自噬功能障礙與阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

李嬌 袁碩 張慶鎬，2

(1延邊大學(xué)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)教研室，吉林 延吉 133022；2大連大學(xué)醫(yī)學(xué)院慢性病研究中心)

阿爾茨海默病(AD)是一種常見的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，是老年人最常見的癡呆形式，其特征是記憶和認(rèn)知功能的進(jìn)行性障礙〔1〕。全世界有超過5 000萬(wàn)人受到AD的影響〔2〕。該病可分為兩種主要類型：家族型或早發(fā)型AD(fAD)及偶發(fā)型或遲發(fā)型AD(sAD)。淀粉樣前體蛋白(APP)，早老素(PS)1，PS2中的常染色體顯性突變可導(dǎo)致家族型或fAD，這種類型僅占AD人群的5%，癥狀開始于30～40歲。相比之下，絕大多數(shù)(>95%)AD病例沒有明確的遺傳因素或病因，這被稱為偶發(fā)型或sAD，一般在65歲以后發(fā)病，載脂蛋白(apo)E4等基因參與sAD的發(fā)生〔1～3〕。年齡是sAD最強(qiáng)的危險(xiǎn)因素，其患病率隨著年齡的增長(zhǎng)而急劇增加，吸煙、肥胖、高血壓、2型糖尿病、高膽固醇血癥等都對(duì)sAD有很強(qiáng)的誘發(fā)作用〔4～7〕。AD患者大腦的典型病理改變是細(xì)胞外β淀粉樣蛋白(Aβ)斑塊沉積和細(xì)胞內(nèi)Tau蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)，這些蛋白質(zhì)聚集物可以導(dǎo)致神經(jīng)元死亡〔8〕。APP主要定位于質(zhì)膜，也可定位于高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、內(nèi)膜體，APP可通過淀粉樣和非淀粉樣途徑裂解。在淀粉樣蛋白生成途徑中，APP被β-分泌酶裂解，釋放可溶性APPβ(sAPPβ)和99殘基羧基末端片段(C99)，γ-分泌酶裂解C99產(chǎn)生APP胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(AICD)和Aβ，最常見的Aβ亞型是Aβ40和Aβ42，Aβ聚集形成斑塊，在AD中，淀粉樣蛋白途徑占優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了腦實(shí)質(zhì)中Aβ的積累〔1，2，8〕。Tau蛋白是一種微管相關(guān)蛋白，存在于神經(jīng)元的軸突間室中，根據(jù)其磷酸化的狀態(tài)控制微管的穩(wěn)定性。在AD中，Tau蛋白被過度磷酸化，失去對(duì)微管的親和力，導(dǎo)致軸突細(xì)胞骨架功能障礙，形成Tau蛋白低聚物，最終形成NFTs〔9〕。在AD中，蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和葡糖糖等物質(zhì)的氧化產(chǎn)物明顯增多，氧化應(yīng)激的同時(shí)也提高了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Aβ聚集和Tau蛋白過度磷酸化的水平〔10〕。此外，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞等炎性細(xì)胞在Aβ斑塊和Tau蛋白低聚物產(chǎn)生的毒性環(huán)境中過度活化，導(dǎo)致其原有的吞噬作用逐漸減弱，持續(xù)釋放促炎因子白細(xì)胞介素(IL)-1β、腫瘤壞死因子(TNF)-α等，并抑制神經(jīng)保護(hù)性因子的釋放〔11〕。

1 AD患者自噬失調(diào)

自噬是一種細(xì)胞內(nèi)降解途徑，通過清除受損的細(xì)胞器、病原體和不需要的蛋白質(zhì)聚集物來維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。自噬主要分為三類：大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)，通常我們所說的自噬為大自噬。自噬主要分為3個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)、延長(zhǎng)、自噬體與溶酶體融合階段。在營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)，哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物(mTORC)1通過抑制自噬激酶(ULK)1的磷酸化來抑制自噬，然而，當(dāng)細(xì)胞能量狀態(tài)較低時(shí)，AMP激活蛋白激酶(AMPK)的靶蛋白可以通過非依賴?yán)着撩顾匕械鞍?mTOR)途徑和依賴mTOR途徑激活ULK1來激活自噬〔12〕。近年來，自噬在發(fā)育、衰老和神經(jīng)退行性病變中起著重要作用〔12，13〕。

