基于線粒體自噬治療阿爾茨海默癥的藥物及機(jī)制研究進(jìn)展

毛婉一,張雨萌,黎靜,張梓怡,李佳暉,汪思,劉奕辰,季鵬,許龍

(泰州學(xué)院 醫(yī)藥與化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 泰州 225300)

1 線粒體自噬

線粒體自噬(Mitophagy)屬于自噬的一種重要類型,是細(xì)胞自噬裝置對線粒體的靶向吞噬和破壞,通常被認(rèn)為是線粒體質(zhì)量控制的主要方法。Mitophagy也是一種選擇性地清除多余、受損或不完整線粒體的過程,對線粒體的完整性和主要功能有一定的保護(hù)作用,以確保線粒體正常生理活動地進(jìn)行[1]。在目前的研究中,Mitophagy的經(jīng)典途徑主要包括以下兩種:PINK1/Parkin通路和受體介導(dǎo)。PINK1/Parkin通路是介導(dǎo)線粒體自噬的最經(jīng)典途徑,PINK1和Parkin的相互協(xié)調(diào)可調(diào)控線粒體的自噬。正常情況下,PINK1由于其表達(dá)水平極低而無法被檢測到,但因線粒體受損失去呼吸鏈產(chǎn)生的膜電位,使PINK1大量聚集[2]。所以,PINK1被認(rèn)為具有作為線粒體損傷主要探測器的潛力。當(dāng)線粒體受損后電勢降低,外膜去極化,PINK1穩(wěn)定存在于線粒體外膜(OMM)。隨后PINK1在MMO上絲氨酸228和絲氨酸402位點發(fā)生自體磷酸化,為Parkin招募提供條件?；罨蟮腜INK1再對泛素進(jìn)行磷酸化,隨后進(jìn)行Parkin招募。此時PINK1促進(jìn)Parkin活化,進(jìn)一步促進(jìn)線粒體自噬。多聚泛素鏈隨后被PINK1磷酸化,作為自噬機(jī)制的信號。適配器蛋白(p62,OPTN,NDP52)識別線粒體蛋白上磷酸化的多聚泛素鏈,并通過與微管相關(guān)蛋白輕鏈3(LC3)結(jié)合,啟動自噬體形成。自噬體與溶酶體融合后,溶酶體水解酶能夠降解自噬體內(nèi)容物。在受體介導(dǎo)方面,Nix和FUNDC1分別介導(dǎo)的線粒體自噬是最常見的兩種受體介導(dǎo)。Nix又被稱為Bnip3L,它在多種腫瘤中發(fā)揮著抑癌作用,如:抗癌藥物KP46能夠特異性地激動Nix依賴的線粒體自噬進(jìn)而發(fā)揮抑癌作用。FUNDC1作為線粒體自噬受體分子,在缺氧條件的刺激下通過其LIR區(qū)域與LC3相互作用介導(dǎo)線粒體自噬過程[3]。

2 線粒體自噬在AD中的作用機(jī)制

阿爾茲海默癥(AD)作為神經(jīng)退行性疾病中典型病例,其主要發(fā)病機(jī)制是β-淀粉樣蛋白(Aβ)生成與清除失衡和Tau蛋白的高度磷酸化導(dǎo)致神經(jīng)元纖維纏結(jié)。近來有研究者發(fā)現(xiàn)在AD損傷神經(jīng)元中出現(xiàn)了異常的線粒體自噬,這一研究現(xiàn)象表明線粒體自噬功能的失調(diào)可能是AD的發(fā)病機(jī)制之一。

線粒體自噬通過自噬選擇性清除受損線粒體及時清除損傷的線粒體,對維持細(xì)胞正常生理功能具有重要的作用。同時,線粒體自噬具有細(xì)胞特異性,他作為“細(xì)胞中的廢物處理系統(tǒng)”,在保護(hù)機(jī)體正常生理活動中有重要地位。實驗表明,線粒體自噬在AD發(fā)病早期時其自噬/溶酶體通路正常,適當(dāng)?shù)淖允晒δ軐Υ竽X神經(jīng)是一種保護(hù)機(jī)制,但當(dāng)后期通路發(fā)生異常時,線粒體的功能也會出現(xiàn)障礙,會對大腦產(chǎn)生加劇損傷的后果[4-5]。在AD患者的神經(jīng)元中,當(dāng)β-淀粉樣蛋白(Aβ)和Tau蛋白積累時,線粒體會發(fā)生一定程度的損傷,輕微損傷的線粒體可以通過分離融合來保證線粒體內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定;但嚴(yán)重?fù)p傷的線粒體則需要以選擇性線粒體自噬的方式給予清除,此時在AD中早期會通過增強線粒體自噬而清除嚴(yán)重受損的線粒體,但如果線粒體功能障礙,會導(dǎo)致線粒體的異常堆積致使線粒體自噬異常[6]。此功能受阻時,神經(jīng)元中出現(xiàn)顯著的線粒體功能障礙,進(jìn)而導(dǎo)致AD病理改變加重[7]。因此,Aβ和Tau蛋白會誘導(dǎo)線粒體自噬功能障礙,從而影響AD的病理。下面將簡單描述Aβ和Tau蛋白對線粒體自噬的影響。

