微管相关蛋白与自噬的研究进展

李建华,王润泽,李伟民综述,徐 冶审校

(吉林医药学院，吉林 吉林 132013)

近年来研究表明，微管相关蛋白(microtubule-associated proteins，MAPs)1S可以作为线粒体和微管的桥梁来使之运动并且影响自噬的产生和降解。同时MAP1S作为抑癌基因可以促进自噬，抑制氧化应激条件下引起的基因组不稳定性并且抑制肿瘤的发生。目前Tau蛋白聚集物作为阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)的主要标记物之一，而Tau蛋白的降解又与自噬的过程密切相关，故增强自噬可以促进Tau蛋白的降解进而改善AD,为治疗和预防AD提供了靶点。

1 微管相关蛋白

MAPs和微管蛋白共同结合组成微管，并且它通过与微管结合来调节微管的功能。MAPs至少包含两个结构域，一个是结合微管的结构域用来结合微管，另一个向外突出的结构域可延伸到微管外与其他细胞成分结合。MAPs有不同的类型，包括结构的MAPs家族和微管正端跟踪蛋白(+TIP蛋白)。MAP家族被称作“结构的”微管蛋白,是因为它们是非酶蛋白，结合在微管的表面从而提高微管蛋白聚合物的稳定性[1]，MAP家族包括MAP1、MAP2、MAP4家族和Tau蛋白。而+TIP蛋白通过特异地与微管生长端的相互作用来调节微管的动态性能。此外，MAPs也可以作为交联剂来连接微管和其他成分，比如连接肌动蛋白丝或线粒体等。

1.1 MAP1蛋白家族

MAP1蛋白家族通常包含3个成员：高分子量的MAP1A、MAP1B和低分子量的MAP1S。3种成员是由不同的基因编码的，但是这些蛋白都可以结合微管并且稳定微管进而调控各种细胞功能。

1.1.1MAP1蛋白的结构和分布

MAP1蛋白均包含一条重链和一条轻链并且彼此相互作用，不同的是MAP1A和MAPAB的微管结合区域在重链和轻链皆有分布，然而MAP1S的微管结合区域只出现在轻链上。更具体来说，MAP1A有3个微管结合区域，分别是在重链上有两个结合区域，在轻链上有一个结合区域；MAP1B有两个微管结合区域，一个在重链上一个在轻链上；MAP1S仅仅只有一个微管结合区域在轻链上[2]。MAP1A和MAP1B是神经元的MAPs，而MAP1S可以在不同的组织中表达。MAP1A和MAP1B有相反的表达模式，MAP1A主要在成人的神经元中表达并且主要集中于树突[3]，而MAP1B主要在胚胎期的发育神经元中表达并且随着成熟逐渐减少，主要集中于轴突[2]。

1.1.2MAP1蛋白的功能

MAP1的功能都是结合微管并且调节一些生理过程。MAP1A和MAP1B都主要在神经元中表达，它们对神经系统的稳定都发挥着重要的作用，并对于轴突和树突的形成和发展都是重要的。MAP1A突变引起运动失调、震颤和小脑浦肯野细胞迟发退化，并且对于维持哺乳动物大脑的神经元中的PSD-93水平也是十分重要的[4]。总体来说，MAP1A的缺失可以引起神经元死亡。MAP1B与一些神经变性疾病有关，并且MAP1B在微管和肌动蛋白微丝的聚合过程中作为一个信号蛋白来调节一些分子通路[5]。MAP1S可以调节微管动力学来控制细胞的分裂[6]，并且研究表明MAP1S还可以调节自噬。在综述中作者侧重于MAP1S与自噬的联系。

1.2 MAP2蛋白家族

MAP2是最丰富的神经元微管相关蛋白，主要分布在神经元的树突和胞体。MAP2包括4个亚型：高分子量的MAP2a和MAP2b,低分子量的MAP2c和MAP2d。不同的亚型有着不同的表达模式：MAP2a、MAP2b和MAP2d在成年人的大脑中表达，而MAP2c在胚胎期和新生儿的大脑中表达。MAP2a和MAP2b仅存在于神经元的树突中，而MAP2c也在神经元的轴突中表达，MAP2d在神经元和胶质细胞中均表达[7]。MAP2可以促进微管成束。MAP2对神经元的形态发生也是重要的，可能参与神经元发育、结构稳定、突起形成和突触可塑性调节,通过调节微管与肌动蛋白丝之间的相互作用来促进神经元的树突和轴突的发展，还可以影响神经元细胞器之间的转运。研究表明，MAP2d相对于MAP2c而言有更强的结合肌动蛋白丝的效应，然而MAP2d和MAP2c都可以保护微管不受诺考达唑引起的解聚。