自噬功能障礙與AD密切相關(guān)，大量證據(jù)支持自噬失調(diào)發(fā)生在AD患者和動(dòng)物模型中。考慮到錯(cuò)誤折疊的蛋白在AD中的重要作用，理論上認(rèn)為激活自噬可以清除不需要的蛋白聚集物來緩解AD〔12〕。有研究表明，自噬中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)特異性缺乏必要自噬相關(guān)基因Atg5或Atg7的小鼠表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)異常蛋白累積從而導(dǎo)致進(jìn)行性神經(jīng)病變〔13〕。在CNS中，基底自噬的抑制導(dǎo)致嚴(yán)重的軸突腫脹和萎縮，最終導(dǎo)致神經(jīng)變性〔14〕。apoE4是sAD的主要遺傳危險(xiǎn)因素，被發(fā)現(xiàn)可引起自噬功能障礙，apoE4轉(zhuǎn)基因小鼠溶酶體中的Aβ顯著升高，最終導(dǎo)致海馬神經(jīng)元死亡〔15〕。也有研究報(bào)道AD腦組織中自噬啟動(dòng)蛋白Beclin-1的蛋白和mRNA水平均降低。在Beclin-1缺失的APP轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，自噬基礎(chǔ)水平被破壞，細(xì)胞內(nèi)Aβ的積累增加〔16〕。然而，亦有研究表明，AD患者大腦自噬的轉(zhuǎn)錄上調(diào)，這表明自噬可能存在代償性調(diào)節(jié)〔17〕。Bordi等〔18〕發(fā)現(xiàn)自噬通量在AD海馬體CA1區(qū)神經(jīng)元中增加，其表現(xiàn)為自噬相關(guān)基因(Atgs)的顯著上調(diào)，自噬小體的形成在AD早期增加。通過免疫金標(biāo)記和電子顯微鏡，Nixon等〔19〕發(fā)現(xiàn)，AD患者在額頂葉皮層中的自噬囊泡(AVs)的積累明顯高于對(duì)照組。來自APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠的數(shù)據(jù)顯示，與年齡匹配的對(duì)照組相比，在Aβ斑塊出現(xiàn)之前，神經(jīng)元樹突和胞體中積累了大量的AVs〔20〕。這些數(shù)據(jù)表明，誘導(dǎo)自噬的適用性值得懷疑。異常誘導(dǎo)的自噬實(shí)際上可能導(dǎo)致Aβ的產(chǎn)生增加，因?yàn)榉e累的AVs中含有活性的γ-分泌酶〔21〕。為了探討自噬對(duì)Aβ分泌的影響，Nilsson等〔22〕通過條件性敲除Atg7建立自噬缺陷型APP轉(zhuǎn)基因小鼠，值得注意的是，在這些自噬缺陷的小鼠中，Aβ的分泌減少了90%，而自噬恢復(fù)則導(dǎo)致Aβ的正常分泌。這些略有矛盾的結(jié)果可能反應(yīng)了由受損的蛋白引起的轉(zhuǎn)錄水平的代償效應(yīng)，或自噬啟動(dòng)水平隨疾病進(jìn)展而變化，也可能是由于使用的AD模型及細(xì)胞不同所致。我們需要進(jìn)一步的研究來闡明AD進(jìn)展中的自噬活性水平。

