驗中，F(xiàn)UNDC1、LC3-II/I的表達(dá)水平上調(diào)，提示有氧運動可通過FUNDC1和LC3結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生，保護大鼠心肌細(xì)胞[18]。在哺乳動物體內(nèi)存在FUNDC1介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生的機制，通過激活FUNDC1-LC3途徑，提高線粒體自噬活性可能是緩解大腦線粒體氧化損傷的治療策略。那么運動刺激AMPK表達(dá)，激活ULK1-FUNDC1-LC3途徑提高線粒體自噬活性可能也是大腦神經(jīng)中樞的調(diào)控機制。海馬內(nèi)線粒體自噬可清除Aβ沉積，而Aβ是AD的重要病理特征，因此運動通過激活A(yù)MPK-ULK1途徑介導(dǎo)FUNDC1與LC3結(jié)合，提高線粒體自噬活性清除Aβ是防治AD的重要途徑之一。

五、小結(jié)

AD是一種多因素神經(jīng)退行性疾病，然而尚未發(fā)現(xiàn)某種藥物可以治愈AD患者。而運動提高線粒體自噬活性，清除Aβ，改善AD是公認(rèn)的重要途徑。FUNDC1作為新發(fā)現(xiàn)的線粒體自噬蛋白在其中發(fā)揮著重要作用。低氧下ULK1磷酸化FUNDC1的Ser17位點，PGAM5去磷酸化Ser13位點，促進FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬是防治AD的關(guān)鍵通路之一。而運動通過激活A(yù)MPK以及ULK1-FUNDC1途徑，促進FUNDC1與LC3結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體自噬可能也是改善AD的重要通路。然而在運動下FUNDC1作為ULK1的連接蛋白介導(dǎo)線粒體自噬發(fā)生改善AD的分子機制仍需深入探索。探討不同的運動方案對FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬有什么影響？以及腦神經(jīng)元細(xì)胞中FUNDC1參與線粒體自噬的機制還需大量臨床實驗驗證。

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作者簡介：李亞楠（1994—），女，漢族，河南濮陽市人，碩士研究生，單位：西藏民族大學(xué)體育學(xué)院運動人體科學(xué)專業(yè)，研究方向：體育學(xué)習(xí)和身心健康。

閆清偉（1982-），男，漢族，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，單位：西藏民族大學(xué)體育學(xué)院，研究方向：腦衰老的運動及藥物干預(yù)。