1.3 MAP4蛋白

MAP4是一类非神经元的微管相关蛋白，在不同的非神经元的细胞和组织中无处不在地表达。MAP4分子包含一个氨基端结构域和一个羧基端微管结合区域。MAP4对维持微管的装配和稳定都是重要的。并且MAP4也参与一些生理过程，如纤毛的形成、细胞分裂、囊泡转运、控制T细胞的激活[8]等，在这些生理过程中均发挥重要的作用。

1.4 Tau蛋白

Tau蛋白包含一个氨基端和一个羧基端。根据Tau蛋白羧基末端31或32个氨基酸含有3个或4个微管蛋白结合域，可分为6个亚型，这6个亚型是通过选择性剪切或者翻译后修饰形成的。这些亚型包含352～441个氨基酸残基不等[9]。Tau蛋白主要存在于神经元细胞的轴突中，也是轴突的主要标志蛋白，它与神经元的极性和轴突的运输有重要联系。此外，Tau蛋白可以结合微管蛋白二聚体来维持微管的组装和稳定性，从而维持微管的功能并参与重要的生理过程。Tau蛋白是一种神经元的微管相关蛋白，而当Tau蛋白异常时会引起一些神经疾病的发生，并且Tau病变是以细胞内的异常磷酸化的Tau蛋白积累为特征。Tau蛋白聚集是一些神经变性疾病的一个特征，例如AD[10]。

2 自 噬

2.1 自噬的形成和类型

自噬(autophagy)是一种在溶酶体内降解胞质内容物的过程，对破损的细胞器,损害的蛋白质聚集体、大分子等物质进行清除和分解产物的再循环[11]。细胞自噬是在饥饿、应激等条件下发生的，是由粗面内质网、高尔基体等来源的膜结构形成双层分隔膜包绕在损害的细胞器和蛋白质聚集体等周围，之后分隔膜逐渐延伸形成自噬体[12]。自噬体被运输至溶酶体并与之融合形成自噬溶酶体并降解其内容物。

自噬主要分为3种类型：1)微自噬,溶酶体的膜直接内陷或者突出来包裹长寿命蛋白等并在溶酶体内降解[13]；2)巨自噬,是一种细胞内的分解代谢过程，形成自噬体和自噬溶酶体并在溶酶体内降解[14]；3)分子伴侣介导的自噬(chaperon-mediated autophagy，CMA),特征之一是该类型的自噬是有选择性的。CMA不使用膜结构来分离降解蛋白,而是使用分子伴侣来鉴定蛋白[15]。

自噬对于破损的细胞器、大分子和蛋白是必不可少的，对维持细胞自稳状态是重要的。众所周知，自噬的功能异常与人体病理学是有关联的，比如：心脏及肺脏疾病、神经性疾病如帕金森病、代谢类疾病如糖尿病等[16]。

2.2 自噬的分子机制

自噬的调控需要多种蛋白的参与。研究表明自噬的过程受多种信号转导通路的调控，主要包括以下通路。

2.2.1雷帕霉素靶蛋白信号通路

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，是磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶蛋白家族的成员之一。mTOR主要以两种复合物的形式存在,分别是对雷帕霉素敏感的复合物mTORC1和对雷帕霉素不敏感的复合物mTORC2。mTORC1包含mTOR、RAPTOR、mLST8和抑制蛋白DEPTOR、PRAS40，mTOR2包含mTOR、RICTOR、mLST8、mSin1、PROTOR和DEPTOR[17]。而mTORC1成为目前自噬研究最多的信号通路。mTORC1在营养充足的情况下和其他因子结合形成复合物，在饥饿等条件下复合物分离并且激活自噬。

PI3K/Akt/mTOR信号通路为经典的信号通路：1)首先磷酸肌醇3-激酶(phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K)可被一些生长因子及细胞因子，如白细胞介素、表皮生长因子等。激活的PI3K磷酸化磷脂酰肌醇4，5-双磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)去产生磷脂酰肌醇(3,4,5)-三磷酸盐(phos-phatidylinositol-3,4,5-triphosphate,PIP3)[18]。然而一种肿瘤抑制剂PTEN可以使PIP3去磷酸化从而抑制下游信号。2)PI3K激活产生的PIP3可以激活3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(3′-phosphoinositide-dependent kinase 1,PDK1)，在PDK1的协助下可以募集Akt到质膜并激活Akt。3)激活的Akt可以磷酸化TSC2，抑制了TSC1/TSC2复合物(结节性脑硬化复合物-1)的形成。4)解除了TSC1/TSC2复合物对小GTP酶Rheb的抑制，释放出Rheb-GTP酶，而Rheb-GTP酶是激活mTORC1所必需的。5)被激活的mTORC1可以通过钝化翻译抑制剂4E-BP1和激活S6K激酶来促进蛋白质的合成，并通过阻止ULK1来抑制自噬[19]。