2.1 β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)線粒體自噬障礙

阿爾茲海默癥病理的其中一種方面會表現(xiàn)為:在細(xì)胞內(nèi),β-淀粉樣蛋白(Aβ)聚集形成老年斑。研究表明,在AD患者腦中,神經(jīng)元胞質(zhì)中的Parkin減少,從而導(dǎo)致線粒體自噬水平的下降[8]。根據(jù)相關(guān)報道[5],Aβ的增加可能導(dǎo)致Parkin水平減低,進(jìn)而影響自噬溶酶體途徑-PINK1/Parkin途徑,導(dǎo)致線粒體自噬水平的下降。已有實驗證明[9],Aβ42會對線粒體前體蛋白輸入的早期階段產(chǎn)生較大的抑制作用,并且該輸入過程對線粒體前體蛋白的發(fā)生以及線粒體功能的維持具有很重要的作用[10]。當(dāng)線粒體自噬功能發(fā)生異常時,大量功能障礙的線粒體在細(xì)胞中的沉積會加快Aβ的沉積以及加重線粒體自噬障礙,形成惡性循環(huán)后加速了AD的發(fā)生進(jìn)展[11]。線粒體自噬障礙在AD發(fā)病過程中扮演著關(guān)鍵角色,因此Aβ誘導(dǎo)線粒體自噬障礙的過程在AD的發(fā)病中也存在著重要作用,調(diào)控Aβ可以為治療AD提供新的方向。

2.2 Tau蛋白誘導(dǎo)線粒體自噬障礙

阿爾茲海默癥的診斷治療是通過觀察大腦中的由微管相關(guān)蛋白—Tau蛋白的高度磷酸化(p-Tau)組成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFT)即細(xì)胞包涵體來檢測的,NFT已成為AD的又一標(biāo)志性病理特點。在阿爾茲海默癥中,細(xì)胞中可溶性Aβ的增加會導(dǎo)致Tau蛋白的異常磷酸化,使Tau蛋白以可溶性單體形式從微管中釋放出來,各項研究成果都表明,Tau蛋白在AD研究中有著不可忽視的重要地位[12]?，F(xiàn)有研究表明,Tau蛋白的突變表達(dá)會損傷自噬溶酶體途徑—PINK1/Parkin途徑,進(jìn)而會導(dǎo)致線粒體自噬障礙[13]。另外也有報道提出致病性Tau截斷體可能會導(dǎo)致異常的線粒體自噬[14-15]。線粒體自噬作為保護(hù)機(jī)制,當(dāng)其自噬途徑發(fā)生異常時,會發(fā)生自噬功能的減弱或激進(jìn),即會導(dǎo)致線粒體自噬功能對機(jī)體的保護(hù)或自噬體基因、蛋白高表達(dá)使其進(jìn)一步損傷。因此,Tau蛋白誘導(dǎo)的線粒體自噬障礙會加劇對大腦神經(jīng)組織的損傷。所以,可以選擇對Tau蛋白進(jìn)行相關(guān)調(diào)控抑制線粒體自噬的異常表達(dá),這樣能保護(hù)大腦神經(jīng)元,為AD治療提供潛在的治療方向。

2.3 其他

最近幾年研究發(fā)現(xiàn),部分阿爾茲海默癥患者細(xì)胞中存在著PS基因突變[16]。據(jù)研究,PS基因突變會導(dǎo)致β-淀粉樣蛋白前體(APP)剪切和加工異常,從而產(chǎn)生過多的β-淀粉樣蛋白(Aβ),加重線粒體自噬障礙。實驗表明,PS表達(dá)的改變引起tau之間的相互作用異常,與神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFT)有關(guān)。除PS外,AβPP也可能導(dǎo)致線粒體前序列肽酶(PreP)的抑制,致使線粒體蛋白譜異常以及Aβ的積累,進(jìn)而造成線粒體自噬功能異常[17]。此外,線粒體中的Aβ結(jié)合乙醇脫氫酶(ABAD)可對抗應(yīng)激損傷,但當(dāng)線粒體功能受損時,Aβ與ABAD結(jié)合改變后者的構(gòu)象,從而降低對抗應(yīng)激損傷的能力。與此同時,Larsen等人提出線粒體的功能障礙是神經(jīng)元中的Alu元素(SINEs)的有害活動造成的。

