自噬与中枢神经系统退行性疾病研究进展

2018-01-16李晓琼何玲玲综述李新毅审校

中风与神经疾病杂志 2018年10期

李晓琼，何玲玲综述，李新毅审校

自噬最初被比利时科学家Christian de Duve定义为存在于细胞中包裹细胞质和细胞器的膜泡现象，用来描述真核细胞内存在的“Self-eating(自食)”现象[1]。广义上，自噬主要分为巨自噬、微自噬及分子伴侣介导自噬3种类型。这里提到的巨自噬即人们通常所说的自噬[2]。

自噬在真核生物进化中高度保守，其本质是一种降解过程，该过程由一系列自噬相关蛋白(Atg蛋白)介导，由双膜结合的囊泡(自噬小体)所引发，它将细胞质组分(包括蛋白质和细胞器等)通过自噬运输到溶酶体进而被降解，以维持细胞质内的稳态[3]。在正常生理条件下，自噬在基础水平是活跃的，称为基础性自噬，但在各种外界刺激如饥饿、错误折叠的蛋白质下可以迅速被激活，称为诱导性自噬。自噬功能异常参与多种疾病的发生发展。除了发挥重要的稳态作用外，这一降解途径还参与人类各种疾病的发生发展，包括代谢性疾病、感染性疾病、癌症[4]以及风湿免疫疾病[5]等，随着对自噬的不断深入了解，其对中枢神经系统疾病的影响也得到越来越多的关注。本文重点关注自噬相关mTOR通路以及其与中枢神经系统退行性疾病的相关性。

1 自噬相关mTOR通路

在自噬调控过程中，根据mTOR蛋白是否参与分为两种通路，即与mTOR有关以及与mTOR无关的途径。本文主要关注mTOR相关通路，其中，mTOR蛋白即雷帕霉素靶蛋白，属于一种丝氨酸-苏氨酸激酶，mTOR有两种不同的形式，分别为对雷帕霉素敏感的mTOR复合物1(mTORC1)和对其不敏感的mTOR复合物2(mTORC2)，其中与自噬关系较为密切的是mTORC1，可以通过联合细胞内信号转导和生长因子用以维持蛋白质合成和细胞生长之间的平衡，同时也是细胞内ATP含量和氧化还原状态的传感器[6]。它可以参与自噬调节，并且控制基因的转录和微管相关蛋白质的翻译[6]。

1.1 PI3K/Akt/TSC/mTOR通路这条通路中mTOR是磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)通路下游效应分子，在胰岛素或生长因子缺乏的情况下激活，该通路激活后会使胰岛素受体丧失活性，抑制底物IRS1蛋白磷酸化，进而不能与PI3K复合物相互作用并将其激活[7]。未被激活的PI3K复合物不能使磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PTDIN(4,5)P2)转化为磷酰肌醇-3，4,5-三磷酸[PTDIN(3，4，5)P3]，PTDIN(3，4，5)P3的缺乏抑制AKt激酶磷酸化，进一步可能抑制TSC(结节性脑硬化复合物)磷酸化[8]。未被磷酸化的TSC复合物具有GAP(GTP酶活化蛋白)活性，可以活化Rheb GTP酶(鸟苷三磷酸酶)，Rheb则以与GDP结合的形式存在[8]。这种Rheb复合物不能与mTORC1特有的催化亚基Raptor蛋白结合。这样mTOR仍处于未激活状态，故不能与ULK1-Atg13-FIP200复合物结合从而导致磷酸化的ULK1和Atg13蛋白减少[8]，这会影响自噬体的形成[6]。

1.2 AMPK/TSC/mTOR通路细胞缺乏葡萄糖时，ATP/AMP比值降低，为获取能量，细胞会启动依赖AMP活化蛋白激酶(AMPK)的自噬过程，当AMPK激活后，TSC复合物中的TSC2蛋白发生磷酸化，磷酸化的TSC2蛋白促使GDP-Rheb复合物形成，进而抑制其与mTOR相互作用[9]。如此，AMPK可以通过下游作用底物mTOR活性调控自噬水平；在生长因子缺乏或营养不良条件下，会使自噬水平上调，反之则会下调自噬水平[10]。

1.3 Rag/mTOR通路 Rag/mTOR通路激活与否与氨基酸的利用率有关[8]。在细胞膜上有两种检测Rag/mTOR复合物的受体，分别为SLC1A5(溶质载体1A5)受体和SLC7A5(溶质载体7A5)-SLC3A2(溶质载体3A2)受体。SLC1A5受体可以与细胞外液中的L-谷氨酰胺结合并将其转移到细胞中。胞内L-谷氨酰胺浓度升高后，SLC7A5-SLC3A2受体介导将其移出细胞，同时也将其他氨基酸转入细胞中[6]。在缺乏氨基酸缺乏或上述两种受体功能障碍的情况下，这些化合物不能被溶酶体膜上的GTP酶：Rag(Rag相关GTP结合蛋白)获取。Rag：GTP酶由A亚基或B亚基构成，与C亚基或D亚基结合形成异源二聚体[11]。氨基酸存在时，Rag A或B亚基与GTP结合，Rag C亚基或D亚基与GDP结合，该异源二聚体则被激活；相反，在氨基酸缺乏时，Rag A亚基或B亚基与GDP结合，而Rag C亚基或D亚基与GTP结合，上述异源二聚体则不能被激活，而且不能与mTORC1 复合物中的Raptor蛋白结合[12]。同时，未激活的mTOR激酶不能与ULK1-Atg13-FIP200复合物作用参与自噬体的形成[6]。

