自噬在阿尔茨海默病发病中作用机制的研究进展

王红娟，闫中瑞，刘厚林

(济宁市第一人民医院，山东济宁 272011)



·综述·

自噬在阿尔茨海默病发病中作用机制的研究进展

王红娟，闫中瑞，刘厚林

(济宁市第一人民医院，山东济宁 272011)

自噬是溶酶体介导的细胞自我处理系统，是细胞降解长寿蛋白质和功能受损的细胞器进行循环利用或维持细胞稳态的过程。阿尔茨海默病(AD)作为老年性痴呆的主要原因，其神经元内β淀粉样蛋白(Aβ)的积累导致变性和神经元凋亡，随之出现老年斑、Tau蛋白过度磷酸化及代谢障碍。自噬作为清除细胞内异常蛋白、细胞器及维持细胞稳态的细胞卫士，在AD的发生发展中有重要作用。自噬参与Aβ清除，促进Aβ降解，抑制Aβ异常聚集。同时自噬能促进Tau和磷酸化Tau的降解，自噬抑制能增加Tau的细胞毒性。轴突运输障碍影响自噬功能，轴突运输缺陷导致自噬小泡堆积和神经突起的炎性改变，影响自噬体的成熟和正常功能的发挥。

自噬；阿尔茨海默病；β淀粉样蛋白；Tau蛋白磷酸化

阿尔茨海默病(AD)是常见的神经退行性疾病，主要病理学特征为β淀粉样蛋白(Aβ)沉积形成老年斑(SPs)、Tau蛋白过度磷酸化引发神经元纤维缠结、神经元突触功能异常及丢失[1]。自噬是长寿蛋白和胞质细胞器降解的主要细胞代谢通路，净化自身多余或受伤细胞器。目前，对于AD发病机制仍未明确，近年研究显示自噬可能参与了AD等神经退行性疾病的发病过程。本文就自噬在AD发病中作用机制的研究进展情况作一综述。

1　自噬的概念、分类、形成过程及调控分子机制

1.1自噬的概念及分类1962年，Porter与Ashford发现大鼠肝中注入高血糖素后，细胞内某种致密体出现，还发现此种致密体包裹有线粒体，他们把这一致密体形成过程称为自噬[2]。自噬的形态学特征最显著的标志是细胞质中有大量包裹着细胞质和细胞器的空泡结构，称作自噬泡。自噬是细胞内的物质成分利用溶酶体被降解的过程，是真核细胞所特有的。细胞内物质的降解有两种途径，一种是泛素-蛋白酶体通路，另一种是自噬-溶酶体途径[3]。细胞正常情况下很少发生自噬，细胞外因素如代谢障碍、衰老、受损的细胞器等，均导致细胞保持很低的自噬活性以维持细胞稳态。适度的自噬是细胞完成自身代谢和细胞器更新的重要方式，调控细胞损伤和老化，对维持机体内环境稳定有重要意义。根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同，哺乳动物的自噬可分为大自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬[4]。目前，根据自噬对降解底物的选择性将其分为选择性和非选择性自噬，选择性自噬又可分为线粒体自噬、内质网自噬、过氧化物酶体自噬、核糖体自噬、细胞核的碎片状自噬等[5]。

1.2自噬的形成过程自噬的形成过程分为以下几个阶段。①自噬膜的形成，即在饥饿、某项刺激等因素下，双层膜的杯状分隔膜在被降解物周围形成；发生自噬的细胞胞质中出现大量游离膜性结构，不断扁平扩张，称之为吞噬泡。②自噬体的形成，即分隔膜逐渐延伸，将被降解物完全包绕隔离形成自噬体；自噬体具有脂质双分子层的膜结构，内部含有胞质及细胞器；自噬体的形成是自噬的核心部分，是其发生的典型特征。③自噬体的运输、融合，即自噬体形成后通过细胞骨架微管网络系统传输将其包裹物运输至溶酶体，自噬泡的外膜与溶酶体膜结合，内膜及其包裹的物质进入溶酶体腔，被溶酶体中的酶溶解；这种吞噬了细胞内成分的溶酶体称自噬溶酶体。④自噬体的降解，即自噬体的内膜及其内部成分被溶酶体酶降解，降解成分部分被循环利用，部分排出细胞或沉积在胞质中[6]。

