自噬与神经退行性疾病

姜 凌 常 诚

自噬是细胞通过单层或双层膜包裹待降解物形成自噬体，然后运送到溶酶体形成自噬溶酶体并进行多种酶的消化及降解，以实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新，细胞对这种合成与降解的精细调节，对维持细胞的自身稳态有重要意义。自噬分为三种类型：巨自噬、微自噬、分子伴侣介导的自噬。细胞的自噬清除或降解异常聚集的蛋白对神经退行性疾病有重要作用。

19世纪50年代末在电子显微镜研究溶酶体时发现了哺乳动物的自噬，当时自噬体并没有与溶酶体结合起来，只是被单纯地定义为一个内含未降解胞质的双侧细胞膜结构［1］。1962年Ashford和Porten通过在肝灌流液中加入高血糖素，发现肝细胞的溶酶体增多，并发生自食现象［2］。之后很长时间自噬并没有引起人们的关注。直到随着分子生物学的发展，20世纪90年代首先在酵母中发现了参与自噬的分子机制，随后在哺乳动物细胞中也发现有相似机制，自噬的研究才有了重大进步。自噬是广泛存在于真核细胞中的生命现象，贯穿于正常细胞生长发育和生理病理过程，能清除细胞内过量或受损细胞器和蛋白质，参与抗原提呈及抵抗微生物胞内感染，对于维持蛋白质代谢平衡及细胞内环境稳定起重要作用，对防止如神经退行性病变、肿瘤、心肌病、病原微生物侵入感染等疾病以及对防止老化、延长寿命有积极作用［3］。本研究就细胞自噬与神经退行性疾病的相互关系以及如何调控细胞的自噬做个综述。

1 自 噬

1.1 自噬的概念

自噬是细胞通过单层或双层膜包裹待降解物形成自噬体，然后运送到溶酶体形成自噬溶酶体并进行多种酶的消化及降解，以实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新，细胞对这种合成与降解的精细调节，对维持细胞的自身稳态有重要意义［3］。自噬主要分为4个环节：即底物诱导自噬前体的形成、自噬体形成、自噬体与溶酶体融合和自噬体内容物被降解［4］。自噬也是细胞对内外界环境压力变化的一种反应，在某些情况下自噬还可导致细胞死亡，被认为是区别于细胞凋亡（I型程序性死亡）的另一种细胞程序性死亡形式（Ⅱ型程序性死亡）［5］。

1.2 自噬的分类

自噬的过程中自噬体的形成是关键［6］。自噬被诱导后细胞开始在胞浆中形成300～900 nm大小的双层膜，其双层膜包囊泡内常见的包含物有胞浆成分和某些细胞器如线粒体、内吞体、过氧化物酶体等［7］。根据待降解物质进入溶酶体途径不同，通常将自噬分为三种类型：巨自噬、微自噬及分子伴侣介导的自噬，与巨自噬和微自噬比较，分子伴侣介导的自噬的主要特点是细胞质内的蛋白质直接经溶酶体膜转运入溶酶体腔，不需形成自噬体［8］。

1.3 自噬的发生过程

20世纪90年代人们通过利用酵母模式来研究自噬，迄今为止二十余个与自噬有关的基因被发现，其中将近一半的基因在果蝇、线虫、哺乳动物等多细胞物种中都十分保守［9］。现已被统一命名为酵母自噬相关基因ATG。而哺乳动物自噬基因的命名与酵母相似，但也存在个别差异，如酵母的Atg8在哺乳动物称为LC3，酵母的Atg6在哺乳动物则称为Beclinl［1］。自噬在相关条件刺激下可以被诱导，除了饥饿诱导，细胞自噬也可以在其他条件下被激活。如生理压力刺激下 （如低氧、能量缺失、高温、胞质成分积聚、高密度条件）、激素作用、药理成分作用（如雷帕霉素）、自身免疫行为、某些疾病的刺激如病毒、细菌、寄生虫感染、急性胰腺炎、心脏病以及蛋白质聚集［1］。

