張淑芳

(湖北中醫(yī)藥大學體育健康學院，湖北 武漢 430065)

阿爾茨海默病(alzheimer’s disease,AD)是一種進行性早老性癡呆，主要表現(xiàn)為認知功能的退化，記憶力、學習能力、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元內形成神經原纖維纏結，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-溶酶體途徑是神經元的主要降解途徑，此途徑的缺陷可能有助于AD的經典標志淀粉樣斑塊和神經原纖維纏結的形成，從而導致AD患者認知能力的下降。研究表明[3]，體育活動缺失是發(fā)生AD最常見的可預防風險因素之一，長期從事運動可以降低AD的發(fā)展風險，運動能改善腦血管血流量，增加海馬體積，并促進神經再生。最近的研究還證明[4]，D-半乳糖誘導的衰老大鼠通過8周的游泳訓練后，可通過miR-34a調節(jié)其受損的自噬和線粒體動力學異常，使大腦衰老癥狀顯著減弱。因此，體育鍛煉被認為是治療AD的有效方法。在本文中，我們總結了細胞自噬的主要特點，自噬在AD中的調節(jié)作用以及運動干預通過調節(jié)自噬對AD的防治作用。

1 細胞自噬概述

細胞自噬(autophagy)是指在內外界環(huán)境因素的影響下，細胞對其內部受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白質和侵入體內的病原體進行降解的生物學過程。這種所謂的細胞自噬過程，一方面可以使機體在十分嚴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，同時也是清除侵入體內病原體的重要機制。另一方面，異常的細胞過程不僅會影響壽命，同時也會導致一系列的疾病狀態(tài)。在哺乳動物中，根據(jù)“貨物”(cargo)運送到溶酶體方式的不同，細胞自噬可以分成3種不同的形式：大自噬(macrophagy)、小自噬(microphagy)和分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy,CMA)[5]。細胞自噬是機體或細胞受到外界的刺激信號后所產生的維持內環(huán)境穩(wěn)定的一種特殊變化形式。其信號轉導通路非常復雜，并且交織成網(wǎng)，在自噬的不同水平對其進行調控，從而協(xié)調蛋白質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信號調控途徑、Akt-FoxO3a信號調控途徑、Beclin 1-Bcl-2復合物調控途徑和NF-κB信號調控途徑。

2 細胞自噬在AD發(fā)病中的作用

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

2.1 細胞自噬與Aβ沉積

Aβ是由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)經過β分泌酶(beta secretase,BACE)和γ分泌酶兩次剪切形成。AD神經元積累的自噬泡(autophagic vacuoles,AVs)中包含有Aβ生成的調節(jié)成分，APP及其加工酶BACE和PS[6]。Salminen等研究發(fā)現(xiàn)[7]，神經元和轉基因小鼠中Beclin 1的缺乏會導致APP和Aβ的增加，而Beclin 1的過表達減少了的Aβ沉積。在AD的早期階段，當患者的灰質受到影響后其Beclin 1水平降低。在APP轉基因小鼠中，Beclin 1基因的缺失導致神經內Aβ的積聚增加，細胞外Aβ的沉積和神經變性。而攜帶Beclin 1基因的慢病毒載體輸入后，可降低APP轉基因小鼠的細胞內和細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的代謝過程并促進小鼠的神經變性。但有研究與以上結果相反，當APP轉基因小鼠中的ATG7基因被敲除后，發(fā)現(xiàn)其細胞外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轉基因AD小鼠模型中，天然產物牛蒡子苷(來源于菊科植物生蒡)通過下調BACE1的表達抑制Aβ的產生，并通過mTOR抑制和AMPK / Raptor途徑激活增強自噬，促進Aβ的清除[10]。為研究間充質干細胞是否可以通過增強自噬對Aβ進行調節(jié)而發(fā)揮神經保護作用。Zhu等[10]向Aβ處理的動物注入間充質干細胞，結果發(fā)現(xiàn)，小鼠海馬中BECN1/Beclin 1表達上調，自噬小體、成熟的AVs和溶酶體融合增加，同時伴有Aβ的下降和海馬神經元存活率的上升。上述研究表明，除了靶向治療靶點外，在自噬-溶酶體系統(tǒng)功能障礙發(fā)生前，增強溶酶體活性和/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蛋白，即被磷酸化的微管相關蛋白Tau(microtubule associated protein tau,MAPT)在AD患者的大腦中聚集。微管是細胞骨架的一部分，線粒體、溶酶體和其他細胞器都通過微管運輸。正常情況下，Tau蛋白能結合并穩(wěn)定微管，但是當Tau被過度磷酸化時，它會從微管上脫離并產生不穩(wěn)定性，從而導致其聚集。神經元的胞體和突觸中Tau蛋白異常磷酸化的聚集與AD的認知缺陷密切相關[11]。

