線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜調(diào)節(jié)神經(jīng)元自噬的研究進(jìn)展*

王一聃， 曾 煉， 丁旭東， 桑 明， 陳俊文

（湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬襄陽市第一人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，湖北 襄陽 441000）

神經(jīng)元作為不可分裂的細(xì)胞，相比其他細(xì)胞壽命更長，在發(fā)育與維持過程中，需去除錯誤折疊的蛋白以及損傷衰老的細(xì)胞器，以保證生命活動的正常進(jìn)行［1］。細(xì)胞自噬是細(xì)胞清除代謝物的主要途徑，其目的在于保證細(xì)胞對能量的需求以及內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。自噬是維持正常神經(jīng)功能所必須的，參與神經(jīng)元的軸突運輸，突觸可塑性以及包括線粒體在內(nèi)的細(xì)胞器的質(zhì)量控制等過程［2-3］。當(dāng)神經(jīng)元自噬障礙時，隨著蛋白質(zhì)與損傷細(xì)胞器的積累，會誘發(fā)神經(jīng)退行性變［4］；當(dāng)神經(jīng)元自噬過度激活時，也會繼發(fā)神經(jīng)元的壞死，提示適度的自噬水平是神經(jīng)元發(fā)揮正常功能的基礎(chǔ)。然而，目前對于神經(jīng)元自噬發(fā)生的分子機(jī)制尚不清楚。越來越多的證據(jù)表明線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes，MAMs）在其中發(fā)揮重要作用。作為線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間信號與物質(zhì)交換的橋梁，MAMs具有廣泛的生物學(xué)功能，參與了Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，脂質(zhì)代謝，線粒體動力學(xué)調(diào)控以及細(xì)胞自噬等［5］。通過對MAMs 中的蛋白構(gòu)成進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，檢測到大量調(diào)控細(xì)胞自噬的蛋白質(zhì)（表1）［6-7］。同時MAMs 結(jié)構(gòu)與功能的異常被證實參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病過程，而目前對于MAMs 在神經(jīng)元自噬中的作用尚不清楚，本文匯總了MAMs 參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元自噬和神經(jīng)退行性疾病的研究進(jìn)展。

表1 MAMs中維持結(jié)構(gòu)及發(fā)揮調(diào)節(jié)功能的蛋白［7］Table 1. Proteins in MAMs that maintaining structure and regulating functions

1 MAMs的構(gòu)成與功能

真核細(xì)胞具有多種功能各異的膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞器，它們之間存在信號與物質(zhì)的交換，而這種交換依賴于細(xì)胞器之間的特殊連接，其中MAMs 是典型的位于線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間接觸的膜結(jié)構(gòu)。MAMs 于上個世紀(jì)50 年代首次被觀察到，后續(xù)的研究表明大約5%～20%的線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相互關(guān)聯(lián)［8］。從結(jié)構(gòu)上來看，MAMs的厚度即線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)間的距離約為10～25 nm，其中粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間的MAMs 厚度更大［9］。除厚度外，MAMs 形態(tài)也各具差異，根據(jù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小管包繞線粒體的比例將MAMs 分為3型，其中1型包繞比例約占10%，2型則近乎完全包繞，3型僅包繞50%的線粒體，大多數(shù)MAMs屬于1型［10］。從功能上來看，MAMs早期主要作為脂質(zhì)合成的場所，其中首次檢測到的蛋白是參與脂質(zhì)代謝的蛋白質(zhì)，包括磷脂酰乙醇胺甲基轉(zhuǎn)移酶2（phosphatidylethanolamineN-methyltransferase 2，PEMT2）、磷脂酰絲氨酸合酶 1/2（phosphatidylserine synthase 1，PSS1/2）等，而這些蛋白也成為鑒定MAMs 可靠的標(biāo)志性蛋白［11］。除此之外，MAMs主要的功能是參與調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)，進(jìn)一步調(diào)控三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成，線粒體分裂和細(xì)胞死亡等生命活動。而這種作用主要依賴于IP3Rs/GRP75/VDAC1 信號途徑實現(xiàn)［5］。作為包繞線粒體的膜結(jié)構(gòu)，MAMs 參與調(diào)節(jié)線粒體的運動與分裂。線粒體具有沿微管運動的特性，受Ca2+調(diào)節(jié)，故MAMs 通過調(diào)控鈣轉(zhuǎn)運來影響線粒體運動［12］。同時，MAMs 也調(diào)控線粒體分裂。其中發(fā)動蛋白相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein，DRP1）由胞質(zhì)轉(zhuǎn)運至線粒體作為驅(qū)動線粒體分裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［13］。研究證實 DRP1 在 MAMs 中表達(dá)，同時還包括兩種驅(qū)動DRP1線粒體轉(zhuǎn)運的其他蛋白，分別是線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor）和分裂蛋白 1（fission protein 1）［14］，因此 MAMs 可通過調(diào)節(jié)它們的表達(dá)與轉(zhuǎn)運進(jìn)而調(diào)控線粒體分裂。