沉默信息調(diào)節(jié)因子(SIRTs)是一組NAD+依賴的去乙酰酶,可調(diào)節(jié)多種細(xì)胞通路,在哺乳動物中能廣泛表達(dá),具有抑制一系列代謝和衰老等相關(guān)疾病的作用[18]。在七種SIRTs家族成員中,細(xì)胞核的SIRT1和線粒體的SIRT3與神經(jīng)保護(hù)有關(guān),這些蛋白的減少可能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病,包括AD、PD等。根據(jù)研究者對AD患者腦組織的研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其腦組織中頂葉皮層SIRT1蛋白表達(dá)降低(-45%)。研究顯示,SIRT1上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)輔助激活因子-1α(PGC-1α),通過脫乙酰化和激活自噬相關(guān)蛋白ATG5、ATG7、ATG8等穩(wěn)定PINK1,上調(diào)線粒體自噬受體BNIP3L/NIX和LC3,在自噬/線粒體自噬誘導(dǎo)中發(fā)揮重要作用,SIRT1缺乏則自噬被抑制。由此可知,SIRT1的減少可能會抑制線粒體自噬,導(dǎo)致受損線粒體在胞內(nèi)累積以及Aβ的堆積與p-Tau的纏結(jié)。另外,氧化應(yīng)激介導(dǎo)的DNA損傷增加引起的PARP1激活可能會導(dǎo)致AD患者腦組織NAD+的減少,而Sirtuins家族依賴NAD+,NAD+的減少導(dǎo)致的SIRTI活性的降低同樣會抑制線粒體的自噬功能,促進(jìn)Aβ的堆積。還有相關(guān)報道,AD中DNA修復(fù)功能的降低會導(dǎo)致腦組織神經(jīng)加大退化,提出AD的DNA修復(fù)缺陷與線粒體自噬/線粒體功能障礙之間存在直接或間接的猜想[19]。

3 線粒體自噬對AD的藥理調(diào)節(jié)

查閱了大量文獻(xiàn)資料,基于線粒體自噬治療AD作為研究方向,總結(jié)歸納了一些具有治療AD前景的藥物。

3.1 抑制Aβ和Tau堆積藥物

3.1.1 白藜蘆醇

白藜蘆醇(Res)是一種非黃酮類的多酚類植物抗毒素化合物,存在于許多植物中,如葡萄、桑葚等,其主要在葡萄皮以及葡萄葉中合成。已有研究證明,白藜蘆醇具有多種藥理作用,如抗衰老、抗腫瘤以及防治心血管疾病等。近年來研究發(fā)現(xiàn),白藜蘆醇在治療阿爾茲海默癥上極具治療潛力,有著極大的研究前景。

阿爾茲海默癥的發(fā)病機(jī)制之一是β-淀粉樣蛋白(Aβ)的過度沉積,而白藜蘆醇可以有效減少Aβ的形成以及防止其過度沉積[20]。Aβ的形成離不開γ分泌酶,白藜蘆醇可以通過自噬-溶酶體系統(tǒng)抑制γ分泌酶的活性,從而減少Aβ的形成。同時,白藜蘆醇也可通過激活相關(guān)蛋白激酶(AMPK)來啟動AMPK-SIRT1-自噬通路,清除聚集沉淀的Aβ[21]。更有研究證明,Aβ與白藜蘆醇兩者之間呈現(xiàn)劑量性依賴關(guān)系,因此可利用二者的依賴關(guān)系降低Aβ的沉積。阿爾茲海默癥另一個主要發(fā)病機(jī)制則是Tau蛋白的高度磷酸化后形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié),白藜蘆醇也可調(diào)節(jié)Tau蛋白的高度磷酸化[22],從而有效治療阿爾茲海默癥。研究發(fā)現(xiàn),白藜蘆醇可通過抑制GSK-3β等信號通路來降低Tau蛋白Ser 396位點的過度磷酸化,也可通過激活相關(guān)自噬途徑來有效清除異常磷酸化的Tau蛋白。同時白藜蘆醇還可激活Sirt1通路,使Tau蛋白去乙?；?通過泛素-蛋白酶體途徑進(jìn)行降解[23]。

