自噬在阿爾茨海默病中的作用及運(yùn)動干預(yù)的研究進(jìn)展*

張淑芳

(湖北中醫(yī)藥大學(xué)體育健康學(xué)院，湖北 武漢 430065)

阿爾茨海默病(alzheimer’s disease,AD)是一種進(jìn)行性早老性癡呆，主要表現(xiàn)為認(rèn)知功能的退化，記憶力、學(xué)習(xí)能力、判斷力等下降，是癡呆最常見的病因。65歲以后，該疾病的發(fā)病率每5年翻一番。每年每10萬名65歲以上老年人中，新確診的AD有1 275例[1]。AD的病理特征表現(xiàn)為β淀粉樣蛋白(amyloid-β，Aβ)在細(xì)胞外聚集形成淀粉樣斑塊，以及Tau蛋白的異常磷酸化在神經(jīng)元內(nèi)形成神經(jīng)原纖維纏結(jié)，但在AD中自噬-溶酶體途徑的缺陷可能先于這些病理特征的形成[2]。自噬-溶酶體途徑是神經(jīng)元的主要降解途徑，此途徑的缺陷可能有助于AD的經(jīng)典標(biāo)志淀粉樣斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成，從而導(dǎo)致AD患者認(rèn)知能力的下降。研究表明[3]，體育活動缺失是發(fā)生AD最常見的可預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)因素之一，長期從事運(yùn)動可以降低AD的發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)動能改善腦血管血流量，增加海馬體積，并促進(jìn)神經(jīng)再生。最近的研究還證明[4]，D-半乳糖誘導(dǎo)的衰老大鼠通過8周的游泳訓(xùn)練后，可通過miR-34a調(diào)節(jié)其受損的自噬和線粒體動力學(xué)異常，使大腦衰老癥狀顯著減弱。因此，體育鍛煉被認(rèn)為是治療AD的有效方法。在本文中，我們總結(jié)了細(xì)胞自噬的主要特點(diǎn)，自噬在AD中的調(diào)節(jié)作用以及運(yùn)動干預(yù)通過調(diào)節(jié)自噬對AD的防治作用。

1 細(xì)胞自噬概述

細(xì)胞自噬(autophagy)是指在內(nèi)外界環(huán)境因素的影響下，細(xì)胞對其內(nèi)部受損的細(xì)胞器、錯誤折疊的蛋白質(zhì)和侵入體內(nèi)的病原體進(jìn)行降解的生物學(xué)過程。這種所謂的細(xì)胞自噬過程，一方面可以使機(jī)體在十分嚴(yán)峻的生存條件下通過“降解自我、提供營養(yǎng)成分和能量”得以生存，同時(shí)也是清除侵入體內(nèi)病原體的重要機(jī)制。另一方面，異常的細(xì)胞過程不僅會影響壽命，同時(shí)也會導(dǎo)致一系列的疾病狀態(tài)。在哺乳動物中，根據(jù)“貨物”(cargo)運(yùn)送到溶酶體方式的不同，細(xì)胞自噬可以分成3種不同的形式：大自噬(macrophagy)、小自噬(microphagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediated autophagy,CMA)[5]。細(xì)胞自噬是機(jī)體或細(xì)胞受到外界的刺激信號后所產(chǎn)生的維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的一種特殊變化形式。其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路非常復(fù)雜，并且交織成網(wǎng)，在自噬的不同水平對其進(jìn)行調(diào)控，從而協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)合成與分解速度的平衡。目前，我們對這些信號通路尚未完全了解，但有幾條通路研究相對成熟，如：mTOR信號調(diào)控途徑、Akt-FoxO3a信號調(diào)控途徑、Beclin 1-Bcl-2復(fù)合物調(diào)控途徑和NF-κB信號調(diào)控途徑。

2 細(xì)胞自噬在AD發(fā)病中的作用

AD可能與代謝異常和Aβ沉積有關(guān)。Aβ在體內(nèi)是可溶性蛋白，在AD患者體內(nèi)發(fā)生突變，疏水性變強(qiáng)，突變的Aβ大量聚集，并具有毒性，是老年斑形成的核心物質(zhì)。AD時(shí)自噬體成熟障礙和自噬體向溶酶體運(yùn)輸過程受阻，自噬的激活能促進(jìn)Tau蛋白的積累。異常磷酸化的Tau蛋白不能結(jié)合微管，使之不穩(wěn)定而發(fā)生聚集，導(dǎo)致患者腦中神經(jīng)纖維纏結(jié)形成。因此，Aβ沉積和Tau蛋白異常磷酸化與細(xì)胞自噬功能紊亂密切相關(guān)。

