王紅娟，閆中瑞，劉厚林

(濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院，山東濟(jì)寧 272011)

?

·綜述·

自噬在阿爾茨海默病發(fā)病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

王紅娟，閆中瑞，劉厚林

(濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院，山東濟(jì)寧 272011)

自噬是溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞自我處理系統(tǒng)，是細(xì)胞降解長壽蛋白質(zhì)和功能受損的細(xì)胞器進(jìn)行循環(huán)利用或維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的過程。阿爾茨海默病(AD)作為老年性癡呆的主要原因，其神經(jīng)元內(nèi)β淀粉樣蛋白(Aβ)的積累導(dǎo)致變性和神經(jīng)元凋亡，隨之出現(xiàn)老年斑、Tau蛋白過度磷酸化及代謝障礙。自噬作為清除細(xì)胞內(nèi)異常蛋白、細(xì)胞器及維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞衛(wèi)士，在AD的發(fā)生發(fā)展中有重要作用。自噬參與Aβ清除，促進(jìn)Aβ降解，抑制Aβ異常聚集。同時自噬能促進(jìn)Tau和磷酸化Tau的降解，自噬抑制能增加Tau的細(xì)胞毒性。軸突運(yùn)輸障礙影響自噬功能，軸突運(yùn)輸缺陷導(dǎo)致自噬小泡堆積和神經(jīng)突起的炎性改變，影響自噬體的成熟和正常功能的發(fā)揮。

自噬；阿爾茨海默??；β淀粉樣蛋白；Tau蛋白磷酸化

阿爾茨海默病(AD)是常見的神經(jīng)退行性疾病，主要病理學(xué)特征為β淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成老年斑(SPs)、Tau蛋白過度磷酸化引發(fā)神經(jīng)元纖維纏結(jié)、神經(jīng)元突觸功能異常及丟失[1]。自噬是長壽蛋白和胞質(zhì)細(xì)胞器降解的主要細(xì)胞代謝通路，凈化自身多余或受傷細(xì)胞器。目前，對于AD發(fā)病機(jī)制仍未明確，近年研究顯示自噬可能參與了AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病過程。本文就自噬在AD發(fā)病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展情況作一綜述。

1　自噬的概念、分類、形成過程及調(diào)控分子機(jī)制

1.1自噬的概念及分類1962年，Porter與Ashford發(fā)現(xiàn)大鼠肝中注入高血糖素后，細(xì)胞內(nèi)某種致密體出現(xiàn)，還發(fā)現(xiàn)此種致密體包裹有線粒體，他們把這一致密體形成過程稱為自噬[2]。自噬的形態(tài)學(xué)特征最顯著的標(biāo)志是細(xì)胞質(zhì)中有大量包裹著細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器的空泡結(jié)構(gòu)，稱作自噬泡。自噬是細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)成分利用溶酶體被降解的過程，是真核細(xì)胞所特有的。細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的降解有兩種途徑，一種是泛素-蛋白酶體通路，另一種是自噬-溶酶體途徑[3]。細(xì)胞正常情況下很少發(fā)生自噬，細(xì)胞外因素如代謝障礙、衰老、受損的細(xì)胞器等，均導(dǎo)致細(xì)胞保持很低的自噬活性以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。適度的自噬是細(xì)胞完成自身代謝和細(xì)胞器更新的重要方式，調(diào)控細(xì)胞損傷和老化，對維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定有重要意義。根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運(yùn)送到溶酶體腔方式的不同，哺乳動物的自噬可分為大自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬[4]。目前，根據(jù)自噬對降解底物的選擇性將其分為選擇性和非選擇性自噬，選擇性自噬又可分為線粒體自噬、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬、過氧化物酶體自噬、核糖體自噬、細(xì)胞核的碎片狀自噬等[5]。

1.2自噬的形成過程自噬的形成過程分為以下幾個階段。①自噬膜的形成，即在饑餓、某項(xiàng)刺激等因素下，雙層膜的杯狀分隔膜在被降解物周圍形成；發(fā)生自噬的細(xì)胞胞質(zhì)中出現(xiàn)大量游離膜性結(jié)構(gòu)，不斷扁平擴(kuò)張，稱之為吞噬泡。②自噬體的形成，即分隔膜逐漸延伸，將被降解物完全包繞隔離形成自噬體；自噬體具有脂質(zhì)雙分子層的膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有胞質(zhì)及細(xì)胞器；自噬體的形成是自噬的核心部分，是其發(fā)生的典型特征。③自噬體的運(yùn)輸、融合，即自噬體形成后通過細(xì)胞骨架微管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸將其包裹物運(yùn)輸至溶酶體，自噬泡的外膜與溶酶體膜結(jié)合，內(nèi)膜及其包裹的物質(zhì)進(jìn)入溶酶體腔，被溶酶體中的酶溶解；這種吞噬了細(xì)胞內(nèi)成分的溶酶體稱自噬溶酶體。④自噬體的降解，即自噬體的內(nèi)膜及其內(nèi)部成分被溶酶體酶降解，降解成分部分被循環(huán)利用，部分排出細(xì)胞或沉積在胞質(zhì)中[6]。