2 神經(jīng)元自噬的概述

細(xì)胞自噬從形成活化的Unc-51樣自噬激活激酶1 復(fù)合體開始，在級聯(lián)反應(yīng)作用下，激活beclin-1，參與合成Ⅲ類磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）復(fù)合體，驅(qū)動自體吞噬。形成的自噬小體經(jīng)由自噬相關(guān)蛋白ATG12-ATG5 以及LC3-Ⅱ（ATG8-Ⅱ）構(gòu)成的復(fù)合體調(diào)控，進(jìn)而驅(qū)動自噬體的成熟［15］。成熟的自噬體與溶酶體連接，降解細(xì)胞中多余的成分。依據(jù)識別的特異性，自噬被分為選擇性自噬和非選擇性自噬。其中非選擇性自噬以饑餓誘導(dǎo)的自噬為代表，目的在于細(xì)胞組分的再利用［16］，而選擇性自噬具有一個或多個受體介導(dǎo)的識別過程，該受體通過與LC3 相互識別將待降解物與自噬體連接，促進(jìn)自噬體包繞［15］。依據(jù)自噬發(fā)生部位的不同，神經(jīng)元自噬分為軸突自噬，樹突自噬和胞體自噬［3，17］。其中軸突中的自噬較為多見，神經(jīng)元自噬體由軸突中產(chǎn)生后往胞體運輸，而這種運輸是在驅(qū)動蛋白作用下沿微管雙向進(jìn)行的，最終在胞體中代謝清除［18］。除軸突自噬外，樹突中也檢測到了細(xì)胞自噬，其作用主要是調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，當(dāng)使用低劑量N-亞硝基二甲胺刺激原代大鼠海馬神經(jīng)元后，可觀察到樹突棘中自噬體數(shù)量的增多［19］。相比軸突和樹突，胞體中的自噬相對較少，且自噬體的成熟程度也較低［17］。胞體自噬主要目的是去除損傷及衰老的線粒體即線粒體自噬（mitophagy），進(jìn)一步維持神經(jīng)元線粒體結(jié)構(gòu)與功能的完整［20］。依據(jù)發(fā)生時間的不同，神經(jīng)元自噬又可分為發(fā)育期的自噬和成熟期的自噬。自噬是神經(jīng)元發(fā)育所必須的，抑制胚胎期神經(jīng)元的自噬可以導(dǎo)致皮層中神經(jīng)元數(shù)量的減少［21］。同時自噬還可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元軸突生長，以及突觸的形成等發(fā)育過程［22-23］。對于成熟的神經(jīng)元，自噬的主要作用是維持神經(jīng)元的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，而自噬功能異常則是大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病發(fā)生的重要基礎(chǔ)［24］。