2.1 細(xì)胞自噬與Aβ沉積

Aβ是由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)經(jīng)過β分泌酶(beta secretase,BACE)和γ分泌酶兩次剪切形成。AD神經(jīng)元積累的自噬泡(autophagic vacuoles,AVs)中包含有Aβ生成的調(diào)節(jié)成分，APP及其加工酶BACE和PS[6]。Salminen等研究發(fā)現(xiàn)[7]，神經(jīng)元和轉(zhuǎn)基因小鼠中Beclin 1的缺乏會導(dǎo)致APP和Aβ的增加，而Beclin 1的過表達(dá)減少了的Aβ沉積。在AD的早期階段，當(dāng)患者的灰質(zhì)受到影響后其Beclin 1水平降低。在APP轉(zhuǎn)基因小鼠中，Beclin 1基因的缺失導(dǎo)致神經(jīng)內(nèi)Aβ的積聚增加，細(xì)胞外Aβ的沉積和神經(jīng)變性。而攜帶Beclin 1基因的慢病毒載體輸入后，可降低APP轉(zhuǎn)基因小鼠的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外淀粉樣蛋白病理變化[8]。以上研究表明，Beclin 1的缺乏會破壞神經(jīng)元自噬，影響溶酶體對受損AV的清除，改變APP的代謝過程并促進(jìn)小鼠的神經(jīng)變性。但有研究與以上結(jié)果相反，當(dāng)APP轉(zhuǎn)基因小鼠中的ATG7基因被敲除后，發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞外Aβ的分泌和斑塊形成均減少[9]。因此，自噬在AD中的作用是非常復(fù)雜的并存在一定的爭議，這可能是由于自噬在AD的不同階段發(fā)揮不同的作用。在APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD小鼠模型中，天然產(chǎn)物牛蒡子苷(來源于菊科植物生蒡)通過下調(diào)BACE1的表達(dá)抑制Aβ的產(chǎn)生，并通過mTOR抑制和AMPK / Raptor途徑激活增強(qiáng)自噬，促進(jìn)Aβ的清除[10]。為研究間充質(zhì)干細(xì)胞是否可以通過增強(qiáng)自噬對Aβ進(jìn)行調(diào)節(jié)而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。Zhu等[10]向Aβ處理的動物注入間充質(zhì)干細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠海馬中BECN1/Beclin 1表達(dá)上調(diào)，自噬小體、成熟的AVs和溶酶體融合增加，同時(shí)伴有Aβ的下降和海馬神經(jīng)元存活率的上升。上述研究表明，除了靶向治療靶點(diǎn)外，在自噬-溶酶體系統(tǒng)功能障礙發(fā)生前，增強(qiáng)溶酶體活性和/或自噬體與溶酶體融合可能成為AD的另一種治療方法。

2.2 細(xì)胞自噬與Tau蛋白異常磷酸化

除Aβ積累外，還有另一種軸突胞質(zhì)蛋白，即被磷酸化的微管相關(guān)蛋白Tau(microtubule associated protein tau,MAPT)在AD患者的大腦中聚集。微管是細(xì)胞骨架的一部分，線粒體、溶酶體和其他細(xì)胞器都通過微管運(yùn)輸。正常情況下，Tau蛋白能結(jié)合并穩(wěn)定微管，但是當(dāng)Tau被過度磷酸化時(shí)，它會從微管上脫離并產(chǎn)生不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致其聚集。神經(jīng)元的胞體和突觸中Tau蛋白異常磷酸化的聚集與AD的認(rèn)知缺陷密切相關(guān)[11]。

泛素-蛋白酶系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)是細(xì)胞內(nèi)ATP依賴的最重要的蛋白降解系統(tǒng)之一，能夠高選擇性降解細(xì)胞內(nèi)異常蛋白質(zhì)、短壽命的功能蛋白，應(yīng)激狀態(tài)下降解細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)蛋白，參與如轉(zhuǎn)錄因子、內(nèi)膜蛋白、細(xì)胞周期蛋白等蛋白質(zhì)的降解。長久以來，UPS被視為降低短壽命和諸如Tau的胞質(zhì)蛋白的關(guān)鍵途徑，最近研究卻證實(shí)蛋白Tau可以通過自噬-溶酶體途徑清除。來自動物模型的研究也表明細(xì)胞自噬可促進(jìn)Tau 的清除[12]。在AD動物模型中，mTOR激活所致的自噬功能抑制與異常聚集的Tau蛋白密切相關(guān)[13]。mTOR抑制劑雷帕霉素處理后，AD轉(zhuǎn)基因小鼠的神經(jīng)細(xì)胞自噬被激活，同時(shí)Tau蛋白的異常磷酸化減少[14]。結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1/2(tuberous sclerosis complex 1/2,TSC1/2)是mTOR的負(fù)調(diào)節(jié)劑，在TSC2+/-小鼠中，內(nèi)源性Tau蛋白及其磷酸化增加。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[15]，應(yīng)用雷帕霉素治療可以改善P301LS小鼠的Tau病理及其相關(guān)行為缺陷，這表明自噬在調(diào)節(jié)Tau水平中的發(fā)揮重要作用。以上研究表明，在AD中發(fā)生的自噬功能障礙可導(dǎo)致Tau蛋白異常磷酸化而聚集，而誘導(dǎo)自噬可減少這種聚集。