酵母自噬体的发生过程可分为（1）自噬的诱导：雷帕霉素作用的靶位点（TOR）是氨基酸、ATP和激素的感受器，在调节细胞生长和自噬的发生过程有门控作用。Beclin－1可促进酵母细胞中的自噬作用；此外，GDP结合的G蛋白亚基Gαi3是自噬的活化因子，高浓度c AMP也会诱导自噬的发生；（2）自噬体的形成：在酵母中发现此过程依赖于两个泛素样结合系统Atgl2－Atg5和Atg8系统。这种蛋白系统的高度保守性已被实验证明，在人类发现的自噬基因有Beclin－1，h Atg5，h Atgl2。1）Atg5－Atg12系统：首先 Atg7（E1样酶）将ATP连接到Atg12甘氨酸残基羧基端上，然后将其传递给Atg10（E2样酶）；Atg10使Atg12与 Atg5共价结合；Atg5－Atg12复合体与成对的Atg16L二聚体共同形成Atg5－Atg12－Atg16L多聚体，此多聚体能使 LC3－Ⅱ不对称的结合于自噬体膜内外，从而使自噬体膜弯曲延伸；一旦自噬体完全形成后多聚体即脱落；2）LC3／Atg8系统：在Atg4作用下LC3形成LC3－Ⅰ并暴露出羧基端甘氨酸残基；LC3－Ⅰ在Atg7和Atg3（E2样酶）的作用下与磷脂酰乙醇胺（PE）结合形成LC3－Ⅱ，磷脂化后的LC3－Ⅱ紧密附着于自噬体膜上，伴随着自噬体内涵体、溶酶体融合［10］；（3）自噬体的运输、融合：Rho家族涉及细胞骨架，与自噬体的运输有关。自噬体的融合机制与SNARE蛋白 Vam3，Vam7，Vtil，Sec19等密切相关。Atg7p通过Atg2p附着于微管Aut2p，并与导管素Tublp，Tub2p相互作用，完成自噬体向溶酶体的运输；（4）自噬体的裂解：在此起重要作用的有Atgl5和Atg22，Atgl5通过多囊泡小体途径向小囊泡转运，这种蛋白最终起着脂肪酶相似的作用。与Atg15相比，Atg22是一种囊泡内膜蛋白，其只对自噬体降解起作用［11］。

2 自噬与神经退行性疾病

有人通过敲除小鼠大脑的 Atg5［12］与 Atg7［13］基因，发现脑内大量神经元退化而死亡，泛素化蛋白包涵体的堆积增多。绝大多数神经退行性疾病共同病理特征是神经元内存在易聚集蛋白，如突变的α－突触核蛋白（α－synuclein）、淀粉样前体蛋白、Tau蛋白、Huntingtin蛋白等，它们对神经元产生毒性作用，最终导致神经元的死亡，从而出现相应的临床症状。Williams等研究证实，突变的易聚集蛋白主要靠自噬清除［14］。而神经元的死亡是不可逆的，所以细胞的自噬清除或降解异常聚集的蛋白对这些疾病就有重要的作用。

2.1 神经退行性疾病

神经退行性疾病是一类由于神经元进行性变性死亡，导致人体中枢神经系统等受损，影响患者的认知功能和运动功能，包括阿尔茨海默AD、亨廷顿病HD、帕金森病PD等。

2.1.1 阿尔兹海默病AD

阿尔茨海默病（AD）是一种老年人中常见的神经系统变性疾病，起病隐袭，是老年期痴呆最常见的类型，主要表现为缓慢进展的记忆力下降，言语、视空间和认知功能障碍。AD的病理改变主要表现为细胞外的神经炎性斑，细胞内的神经原纤维缠结和海马神经元丢失。炎性斑主要是一命名为β淀粉样蛋白（Aβ）的异常折叠后聚集所形成，而神经原纤维缠结（NFTs）则是命名为tau的细胞骨架相关蛋白的高度磷酸化后的聚集体。临床上通过研究AD患者的脑皮层活检标本，发现自噬小体及其他前溶酶体自噬小泡显著增加［15］。