自噬也是調(diào)節(jié)Tau蛋白清除的關(guān)鍵因素。Tau蛋白通過促進(jìn)微管的組裝和穩(wěn)定，對(duì)自噬體逆行運(yùn)輸和成熟，與溶酶體的融合至關(guān)重要〔23〕。Tau蛋白通過自噬途徑被有效降解，并反過來調(diào)節(jié)自噬。多項(xiàng)研究表明，自噬-溶酶體系統(tǒng)損傷可導(dǎo)致Tau蛋白低聚物和不溶性團(tuán)聚體的形成，而通過誘導(dǎo)自噬可顯著減輕其形成〔24〕。此外，由于Tau蛋白修飾可引起溶酶體畸變，因此自噬功能障礙可能是Tau蛋白過度磷酸化的結(jié)果〔25〕。有研究表明，自噬缺陷小鼠表現(xiàn)出Tau蛋白的過度磷酸化，而自噬恢復(fù)時(shí)，磷酸化的Tau蛋白減少〔26〕。這些結(jié)果都支持了自噬應(yīng)該被認(rèn)為是磷酸化Tau蛋白清除的一個(gè)替代過程。遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了其他可能參與調(diào)節(jié)自噬的分子，組織蛋白酶D是一種溶酶體酶，參與清除Aβ肽和Tau蛋白，這種影響溶酶體降解活性的酶的變異與AD的進(jìn)展有關(guān)〔27〕。

2 自噬是治療AD的靶點(diǎn)

由于自噬可以清除錯(cuò)誤折疊的蛋白，激活自噬被認(rèn)為是一種對(duì)抗神經(jīng)退行性病變的策略。mTOR抑制劑雷帕霉素最近被用來延長(zhǎng)哺乳動(dòng)物的壽命，在臨床試驗(yàn)中可以延緩心臟衰老，并對(duì)轉(zhuǎn)基因小鼠的AD病理改變產(chǎn)生有益的影響。特別是，雷帕霉素通過激活A(yù)PP轉(zhuǎn)基因小鼠自噬來加速Aβ、Tau蛋白的清除，改善小鼠的認(rèn)知功能障礙〔28，29〕。葡萄多酚白藜蘆醇通過AMPK介導(dǎo)的自噬激活來改善AD小鼠的病理學(xué)改變〔30〕。Fan等〔31〕研究證明人參皂苷Rg2以不依賴mTOR的AMPK-ULK1途徑激活自噬，提高蛋白聚集物的清除，改善AD小鼠的認(rèn)知功能障礙。姜黃素通過下調(diào)磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/mTOR信號(hào)通路激活自噬抑制Aβ的生成，保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)〔32〕。在AD小鼠模型中，抗糖尿病藥物二甲雙胍通過激活蛋白磷酸酶(PP)2A減輕Tau蛋白磷酸化〔33〕。來自體內(nèi)的數(shù)據(jù)表明，鋰可以通過自噬作用降低小鼠Tau蛋白的病理改變〔34〕。然而，最近關(guān)于AD模型的研究也出現(xiàn)了相互矛盾的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)自噬的誘導(dǎo)并不總是有益的。自噬普遍增加可能是AD大腦中Aβ過量的重要來源〔19～21〕。也有研究證明，Aβ誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡可以通過抑制而不是刺激自噬來緩解〔35〕。二甲雙胍通過AMPK介導(dǎo)的自噬激活促進(jìn)β-分泌酶和γ-分泌酶裂解APP產(chǎn)生Aβ，加重AD的進(jìn)展〔36〕。美金剛是一種N-甲基-D-門冬氨酸(NMDA)受體阻斷劑，經(jīng)食品和藥物管理局批準(zhǔn)可以治療中重度AD，有研究表明該藥可以拮抗自噬，然而其對(duì)自噬的影響是否會(huì)影響腦病理學(xué)改變還有待闡明〔37〕。盡管這些藥物對(duì)AD的影響存在相互矛盾的地方，但自噬靶向治療是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

綜上，自噬功能障礙是AD的關(guān)鍵因素，自噬不足或過度都可能影響AD。激活自噬可以加速錯(cuò)誤折疊蛋白Aβ、Tau蛋白的清除保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)，然而，隨著疾病的進(jìn)展，蛋白質(zhì)聚集物越來越多，對(duì)溶酶體蛋白酶降解的敏感性下降，自噬的持續(xù)性激活可能會(huì)引發(fā)自噬性細(xì)胞死亡，從而促進(jìn)神經(jīng)元的死亡，也有學(xué)者認(rèn)為自噬普遍增加可能是AD大腦中Aβ過量的重要來源。因此以自噬為靶點(diǎn)研究AD需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床研究，這也為深入研究AD提供了更廣泛的思路。