自噬调控与阿尔茨海默病相关的分子机制研究进展

马思飞，郭美娜，刘文君，史厚珍，翟鸿儒，张维宁，钱进军,,3，王佳,,3，刘子重

(1.江苏大学医学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学附属四院，江苏 镇江 212001；3.镇江杰胜瑞科技有限公司，江苏 镇江 212013)

阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一种致命的神经退行性疾病，其特征为记忆力减退，精神衰弱及慢性不可逆性认知障碍。关于AD的发病机制暂不明确，其原因涉及各种复杂的病理生理过程，如氧化应激、神经炎症、兴奋性中毒、线粒体功能障碍等，故而形成多种假说，如Aβ级联假说[1]、tau蛋白磷酸化假说[2]、炎性因子假说[3]和细胞周期假说[4]等。目前神经科学界普遍认可的观点是AD的发生伴随着神经元的进行性退化。AD典型的两大病理学标志物为细胞内的神经元纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)以及β-淀粉样蛋白(β-amyloid, Aβ)形成[5]；NFTs主要是tau蛋白过度磷酸化和聚集的结果，Aβ是由淀粉样肽聚集形成的。

自噬即“自己吃自己的过程”，是一种细胞内自我降解的过程，负责降解及回收细胞成分，如错误折叠或积累的蛋白及受损的细胞器[6]，是一种进化保守的细胞过程。自噬作为一个高度动态的过程，是由细胞应激，如蛋白质聚集物的出现、细胞器的损坏、营养缺乏和病原体感染等诱发[7]。在自噬过程中，蛋白降解成氨基酸，继而参与其他蛋白合成或提供能量。随着年龄增加，机体自噬能力将逐渐下降[8]，导致各种蛋白积累在细胞内。与泛素降解系统相比，自噬能够降解范围更广的底物，包括完整的细胞器、蛋白寡聚体、蛋白多聚体和大型蛋白复合物[9]。自噬失调与多种疾病，如神经退行性疾病[10]、癌症[11]、炎症[12]、衰老[13]和代谢性疾病[14]等密切相关。本文将对AD相关的自噬机制进行系统的阐述。

1 连接自噬和AD的生物通路

1.1 内源性溶酶体系统

自噬是调节Aβ和tau蛋白产生和清除的关键调节途径，在该过程中，Aβ和tau蛋白聚集物陷于或产生于核内体(核内体提供了细胞外物质进入细胞内的运载途径)，然后包裹成袋状样囊泡再被运送到溶酶体中[15]。溶酶体是一种细胞消化器，参与清除蛋白突变体或Aβ聚合体，并减少其聚集[16]。自噬囊泡被送到溶酶体后经溶酶体酶降解。根据溶酶体降解细胞内容物的过程可以将自噬分为三大类[17]： 微自噬、分子伴侣介导的自噬和巨自噬。① 在微自噬中，溶酶体膜直接内陷，胞质内成分被吸收到溶酶体中；② 分子伴侣介导的自噬，即分子伴侣蛋白促进胞质蛋白降解并靶控胞质内蛋白进入溶酶体腔；③ 巨自噬：在巨自噬中，亚细胞双层膜结构包裹被降解的胞质蛋白，命名为“自噬体”，自噬体转运细胞废物至溶酶体降解。巨自噬是自噬最常见的形式，也是与AD密切相关的一种自噬机制。

在健康者中枢神经系统中，Aβ肽段和tau蛋白的清除率高于其生成率，故不会造成蓄积。Aβ肽段清除的方式主要有两种：首先，可经各种Aβ降解酶，如β-分泌酶1[18]和组织蛋白酶D[19]降解。其次，可在营养不良的神经元的自噬体中积累[20]。

有趣的是，Aβ和tau蛋白聚集会抑制自噬及内源性溶酶体系统，进而减少Aβ和tau蛋白的清除。AD患者往往伴随自噬溶酶体的成熟障碍，其神经元中出现大量的自噬空泡积聚。为了探究体内自噬在Aβ病理中的角色，研究者将淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)转基因AD模型小鼠与自噬功能缺陷(Atg7条件性敲除)小鼠杂交，观察到自噬缺陷子代鼠细胞外淀粉样斑块明显增加，并伴随记忆障碍[21]。自噬缺陷小鼠大脑皮层神经元出现淀粉样改变[22]。

1.2 神经炎症信号通路

在体内，炎症通常具有保护作用，然而，过度的炎症和慢性应激可导致细胞损伤。AD发生时，错误聚集的Aβ蛋白促进小胶质细胞和星形胶质细胞活化，释放炎症介质[23]，继而诱导先天免疫反应。炎症、自噬以及AD三者之间存在交叉关系[24]： ① 炎症因子诱导自噬发生，如IL-1β介导的炎症反应激活小胶质细胞自噬[25]；炎症介质的水平与自噬关键调节因子雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和哺乳动物参与自噬启动因子(Beclin1)表达相关。② AD伴随着自噬的改变，Aβ42在体外影响多种自噬相关蛋白如p62[26]、p70S6K[20]表达。③ AD伴随着炎症介质的增加及自噬缺陷的发生，成年App和PS-1双转基因突变体小鼠脑区IL-1β表达明显增加，同时伴随自噬囊泡在其海马及皮层营养不良的神经元中积累[25]。④ 自噬缺陷诱导炎症发生，抑制自噬的发生也会增强小胶质细胞的活化，如IL-1β等细胞因子的分泌和活性氧类的产生[27]。综上所述，AD、炎症及自噬三者存在紧密联系，自噬可能通过抑制神经炎症，在AD中发挥神经保护功能。