AMP/AMPK/mTOR信号通路：1)当机体处于能量缺乏或缺氧等条件时，AMP的水平增加使得AMP/ATP比值升高，激活AMP激活性蛋白激酶(AMPK)；2)激活的AMPK在第1227位苏氨酸和第1345位丝氨酸位点磷酸化TSC2[20],促进TSC1/TSC2复合物形成；3)促进TSC1/TSC2复合物的形成从而加剧了其复合物对Rheb酶的抑制；4)mTORC1活性被抑制，从而促进自噬。此外，磷酸化的TSC2对于ATP消耗诱导的S6K和4E-BP1的去磷酸化是重要的。

2.2.2p53信号通路

p53是一种肿瘤抑制基因，能在辐射能情况下保护细胞不受DNA损伤和细胞内应激因子的影响[21]。p53基因分为野生型和突变型两种。野生型p53可以调控细胞周期的进行，分化等并且抑制肿瘤增殖，而突变型则促进细胞过度增殖导致肿瘤的发生。众所周知，自噬和p53之间有重要的联系，自噬抑制p53并且p53也可以激活自噬，自噬调节的p53的抑制对于肿瘤的启动是重要的，p53调节的自噬的激活也表明自噬是p53的保护功能之一。研究表明，p53定位的不同对于自噬有相反的作用。当p53定位在细胞核时，p53通过转录依赖性途径从而上调细胞自噬;而当p53定位于在细胞质中，p53可以抑制自噬的发生[22]。

当p53定位在细胞核中，p53可以激活一些调节因子来上调细胞自噬包括：1)定位于细胞核的p53通过转录激活AMPK通路并且抑制了mTOR通路来激活自噬[23]。2)细胞核的p53可以结合多基因的启动子区来编码促自噬因子(比如Bad、Bax、DRAM、PTEN等)来诱导自噬的产生[24]。当p53定位于细胞质中时则抑制自噬，研究表明细胞质中的p53主要通过3种方式抑制自噬：激活抑制细胞自噬的因子mTOR、抑制AMPK的作用以及p53的直接作用[25]。但当p53定位于细胞质影响自噬的分子机制仍需要进一步探究。

2.2.3Beclin-1调控自噬

Beclin-1是一种酵母自噬基因，Beclin-1蛋白含有3个结构域，分别是BH3(Bcl-2-homology-3)、中央螺旋区(central coiled-coil domain,CCD)、进化保守区(evolutionarily conserved domain，ECD)，这些结构域是Beclin-1与其他分子相互作用的部位[26]。目前已经发现多种能与Beclin-1结合的蛋白质和复合体，其中Beclin1-PI3KC3-Vps15复合体、Beclin1-Bcl-2/Bcl-Xl复合体等作为代表性复合体，在自噬过程中均发挥重要的作用。

(1)Beclin1-PI3KC3-Vps15复合体：当氨基酸减少时，PI3KC3被激活。Beclin-1通过CCD和ECD结构域与PI3KC3结合,Beclin1-PI3KC3-Vps15复合体会激活下游信号上调自噬的发生。

(2)Beclin1-Bcl-2/Bcl-XL复合体：抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-XL含有BH3的受体，能够与Beclin-1的BH3结构域结合。生理情况下Bcl-2/Bcl-XL可以与Beclin1形成复合体，该复合体能够抑制细胞自噬。当细胞饥饿或发生应激时，Beclin-1减少与Bcl-2的相互作用，从而上调细胞自噬。

3 微管相关蛋白与细胞自噬的联系

3.1 MAP1S与自噬

众所周知，MAP1S是无所不在被表达的并且可以调节细胞分裂和自噬。正常的MAP1S的功能如下：1)MAP1S结合线粒体相关蛋白LRPPRC，并且与LC3II相互作用来将失调的线粒体作为底物募集到自噬体中使之降解。2)MAP1S在肿瘤抑制基因RASSF1A的协助下连接体外的LC3II桥接,将自噬体附着到微管上来运输自噬体。3)MAP1S在肿瘤抑制基因RASSF1A的协助下,桥接线粒体和微管使线粒体运动[27]。增强了的MAP1S可以促进自噬和错误折叠蛋白质的降解来维持稳态。并且增强了的MAP1S诱导的自噬可以抑制基因组的不稳定性[28]。

