脂联素在运动调节自噬并缓解阿尔茨海默病过程中的效应及机制*

简 晔， 刘文锋，2△， 袁顺灵

（1湖南师范大学体适能与运动康复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410012；2湖南师范大学蛋白质化学与发育生物学教育部重点实验室，湖南 长沙 410081）

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是一种神经系统退行性疾病，常称为老年性痴呆，由德国神经病理学家Alois Alzheimer 发现。大多数研究认为AD 的发病机制主要有tau 蛋白假说、β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）瀑布学说、胆碱能学说、氧化应激学说和神经炎性假说等［1］。在AD 发病机制中Aβ 沉积和tau 蛋白过度磷酸化是重要的影响因素，而自噬是解决细胞中聚集的Aβ 和过度磷酸化tau 蛋白的主要途径［2］。因此，自噬的调节是治疗AD 的可能方法［3］。现有研究认为，运动能通过调节自噬促进Aβ 的降解和磷酸化tau 蛋白的清除［4-8］，但其具体机制尚不明确。

脂联素（adiponectin，APN）是一种由脂肪组织分泌的具有224 个氨基酸的蛋白质激素，其结构形式有3 种，分别为三聚体、六聚体和多聚体［9］。在体内，脂联素受体（adiponectin receptor，AdipoR）可分为AdipoR1、AdipoR2和T-钙黏蛋白，其中AdipoR1和AdipoR2 是APN 的主要受体，AdipoR1 激活AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）通路，AdipoR2 激活过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferator-activated receptor- α，PPARα）通路［9］。APN 能通过调节和改善神经突触、胰岛素信号传导、葡萄糖/脂肪酸代谢、炎症、氧化应激和神经保护/发生等6个方面对AD 产生缓解作用，而这些作用主要是通过调节磷脂酰肌醇3-激酶（phospha‑tidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein ki‑nase B，PKB/Akt）/哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路、AMPK 信号分子和胶质细胞实现的［10］。PI3K/Akt 信号通路和AMPK 信号分子对自噬调节起到关键作用［11-12］，提示APN 可能通过PI3K/Akt 和AMPK 信号通路对自噬起调节作用。研究表明，APN 的表达受骨骼肌状态的影响，体育锻炼与APN 表达和循环浓度变化有明确的关系［13］；此外，运动能对APN及其受体产生影响［14-15］。这为解释运动如何调节AD 脑细胞自噬提供了新视角。