3 MAMs調(diào)節(jié)神經(jīng)元自噬

MAMs 對于神經(jīng)元自噬的調(diào)節(jié)作用主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）對來源神經(jīng)元的MAMs 中所含蛋白質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，檢測到大量與自噬相關(guān)或調(diào)節(jié)自噬的蛋白［6-7］。其中包括線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，MFN2），MFN2 表達(dá)上調(diào)時，可削弱神經(jīng)元中線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)間的相互作用，干擾線粒體的正常功能，并促進(jìn)MAMs 中的鈣轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)運至線粒體的Ca2+通過激活DRP1 促進(jìn)線粒體分裂以及PTEN誘導(dǎo)的假定激酶1（PTEN-induced putative kinase 1，PINK1）介導(dǎo)線粒體自噬，從而誘發(fā)神經(jīng)退行性疾病［25］。除MFN2 外，磷酸呋喃酯酸性簇分選蛋白2（phosphofurin acidic cluster sorting protein-2，PACS-2）也被證實表達(dá)于MAMs 中，其功能主要是參與調(diào)節(jié)MAMs 的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞自噬。當(dāng)下調(diào)神經(jīng)元中PACS-2的表達(dá)時，除了影響MAMs 結(jié)構(gòu)的完整外，還會導(dǎo)致脂質(zhì)合成功能障礙，從而阻止LC3 與磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）的偶聯(lián)抑制細(xì)胞自噬［26］。（2）MAMs參與自噬體的形成，被認(rèn)為是神經(jīng)元自噬的潛在起源。自噬體的發(fā)生受自噬相關(guān)蛋白的調(diào)控，神經(jīng)元MAMs 中被證實含有大量自噬相關(guān)蛋白，包括ATG14 和ATG5 等，當(dāng)自噬被激活時，MAMs中表達(dá)的ATG14L，ATG5 和含雙FYVE 結(jié)構(gòu)的蛋白1（double FYVE-containing protein 1，DFCP1）的含量增多，在它們協(xié)同作用下，驅(qū)動細(xì)胞自噬［27］。相反的，當(dāng)抑制MAMs 中的蛋白表達(dá)時，可以檢測到神經(jīng)元中自噬體數(shù)量的減少［28］。（3）MAMs 通過干預(yù)脂質(zhì)合成調(diào)控神經(jīng)元自噬，LC3 與PE 偶聯(lián)被認(rèn)為是自噬體成熟的標(biāo)志，而PE 主要是通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成后轉(zhuǎn)運至MAMs 進(jìn)行加工分泌，在此過程中受MAMs 的調(diào)控，故MAMs 可以通過影響PE 的合成來參與調(diào)控神經(jīng)元自噬［29］。（4）MAMs 通過調(diào)節(jié) Ca2+轉(zhuǎn)運來調(diào)控神經(jīng)元自噬，Ca2+作為調(diào)控神經(jīng)元生命活動的重要信號分子，也參與了介導(dǎo)神經(jīng)元自噬的發(fā)生尤其是線粒體自噬，當(dāng)神經(jīng)元線粒體功能障礙時，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)經(jīng)MAMs 轉(zhuǎn)運至線粒體的Ca2+誘發(fā)線粒體鈣超載，導(dǎo)致線粒體膜電位的降低，進(jìn)一步激活線粒體自噬。而當(dāng)破壞MAMs 介導(dǎo)的Ca2+轉(zhuǎn)運時，會導(dǎo)致AMPK 易位至MAMs 中進(jìn)一步誘導(dǎo)神經(jīng)元發(fā)生自噬性壞死［30］?？傊?，MAMs對于神經(jīng)元自噬的調(diào)節(jié)主要基于其物質(zhì)與功能的共同作用。

4 MAMs調(diào)控神經(jīng)元線粒體自噬

線粒體自噬是損傷線粒體通過選擇性自噬途徑轉(zhuǎn)運至溶酶體中進(jìn)行代謝清除的過程，其目的在于維持線粒體質(zhì)量的穩(wěn)定。線粒體自噬需要受體介導(dǎo)，其中主要的信號途徑即PINK1/parkin 途徑，當(dāng)線粒體損傷時，聚積于線粒體中的PINK1 招募parkin并磷酸化激活它，parkin 活化后泛素化修飾p62/SQSTM1等受體蛋白，介導(dǎo)線粒體自噬［31］。線粒體自噬對于維持神經(jīng)元正常的生理功能具有重要意義，同時也參與了眾多神經(jīng)病理性過程。無論是腦損傷還是神經(jīng)退行性疾病，線粒體自噬功能障礙被認(rèn)為是疾病發(fā)生的重要基礎(chǔ)［32-33］，尤其在神經(jīng)退行性疾病中，由于神經(jīng)元中積累著大量錯誤折疊的蛋白質(zhì)，他們一方面抑制線粒體自噬來逃脫降解，另一方面過度激活線粒體自噬損害功能正常的線粒體，最終造成神經(jīng)元的死亡［33］。MAMs作為線粒體外膜的延續(xù)，也參與調(diào)控神經(jīng)元線粒體自噬。其中PINK1 被證實在神經(jīng)元MAMs中有表達(dá)，同時兼具募集parkin的功能，當(dāng)線粒體功能障礙時，儲存于MAMs 中的PINK1可以轉(zhuǎn)運至線粒體中招募并激活parkin，驅(qū)動線粒體自噬［34］。除 PINK1/parkin 途徑外，MAMs 還可通過影響含F(xiàn)UN14 結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUN14 domain-containing 1，F(xiàn)UNDC1）的表達(dá)調(diào)控線粒體自噬。FUNDC1主要參與缺氧條件下誘導(dǎo)的線粒體自噬，與PINK1/parkin途徑不同的是，F(xiàn)UNDC1 可以直接與LC3 結(jié)合，但這個過程受到氧氣的調(diào)控［35］。除直接激活FUNDC1外，MAMs 通過促進(jìn) FUNDC1 與 IP3Rs 的相互作用來進(jìn)一步增加MAMs 中Ca2+轉(zhuǎn)運影響線粒體自噬［14］。除了調(diào)節(jié) Ca2+轉(zhuǎn)運外，MAMs 中的 FUNDC1 對 MAMs本身也有作用，當(dāng)抑制FUNDC1 表達(dá)時，會導(dǎo)致MAMs 的蛋白豐度減少包括參與調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的組分，從而干擾其對于神經(jīng)元自噬的調(diào)控［36］。