3 運(yùn)動對AD的影響

運(yùn)動干預(yù)有利于改善機(jī)體的認(rèn)知功能，但其潛在的分子機(jī)制仍然不清楚。目前，我們通過檢測細(xì)胞外斑塊中Aβ蛋白和胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)的tau蛋白診斷AD。Adlard等[16]發(fā)現(xiàn)自愿運(yùn)動減少了轉(zhuǎn)基因AD小鼠的皮質(zhì)和海馬中的Aβ聚集。Liang等[17]對腦脊液(cerebrospin fluid,CSF)中Aβ和超磷酸化的Tau蛋白進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動與淀粉樣蛋白沉積減少有關(guān)，而Tau并沒有明顯變化。這可能是由于被研究者處于認(rèn)知能力下降的早期階段，而Tau蛋白在很大程度上形成于AD的后期[18]。

自噬可確保溶酶體介導(dǎo)的受損細(xì)胞成分的降解和循環(huán)利用，同時(shí)為生物體的合成提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)。動物模型研究表明[19]，自噬過程中的缺陷會導(dǎo)致神經(jīng)肌肉功能快速下降，使機(jī)體對饑餓、氧化損傷、神經(jīng)變性和干細(xì)胞等應(yīng)激條件的敏感性缺失。自噬受損在Aβ的產(chǎn)生和AD發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究表明，運(yùn)動可以通過調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞自噬、減少Aβ的聚集和tau蛋白的異常磷酸化等途徑延緩AD。LC3是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的自噬體標(biāo)記蛋白，有LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ兩種形式。未發(fā)生自噬時(shí)，細(xì)胞內(nèi)合成的LC3經(jīng)過加工，成為胞質(zhì)可溶性I型LC3，常規(guī)表達(dá)。當(dāng)自體吞噬發(fā)生時(shí)，Ⅰ型LC3轉(zhuǎn)化為Ⅱ型LC3并定位于胞內(nèi)自噬體的膜上，其含量與自噬泡數(shù)量成正比。Zhao等[20]研究發(fā)現(xiàn)，對APP/PS1小鼠進(jìn)行12周的有氧運(yùn)動干預(yù)后，其腦組織中Aβ聚集減少，同時(shí)海馬組織中的LC3-Ⅱ的表達(dá)增加，而p62蛋白質(zhì)表達(dá)水平下降，提示有氧運(yùn)動可能通過提高自噬活性促進(jìn)Aβ的清除。AMPK是一個(gè)高度保守的激酶，活化的AMPK可以通過抑制mTOR，誘導(dǎo)自噬。張憲亮[21]研究發(fā)現(xiàn)，APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠經(jīng)過12周的有氧運(yùn)動后，可以活化AMPK，自噬被激活，從而促進(jìn)海馬組織中Aβ的清除，最終改善小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力。此外，高強(qiáng)度間歇運(yùn)動訓(xùn)練可通過上調(diào)AMPK-Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬，改善線粒體功能，減少APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD小鼠腦海馬Aβ聚集，提高其學(xué)習(xí)和記憶能力[22]。這些結(jié)果提示，運(yùn)動可能通過激活神經(jīng)細(xì)胞自噬活性，減少Aβ的積聚，從而在AD的預(yù)防和治療中發(fā)揮作用。運(yùn)動可能通過細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)Tau蛋白異常磷酸化而緩解AD，Kang 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，12周的跑臺運(yùn)動可通過調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞自噬，降低Tau蛋白異常磷酸化而改善NSE/htau23轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知功能。

4 小結(jié)與展望

自噬的失調(diào)會損害神經(jīng)元的穩(wěn)態(tài)，是導(dǎo)致AD發(fā)生的重要病理機(jī)制。 隨著近年來對細(xì)胞自噬研究的激增，大大拓展了我們對其介導(dǎo)途徑和機(jī)制的理解。但對自噬在AD中的作用過程，我們的研究還需要不斷深入。目前，在AD的治療中，由于藥物療效不一，運(yùn)動一直被認(rèn)為是預(yù)防和治療AD的一種方法。運(yùn)動可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬促進(jìn)腦認(rèn)知改善，增強(qiáng)腦功能，增加腦血液，調(diào)節(jié)分子生物標(biāo)志物，降低Aβ和異常磷酸化的Tau蛋白。然而，運(yùn)動是通過何種途徑激活細(xì)胞自噬的？運(yùn)動通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬抑制Aβ的積聚和Tau蛋白異常磷酸化的分子機(jī)制是什么？這些問題的解決將為運(yùn)動通過自噬調(diào)節(jié)治療AD提供新的研究思路。