本文围绕AD 自噬异常导致认知功能受损、运动缓解AD自噬异常提高认知能力、运动通过APN调节自噬及相关分子机制等内容进行综述。

1 运动调节AD自噬

1.1 AD 自噬异常导致认知功能受损自噬是细胞内粗面内质网脱落的双层膜将胞质内过度堆积的蛋白质、受损的细胞器等细胞成分包被，然后与溶酶体融合形成自噬溶酶体进行降解，从而维持细胞代谢平衡和实现细胞自我更新的一种分解代谢途径［16］。自噬在正常神经元中是基础性活跃和高效的，而在AD中出现自噬功能障碍［16-17］。在AD中，自噬的过度抑制导致Aβ 和异常tau 蛋白沉积，而在溶酶体清除能力受损时，自噬的过度激活可能会促进病变发展和细胞凋亡［17］。mTOR被认为是自噬的负调节因子，主要受PI3K/Akt 和AMPK 调控［11-12，17］。然而，这2 条途径在AD 中均出现了异常。一方面，PI3K 能够接受细胞外刺激，使得Akt 磷酸化，进而激活mTOR，抑制自噬，并减轻tau 蛋白的磷酸化，减少细胞凋亡［11］。在AD 的早期阶段，Aβ 的形成会抑制PI3K/Akt 信号通路诱导自噬代偿性增强，而该信号通路被抑制会减弱参与Aβ 降解的胰岛素降解酶活性和α-分泌酶表达，增强β-分泌酶表达，持续增加脑内Aβ含量，形成恶性循环，导致自噬过度激活，神经细胞凋亡，认知能力下降［18-19］。随着AD 病情发展，脑组织PI3K/Akt 信号通路会被过度激活诱导mTOR 过度活跃，导致自噬抑制，Aβ 沉积增加伴随认知功能衰退［20］。此外，在ApoE−/−小鼠脑组织中，p-tau 蛋白含量随着月龄先急剧升高后缓慢增加，恰恰符合了PI3K/Akt 活性随月龄先减弱后增强的变化［21］。另一方面，AMPK能够通过磷酸化结节性硬化复合体1/2（tuberous sclerosis complex 1/2，TSC1/2）和与mTOR 结合的Raptor 来调节mTOR，进而诱导自噬；同时，AMPK 的激活能够直接磷酸化丝氨酸（serine，Ser）上的Unc-51 样自噬激活激酶1（Unc-51-like autophagy-activat‑ing kinase 1，ULK1），提高ULK1的活性，进而诱导自噬［12］。有研究发现，在AD 小鼠海马中AMPK 被激活，mTOR 被抑制，自噬溶酶体重组相关蛋白表达增多；而通过抑制AMPK活性、激活mTOR能够减轻AD小鼠认知功能障碍和神经元凋亡［22］。相反的是，7月龄APP/PS1双转基因小鼠大脑中AMPK 活性显著降低，mTOR 活性增强，自噬体形成主要标志微管相关蛋 白1 轻 链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）-II/LC3-I 比值显著降低，Aβ 积累增多，并出现学习与记忆功能障碍［23］。以上研究提示，AD脑细胞的自噬缺陷与PI3K/Akt 及AMPK 通路的异常变化存在密切联系。

1.2 运动改善AD 自噬异常自噬与AD 之间存在双向关系。一方面，自噬会随着AD 的发展变得异常，加剧Aβ 和异常tau 蛋白的堆积，导致病情不断恶化；另一方面，通过对自噬的调节能够有效地促进AD脑中Aβ和异常tau蛋白的清除和降解［3］。

体育锻炼能够通过激活PI3K/Akt 和AMPK 通路调节自噬，恢复自噬的基础活跃和高效性，从而预防或减轻AD 认知功能障碍。（1）在PI3K/Akt方面，研究发现，12 周跑台运动使APP/PS1转基因小鼠海马内PI3K/Akt 信号通路和ULK1 表达显著增强，而mTOR表达水平下降，自噬增强，并且认知能力提高［4］。12周跑台运动可提高tau 蛋白病模型小鼠大脑皮层PI3K/Akt 通路的磷酸化水平，抑制mTOR，增加自噬蛋白beclin-1 和LC3-II 水平，降低选择性自噬接头蛋白sequestosome-1/p62 的水平，促进自噬，使tau 蛋白过度磷酸化和认知功能得到改善［5］。有趣的是，有研究发现，5 个月的运动训练干预使7 月龄3xTg-AD小鼠脑组织中胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）水平有升高趋势，组织蛋白酶B、溶酶体相关膜蛋白2（lysosomal-associated membrane protein-2，LAMP-2）、LC3-I等自噬标志物表达显著下调，Aβ 蛋白水平降低，从而起到一定的神经保护作用［24］。这提示运动还可能存在抑制AD 过度自噬的情况，有待进一步研究证实。（2）在AMPK 方面，研究发现，8周跑台运动提高了AD 大鼠p-AMPK、beclin-1和LC3-II 的水平，从而激活自噬，减轻了CA1 区海马神经元的损伤，并增强了记忆能力［6］。10 周常规中等强度有氧运动能够显著提高各年龄组大鼠纹状体的AMPK 活性，并上调beclin-1 和LC3-II 等自噬标志物的表达，挽救了纹状体的形态结构［7］。（3）运动不仅通过PI3K/Akt 和AMPK 通路调节自噬活跃性，还加强了自噬溶酶体途径的功能。研究发现，12 周有氧跑台运动不仅提高AD 小鼠海马细胞LC3-II/LC3-I比值和ULK1 表达，促进自噬启动和形成，还提高溶酶体降解酶——组织蛋白酶D 和溶酶体融合蛋白Rab7 水平，促进溶酶体降解功能和自噬体与溶酶体融合，进而提高细胞自噬通量，减缓认知功能衰退［8］。长期运动通过上调小鼠皮质、海马和纹状体中转录因子EB（transcription factor EB，TFEB）表达及核转位，增强溶酶体功能，从而调节自噬溶酶体途径［25］。以上研究提示，运动很可能通过激活AMPK和PI3K/Akt通路调节AD 自噬的异常变化，并通过增强自噬溶酶体途径提高自噬通量，从而减缓认知功能衰退。

