线粒体自噬异常在阿尔茨海默病中的作用及机制研究综述

林祎嘉，程丽珍，苗 雅

上海交通大学医学院附属第六人民医院老年病科，上海 200233

据2020 年发布的一项全国性横断面研究［1］显示，在我国60岁及其以上人群中有983万名阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）患者，该患者数量居世界各国之首。AD 是一种神经退行性病变，严重威胁着人们的身体健康，其主要病理特征为细胞外β淀粉样蛋白（amyloid-β protein，Aβ）沉积形成的老年斑（senile plaque，SP）和细胞内微管相关蛋白——Tau 蛋白（Tau protein）过度磷酸化形成的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）。有研究［2］证实，AD的发生发展中常伴随有线粒体自噬的异常。线粒体自噬（mitophagy）是清除体内受损或功能异常的线粒体的重要途径。该自噬的异常会影响线粒体的正常生理功能，促进Aβ 沉积及Tau 蛋白过度磷酸化，从而加重神经细胞的病理损伤并加速AD的进展。本文总结了线粒体自噬在AD 进程中的功能变化及其潜在作用机制，并就线粒体自噬功能异常对AD 发生发展的影响及靶向诱导该自噬在AD 治疗中的应用进行探讨，以期为AD 发病机制和治疗方式的深入研究提供新的思路。

1 线粒体自噬

自噬是真核生物进化过程中的一种高度保守的细胞自我更新过程，可以选择性清除受损的蛋白质和细胞器，主要包括自噬体的形成、自噬体-溶酶体融合、溶酶体水解酶降解自噬体内容物等过程。根据底物被传递到溶酶体的机制不同，自噬被分为分子伴侣介导的自噬、微自噬和巨自噬共3 种。线粒体自噬由LEMASTERS 等［3］提出，是巨自噬类型之一［4］，即能够对受损伤或不完整的线粒体进行靶向吞噬和降解，且被认为是控制线粒体数量和质量的一种主要机制。线粒体受到刺激［如活性氧（reactive oxygen species，ROS）聚集、营养缺乏、细胞衰老等］而发生损伤时，其会被特异性地包裹至自噬体中，形成自噬小泡。随后，自噬小泡将包裹的内容物释放到溶酶体或液泡中，经一系列水解酶的作用，内容物得到降解［5］。研究［6］发现，线粒体自噬主要受同源性磷酸酶张力蛋白诱导的激酶1 ［phosphatase and tensin homologue（PTEN）-induced putative kinase 1，PⅠNK1］/Parkin信号通路的调控。PⅠNK1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，位于线粒体外膜；Parkin 是一种E3 泛素连接酶，位于细胞质。当线粒体因受损导致其膜电位下降时，位于线粒体外膜的PⅠNK1 会发生聚集，并招募胞质中的Parkin 至外膜上进行激活。活化的Parkin 可介导受损线粒体的外膜蛋白发生泛素化，促进初始化自噬小体的形成，并招募微管相关蛋白1 轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，MAP1LC3）即LC3。随后，LC3 通过LC3 相互作用区（LC3-interaction region，LⅠR）诱导损伤的线粒体形成线粒体自噬体，从而加速了受损线粒体的降解和清除［7］。线粒体的选择性自噬可参与维持自身网络功能的完整性，是胞内线粒体新陈代谢的主要途径，对维持细胞的稳态具有重要意义。其自噬功能异常会影响线粒体的正常生理功能，导致细胞腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine-triphosphate，ATP）水平降低、ROS过量产生、细胞信号转导受损等。有研究［8］发现，上述代谢改变均与AD、帕金森病（Parkinson's disease，PD）、肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS） 和亨廷顿病（Huntington disease，HD）等神经退行性疾病的发病相关。

2 AD状态下线粒体自噬异常及其相关机制

2.1 线粒体自噬异常

随着AD 发展阶段的不同，线粒体自噬这一过程也发生了较大的变化。BRAAK 等［9］依据AD 患者脑组织的病理改变（细胞外的Aβ沉积、神经元内NFTs变化）提出了Braak 病理分期，即将AD 分为6 期。YE 等［10］将Braak Ⅰ、Ⅱ期定义为AD 早期，且该研究发现在发生早期病理沉积的AD 患者大脑中，线粒体膜电位已发生了去极化，细胞质中增加的Parkin亦被招募至线粒体表面，继而提示在AD 早期已表现出线粒体自噬增加。另有研究［11］将Braak Ⅱ、Ⅲ期作为AD 的早期，对AD 患者的皮肤成纤维细胞和脑组织进行活检；结果发现，Braak Ⅱ、Ⅲ期患者的PⅠNK1 表达有所增加。BORDⅠ等［12］通过观察AD 不同病理阶段的海马锥体神经元中的自噬变化发现，Braak Ⅲ期的自噬相关基因有显著上调，且自噬小体和溶酶体融合增多。还有研究［13］表明，在组织病理改变或临床特征出现之前，AD 患者神经元中线粒体自噬水平已有所增加，这可能是继发于线粒体功能障碍的代偿性表现。在AD 患者椎体神经元细胞质中，定位于自噬空泡的线粒体标志物——硫辛酸和细胞色素氧化酶-1的免疫反应性有所增加，同时线粒体自噬的降解产物浓度和线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）水平较高，提示AD病程中发生了线粒体自噬增强的改变［14］。综上，在AD 的早期，机体可能通过增强线粒体自噬来达到清除受损线粒体的目的。