1.3自噬的调控分子机制细胞自噬的调节机制中包括依赖雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和不依赖mTOR的信号通路等。①依赖mTOR的信号途径：a.mTOR相关靶点在自噬启动阶段发挥重要作用，包括Ⅰ型PI3K和TOR复合体1[7]。mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是氨基酸、营养状态的感受器，在自噬发生过程中起开关作用，其活性受细胞内氨基酸、ATP水平的调节，营养缺乏时mTOR活性受到抑制，从而激活自噬[8,9]。P13K/Akt/TSC2/mTOR信号通路和AMPK/TSC2/mTOR信号通路是mTOR上游调节自噬的重要通路。mTOR和Beclin1可通过整合上游各种信号因子，从而发挥对自噬的调控作用。b.自噬体形成阶段的靶点主要存在于Ⅲ型PI3K介导的信号转导通路中。Ⅲ型PI3K可与Beclin1形成复合物，参与早期自噬体的形成，诱导自噬发生；自噬抑制剂3-MA可通过抑制Ⅲ型PI3K活性，发挥抑制或阻断自噬体形成的作用[10～12]。②不依赖mTOR的信号途径：不依赖mTOR的信号途径之一就是周期的、可以通过Camp-Epac-PLC-ε介导的三磷酸肌醇途径以及Ca2+-calplin-G-stimulatory protein 途径。Beclin1是酵母中Atg6的同源基因，通过与Bcl-2、UVRAG、mVps34、Barkor、死亡相关蛋白激酶1的相互作用，调节细胞自噬[13]。正常生理条件下，Beclin1与Bcl2相结合，使自噬保持基础水平，营养缺乏或氧化应激时，压力激活酶Jun N末端肌酶1致Bcl2磷酸化，使Bcl2从Beclin1分离，Beclin1通过减弱与Bcl2的相互作用，与UVRAG、mVps34等因子结合激活自噬[14]。此外，胰岛素、活性氧(ROS)、Ca2+等因子也能调节自噬水平。

2　自噬在AD发病中的作用机制

AD是常见的神经退行性疾病，主要的病理特征为神经细胞外出现Aβ、神经细胞内因Tau蛋白异常形成NFT、SP及神经元和突触缺失等。与之相对应的病因学研究形成了以Aβ、Tau蛋白和轴突运输障碍机制为主的三大领域，其与自噬关系的研究越来越深入。

2.1自噬参与Aβ清除正常情况下，自噬具有神经保护作用，当自噬功能出现障碍时，Aβ降解及清除障碍，造成沉积及神经元损伤，导致AD发生。Aβ沉积之前，PS1/APP小鼠神经细胞内就已发现大量自噬小体的存在，8周龄小鼠神经细胞自噬囊泡数目较正常小鼠高5倍，9月龄小鼠则至少高23倍[15]。基因表达技术提示，AD患者脑组织中自噬启动因子Beclin1 mRNA表达减少，Beclin1蛋白缺乏，成熟自噬体形成障碍，导致自噬囊泡聚集，Aβ生成增多[16]。自噬系统功能障碍可能导致Aβ沉积，通过AD模型体外和体内共培养间充质干细胞(MSC)，发现MSC可增加细胞增殖和增强LC3-Ⅱ表达，增加溶酶体内Aβ免疫反应性，胞内Aβ水平较Aβ-treated细胞下降。此外，MSC显著降低海马体Aβ水平，进而增加海马神经元的生存。MSC培养基还能上调AD模型中Becn1/Beclin1表达。这些结果表明，MSC细胞显著提高自噬体形成，并增加AD模型中Aβ蛋白清除，这可能会导致增加存活神经元抗Aβ毒性[17]。研究发现，TgCRND8鼠标模型刺激自噬溶酶体蛋白水解，呈现自噬底物蛋白水解缺陷，大量溶酶体内Aβ积累。通过基因删除溶酶体半胱氨酸蛋白酶抑制剂，比较半胱氨酸蛋白酶抑制物，选择性地恢复组织蛋白酶活动，充分清除Aβ、泛素化蛋白及其他自溶酶体/溶酶体自噬基质，以及减少总Aβ40/42水平和细胞外淀粉样蛋白沉积[18]。在体外研究中，超表达转录因子EB(TFEB)可恢复被Aβ1-42阻断的自噬和自噬泡中Aβ1-42降解，调节Aβ1-42介导的过度自噬。此外，TFEB过度表达增强组织蛋白酶D的表达和活性，恢复被溶酶体酸性环境干扰的Aβ1-42，促进自噬体与溶酶体的融合。TFEB过度表达通过调节自噬溶酶体途径减少Aβ积累，减少Aβ-诱发ROS生成和细胞凋亡，从而减轻AD进展[19]。同时，自噬影响Aβ的分泌。Nilsson等[20]认为，Aβ分泌及斑块的形成依赖于自噬，自噬缺陷的APP转基因小鼠脑内细胞外Aβ斑块明显降低，但却伴随着细胞内Aβ的异常聚集。因此，自噬促进APP代谢中Aβ的生成以及向细胞外分泌，并通过溶酶体途径促进Aβ的转运，与AD病理性标志SPs的形成密切相关。研究发现，自噬抑制剂和诱导剂均增强α-分泌酶、β-分泌酶、γ-分泌酶的活性，促进Aβ形成。自噬抑制剂较诱导剂可能更有效激活γ-分泌，促进Aβ生产和积累。因此，自噬抑制剂可能激活γ-分泌酶和促进Aβ生产、积累，但对Aβ清除无影响[21]。有研究[22]发现，口服疫苗接种致APP/PS1大鼠脑内rAAV/Aβ、p62水平下降，上调LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ，提示增强自噬。表明自噬参与诱导Aβ清除，并调节自噬通路，可能是一个重要的预防和干预AD策略。

