自噬与神经退行性疾病

潘一格

华中师范大学生命科学学院，湖北 武汉 430079

在正常的细胞中，大分子物质的合成和降解处于动态平衡之中，特别是一些直接承担着相应细胞功能的蛋白质，其代谢和生成对细胞正常生理状态的维持至关重要。异常蛋白质的累积往往会产生细胞毒性，造成细胞代谢紊乱并最终导致相关疾病的产生如神经退行性疾病等[1]。在真核细胞中大分子物质的降解主要有两种途径，一是通过蛋白酶体进行泛素化降解，另一种则是由溶酶体介导的降解过程即细胞自噬过程[2]。根据底物转运过程的差异可将自噬过程分为大自噬、小自噬以及分子伴侣介导的自噬，三者之间相互协调，清除细胞中那些受到损伤或错误折叠的蛋白质以及受到损伤的细胞器，从而维持细胞的正常运行状态[3]。这些异常蛋白质的聚集和积累就会产生细胞毒性，从而影响细胞的功能甚至导致细胞死亡，引起一系列疾病，研究表明，一些神经退行性疾病，如阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)和亨廷顿病(Huntington’s disease，PD)等的发生和发展都与神经细胞中异常蛋白质的积累和沉淀有关。本文主要介绍细胞自噬的基本途径和相关机制，神经退行性疾病的成因及其与细胞自噬过程的联系，以期为相关疾病的治疗提供新的思路和作用靶点。

1 细胞自噬

1．1 细胞自噬 细胞自噬的概念于1963年在国际溶酶体会议上被首次提出[3]，主要指细胞内一些有待降解的物质如一些衰老损伤的细胞器或蛋白质等结构被包裹形成自噬性结构，通过一系列的演变最终被运送到溶酶体消化降解的过程[3]。细胞自噬过程的存在使衰老损伤的细胞结构能够及时得到更新，从而维持了细胞代谢的动态平衡。目前研究表明，细胞自噬功能的失调可能与癌症、感染、神经退行性病变等多种疾病的产生相关[4]。应用电镜、免疫荧光、蛋白印迹等方法观测自噬体及其相关蛋白，或通过建立含有自噬缺陷基因的动物模型，从而调控自噬通路，研究自噬及其相关的生理病理过程是目前生物学研究的热点[5]。应该对细胞自噬的发现、研究进展和当前研究的重点进行简要的概述。

1．2 细胞自噬的机制 自噬过程广泛存在于真核生物之中，在酵母、果蝇及哺乳动物体内均存在相应的自噬通路，从而协助机体完成对一些大分子物质特别是蛋白质的降解过程，维持细胞生理状态的稳定[6]。细胞自噬过程是由溶酶体所介导的，根据底物被转运到溶酶体方式的不同可分为大自噬、小自噬以及分子伴侣介导的自噬过程[7]。其中，大自噬是最为常见的一种自噬方式，可降解寿命较长的蛋白质及细胞中损伤或过剩的细胞器[8]。在进行大吞噬时，在一些吞噬相关蛋白如ULK1复合体(由ULK1、Atg13、Atg101和FIP200组成)的调控作用下，胞质中需降解的蛋白质或细胞器，被具有双层膜结构的吞噬泡吞噬[9]。然后吞噬泡通过伸长等一系列变化形成自噬体，自噬体释放出相关因子促进自身与溶酶体相融合形成自噬溶酶体，并降低自身pH值以创造出有利于溶酶体降解内容物的酸性环境，使自身内膜及腔内的大分子物质和细胞器被降解，降解产物，如氨基酸、核苷酸等则被重新释放到细胞质中进行加工和再利用[10]。小自噬及分子伴侣介导的自噬则为选择性的胞内降解过程，其中小自噬主要负责降解悬浮于胞质中的小型细胞器[11]，在降解过程中，细胞质及其中的内容物首先被片段化，然后溶酶体通过膜表面凹陷直接包裹需要被降解的物质，并通过自身水解酶活性将底物降解。而分子伴侣介导的自噬则以胞内蛋白为主要的降解底物[12]，在进行蛋白降解时，胞质蛋白和来自Hsp70家族的分子伴侣结合形成相应的复合物，然后被转运至溶酶体并被其表面受体Lamp2a特异性识别结合从而进入溶酶体腔内被选择性降解。在生理状态下，三种自噬途径相互协作(如大自噬和分子伴侣介导的自噬可以通过hsc70、Nrf2、ubiquilin等蛋白质相互沟通，调节彼此的表达状态[13])，当其中一种自噬途径受阻时，另一种自噬途径被激活并处于高表达状态从而完成对胞内异常蛋白的清除，使细胞能够维持代谢平衡状态。