随着AD 的进展，机体会出现各种病理改变，这些改变会进一步加剧对线粒体自噬的破坏；而当机体无法清除不断增加的受损线粒体时，神经元中功能障碍的线粒体将会被异常积累，该现象则是AD 发生发展中的主要变化之一。YE等［10］研究发现，在AD 患者大脑中Parkin 水平会随着Braak 分期的增加而逐渐下降，从而进一步推论出AD 晚期可能存在线粒体自噬水平的降低。此外，有研究者总结发现，在神经退行性疾病中，神经元内常存在自噬空泡异常蓄积的现象；这可能是因为溶酶体内pH 升高、Ca2+稳态失调等病理变化破坏了溶酶体膜的稳定性，导致溶酶体内的多种水解酶活性下降，继而抑制了线粒体自噬，使未被降解的自噬空泡在细胞中发生聚集［15］。而该聚集被认为是AD病程进展的一个显著特征。

2.2 线粒体自噬异常的相关机制

在AD 早期自噬水平有显著增强（包括线粒体自噬），这可能与溶酶体的功能变化有关。ⅠVANKOVⅠC等［16］通过诱导转录因子EB（transcription factor EB，TFEB）的表达来增加溶酶体蛋白的表达，结果显示线粒体自噬的诱导标志物也随之增加；由此推测，溶酶体功能缺陷可能会抑制线粒体自噬，其被认为是AD 状态下线粒体自噬异常的重要机制之一。有学者［17］通过定量分析AD 患者血液外泌体中的溶酶体蛋白发现，溶酶体基本蛋白水解酶——组织蛋白酶D及溶酶体膜成分——溶酶体相关膜蛋白1（lysosomeassociated membrane protein 1，LAMP-1）的水平均较高；这些发现提示蓄积在神经元中的大量溶酶体成分被外泌体转运至细胞外，表明AD 患者神经元中可能存在溶酶体功能障碍，使得自噬溶酶体系统受到了破坏。同样地，有研究［18］观察发现，在溶酶体蛋白水解功能存在缺陷的AD 小鼠的大脑中Aβ 沉积增加，且恢复该小鼠的溶酶体蛋白水解功能后，其自噬效率有所增加（包括线粒体自噬），神经元功能和认知能力亦得到了恢复。另外，有学者对AD 状态下溶酶体功能缺陷的机制进一步研究，结果显示早老素1（presenilin 1，PS1）基因突变与溶酶体功能下降密切相关，继而推测PS1是家族性AD 的重要致病基因之一［19］。COFFEY 等［20］发现，溶酶体水解酶类的活性依赖于溶酶体内的酸性环境，野生型PS1可有效维持酸性环境，而突变型PS1可导致环境碱化，从而降低自噬（包括线粒体自噬）的效率。

大量研究发现，线粒体动力学改变也会对线粒体自噬水平产生极大的影响。线粒体动力学是指线粒体通过分裂和融合的动态转化以重塑自身形态、维持自身稳态的过程，其受多种相关蛋白的调控。视神经萎缩相关蛋白1（optic atrophy1，Opa1）负责线粒体内膜的融合和线粒体嵴结构的维护，该蛋白的低表达会使线粒体发生碎片化。线粒体融合蛋白（mitofusion，Mfn）负责线粒体外膜的融合，在线粒体自噬过程中，Mfn会被泛素蛋白酶体系统降解，从而降低了线粒体的融合功能，影响自噬［21］。线粒体发生分裂时，动力相关蛋白（dynamin-related protein 1，Drp1）与线粒体分裂蛋白1 （mitochondrial fission protein 1，Fis1）结合可促进线粒体片段化，诱导自噬小泡形成［22］。AD 中Aβ 和Tau 蛋白的毒性作用会导致线粒体的分裂、融合失衡。此外，有研究者构建淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，App）转基因小鼠模型（该转基因鼠是国际上较公认的AD 动物模型，可过表达人的APP），并在AD患者和App转基因小鼠的脑组织研究中发现，随着AD 的进展神经细胞中Drp1 水平有所升高，且该蛋白与Aβ 的相互作用可导致线粒体过度裂变及碎片化，从而影响正常的线粒体自噬功能［23］。有学者进一步研究［24］发现，Drp1 表达下降可抑制磷酸化Tau 蛋白的产生，减轻Tau基因突变导致的线粒体功能障碍，维持线粒体的生物活性。另有一些其他因素（如Aβ、磷酸化Tau 蛋白、ROS、氧化脂质和脂蛋白）可抑制线粒体自噬，导致机体内毒性积累，从而触发神经元的凋亡和死亡［25］。