2 运动调节APN改善AD自噬

2.1 运动促进APN 及其受体表达有关运动对APN 的影响，大量研究表明，不同的运动强度、运动时间、运动方式、实施对象和运动持续期对APN产生的影响不尽相同，并且在不同的观察时相APN 水平也会存在差异［14，26-28］。研究发现，12 周（每周3 d）的耐力和阻力训练相结合的训练使老年人血清APN较运动前增加了55%，并且显著高于对照组［14］。在动物实验中发现，老年肥胖大鼠经过8 周运动后，其脂肪组织APN mRNA 表达水平和血浆APN 水平均显著提高［29］。虽然有研究表明，急性跑步会降低脑脊液APN水平［28］。无论男女在单次急性运动后即刻检测血浆APN 水平均无明显变化［26］。但有研究发现，在急性运动后的运动恢复期，APN 水平升高，认为APN 的变化具有时相性特征［27］。以上研究表明，运动能使血液中APN 水平升高，尤其是长期锻炼。此外，循环APN 能穿过血脑屏障进入脑内，提高脑中APN 水平，进而促进神经发生［30］。自愿跑步提高应激与非应激小鼠海马组织和血液中APN 水平，并促进海马神经元发生［31-32］。这提示运动提高脑和循环APN水平。

运动不仅能提高APN 水平，还能影响AdipoR 表达。许多学者认为，长期的运动训练使得胰岛素抵抗减轻，可能不仅仅是由于提高了APN水平，还是通过使AdipoR 表达增强，进而影响AdipoR 的下游信号通路实现的［26］。健康小鼠急性运动后骨骼肌和肝脏中AdipoR1 表达水平显著升高，而AdipoR2 的mRNA水平降低［15］。代谢综合征小鼠肌肉中AdipoR2 表达增加，而8 周运动训练后观察到小鼠肌肉中AdipoR1表达增加，并逆转了高脂饮食导致的一些副作用（如热量摄入增加、血糖增加等）［33］。运动训练能增加肝脏、脂肪和骨骼肌组织中的AdipoR1-2/磷酸酪氨酸衔接蛋白1，同时降低小鼠由于高脂饮食导致的胰岛素抵抗程度及提高胰岛素作用［34］。目前只发现运动对脑以外其他组织中的AdipoR 产生影响。但有研究表明，APN 能促进脑组织中AdipoR1 的表达［35］。因而运动很可能通过提高脑组织中APN 含量促进AdipoR1的表达。

2.2 APN 调节自噬APN 与AD 自噬存在关联。研究发现，APN敲除小鼠表现出空间记忆和学习障碍，还出现了AD 的病理特征，包括脑Aβ42水平增加、Aβ沉积、tau 蛋白过度磷酸化、小胶质细胞和星形胶质细胞增生、神经元凋亡增加和突触蛋白减少［36］。外源性APN预处理可以明显提高AD小鼠的空间学习、记忆等认知功能，减轻AD 小鼠脑内Aβ 沉积，减少tau 蛋白过度磷酸化［37］。APN 在硫化氢逆转抑郁样大鼠海马组织过度自噬和突触受损中发挥关键作用［38］。APN 旁系同源物C1q/肿瘤坏死因子相关蛋白1 具有抑制小胶质细胞自噬和炎症反应的作用［39］。APN 能够抑制脂多糖诱导的巨噬细胞过度自噬，从而减轻炎性损伤［40］。APN 处理可逆转整体性脑缺血再灌注诱导的神经元自噬下降和细胞凋亡［35］。这提示APN 对AD 的有益作用可能是部分通过对自噬的调节实现的。