2.2自噬促进Tau及磷酸化Tau降解Tau蛋白是一种微管相关蛋白，主要分布在神经元，其功能是与微管蛋白结合促进微管的形成并保持其稳定性，对维持神经细胞骨架完整性和正常轴突运输起重要的作用。病理状态下，Tau被高度磷酸化，失去结合微管的能力，聚集并形成成对螺旋丝，从而导致细胞骨架异常及细胞死亡。自噬对Tau蛋白聚集有清除作用，自噬缺陷可导致Tau蛋白清除障碍。因此，AD患者神经元中Tau蛋白过度磷酸或聚合形成了神经纤维缠结。观察自噬对Tau降解的影响，在饥饿诱导细胞自噬的基础上观察两种MEFs细胞中Tau和磷酸化Tau的降解情况，结果发现自噬缺失的细胞中Tau和磷酸化Tau降解速率明显降低，提示自噬能促进Tau和磷酸化Tau的降解，自噬抑制能增加Tau的细胞毒性[23]。越来越多的证据表明，Tau积累与神经细胞退化和AD认知能力下降的发展较Aβ斑块更具相关性。氧化应激是AD的发病机制中早期重要事件，因此认为导致Tau过度磷酸化。多项研究[24]表明，神经元中自噬通路在生理和病理条件下是很重要的。因此，这个途径在降解内在可溶性Tau蛋白中扮演着关键角色。

2.3轴突运输障碍影响自噬功能轴突运输功能障碍是AD的另一个重要的病理表现。在轴突上进行逆向转运对神经元的存活十分必要，其有助于清理有自噬体富集产生的异常蛋白质，也有助于将营养成分从突触运送到神经细胞胞体中。自噬体不仅在神经元中被发现，也存在于轴突及树突的远端部分。AD患者脑组织中，营养障碍的神经突起和肿胀的轴突内大量聚集的细胞器意味着轴突运输异常[25]。抑制神经元自噬使轴突末梢膜结构出现异常，伴严重的轴突水肿，由此推测自噬是突起重塑和延伸的关键机制。正常神经元内自噬小体和核内体突触内以激活形式存在，当发生AD时，成熟的自噬体及其逆运输障碍，导致神经营养不良及变性轴突肿胀大量积累自噬的中间体(自噬空泡)。增强的自噬反应，自噬空泡Aβ清除缺陷，导致β淀粉状蛋白质在AD积聚[26]。研究发现，营养障碍的轴突包绕淀粉样斑块，同时能与有功能的神经元连接，据此推测轴突的损害可能先于突触的丢失和神经元的损害，在AD的早期病理过程中起重要作用，同时说明Tau蛋白早期磷酸化使轴突运输缺陷，导致自噬小泡的堆积和神经突起的炎性改变，可能是淀粉样斑块异常聚集引起轴突反应性的改变，但又无法清除这些异常聚集的蛋白，而使自身受损，最终无法起到有效运输功能，影响自噬体的成熟和正常功能的发挥[27,28]。

综上所述，AD发病早期诱导自噬，自噬囊泡水平Aβ沉积及AD病理改变一致，此种状态自噬发挥代偿性保护作用。自噬溶酶体降解异常蛋白，在AD病情严重时，mTOR信号通路表达增强或Beclin1表达下降，自噬抑制或自噬损伤，特别是自噬溶酶体障碍，异常蛋白积聚，AD病理改变明显。

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刘厚林(E-mail: liuhoulin888@163.com)

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

R741.02

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

2015-10-18)