MAP1S调节自噬的分子机制：1)MAP1S的全链和短链通过与LC3I相互作用并且募集它们到达微管，并调节由LC3I到LC3II的转化来调节自噬[29]；2)MAP1S可以与线粒体相关蛋白LRPPRC相互作用，还可以与线粒体自噬的启动子相互作用，通过以上来调节线粒体自噬的开始、成熟、运输和溶酶体清除。目前，MAP1S已经被证明可以连接线粒体和微管的运输，也可以连接线粒体和微管的分子机制来影响自噬体的生成和降解。并且乙酰化的微管对于自噬体和溶酶体融合形成自噬溶酶体是需要的[30]。相关研究表明，线粒体相关蛋白LRPPRC可以与Bcl-2相互作用来维持Bcl-2的稳定，从而作为自噬引发的抑制剂以保护线粒体不被降解。

实验证明，在动物体内MAP1S的缺陷被证明与自噬息息相关。有研究表明，在小鼠体内敲除MAP1S可以引起Bcl-2/Bcl-XL和细胞周期蛋白依赖激酶(P27)蛋白水平的减少，导致缺损的线粒体的积累和营养循环障碍，经由Bcl-2/xL/P27通路造成了自噬的生成和清除障碍[29]。还有研究报道，在LC3转基因并且敲除MAP1S的小鼠中，LC3提高了纤维连接蛋白的合成。但是MAP1S的缺陷会导致溶酶体降解纤维连接蛋白的障碍，促进了肝纤维化的发生并加剧了氧化应激，减少了小鼠的平均寿命[31]。MAP1S调节的自噬效应缺陷可能影响心脏病、癌症、神经变性疾病还有其他疾病。例如，MAP1S和LRPPRC的相互作用可以作为前列腺癌病人的预后标志，LRPPRC高水平的病人在术后比LRPPRC低水平的病人预后差[28]。亨廷顿病是由HDAC4结合聚集的突变亨廷顿蛋白所引起的，而MAP1S可以和HDAC4通过HDAC4结构域于其相互作用，从而抑制自噬并使突变的亨廷顿蛋白聚集。故用短肽或者小分子来打断HDAC4与MAP1S的连接，可以提高自噬释放那些毒性突变的亨廷顿蛋白并改善亨廷顿病人的症状[32]。以上例子均表明无论是在人体内还是在动物体内，当MAP1S发生缺陷时会抑制其对自噬的调节，从而对机体产生影响。

3.2 Tau蛋白与自噬

研究表明Tau蛋白和自噬也有联系。泛素-蛋白酶体系统与自噬溶酶体系统均与Tau蛋白的降解有关。当蛋白是单体时，泛素-蛋白酶系统对于Tau蛋白的降解是更高效的。但是蛋白聚集物不易进入蛋白酶体,则更加依赖于自噬溶酶体途径来降解[33]。

Tau蛋白聚集是一些神经变性疾病的特征包括AD[10]。在AD病人的大脑中显示自噬体和自噬溶酶体的积累，即可以表明自噬的水平是受到抑制的，同时Tau蛋白不能被有效降解而聚集。我们可以通过提高自噬的水平来改善AD病人的症状。比如提高蛋白酶体的活性可以促进自噬的降解来改善AD。最近有研究表明，mTOR的参与tau蛋白的分泌,可以导致细胞内的tau的积累,并且可以在AD病人的大脑或细胞模型中看到[34]。目前一种新的治疗方法是靶向于mTOR可以用来改善AD。此外，因为AMPK可以抑制mTOR的活性来激活自噬，使用AMPK的激活剂可以治疗AD。

4 结 语

目前，微管相关蛋白与自噬的联系的研究，其中MAP1S和Tau蛋白与自噬的联系最为密切。MAP1S对自噬体的起始、成熟、运输和溶酶体的清除等过程都发挥着至关重要的作用。无论是在动物体内还是在人体内，MAP1S的缺陷会使其对于自噬的调节会产生损害，使得功能失调的细胞器和错误折叠的蛋白质在体内堆积造成内环境紊乱，故引起氧化应激、DNA双链断裂、甚至加速肿瘤的发生等。并且通过测量MAP1S的水平还可以作为一些癌症的预后标志，例如，前列腺癌、肝癌等疾病。还可以通过增强MAP1S与其他分子的作用，从而提高对自噬的促进进而改善一些疾病。这对癌症的观察和控制有深远的意义。此外，Tau蛋白也和自噬有联系，泛素蛋白酶体途径和自噬溶酶体途径都与tau蛋白的降解有关。Tau蛋白的聚集是AD的特征性标志，我们可以通过提高使用一些药物来促进自噬,从而对Tau蛋白进行降解,最终改良AD。

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