1.3 雷帕霉素靶标信号通路

哺乳动物mTOR是一种非典型的丝氨酸/苏氨酸激酶。mTOR参与APP的代谢，其通过上调细胞中β-分泌酶和-分泌酶，抑制自噬，导致Aβ降解减少，Aβ产生和沉积增多，从而介导AD发生[28]。也有研究表明PTEN/AKT/mTOR信号通路干预有助改善AD症状。AMP活化蛋白激酶作为细胞能量稳态的调控因子，可通过抑制mTOR活性增强自噬、促进溶酶体降解Aβ，进而抑制AD进程[29]。体内实验发现，雷帕霉素阻断mTOR信号通路能够减少AD转基因小鼠大脑皮层淀粉样沉积[30]，缓解其认知缺陷，该发现与在神经元中激活自噬具有相同的效果。干预mTOR信号通路参与的自噬调控可能是治疗AD的潜在靶点之一。

2 自噬和AD相关基因

2.1 Atg7

Atg7是调节自噬的关键基因[31]。研究表明，Atg7特异性敲除小鼠表现为记忆功能缺陷[32]。Carvalho等[33]研究表明，AD模型小鼠ATG7表达下降。ATG7可以介导Aβ肽转运到神经元核内体中降解[34]。体外实验证明，通过siRNA技术干扰Atg7的转录和表达，可以抑制Aβ40产生和分泌[35]。但也有研究表明，大鼠海马内注射Aβ能够增加ATG7蛋白的表达，同时降低其记忆能力[36]。由此表明，ATG7作为自噬的关键分子参与AD进程。

2.2 Bcl2

BCL2作为抗凋亡因子，可与BECN1交联调节自噬[37]。在AD小鼠所有有丝分裂后神经元中过表达Bcl2可改善记忆及认知障碍[38]。体外研究表明，Aβ处理后的神经元BCL2的表达降低[39]。体外过表达Bcl2可以抑制Aβ诱导的细胞死亡，发挥神经元的保护功能。研究显示，在AD模型小鼠中过表达Bcl2可以减少Aβ沉积，改善AD症状。

2.3 Beclin1

Beclin1基因介导自噬启动和自噬体的产生。研究表明，与健康对照者的小胶质细胞相比，AD患者死后大脑中分离出的小胶质细胞BECN1水平降低，继而会降低脑组织的正常自噬水平[40]。同样，AD成年小鼠皮层和海马脑区BECN1水平下降，即AD发生伴随着BECN1蛋白表达下调[41]。体外研究结果表明，在BV2细胞系中，BECN1蛋白的表达与其细胞活力呈正相关[42]。体内研究发现，与对照组小鼠相比，BECN1杂合子小鼠神经元自噬水平显著增高，即BECN1蛋白通过调控自噬、保护神经元继而改善AD进展[43]。此外，BECN1也可以通过调控神经炎症信号通路参与AD发生，BECN1表达降低可能增加小胶质细胞介导的炎性反应，利用慢性脂多糖诱导神经炎症发生后，小鼠海马BECN1蛋白表达下降。

2.4 MAPT

tau蛋白作为AD的病理学标志物之一，是由重组人微管相关蛋白tau(microtubule-associated protein tau，MAPT)基因编码[44]。它是一种天然未折叠的可溶性蛋白，在包括AD在内的一些神经退行性疾病中形成异常低聚物。tau蛋白的毒性主要是由低聚物而不是单体或原纤维所致[45]。从分子水平，细胞内MAPT聚集抑制参与正向调节内涵体分选复合物形成的复合物Ⅲ相关因子(IST1 factor associated with ESCRT-Ⅲ，IST1)表达，后者为自噬体-溶酶体融合的正调控因子。上调MAPT转基因小鼠中IST1表达，可减轻自噬缺失，降低MAPT聚集，改善突触可塑性和认知功能；下调IST1表达，则可导致幼龄小鼠自噬功能缺失，并伴随其认知功能受损[46]。MAPT基因缺陷可以减轻神经炎症的发生[47]。

2.5 PSEN1(早老蛋白-1)

PSEN1是App剪切酶-分泌酶复合物和自噬蛋白水解作用的调节因子。Psen1基因突变参与AD的早期进程，且该效应是由突变基因编码的蛋白质稳定性和疏水性异常而介导的[48]。研究表明，PSEN1通过促进溶酶体酸化和蛋白水解参与自噬调控，溶酶体蛋白水解异常可能导致蛋白累积和神经元死亡[49]。

3 总结

综上，尽管AD的发病机制尚不完全清楚，且目前所得的绝大多数理论仍源于动物模型研究，但生理条件下的自噬对神经元的衰老、凋亡至关重要。自噬缺陷通过影响Aβ和tau蛋白代谢、mTOR通路、神经炎症信号通路参与AD的发病机制，自噬功能障碍也是神经退行性疾病发展的关键因素之一。因此，自噬上调可能是AD的一种有前景的治疗策略。