3 线粒体自噬异常促进AD 进展的病理机制

3.1 线粒体自噬异常导致神经细胞能量代谢障碍

大脑是能量代谢最为活跃的部位，需要以ATP的形式持续供能，这其中的大部分ATP均是通过线粒体的氧化磷酸化产生。在人的脑细胞中，神经元承担着神经系统的主要功能活动。与脑内其他细胞相比，神经元更依赖于由线粒体氧化磷酸化提供的ATP，而线粒体功能发生障碍可直接导致神经元死亡，继而影响神经元接受、整合、传递和传导信息的功能［26］。因此，线粒体数量和功能异常导致的能量代谢紊乱会严重影响神经元的功能，进而促进AD 等神经退行性疾病进展。早期研究发现，AD 患者大脑中存在线粒体自噬异常，使得受损线粒体在神经元中累积而无法生成ATP，从而导致能量衰竭。采用正电子发射型计算机断层显像技术的相关研究［27］显示，AD 患者脑的颞叶皮质和顶叶后侧中的葡萄糖代谢均有所减少，提示其脑组织中的氧化磷酸化和能量代谢受损。有研究对比不同年龄段（2、5、18个月）App转基因小鼠大脑皮层多种基因的mRNA 水平，结果发现所有年龄组小鼠中，与线粒体能量代谢有关的基因均表达上调，其中线粒体基因Atpase-6和氧化损伤标志物8-羟基鸟苷的荧光原位杂交信号为阳性；继而推测，线粒体能量代谢基因的上调可能是其氧化损伤的一种应激性补偿，这也进一步说明在AD 进展过程中存在能量代谢受损［28］。此外，线粒体功能损伤还可引起ROS的大量产生，造成线粒体及细胞内各种蛋白质、脂类及核酸的氧化损伤，进而抑制电子传递链酶复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的活性，导致能量合成障碍；同时，ROS的大量积累也会促进神经细胞凋亡，导致认知功能出现障碍［29］。综合上述研究，我们发现AD 动物模型及患者的脑内均会发生线粒体自噬异常，导致损伤的线粒体聚积，从而引发大脑能量代谢发生障碍，促进AD的发生和进展。

3.2 线粒体自噬异常加速神经细胞凋亡

目前已有研究［30］证明，功能性神经细胞的进行性丢失也是AD 的病理特征之一。在AD 的发生发展中，凋亡即程序性细胞死亡，表现为神经元进行性丢失，最终导致认知功能发生障碍。有研究［31］报道，在AD 疾病的早期已出现了较明显的神经细胞凋亡。在凋亡通路中，线粒体扮演了较为重要的角色。异常的线粒体是细胞凋亡的触发器，当线粒体功能发生障碍时，其外膜通透性会增加，位于线粒体内外膜间的凋亡相关蛋白会扩散至细胞质中，从而启动细胞凋亡程序。同时，ATP生成异常亦可增强神经细胞对凋亡相关蛋白的敏感性，加速该细胞的凋亡。

3.3 线粒体自噬异常与AD相关病理蛋白负荷增加的相互影响

当线粒体自噬功能发生异常时，大量功能失调的线粒体会沉积在细胞中，进而促进了Aβ 的沉积和Tau 蛋白磷酸化。KUKREJA 等［32］对mtDNA 突变小鼠进行研究，结果发现线粒体功能障碍会加剧Aβ 的病理改变，并诱发神经退行性变。另有针对AD 患者的神经元和脑标本的研究［33-34］发现，线粒体功能障碍可导致氧化应激产物累积，增强神经元中β-分泌酶和γ-分泌酶的活性，且γ-分泌酶会进一步增加β-分泌酶的表达，促进Aβ 的产生和积累。此外，当机体内环境处于缺血或营养缺乏状态时，营养不良的神经元轴突中积累的自噬空泡可能也会促进局部Aβ 斑块的产生［14］。线粒体中存在的Aβ 结合乙醇脱氢酶（Aβ binding alcohol dehydrogenase，ABAD）能对抗应激损伤，维持细胞内环境稳定。当线粒体功能受损时，Aβ 可与ABAD 结合以改变后者的构象，从而降低机体对抗应激损伤的能力［35］。还有研究［36］表明，沉默信息调节因子（sirtuins/silent information regulators，SⅠRTs）是一类组蛋白去乙酰化酶，参与APP 的代谢过程，其活性受烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的调控；在过表达Sirt1的转基因AD 小鼠中，其α-分泌酶的表达水平较高，可减轻Aβ 沉积；而当线粒体功能发生损伤后，其氧化应激产物可下调细胞内NAD+水平，降低SⅠRT1 的活性，导致α-分泌酶水平下降，最终促使APP 代谢异常，促进Aβ生成。