通过自噬保护神经元，仅仅是调节自噬的启动和形成是不够的，还应当重视对自噬降解阶段的调节，以提高自噬通量。在AD 有关的研究中发现，尽管自噬分子的表达和形成显著高于对照组，AD 的病情却不断恶化［18，22，41］。APN 也能起到类似运动改善自噬溶酶体途径的功能［8，25］。研究表明，APN缺乏引起脑组织中溶酶体功能障碍，导致自噬/溶酶体途径受损，Aβ沉积，认知能力下降，而AdipoR激动剂治疗逆转上述变化［42］。在老年雄性adipoq（编码APN 的基因）−/−小鼠的心肌细胞中，APN 治疗能够通过促进自噬体与溶酶体的融合并增加溶酶体组织蛋白酶B的活性来提高自噬通量［43］。用AdipoR 激动剂治疗患有糖尿病的小鼠，可刺激其自噬体形成，同时提高自噬体清除率，减少自噬体堆积，从而改善心脏功能，而低APN 血症会损害自噬通量［44］。这提示APN对自噬的调节在一定程度上是通过改善自身溶酶体途径实现的。

激素作用的发挥与受体相关联。AD 过程破坏AdipoR 会减弱APN 的下游信号通路活性［45］。因此对于APN生物学效应的发挥，不仅要关注AD的APN水平，还应关注AD 脑内的AdipoR。研究发现，在老年5×FAD 小鼠脑中AdipoR 的表达出现了明显紊乱，AdipoR 在神经元处表达降低，位于内皮的AdipoR1表达减少，但活化的星形胶质细胞中AdipoR2 表达强烈［45］。在APP/PS1小鼠、APN敲除小鼠和老年AD患者大脑中AdipoR1的表达均显著降低，且AMPK活性均显著下降，IRS-1 在Ser636/312/307 过度磷酸化，而APN 模拟物的使用逆转了上述变化，从而增强AD动物的认知功能［46］。这提示AD 脑内AdipoR 受损可能加重APN对自噬的调节障碍，从而导致自噬异常。

综合上述研究，运动促进APN 及其受体的表达是运动调节AD自噬、改善认知功能的重要途径。

3 运动通过APN调节AD自噬的可能机制

3.1 运动通过APN/AdipoR1/AMPK 激活自噬运动对大脑的有益作用很多是通过APN实现的。研究表明，体育锻炼通过增强中年小鼠APN-Notch 通路，促进海马神经发生，从而提高认知功能，但APN缺乏会减弱体育锻炼所带来的上述有益效果［47］。无论是否有压力的条件下，运动都能通过上调小鼠海马组织中APN水平，促进海马神经元发生，从而减轻小鼠抑郁样行为，但APN 缺乏会消除运动的这种有益作用［31-32］。2周自愿运动能显著恢复1型糖尿病小鼠海马神经元发生，但APN敲除会消除这一有益变化［48］。这提示APN在体育锻炼保护脑组织结构和改善认知功能的有益作用中扮演重要角色。而自噬信号通路就在很大程度上受到APN 的影响。（1）在AMPK 方面，运动通过促进APN 表达提高AMPK 活性，进而调节自噬。研究发现，自愿运动提高了小鼠海马组织和循环中APN 水平，同时显著上调了AMPK 活性，并且APN 和AMPK 存在一定相关性［31-32］。在人胶质母细胞瘤N2a/APPswe 细胞中，AdipoR 激动剂处理和AdipoR1 过表达均能促进自噬，抑制Aβ 水平，而AMPK 抑制剂处理逆转上述变化［42］。AdipoR 激动剂通过激活APP/PS1小鼠脑内AdipoR1/AMPK 而减少Aβ 沉积，促进受损海马神经干细胞的增殖，从而改善认知功能［49］。在糖尿病小鼠中，激活AdipoR1 可促进AMPK 介导的自噬体形成及抗氧化剂介导的自噬体清除［44］。APN 处理可增加脑组织中AdipoR 的表达和AMPK 的磷酸化，进而逆转整体性脑缺血再灌注诱导的神经元自噬下降和细胞凋亡［35］。9 月龄AD 小鼠海马中星形胶质细胞和小胶质细胞活性过高，p-AMPK 水平下降，但APN 预处理能够有效抑制星形胶质细胞和小胶质细胞的过度活化，并提高p-AMPK 水平［50］。以上研究提示，运动通过上调APN/AdipoR1/AMPK通路激活AD脑细胞自噬（图1）。