1.3自噬的調(diào)控分子機(jī)制細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)機(jī)制中包括依賴?yán)着撩顾匕械鞍?mTOR)和不依賴mTOR的信號通路等。①依賴mTOR的信號途徑：a.mTOR相關(guān)靶點(diǎn)在自噬啟動階段發(fā)揮重要作用，包括Ⅰ型PI3K和TOR復(fù)合體1[7]。mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是氨基酸、營養(yǎng)狀態(tài)的感受器，在自噬發(fā)生過程中起開關(guān)作用，其活性受細(xì)胞內(nèi)氨基酸、ATP水平的調(diào)節(jié)，營養(yǎng)缺乏時mTOR活性受到抑制，從而激活自噬[8,9]。P13K/Akt/TSC2/mTOR信號通路和AMPK/TSC2/mTOR信號通路是mTOR上游調(diào)節(jié)自噬的重要通路。mTOR和Beclin1可通過整合上游各種信號因子，從而發(fā)揮對自噬的調(diào)控作用。b.自噬體形成階段的靶點(diǎn)主要存在于Ⅲ型PI3K介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中。Ⅲ型PI3K可與Beclin1形成復(fù)合物，參與早期自噬體的形成，誘導(dǎo)自噬發(fā)生；自噬抑制劑3-MA可通過抑制Ⅲ型PI3K活性，發(fā)揮抑制或阻斷自噬體形成的作用[10～12]。②不依賴mTOR的信號途徑：不依賴mTOR的信號途徑之一就是周期的、可以通過Camp-Epac-PLC-ε介導(dǎo)的三磷酸肌醇途徑以及Ca2+-calplin-G-stimulatory protein 途徑。Beclin1是酵母中Atg6的同源基因，通過與Bcl-2、UVRAG、mVps34、Barkor、死亡相關(guān)蛋白激酶1的相互作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬[13]。正常生理?xiàng)l件下，Beclin1與Bcl2相結(jié)合，使自噬保持基礎(chǔ)水平，營養(yǎng)缺乏或氧化應(yīng)激時，壓力激活酶Jun N末端肌酶1致Bcl2磷酸化，使Bcl2從Beclin1分離，Beclin1通過減弱與Bcl2的相互作用，與UVRAG、mVps34等因子結(jié)合激活自噬[14]。此外，胰島素、活性氧(ROS)、Ca2+等因子也能調(diào)節(jié)自噬水平。

2　自噬在AD發(fā)病中的作用機(jī)制

AD是常見的神經(jīng)退行性疾病，主要的病理特征為神經(jīng)細(xì)胞外出現(xiàn)Aβ、神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)因Tau蛋白異常形成NFT、SP及神經(jīng)元和突觸缺失等。與之相對應(yīng)的病因?qū)W研究形成了以Aβ、Tau蛋白和軸突運(yùn)輸障礙機(jī)制為主的三大領(lǐng)域，其與自噬關(guān)系的研究越來越深入。