2.1.2 帕金森病PD

帕金森病又称震颤麻痹，是以静止性震颤、肌强直、运动迟缓及姿势步态异常为临床特征的神经变性疾病，特点是黑质致密部多巴胺能神经元的进行性、广泛性丢失。Polymeropoulos等对一个意大利Contursi家族（常染色体显性遗传）进行家系连锁分析，这个家系患者的临床表现符合典型的PD，病理检查发现路易小体（Lewybody）［16］。研究发现PD是以细胞内出现主要含有聚集α－突触核蛋白的包涵体－lewy小体（LBs）为病理标志的神经变性疾病。黑质多巴胺能神经元的死亡与包涵体－lewy小体中的α－突触核蛋白的累积有关。

2.1.3 亨廷顿病（HD）

HD是一种迟发性神经退行性遗传病，该病主要侵害基底节和大脑皮质，属常染色体显性遗传性疾病。致病基因为IT－15，由IT－15基因编码的蛋白（由3144个氨基酸组成）被命名为亨廷顿蛋白（Htt）。从Htt氨基末端第17位氨基酸残基开始有一段重复的CAG序列，该序列重复次数大于35就会产生HD病症。HD的主要病理改变是在中枢神经的神经元中出现由突变的Htt（m HTT）形成的包涵体和聚集体，其主要成分是由含延长Poly Q的Htt多片段聚集形成的纤维状蛋白质，从而导致神经元变性丢失、认知进行性损害、舞蹈样不自主运动等改变［17］。所以，也有把HD定义为一种蛋白质异常折叠性疾病。

2.2 自噬相关基因与神经退行性疾病

在AD早期进程中Beclin－1作为自噬中的重要角色，在受病变影响的区域中是减少的。在AD转基因鼠体内Beclin－1表达水平降低70%，神经元自噬减少，溶酶体裂解，细胞内外Aβ累积增加，加剧了神经元变性［18］。在表达淀粉样蛋白前提蛋白（APP）的转基因小鼠中基因性的Beclin－1表达的减少增加了神经元内淀粉样蛋白的聚集；反之，如果我们上调Beclin－1水平，增加其表达，相应的神经元内淀粉样蛋白的聚集就会减少。PINK1作为PD的一种致病基因，在常染色体隐性遗传PD中发生突变，在此之前正常的全长的PINK1与Beclin－1相互作用，作为一个正性介质，调节细胞的自噬，而突变后的PINK1（突变位点位于 W437X）使Beclin－1的活性下降，抑制了自噬。常染色体隐性遗传的PD中突变的另一种基因Parkin，作为功能失调线粒体的选择性自噬信号而出现［19］。而在HD中可发现自噬分隔膜中Htt大量聚集，在动物模型中通过乳胞素或敲除Beclin－1基因阻断自噬，可增加Htt的聚集［20］。研究表明，突变亨廷顿（Htt）的转录后修饰，增加赖氨酸残基444乙酰化可促进突变Htt形成自噬体，这大大提高了巨噬清除蛋白突变体的作用。

2.3 自噬的调控与神经退行性疾病

自噬的调控有以下几个途径，即（1）m TOR途径：TOR激酶对细胞生长具有重要调节作用哺乳动物细胞中的核糖体蛋白质S6（p70S6）抑制自噬的发生，它位于TOR信号途径下游，其活性受m TOR调节。雷帕霉素通过抑制m TOR的活性，发挥抑制p70S6活性、诱导自噬发生的作用。在酵母细胞TOR激酶可能通过抑制ATG1激酶的活性来抑制自噬的发生；（2）ClassⅠ PI3K／PKB途径：ClassⅠ PI3K是自噬的负调节分子，它可去磷酸化PtdIns4P和PtdIns（4，5）P2，生成PtdIns（3，4）P2和 PtdIns（3，4，5）P3，然后结合Akt／PKB和它的活化分子PDK1，抑制自噬的发生。结节性硬化复合物1（TSC1）和TSC2蛋白位ClassI PI3K／PKB途径的下游，可通过抑制小G蛋白Rheb，抑制TOR激酶的活性，对自噬发挥正向调节作用。PTEN磷酸酶也是自噬的正向调节分子，它使PtdIns（3，4，5）P3去磷酸化，从而解除ClassI PI3K／PKB途径对自噬的抑制；（3）Gαi3蛋白途径：GTP结合的G蛋白亚基Gαi3是自噬的抑制因子，而GDP结合的Gαi3蛋白则是自噬的活化因子。GAIP作为RGS家族成员之一，通过Gαi3蛋白加速GTP的水解，促进自噬的发生。另外，AGS3也能正向调控自噬效应。氨基酸作为自噬过程蛋白降解物的终产物，可负性反馈调节自噬。外源性氨基酸的去除可以阻断TOR信号途径，而自噬产生的内源性氨基酸可补足氨基酸缺陷，恢复TOR信号转导；（4）其他途径：激素在自噬的调控中也起重要作用。胰岛素可抑制自噬，而胰高血糖素则促进自噬。酪氨酸激酶受体、PKA、casein激酶Ⅱ、MAP激酶、calcium也存在于自噬过程错综复杂的调控网络中，但其机制还不甚清楚［21］。