Figure 1.Possible mechanism of exercise activating autophagy through adiponectin （APN）/adiponectin receptor 1（AdipoR1）/AMP-activated protein kinase （AMPK）signaling pathway.Exercise increases the expression of APN and AdipoR1 in the brain.The latter activates its downstream signal molecule AMPK，which pro‑motes the expression of the mammalian target of rapa‑mycin（mTOR）negative regulator tuberous sclerosis complex 1/2（TSC1/2）and weakens the mTOR activi‑ty essential protein Raptor，thereby inhibiting mTOR activity and up-regulating autophagy activity.At the same time，AMPK directly promotes autophagy by ac‑tivating the downstream signaling molecule Unc-51-like autophagy-activating kinase 1（ULK1），thereby inhibiting Aβ and abnormal tau content.图1 运动通过APN/AdipoR1/AMPK激活自噬的可能机制

3.2 运动通过APN/PI3K/Akt 抑制自噬APN 在运动激活PI3K/Akt信号通路方面具有重要作用。研究发现，2周的自愿跑轮提高了小鼠海马组织和血清中APN 含 量 及AMPK 活性，并轻 度 增加p-Akt/Akt 比值［31］。急性运动能引起肥胖和瘦小鼠血清APN及下丘脑中APN 途径相关蛋白表达和含量的增加，如PI3K［51-52］。APN 可通过激 活AD 大 鼠脑内PI3K/Akt信号通路，增加神经细胞树突分支，减轻tau 蛋白过度磷酸化和认知功能损伤［53］。在脂多糖诱导的巨噬细胞炎症损伤模型中，p-Akt水平下降，LC3-B表达升高，自噬水平显著升高，细胞炎症水平升高，但APN处理后发生逆转，p-Akt 升高，LC3-B 降低，过度自噬被抑制，炎症水平下降，并且在使用Akt 抑制剂后这些逆转作用消失［40］。以上研究提示，运动可能通过激活APN/PI3K/Akt 通路抑制AD 脑细胞自噬的过度活跃，同时抑制tau 蛋白过度磷酸化。此外，AMPK在APN促进PI3K/Akt信号通路活性增强中发挥重要的中介作用。研究发现，APN 提高AD 小鼠海马体中AMPK 和IRS-1 的表达，而AMPK 抑制剂消除了APN对IRS-1 表达的促进作用［54］。 AdipoR1 通过激活AMPK 通路调节胰岛素敏感性，减轻胰岛素抵抗［55］；胰岛素可以通过IRS-1激活PI3K/Akt信号通路，抑制叉头框蛋白O1（forkhead box protein O1，FoxO1）与AdipoR1启动子的结合，进而影响AMPK 的激活，形成负反馈［56］。这提示，AMPK 的激活能够引起PI3K/Akt信号通路的负反馈增强，以防止自噬的过度激活和tau 蛋白过度磷酸化。综合上述研究，运动可能通过促进APN 表达影响AMPK 激活和脑内胰岛素信号传导通路，从而激活PI3K/Akt 信号通路，抑制自噬（图2）。

Figure 2.Possible mechanism of exercise inhibiting autophagy through adiponectin（APN）/phosphatidylinositol 3-ki‑nase（PI3K）/protein kinase B（PKB/Akt）signaling.Exercise increases the expression of APN and adipo‑nectin receptor 1（AdipoR1）in the brain.The latter activates its downstream signaling molecule AMP-acti‑vated protein kinase（AMPK），which increases insu‑lin sensitivity，thereby activating the downstream in‑sulin signaling pathway insulin receptor substrate-1（IRS-1）/PI3K/Akt/mammalian target of rapamycin（mTOR）and inhibiting tau phosphorylation.In addi‑tion，activation of mTOR and inhibition of forkhead box protein O1（FoxO1）by PI3K/Akt show a negative feedback effect on AMPK，effectively slowing down the overactive autophagy.图2 运动通过APN/PI3K/Akt抑制自噬的可能机制