2.1自噬參與Aβ清除正常情況下，自噬具有神經(jīng)保護(hù)作用，當(dāng)自噬功能出現(xiàn)障礙時，Aβ降解及清除障礙，造成沉積及神經(jīng)元損傷，導(dǎo)致AD發(fā)生。Aβ沉積之前，PS1/APP小鼠神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)就已發(fā)現(xiàn)大量自噬小體的存在，8周齡小鼠神經(jīng)細(xì)胞自噬囊泡數(shù)目較正常小鼠高5倍，9月齡小鼠則至少高23倍[15]。基因表達(dá)技術(shù)提示，AD患者腦組織中自噬啟動因子Beclin1 mRNA表達(dá)減少，Beclin1蛋白缺乏，成熟自噬體形成障礙，導(dǎo)致自噬囊泡聚集，Aβ生成增多[16]。自噬系統(tǒng)功能障礙可能導(dǎo)致Aβ沉積，通過AD模型體外和體內(nèi)共培養(yǎng)間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)，發(fā)現(xiàn)MSC可增加細(xì)胞增殖和增強(qiáng)LC3-Ⅱ表達(dá)，增加溶酶體內(nèi)Aβ免疫反應(yīng)性，胞內(nèi)Aβ水平較Aβ-treated細(xì)胞下降。此外，MSC顯著降低海馬體Aβ水平，進(jìn)而增加海馬神經(jīng)元的生存。MSC培養(yǎng)基還能上調(diào)AD模型中Becn1/Beclin1表達(dá)。這些結(jié)果表明，MSC細(xì)胞顯著提高自噬體形成，并增加AD模型中Aβ蛋白清除，這可能會導(dǎo)致增加存活神經(jīng)元抗Aβ毒性[17]。研究發(fā)現(xiàn)，TgCRND8鼠標(biāo)模型刺激自噬溶酶體蛋白水解，呈現(xiàn)自噬底物蛋白水解缺陷，大量溶酶體內(nèi)Aβ積累。通過基因刪除溶酶體半胱氨酸蛋白酶抑制劑，比較半胱氨酸蛋白酶抑制物，選擇性地恢復(fù)組織蛋白酶活動，充分清除Aβ、泛素化蛋白及其他自溶酶體/溶酶體自噬基質(zhì)，以及減少總Aβ40/42水平和細(xì)胞外淀粉樣蛋白沉積[18]。在體外研究中，超表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)可恢復(fù)被Aβ1-42阻斷的自噬和自噬泡中Aβ1-42降解，調(diào)節(jié)Aβ1-42介導(dǎo)的過度自噬。此外，TFEB過度表達(dá)增強(qiáng)組織蛋白酶D的表達(dá)和活性，恢復(fù)被溶酶體酸性環(huán)境干擾的Aβ1-42，促進(jìn)自噬體與溶酶體的融合。TFEB過度表達(dá)通過調(diào)節(jié)自噬溶酶體途徑減少Aβ積累，減少Aβ-誘發(fā)ROS生成和細(xì)胞凋亡，從而減輕AD進(jìn)展[19]。同時，自噬影響Aβ的分泌。Nilsson等[20]認(rèn)為，Aβ分泌及斑塊的形成依賴于自噬，自噬缺陷的APP轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)細(xì)胞外Aβ斑塊明顯降低，但卻伴隨著細(xì)胞內(nèi)Aβ的異常聚集。因此，自噬促進(jìn)APP代謝中Aβ的生成以及向細(xì)胞外分泌，并通過溶酶體途徑促進(jìn)Aβ的轉(zhuǎn)運(yùn)，與AD病理性標(biāo)志SPs的形成密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，自噬抑制劑和誘導(dǎo)劑均增強(qiáng)α-分泌酶、β-分泌酶、γ-分泌酶的活性，促進(jìn)Aβ形成。自噬抑制劑較誘導(dǎo)劑可能更有效激活γ-分泌，促進(jìn)Aβ生產(chǎn)和積累。因此，自噬抑制劑可能激活γ-分泌酶和促進(jìn)Aβ生產(chǎn)、積累，但對Aβ清除無影響[21]。有研究[22]發(fā)現(xiàn)，口服疫苗接種致APP/PS1大鼠腦內(nèi)rAAV/Aβ、p62水平下降，上調(diào)LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ，提示增強(qiáng)自噬。表明自噬參與誘導(dǎo)Aβ清除，并調(diào)節(jié)自噬通路，可能是一個重要的預(yù)防和干預(yù)AD策略。

2.2自噬促進(jìn)Tau及磷酸化Tau降解Tau蛋白是一種微管相關(guān)蛋白，主要分布在神經(jīng)元，其功能是與微管蛋白結(jié)合促進(jìn)微管的形成并保持其穩(wěn)定性，對維持神經(jīng)細(xì)胞骨架完整性和正常軸突運(yùn)輸起重要的作用。病理狀態(tài)下，Tau被高度磷酸化，失去結(jié)合微管的能力，聚集并形成成對螺旋絲，從而導(dǎo)致細(xì)胞骨架異常及細(xì)胞死亡。自噬對Tau蛋白聚集有清除作用，自噬缺陷可導(dǎo)致Tau蛋白清除障礙。因此，AD患者神經(jīng)元中Tau蛋白過度磷酸或聚合形成了神經(jīng)纖維纏結(jié)。觀察自噬對Tau降解的影響，在饑餓誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的基礎(chǔ)上觀察兩種MEFs細(xì)胞中Tau和磷酸化Tau的降解情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自噬缺失的細(xì)胞中Tau和磷酸化Tau降解速率明顯降低，提示自噬能促進(jìn)Tau和磷酸化Tau的降解，自噬抑制能增加Tau的細(xì)胞毒性[23]。越來越多的證據(jù)表明，Tau積累與神經(jīng)細(xì)胞退化和AD認(rèn)知能力下降的發(fā)展較Aβ斑塊更具相關(guān)性。氧化應(yīng)激是AD的發(fā)病機(jī)制中早期重要事件，因此認(rèn)為導(dǎo)致Tau過度磷酸化。多項(xiàng)研究[24]表明，神經(jīng)元中自噬通路在生理和病理?xiàng)l件下是很重要的。因此，這個途徑在降解內(nèi)在可溶性Tau蛋白中扮演著關(guān)鍵角色。