5 MAMs相關(guān)的神經(jīng)元自噬與神經(jīng)退行性疾病

MAMs 結(jié)構(gòu)與功能的異常被證實參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病過程。MAMs 主要通過調(diào)控β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）和α-突觸核蛋白（αsynuclein，α-Syn）等錯誤折疊蛋白合成、神經(jīng)元鈣穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)元線粒體功能、脂質(zhì)代謝、神經(jīng)元自噬等參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生過程［37］。由于MAMs 中富含乙酰輔酶A 乙酰轉(zhuǎn)移酶1（acetyl-CoA acetyltransferase 1，ACAT1）和膽固醇，兩者都是調(diào)節(jié)自噬的重要分子，因此MAMs 被認(rèn)為可通過增強(qiáng)細(xì)胞自噬，調(diào)控阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）患者和動物模型中 Aβ 和 tau 蛋白的清除［38］。此外，神經(jīng)元線粒體功能障礙是AD 發(fā)生的重要基礎(chǔ)，其通過增加MAMs 介導(dǎo)的活性氧的合成，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)而減少自噬體形成，促進(jìn)tau蛋白的沉積［39］。除AD 外，MAMs 中還存在大量調(diào)控線粒體自噬的相關(guān)蛋白包括PINK1/parkin，其中parkin 的突變被證實是常染色體陰性遺傳帕金森病患者發(fā)病的重要原因，其表達(dá)異常會誘導(dǎo)線粒體腫脹，引起線粒體損傷，最終導(dǎo)致黑質(zhì)-紋狀體中多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性減少并伴隨著 α-Syn 的沉積［28］。由 MAMs 蛋白功能障礙導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體接觸失調(diào)通過影響神經(jīng)元自噬活性從而介導(dǎo)肌萎縮側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）的發(fā)生，其中多個參與調(diào)節(jié)ALS 的關(guān)鍵基因 包 括SQSTM1、OPTN、UBQLN2和VCP等 都 在MAMs 中有所表達(dá)［40］?？傊?，MAMs 調(diào)控神經(jīng)元自噬進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)退行性疾病依賴于其內(nèi)容物成分的變化，主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)發(fā)生改變。

6 總結(jié)與展望

自噬維持神經(jīng)元內(nèi)穩(wěn)態(tài)，同時也是神經(jīng)元發(fā)育和發(fā)揮神經(jīng)功能的基礎(chǔ)。MAMs 作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間的橋梁，通過多種途徑介導(dǎo)神經(jīng)元自噬（圖1）：一方面，它充當(dāng)了自噬相關(guān)蛋白執(zhí)行功能的平臺，參與自噬體的形成與成熟；另一方面通過調(diào)控Ca2+轉(zhuǎn)運，脂質(zhì)代謝影響自噬體的結(jié)構(gòu)與功能?？偟膩碚f，MAMs 對于神經(jīng)元自噬的調(diào)節(jié)是基于其物質(zhì)與功能的聯(lián)合作用。MAMs 被揭示參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生，同時大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病都涉及到神經(jīng)元自噬功能的異常。雖然目前已有研究揭示了MAMs參與調(diào)控細(xì)胞自噬，甚至被認(rèn)為是自噬發(fā)生的潛在起源，但仍有許多問題要我們進(jìn)一步的探索。MAMs究竟是通過表達(dá)哪些蛋白參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元自噬體的形成與成熟？這個過程是否還受到其他因子的調(diào)控？它們是否與MAMs的其他功能包括Ca2+轉(zhuǎn)運，脂質(zhì)代謝之間存在相互關(guān)聯(lián)？MAMs 結(jié)構(gòu)與功能的異常，神經(jīng)元自噬的異常，神經(jīng)退行性疾病三者之間的聯(lián)系？隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，MAMs的成分和功能被深入挖掘，其在神經(jīng)元自噬過程中的作用會被進(jìn)一步闡明，有望成為治療神經(jīng)退行性疾病的有效靶點。

Figure 1. Schematic diagram of MAMs regulating neuronal autophagy. MAMs are involved in the genesis and maturation of autophagosomes by regulating calcium ion transduction，biosynthesis of autophagy-related proteins，and the expression of autophagyregulatory proteins.圖1 MAMs調(diào)控神經(jīng)元自噬示意圖