3.3 运动通过APN/AdipoR1/TFEB 增强自噬溶酶体途径APN 通过AMPK 和TFEB 增强自噬溶酶体途径。 研究发现，APN 通过增强小鼠骨骼肌细胞AMPK 活性而提高ULK1（Ser555）磷酸化、beclin-1、LC3-B 和溶酶体酶活性水平，降低p62 蛋白水平，从而提高自噬通量［57］。APN 通过激活乳腺癌细胞中AMPK/ULK1 促进LC3-B 转化，溶酶体功能增强，自噬体-溶酶体融合和p62降解，进而提高自噬通量［58］。AMPK 对自噬溶酶体途径的有益作用与TFEB 有关。研究表明，TFEB 通过上调LAMP-1 和LC3-B 的表达水平增强自噬溶酶体途径，减少神经凋亡，从而发挥神经保护作用［59］。小鼠脑内AMPK-SIRT1 信号通路可以上调TFEB基因转录，一定程度上改善自噬溶酶体途径，但对TFEB 核转位的影响微乎其微［25］。这可能解释了AD 自噬异常时为什么AMPK 活性升高而自噬溶酶体途径却仍存在障碍。研究发现，AdipoR激动剂促进TFEB核转位及TFEB控制的自噬基因表达，包括LC3、p62、LAMP-1 和LAMP-2A，且这种激活取决于细胞内Ca2+，而与AMPK、细胞外信号调节激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK1/2）、Akt 和mTOR 无关［60］。而运动能够有效促进循环APN水平提高，进而提高脑内APN含量［14，29-30］。这提示，运动可能激活AD 脑内APN/AdipoR1/TFEB 信号通路，增强自噬溶酶体途径，提高自噬通量（图3）。

Figure 3.Possible mechanism of exercise enhancing autophagy/lysosomal pathway through adiponectin（APN）/adipo‑nectin receptor 1（AdipoR1）/transcription factor EB（TFEB）signaling.Exercise increases the expression of APN and AdipoR1 in the brain.The latter pro‑motes the nuclear translocation of TFEB，and acti‑vates the downstream signal molecule AMP-activated protein kinase（AMPK）to promote the expression of TFEB.TFEB enhances the autophagy/lysosomal path‑way by promoting the expression of autophagy-related genes，thereby increasing autophagy flux and effec‑tively inhibiting Aβ and abnormal tau content.图3 运动通过APN/AdipoR1/TFEB增强自噬溶酶体途径的可能机制

4 小结与展望

运动是调节AD 脑细胞自噬异常、增强AD 患者认知功能的有效手段。APN 是由脂肪组织分泌的脂肪因子，其受体存在于大脑各部位，APN 与其受体结合可产生对神经系统的保护作用［55］。运动促进APN及其脑内受体的表达，但APN介导的运动调节AD自噬异常的具体机制尚不清楚，目前的资料提示可能的机制为：运动通过APN 激活AdipoR1/AMPK 和PI3K/Akt 等脑内胰岛素信号传导通路来调节AD 自噬异常，并通过激活APN/AdipoR1/TFEB 信号通路，增强自噬溶酶体途径，以恢复自噬基础活跃性和高效性，进而减少Aβ 和异常tau 蛋白的含量，保护神经元，从而增强AD患者的认知功能。

目前APN 及其受体在运动改善AD 脑细胞自噬中的作用和机制的研究仍有许多空白，需要继续深入研究。应该进一步了解在多种AD 模型中，不同运动形式对APN、AdipoR和脑细胞自噬过程的影响，并利用基因敲除、拮抗剂和激动剂等手段探究APN 在运动调节AD 自噬异常中的病理生理意义，从而为揭示运动调节AD自噬的机制乃至AD的治疗提供新的思路。