2.3軸突運(yùn)輸障礙影響自噬功能軸突運(yùn)輸功能障礙是AD的另一個重要的病理表現(xiàn)。在軸突上進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)運(yùn)對神經(jīng)元的存活十分必要，其有助于清理有自噬體富集產(chǎn)生的異常蛋白質(zhì)，也有助于將營養(yǎng)成分從突觸運(yùn)送到神經(jīng)細(xì)胞胞體中。自噬體不僅在神經(jīng)元中被發(fā)現(xiàn)，也存在于軸突及樹突的遠(yuǎn)端部分。AD患者腦組織中，營養(yǎng)障礙的神經(jīng)突起和腫脹的軸突內(nèi)大量聚集的細(xì)胞器意味著軸突運(yùn)輸異常[25]。抑制神經(jīng)元自噬使軸突末梢膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，伴嚴(yán)重的軸突水腫，由此推測自噬是突起重塑和延伸的關(guān)鍵機(jī)制。正常神經(jīng)元內(nèi)自噬小體和核內(nèi)體突觸內(nèi)以激活形式存在，當(dāng)發(fā)生AD時，成熟的自噬體及其逆運(yùn)輸障礙，導(dǎo)致神經(jīng)營養(yǎng)不良及變性軸突腫脹大量積累自噬的中間體(自噬空泡)。增強(qiáng)的自噬反應(yīng)，自噬空泡Aβ清除缺陷，導(dǎo)致β淀粉狀蛋白質(zhì)在AD積聚[26]。研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)障礙的軸突包繞淀粉樣斑塊，同時能與有功能的神經(jīng)元連接，據(jù)此推測軸突的損害可能先于突觸的丟失和神經(jīng)元的損害，在AD的早期病理過程中起重要作用，同時說明Tau蛋白早期磷酸化使軸突運(yùn)輸缺陷，導(dǎo)致自噬小泡的堆積和神經(jīng)突起的炎性改變，可能是淀粉樣斑塊異常聚集引起軸突反應(yīng)性的改變，但又無法清除這些異常聚集的蛋白，而使自身受損，最終無法起到有效運(yùn)輸功能，影響自噬體的成熟和正常功能的發(fā)揮[27,28]。

綜上所述，AD發(fā)病早期誘導(dǎo)自噬，自噬囊泡水平Aβ沉積及AD病理改變一致，此種狀態(tài)自噬發(fā)揮代償性保護(hù)作用。自噬溶酶體降解異常蛋白，在AD病情嚴(yán)重時，mTOR信號通路表達(dá)增強(qiáng)或Beclin1表達(dá)下降，自噬抑制或自噬損傷，特別是自噬溶酶體障礙，異常蛋白積聚，AD病理改變明顯。

[1] Blennow K, de Leon MJ, Zetteiberg H. Alzheimer′s disease[J]. Lancet, 2006,368(9533):387-403.

[2] Klionsky DJ. Autophagy revisited: a convesition with christian de duve[J]. Autophagy, 2008,4(4):740-743.

[3] Rubinsztein DC, Ravikumar B, Acevedo-Arozena A, et al. Dyneins, autophagy, aggregation and neurodegeneration[J]. Autophagy, 2005,1(3):177-178.

[4] Harris H, Rubinsztein DC. Control of autophagy as a therapy for neurodegenerative disease[J]. Nat Rev Neurol, 2012,8(2):108-117.

[5] Kraft C, Peter M, Hofmann K. Selective autophagy: ubiquitin-mediated recognition and beyond[J]. Nat Cell Biol, 2010,12(9):836-841.

[6] Yang Z, Klionsky DJ. Eaten alive: a history of macroautophagy[J]. Nat Cell Biol, 2010,12(9):814-822.

[7] Brech A, Ahlquist T, Lothe RA, et al. Autophagy in tumour suppression and promotion[J]. Molecular Oncology, 2009,3(4):366-375.

[8] Mehrpour M, Esclatine A, Beau I, et al. Overview of macroautophagy regulation in mammalian cells[J]. Cell Research, 2010,20(7):748-762.