2 自噬与中枢神经系统退行性疾病

老龄化是中枢神经系统退行性疾病最常见的危险因素[2]。随着人类预期寿命的不断延长，神经系统退行性疾病带给人们越来越多的经济负担和社会负担，但目前治疗仍主要还是对症治疗，因此目前迫切需要更新更有效的方法用于治疗神经系统退行性疾病。

总之，有证据表明自噬功能障碍可能参与一些中枢神经系统退行性疾病病情进展。本文重点关注自噬与阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)以及肌萎缩侧索硬化(ALS)之间的关系。

2.1 自噬与阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD) AD是老年人中最常见的痴呆类型，其病理学特征系胞外淀粉样蛋白(Aβ)沉积及胞内过度磷酸化tau蛋白构成的神经原纤维缠结构成[2]。电镜发现AD患者死后脑组织有自噬体的增加[13]。在正常的神经元中，新生成的自噬体绝大部分沿着轴突逆行运输到溶酶体所在位置。然而，在AD转基因小鼠病理学中发现轴突的自噬体囊泡运输会受阻[14]，其中，tau蛋白作为一种微管相关蛋白，过度磷酸化tau蛋白可能与自噬体囊泡受阻有关[15]。Aβ可以在自噬体内产生，自噬体内同样可以发现淀粉样前体蛋白(APP)、β淀粉样前体蛋白裂解酶(BACE)、γ-分泌酶，上述3种物质是Aβ生成过程中所必需的。自噬体内 Aβ沉积可能导致Aβ分泌到胞外或者在溶酶体内降解[16]。有研究发现缺乏Atg7基因的APP转基因小鼠胞外Aβ斑块减少，这提示自噬对Aβ有效分泌至关重要[17]。此外，溶酶体功能障碍也与AD发病密切相关，而早老素基因1(PS1)作为γ-分泌酶复合物构成因素之一，是溶酶体酸化所必需的[18]。

Beclin1对自噬过程启动至关重要，有研究提示AD患者大脑内Beclin1降低[19]。此外，对于AD小鼠模型，雷帕霉素可以通过抑制mTOR信号通路诱导自噬降低了Aβ水平并且改善其对AD小鼠造成的损害[20]。这些研究表明细胞自噬在阿尔茨海默病发病过程中扮演重要的角色，调控脑内神经元的自噬可能是未来治疗阿尔茨海默病的一种方法。

2.2 自噬与帕金森病(Parkinson’s disease，PD) 帕金森病是继阿尔茨海默氏病后第2种常见的神经退行性疾病。PD患者主要表现为震颤、僵硬、运动迟缓等。上述这些症状由黑质多巴胺分泌不足导致[21]。PD的另一个特征是多巴胺能神经元内含有泛素化的含α-突触核蛋白的包涵体，即路易氏体(Lewy体)。轴突转运受阻可能是α-突触核蛋白在路易体中累积的原因[22]。有研究提示某些基因的突变参与PD发病及进展，这些基因很可能与胞内转运通路的功能有关，这些转运通路相关物质最终会出现在溶酶体中，提示自噬可能参与PD的发生[23]。对一些PD患者的尸检发现自噬体累积，同时伴有多巴胺能神经元中溶酶体标志的缺失[24]。PD患者脑内PI3K/AKT/mTOR通路可能受到不同程度的影响，PD患者尸检结果发现多巴胺能神经元中磷酸化AKT活性下降，然而有研究提示PD病程中自噬有可能独立于PI3K/AKT/mTOR通路导致神经元损害[25]，关于PD发病过程中是否通过影响PI3K/AKT/mTOR通路参与自噬仍需进一步的研究确定。

2.3 自噬与肌萎缩侧索硬化(Amyotrophic lateral sclerosis，ALS) 肌萎缩侧索硬化(ALS)是由运动神经元变性导致的致死性及进行性神经系统退行性疾病。ALS的主要临床表现是肌无力、肌萎缩甚至瘫痪[26]。有研究提示自噬可能在ALS发病过程中发挥一定作用[27]。在没有任何疾病背景的情况下，缺失Atg5和Atg7的神经元会出现小鼠的运动功能障碍，这提示自噬体生成障碍可能是ALS毒性蛋白集聚的主要原因[28]。有研究表明LC3-Ⅱ(自噬的一种生物标志物)表达降低可以通过增强mTOR水平降低自噬活性，最终改善ALS转基因小鼠运动神经元的存活情况[29]。