綜上所述,白藜蘆醇作為一種天然有機(jī)化合物有著多種生物活性,并且作用復(fù)雜。目前臨床在人體實用上暫未有更深入的研究,但不可否認(rèn)的是白藜蘆醇在預(yù)防以及治療阿爾茲海默癥上有良好的研究前景,能夠為阿爾茲海默癥患者提供新的希望。

3.1.2 二甲雙胍

二甲雙胍是一種雙胍類藥物,是治療2型糖尿病中應(yīng)用最廣泛的藥物。有研究表明,二甲雙胍能夠通過多種機(jī)制改善AD臨床前模型的認(rèn)知和記憶障礙,其中包括降低Aβ斑塊和NFTs的負(fù)荷,抑制炎癥反應(yīng),改善線粒體功能障礙和降低氧化應(yīng)激,同時限制凋亡神經(jīng)元死亡和誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生[24-25]。已有研究人員通過鏈脲佐菌素(STZ)經(jīng)鼻或口服二甲雙胍對腦室內(nèi)注射的小鼠進(jìn)行4周治療,采用Morris水迷宮法評定小鼠的學(xué)習(xí)記憶功能,以及采用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法和酶聯(lián)免疫吸附法分別測定二甲雙胍和Aβ42的濃度。測定了胰島素受體、絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)及其磷酸化形式在小鼠海馬和大腦皮質(zhì)的表達(dá)后[26],結(jié)果表明,雙側(cè)側(cè)腦室注射鏈脲佐菌素(icv-stz)誘導(dǎo)的AD小鼠其學(xué)習(xí)記憶功能受損,而二甲雙胍可改善icv-stz誘導(dǎo)產(chǎn)生的不良反應(yīng)。還有研究實驗使用308只雄性SD大鼠,蛛網(wǎng)膜下腔出血(SAH)后30 min內(nèi)腹腔注射不同劑量的二甲雙胍,研究人員發(fā)現(xiàn)二甲雙胍在SAH后以ampk依賴的方式促進(jìn)線粒體自噬[27]。并且研究還發(fā)現(xiàn)二甲雙胍除了對線粒體自噬產(chǎn)生影響,還可以通過ampk依賴的方式減輕SAH后的氧化應(yīng)激和凋亡。由此,二甲雙胍為通過線粒體自噬治療阿爾茲海默癥提供了新的可能性。

3.2 SIRT1激活劑:NAD+前體類藥物

NAD+是維持生命的必需分子,能保持人的青春狀態(tài),調(diào)控細(xì)胞的老化和凋亡。由于NAD+不能被細(xì)胞直接吸收和利用,因此必須通過服用NAD+的前體來獲得?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn),煙酰胺單核苷酸(NMN)可以作為NAD+的前體,NMN又稱為維生素B族的衍生物,NMN是由煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(Nampt)的作用而產(chǎn)生,它在人體細(xì)胞產(chǎn)生能量過程中起著關(guān)鍵作用。其主要作用機(jī)制是參與細(xì)胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的合成,激活NAD+底物依賴性酶Sirt1(組蛋白去乙酰化酶,又稱密封調(diào)節(jié)蛋白),調(diào)節(jié)細(xì)胞生存和死亡,維持氧化還原狀態(tài)并發(fā)揮其他生理功能,從而參與慢性疾病和有關(guān)衰老中的疾病。