[9] Mehrpour M, Esclatine A, Beau I, et al. Autophagy in health and disease. 1.Regulation and significance of autophagy: an overview[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2010,298(4):776-785.

[10] Chu CT. Autophagic stress in neuronal injury and disease[J]. J Neuropathol Exp Neurol, 2006,65(5):423-432.

[11] Qin AP, Liu CF, Qin YY, et al. Autophagy was activated in injured astrocytes and mildly decreased cell survival following glucose and oxygen deprivation and focal cerebral ischemia[J]. Autophagy, 2010,6(6):738-753.

[12] Wen YD, Sheng R, Zhang LS, et al. Neuronal injury in rat model of permanent focal cerebral ischemia is associated with activation of autophagic and lysosomal pathways[J]. Autophagy, 2008,4(6):762-769.

[13] Kang R, Zeh HJ, Lotze MT, et al. The Beclin1 network regulates autophagy and apoptosis J[J]. Cell Death Differ, 2011,18(4):571-580.

[14] Zhang R, Zhu F, Ren J, et al. Beclin1/PI3K-mediated autophagy prevents hypoxia-induced apoptosis in EAhy926cell line[J]. Cancer Biother Radiopharm, 2011,26(3):335-343.

[15] Yu WH, Cuervo AM, Kumar A, et al. Macroautophagy a novel amyloid peptide-generating pathway activated in Alzheimer s disease[J]. J Cell Biol, 2005,171(1):87-98.

[16] Pickford F, Masliah E, Britschgi M, et al. The autophagy related protein beclin1 shows reduced expression in early Alzheimer disease and regulates amyloid beta accumulation in mice[J]. J Clin Invest, 2008,118(6):2190-2199.

[17] Shin JY, Park HJ, Kim HN, et al. Mesenchymal stem cells enhance autophagy and increase β-amyloid clearance in Alzheimer disease models[J]. Autophagy, 2014,10(1):32-44.

[18] Yang DS, Stavrides P, Mohan PS, et al. The rapeutic effects of remediating autophagy failure in a mouse model of Alzheimer disease by enhancing lysosomal proteolysis[J]. Autophagy, 2011,7(7):788-789.

[19] Zhang YD, Zhao JJ. TFEB participates in the Aβ-induced pathogenesis of Alzheimer′s disease by regulating the autophagy-lysosome pathway[J]. DNA Cell Biol, 2015,34(11):661-668.

[20] Nilsson P, Loganathan K, Sekiguchi M, et al. Aβ secretion and plaque formation depend on autophagy[J]. Cell Rep, 2013,5(1):61-69.

[21] Cai Z, Zhou Y, Liu Z, et al. Autophagy dysf unction upregulates beta-amyloid peptides via enhancing the activity of γ-secretase complex[J]. Neuropsychiatr Dis Treat, 2015,11:2091-2099.

[22] Wang HC, Zhang T, Kuerban B, et al. Autophagy is involved in oral rAAV/Aβ vaccine-induced Aβ clearance in APP/PS1 transgenic mice[J].Neurosci Bull, 2015,31(4):491-504.

[23] 馮利杰,張瑾,丁倩,等.自噬參與神經(jīng)細(xì)胞中過表達(dá)tau和異常磷酸化tau蛋白的降解[J].中國藥理學(xué)通報,2015,31(3):356-362.

[24] Liu Z, Li T, Li P, et al. The ambiguous relationship of oxidative stress, Tau hyperphosphorylation, and autophagy dysfunction in Alzheimer′s disease[J]. Oxid Med Cell Longev, 2015,2015:352723.

[25] Lee S, Sato Y, Nixon RA. Primary lysosomal dysfunction causes cargo-specific deficits of axonal transport leading toAlzheimer-like neuritic dystrophy[J]. Autophagy, 2011,7(12):1562-1563.

[26] Nixon RA. Autophagy, amyloidogenesis and Alzheimer disease[J]. J Cell Sci, 2007,120(Pt 23):4081-4091.

[27] Adalbert R, Nogradi A, Babetto E, et al. Severely dystro-phic axons at amyloid plaques remain continuous and connected to viable cell bodies[J]. Brain, 2009,132(Pt 2):402-416.

[28] Sanchez-Varo R, Trujillo-Estrada L, Sanchez-Mejias E, et al. Abnormal accumulation of autophagic vesicles correlates with axonal and synaptic pathology in young Alzheimer s mice hippocampus[J]. Acta Neuropathol, 2012,123(1):53-70.

劉厚林(E-mail: liuhoulin888@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.15.036

R741.02

A

1002-266X(2016)15-0095-04

2015-10-18)