2 神经退行性疾病与细胞自噬

神经退行性疾病一类是以患者脑和脊髓中的神经元进行性死亡，异常蛋白，如Tau protein、Alpha-synuclein和amyloid β-protein等在胞内累积而产生细胞毒性为标志的综合征[14]，主要包括帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈症等[15]。绝大部分患者往往表现为认知能力的下降，记忆力的衰退以及言语表达和日常行为活动障碍等症状，严重影响患者的生活质量[16]。研究表明，神经退行性疾病的产生与细胞自噬通路的异常有一定的相关性[17]。

2．1 阿尔茨海默病与细胞自噬 阿尔茨海默病是最为常见的一种神经退行性疾病，其发病机制与神经元胞内泛素蛋白酶体系统的功能异常相关，并以神经系统内淀粉样斑块的累积和神经纤维缠结为标志[18]。患者常表现为进行性记忆丧失等症状。阿尔茨海默病的产生与细胞自噬有一定的相关性。研究表明，阿尔茨海默病的早期表达基因presenilin1(PS1)对于胞内溶酶体的功能有显著影响[19]。同时，通过细胞病理学实验以及小鼠AD病理模型实验研究发现，诱导自噬体的形成，增强溶酶体的降解功能可以在一定程度上减轻阿尔茨海默病的病症[20]。

2．2 帕金森病与细胞自噬 帕金森病也是一种较为常见的神经退行性疾病，调查数据表明，60岁以上的人口中近2%的人受到帕金森病的困扰[21]。其发病机理主要与多巴胺能神经元的进行性缺失相关，患者多表现出静止性震颤，动作迟缓，肌张力增高，姿势不稳等一系列运动障碍症状[21]。研究发现，一些基因的突变，如C9ORF72、PS1、GBA1、GRN等也与帕金森病的产生相连，且这些基因往往与细胞自噬通路相关[22]。其中发生在C9ORF72中的基因突变可导致自噬泡的成核反应和伸长反应受损，而PS1、GBA1以及GRN基因的突变则会影响自噬体和溶酶体的融合[23]。通过对PD动物模型的研究也发现，在患有PD的动物体内，其细胞自噬途径明显受阻[24]。这些均表明细胞自噬途径的功能紊乱可能与帕金森病的产生有一定的相关性。

3 细胞自噬与神经退行性疾病的治疗

神经退行性疾病通常伴有胞内异常蛋白的积累，而对于阿尔茨海默病和帕金森病的研究也表明与溶酶体介导的细胞自噬的功能下调相关[25]。因此，细胞自噬通路的调控可以作为临床上对于神经退行性疾病治疗的潜在靶点。目前通过诱导自噬通路从而治疗神经退行性疾病的药物大致可分为两类；一类以哺乳动物体内的mTOR 为靶标通过一系列的信号级联通路诱导细胞自噬的表达[27]。另一类则是通过稳定自噬阶段末期由微管所介导的自噬流的运输，促进自噬体与溶酶体的融合以及增强溶酶体水解酶的活性等方式，促进自噬过程[28]。但也有实验表明，过度激活自噬通路中的谷氨酸受体，将导致受试动物体内的神经元营养不良，同时，其神经元中积累了大量不能被及时代谢的自噬体[28]。因此，若通过药物过度激活细胞自噬途径，可能会导致神经元细胞中自噬体和自噬溶酶体的数量剧增，难以被及时代谢降解，从而影响神经细胞的运输功能，造成神经元营养不良[28]。在对阿尔茨海默病的治疗过程中也发现，诱导自噬途径的表达可能会恶化本已受损的溶酶体清除机制，造成一系列不良反应[29-31]。因此，在以自噬途径为靶标进行神经退行性疾病的治疗时，如何调控自噬体形成和溶酶体降解之间的平衡，从而尽量降低药物的不良反应，有待于未来近一步的研究。

细胞自噬通路在真核生物的细胞中普遍存在，其通过大自噬、小自噬以及分子伴侣介导的自噬三种方式，在溶酶体水解酶的协助下对胞内大分子蛋白质以及一些衰老损伤的细胞器进行降解[32-35]。研究表明，细胞自噬通路的功能失调与阿尔茨海默病、帕金森病等一系列神经退行性疾病的产生息息相关。通过诱导细胞自噬通路的表达，增强细胞自噬的各个阶段可以减轻相关疾病的临床症状[35-39]。但过度激活的细胞自噬通路可能会导致自噬体和自噬溶酶体在胞内的大量累积，从而影响神经元的运输功能，造成神经元萎缩[39-45]。因此，通过对细胞自噬及其调控机制的近一步研究，有望寻找到治疗神经退行性疾病的新方法。