泛素-蛋白酶系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)是細胞內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胞內異常蛋白質、短壽命的功能蛋白，應激狀態(tài)下降解細胞內結構蛋白，參與如轉錄因子、內膜蛋白、細胞周期蛋白等蛋白質的降解。長久以來，UPS被視為降低短壽命和諸如Tau的胞質蛋白的關鍵途徑，最近研究卻證實蛋白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胞自噬可促進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[13]。mTOR抑制劑雷帕霉素處理后，AD轉基因小鼠的神經細胞自噬被激活，同時Tau蛋白的異常磷酸化減少[14]。結節(jié)性硬化復合物1/2(tuberous sclerosis complex 1/2,TSC1/2)是mTOR的負調節(jié)劑，在TSC2+/-小鼠中，內源性Tau蛋白及其磷酸化增加。進一步研究發(fā)現(xiàn)[15]，應用雷帕霉素治療可以改善P301LS小鼠的Tau病理及其相關行為缺陷，這表明自噬在調節(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致Tau蛋白異常磷酸化而聚集，而誘導自噬可減少這種聚集。

3 運動對AD的影響

運動干預有利于改善機體的認知功能，但其潛在的分子機制仍然不清楚。目前，我們通過檢測細胞外斑塊中Aβ蛋白和胞內神經原纖維纏結的tau蛋白診斷AD。Adlard等[16]發(fā)現(xiàn)自愿運動減少了轉基因AD小鼠的皮質和海馬中的Aβ聚集。Liang等[17]對腦脊液(cerebrospin fluid,CSF)中Aβ和超磷酸化的Tau蛋白進行檢測，結果發(fā)現(xiàn)運動與淀粉樣蛋白沉積減少有關，而Tau并沒有明顯變化。這可能是由于被研究者處于認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的受損細胞成分的降解和循環(huán)利用，同時為生物體的合成提供能量和物質基礎。動物模型研究表明[19]，自噬過程中的缺陷會導致神經肌肉功能快速下降，使機體對饑餓、氧化損傷、神經變性和干細胞等應激條件的敏感性缺失。自噬受損在Aβ的產生和AD發(fā)展進程中發(fā)揮重要作用。運動科學領域的相關研究表明，運動可以通過調節(jié)神經細胞自噬、減少Aβ的聚集和tau蛋白的異常磷酸化等途徑延緩AD。LC3是第一個被發(fā)現(xiàn)的自噬體標記蛋白，有LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ兩種形式。未發(fā)生自噬時，細胞內合成的LC3經過加工，成為胞質可溶性I型LC3，常規(guī)表達。當自體吞噬發(fā)生時，Ⅰ型LC3轉化為Ⅱ型LC3并定位于胞內自噬體的膜上，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小鼠進行12周的有氧運動干預后，其腦組織中Aβ聚集減少，同時海馬組織中的LC3-Ⅱ的表達增加，而p62蛋白質表達水平下降，提示有氧運動可能通過提高自噬活性促進Aβ的清除。AMPK是一個高度保守的激酶，活化的AMPK可以通過抑制mTOR，誘導自噬。張憲亮[21]研究發(fā)現(xiàn)，APP/PS1轉基因小鼠經過12周的有氧運動后，可以活化AMPK，自噬被激活，從而促進海馬組織中Aβ的清除，最終改善小鼠的學習記憶能力。此外，高強度間歇運動訓練可通過上調AMPK-Pink1/Parkin介導的線粒體自噬，改善線粒體功能，減少APP/PS1轉基因AD小鼠腦海馬Aβ聚集，提高其學習和記憶能力[22]。這些結果提示，運動可能通過激活神經細胞自噬活性，減少Aβ的積聚，從而在AD的預防和治療中發(fā)揮作用。運動可能通過細胞自噬調節(jié)Tau蛋白異常磷酸化而緩解AD，Kang 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，12周的跑臺運動可通過調節(jié)神經細胞自噬，降低Tau蛋白異常磷酸化而改善NSE/htau23轉基因小鼠的認知功能。

4 小結與展望

自噬的失調會損害神經元的穩(wěn)態(tài)，是導致AD發(fā)生的重要病理機制。 隨著近年來對細胞自噬研究的激增，大大拓展了我們對其介導途徑和機制的理解。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，運動一直被認為是預防和治療AD的一種方法。運動可以通過調節(jié)細胞自噬促進腦認知改善，增強腦功能，增加腦血液，調節(jié)分子生物標志物，降低Aβ和異常磷酸化的Tau蛋白。然而，運動是通過何種途徑激活細胞自噬的？運動通過調節(jié)細胞自噬抑制Aβ的積聚和Tau蛋白異常磷酸化的分子機制是什么？這些問題的解決將為運動通過自噬調節(jié)治療AD提供新的研究思路。