有研究者通过构建低负荷运动大鼠模型，分析线粒体功能障碍与AD 相关病理蛋白间的关系；结果发现，大鼠出现了认知功能障碍、海马体明显萎缩以及大量磷酸化Tau 蛋白在神经元线粒体中蓄积；继而提示，AD 相关的病理蛋白沉积与线粒体功能减退有关［37］。有研究［38］报道，线粒体是AD 相关病理蛋白毒性作用的关键靶点；在AD 中，Aβ 会加重磷酸化Tau 蛋白的毒性，这种协同作用从多个方面严重损害了线粒体功能，导致ATP 水平显著降低，继而促进AD的进展。

综上，线粒体功能障碍出现在AD 进程的早期，可诱导Aβ的生成和Tau蛋白发生磷酸化，而Aβ的沉积和磷酸化Tau 蛋白会加重线粒体功能障碍及细胞氧化应激损伤，从而形成“恶性循环”，加速了AD 的发生发展。

4 靶向诱导线粒体自噬的治疗策略

AD 是一种多因素累积的进行性发展的神经系统退行性疾病，目前尚没有药物可以明显延缓或预防该疾病。近年来有证据表明，线粒体自噬诱导剂可增强线粒体自噬及线粒体抵抗氧化应激的能力，并可诱导该自噬清除Aβ以延缓AD 病程。在NAD+水平较低的AD 小鼠中，补充NAD+前体（如烟酰胺、烟酰胺单核苷酸和烟酰胺核糖体）可改善其线粒体功能，减轻Aβ 的沉积和Tau 蛋白的磷酸化程度，从而改善小鼠的认知功能障碍［36］。FANG 等［39］发现，尿石素A（urolithin A，UA） 和放线酰胺素可激活PⅠNK1/Parkin 信号通路，诱导线粒体自噬的发生以清除受损的线粒体，降低Aβ 水平和Tau 蛋白磷酸化程度，减少AD 的病理改变，从而改善学习和记忆缺陷。FAN等［40］在2017年的研究发现，亚精胺等多胺可通过影响自噬相关基因的表达以提高自噬活性，还可通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）的活性、激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）来增强线粒体自噬；同时，该研究还发现mTOR抑制剂——雷帕霉素能激活AMPK，进而介导线粒体自噬增强，诱导受损线粒体被清除。WANG 等［41］研究报道，在App/Ps1双转基因小鼠中，雷帕霉素被证明也可通过诱导Parkin途径增强线粒体自噬，促进该小鼠海马内线粒体自噬体与溶酶体的融合，从而减少Aβ 的病理沉积， 改善小鼠的认知功能障碍。 此外，LONSKAYA 等［42］发现在App转基因小鼠模型中，Parkin 的溶解度下降可抑制线粒体自噬；当运用尼洛替尼治疗时，该小鼠体内的可溶性Parkin 增加、Aβ沉积减少。该结果提示，尼洛替尼可通过增加Parkin的溶解来促进内源性Parkin循环，进而增强细胞的线粒体自噬；继而推测，尼洛替尼对AD 可能有潜在的治疗效果。

5 总结与展望

近年来，线粒体自噬的分子和细胞机制被广泛研究，众多实验证明在AD 患者的大脑中存在异常的线粒体自噬，使受损的线粒体不能正常被清除，从而直接或间接地加速了患者脑内Aβ 沉积及Tau 蛋白过度磷酸化等病理改变，加重了病程的发生发展。同时，线粒体自噬损伤也被认为是衰老和神经退行性病变的关键因素之一。目前，有关线粒体自噬障碍在AD 发生发展中的作用和相关机制尚未被完全阐明，仍需要更深入的研究。因此，对线粒体自噬异常与AD 关系的进一步探索或可为靶向诱导线粒体自噬调控、改善AD 的神经病理变化提供新的思路，从而为临床上选择神经退行性疾病的治疗策略提供保障。