对于神经退行性疾病，自噬可以清除积聚的内质网内外错误折叠的蛋白质，可降低神经功能的损害，而有些小分子诱导剂可以诱导自噬，通过上调自噬水平，达到治疗神经退行性疾病的目的。如雷帕霉素，它是一种亲脂性大环内酯类抗生素，作用的一个下游靶点m TOR是一种分子质量为289ku的丝／苏氨酸蛋白激酶，是磷脂酰肌醇激酶3／蛋白激酶B（PI3K／Akt）和丝／苏氨酸激酶11（LKB1）能量敏感型通路的节点［22］；另一个下游靶点是空泡膜蛋白1（VMP1），后者可募集微管相关蛋白LC3［23］；还有一种作为雷帕霉素的受体的亲免蛋白，如FKBP，分子质量小，易于通过血脑屏障，对神经起到保护作用［24］。雷帕霉素通过这三者调控着自噬。研究发现锂盐也具有降低突变蛋白的聚集和细胞死亡率作用，引起哺乳细胞的细胞自噬［25］。用锂盐处理发现能够有效地清除可溶性的HDQ74（huntingtin poly Q突变体），并且减少HDQ74的聚集，而且对α－synucleins具有相同的作用。研究表明锂盐通过抑制IMPase活性，致inositol和IP3的减少，产生细胞自噬的作用，在加入肌醇和PEI后IP3的含量提高，自噬作用也被同时减弱，说明锂盐引起细胞自噬的作用主要是由IP3的含量进行调控的。同样具有调节细胞内IP3含量的药物如2－苯基戊酸纳、氨酰咪嗪也具有引起细胞自噬的作用。此外，锂盐通过抑制IMPase引起的细胞自噬作用并不依赖于对m TOR的抑制，而且当锂盐和雷帕霉素一起作用时能够提高清除huntingtin和α－synucleins突变体的作用，说明两种作用途径具有协同作用［26］。另外，最近有研究发现海藻糖也有清除突变的huntingtin蛋白和α－synuclein蛋白的能力，并且阻止随后发生的细胞凋亡，其引起自噬的具体机制尚需进一步研究。

3 结束语

随着社会老龄化趋势越来越严重，神经退行性疾病发病率日益增加，目前的治疗很难根治神经退行性疾病。虽然目前对细胞的自噬的研究尚处于初级阶段，但自噬对于神经退行性疾病的重要性不可或缺。我们可以通过应用本研究中提到的一些小分子诱导剂以及激活自噬的有利条件（如饥饿）等，诱导细胞的自噬，上调自噬水平，从而清除更多的异常积聚的蛋白质，争取达到治愈神经退行性疾病的目的。但是，需要注意的是，自噬是一把双刃剑，既参与降解异常蛋白质，有利于防止神经元内异常蛋白质的蓄积；另一方面，如果自噬过度活跃会损伤细胞器，如造成线粒体功能障碍，过度激活自噬体可能会加速神经退行性疾病的致病过程［3］。总之，通过调节自噬来治疗神经退行性疾病，甚至是更多的其他疾病（如肿瘤、心肌病、病原微生物侵入感染）有广阔的前景，但仍然需要大量的临床试验。

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