在哺乳動物中,NMN在Nampt的催化下生成煙酰胺(Nam),隨后NAD+由煙酰胺單核苷酸腺苷轉(zhuǎn)移酶(Nmnat)催化生成[28]。相反,NMN在細(xì)胞體外通過去磷酸化轉(zhuǎn)化為煙酰胺核苷(NR),然后NR進(jìn)入細(xì)胞并被煙酰胺核苷激酶1(NRK1)磷酸化為NMN,NMN結(jié)合ATP并形成NAD+[5]。由本文的2.3機(jī)制可知,研究發(fā)現(xiàn),SIRT1是誘導(dǎo)自噬的必要條件,過量表達(dá)SIRT1已被證明有促進(jìn)自噬的作用。SIRT1增加PGC-1a水平,去乙?；⒓せ铌P(guān)鍵的自噬蛋白(ATG5、ATG7和ATG8/LC3),穩(wěn)定PINK1,Nix/BNIP3L和LC3在自噬細(xì)胞中的上調(diào),對表達(dá)對自噬/線粒體自噬有重大影響[29]。NAD+-SIRT1途徑的激活通過調(diào)節(jié)相關(guān)自噬蛋白實現(xiàn)線粒體自噬的恢復(fù)。異源研究表明,毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào)基因(ATM),可以導(dǎo)致線粒體功能障礙和持續(xù)的PARP1激活,從而NAD+耗竭,導(dǎo)致SIRT1失活和線粒體自噬受損。NAD+補充后,可改善ATM蛋白激酶缺陷的神經(jīng)元的DNA修復(fù)并明顯降低線粒體機(jī)能損害功能。另一項研究顯示,蠕蟲的細(xì)胞周期相關(guān)蛋白1(DCT1)與哺乳動物BNIP3/NIX是同源物,并在最近的一段時間內(nèi)被證實參與了線粒體自噬,結(jié)果顯示,NAD+-SIRT1的活化能促進(jìn)DCT-1的表達(dá),并活化與自噬有關(guān)的蛋白質(zhì),使其能夠參與細(xì)胞的自噬。同樣,NAD+-SIRT1激活初級大鼠皮層神經(jīng)元中的AMPK,導(dǎo)致結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體2(Tsc2)的Ser1387位點磷酸化,并抑制靶蛋白雷帕霉素,進(jìn)而誘發(fā)自噬及線粒體自噬[30]。這些研究結(jié)果表明一些NAD+前體可成為AD治療的潛在藥物。

3.3 PINK1-Parkin活性調(diào)節(jié)劑:中藥遠(yuǎn)志

中藥遠(yuǎn)志屬于多年生草本植物,是遠(yuǎn)志科植物遠(yuǎn)志或卵葉遠(yuǎn)志的干燥根,其性溫,味苦、辛,具有安神益智、祛痰和消腫的功能。細(xì)葉遠(yuǎn)志皂苷(Ten)是遠(yuǎn)志安神益智作用的主要活性成分,具有抗氧化應(yīng)激、抗衰老、抑制細(xì)胞凋亡和增進(jìn)認(rèn)知等多種生物學(xué)活性,除此之外還可通過自噬途徑減少AD模型細(xì)胞Aβ的分泌。研究表明,Ten可通過抑制細(xì)胞線粒體內(nèi)膜跨膜電位(Δψm)的下降,調(diào)控線粒體凋亡途徑,減少細(xì)胞色素C的釋放,抑制caspase的酶活性,從而降低細(xì)胞凋亡率;并通過抑制PINK1/Parkin途徑,降低線粒體溶酶體共定位及哺乳動物L(fēng)C3的表達(dá),從而減弱線粒體自噬,即Ten通過降低線粒體自噬來發(fā)揮神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用[31]。

4 總結(jié)

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計,全球目前約有超過3 000萬人患有阿爾茨海默癥,并且中國患病人數(shù)居世界第一。AD的預(yù)防和治療成為研究熱點,是全球亟需攻克的一大難題。目前大部分研究普遍認(rèn)為,AD的主要病因是β-淀粉樣蛋白(Aβ)堆積和Tau蛋白的高度磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)元纖維纏結(jié)。但從我們的報告中可以得知,線粒體自噬功能的失調(diào)可能成為AD的發(fā)病機(jī)制之一。線粒體自噬是通過選擇性清除受損線粒體,從而及時清除損傷的線粒體,以維持細(xì)胞正常生理功能的過程,所以,本文基于線粒體自噬治療AD作為研究方向,總結(jié)歸納了部分具有治療AD前景的藥物。如尿石素可以通過保護(hù)線粒體自噬功能從而改善AD病理;白藜蘆醇可以通過某些途徑激活自噬系統(tǒng)從而減少Aβ和清除異常磷酸化的Tau蛋白;NAD+前體類藥物主要通過提高線粒體自噬來治療和延緩AD癥狀。雖然線粒體自噬是未來治愈AD患者的發(fā)展方向之一,但現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用于這一機(jī)理治療AD的藥物很少,研究人員發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)藥物都僅僅只存在著治療的可能性,并沒有真正應(yīng)用到臨床,如白藜蘆醇及二甲雙胍等。選擇從線粒體自噬來治療AD的這一途徑,目前僅是限于理論知識,尚未應(yīng)用于人體,其仍然存在著極大的局限性與可能性。未來的發(fā)展方向應(yīng)加大理論與實際的聯(lián)系,仍需進(jìn)行具體實驗,從各項實驗結(jié)果中找到解決該途徑不足的方法,讓理論依據(jù)成為現(xiàn)實,為AD治療提供更多的可能性與生機(jī)。