自噬功能障碍与阿尔茨海默病发病机制研究进展

李娇 袁硕 张庆镐，2

(1延边大学医学院免疫学教研室，吉林 延吉 133022；2大连大学医学院慢性病研究中心)

阿尔茨海默病(AD)是一种常见的进行性神经退行性疾病，是老年人最常见的痴呆形式，其特征是记忆和认知功能的进行性障碍〔1〕。全世界有超过5 000万人受到AD的影响〔2〕。该病可分为两种主要类型：家族型或早发型AD(fAD)及偶发型或迟发型AD(sAD)。淀粉样前体蛋白(APP)，早老素(PS)1，PS2中的常染色体显性突变可导致家族型或fAD，这种类型仅占AD人群的5%，症状开始于30～40岁。相比之下，绝大多数(>95%)AD病例没有明确的遗传因素或病因，这被称为偶发型或sAD，一般在65岁以后发病，载脂蛋白(apo)E4等基因参与sAD的发生〔1～3〕。年龄是sAD最强的危险因素，其患病率随着年龄的增长而急剧增加，吸烟、肥胖、高血压、2型糖尿病、高胆固醇血症等都对sAD有很强的诱发作用〔4～7〕。AD患者大脑的典型病理改变是细胞外β淀粉样蛋白(Aβ)斑块沉积和细胞内Tau蛋白过度磷酸化形成的神经原纤维缠结(NFTs)，这些蛋白质聚集物可以导致神经元死亡〔8〕。APP主要定位于质膜，也可定位于高尔基体、内质网、内膜体，APP可通过淀粉样和非淀粉样途径裂解。在淀粉样蛋白生成途径中，APP被β-分泌酶裂解，释放可溶性APPβ(sAPPβ)和99残基羧基末端片段(C99)，γ-分泌酶裂解C99产生APP胞内结构域(AICD)和Aβ，最常见的Aβ亚型是Aβ40和Aβ42，Aβ聚集形成斑块，在AD中，淀粉样蛋白途径占优势，促进了脑实质中Aβ的积累〔1，2，8〕。Tau蛋白是一种微管相关蛋白，存在于神经元的轴突间室中，根据其磷酸化的状态控制微管的稳定性。在AD中，Tau蛋白被过度磷酸化，失去对微管的亲和力，导致轴突细胞骨架功能障碍，形成Tau蛋白低聚物，最终形成NFTs〔9〕。在AD中，蛋白质、脂质和葡糖糖等物质的氧化产物明显增多，氧化应激的同时也提高了神经细胞内Aβ聚集和Tau蛋白过度磷酸化的水平〔10〕。此外，小胶质细胞和星形胶质细胞等炎性细胞在Aβ斑块和Tau蛋白低聚物产生的毒性环境中过度活化，导致其原有的吞噬作用逐渐减弱，持续释放促炎因子白细胞介素(IL)-1β、肿瘤坏死因子(TNF)-α等，并抑制神经保护性因子的释放〔11〕。

1 AD患者自噬失调

自噬是一种细胞内降解途径，通过清除受损的细胞器、病原体和不需要的蛋白质聚集物来维持细胞内稳态。自噬主要分为三类：大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬(CMA)，通常我们所说的自噬为大自噬。自噬主要分为3个阶段：启动、延长、自噬体与溶酶体融合阶段。在营养充足时，哺乳动物雷帕霉素复合物(mTORC)1通过抑制自噬激酶(ULK)1的磷酸化来抑制自噬，然而，当细胞能量状态较低时，AMP激活蛋白激酶(AMPK)的靶蛋白可以通过非依赖雷帕霉素靶蛋白(mTOR)途径和依赖mTOR途径激活ULK1来激活自噬〔12〕。近年来，自噬在发育、衰老和神经退行性病变中起着重要作用〔12，13〕。

自噬功能障碍与AD密切相关，大量证据支持自噬失调发生在AD患者和动物模型中。考虑到错误折叠的蛋白在AD中的重要作用，理论上认为激活自噬可以清除不需要的蛋白聚集物来缓解AD〔12〕。有研究表明，自噬中枢神经系统(CNS)特异性缺乏必要自噬相关基因Atg5或Atg7的小鼠表现为细胞内异常蛋白累积从而导致进行性神经病变〔13〕。在CNS中，基底自噬的抑制导致严重的轴突肿胀和萎缩，最终导致神经变性〔14〕。apoE4是sAD的主要遗传危险因素，被发现可引起自噬功能障碍，apoE4转基因小鼠溶酶体中的Aβ显著升高，最终导致海马神经元死亡〔15〕。也有研究报道AD脑组织中自噬启动蛋白Beclin-1的蛋白和mRNA水平均降低。在Beclin-1缺失的APP转基因小鼠模型中，自噬基础水平被破坏，细胞内Aβ的积累增加〔16〕。然而，亦有研究表明，AD患者大脑自噬的转录上调，这表明自噬可能存在代偿性调节〔17〕。Bordi等〔18〕发现自噬通量在AD海马体CA1区神经元中增加，其表现为自噬相关基因(Atgs)的显著上调，自噬小体的形成在AD早期增加。通过免疫金标记和电子显微镜，Nixon等〔19〕发现，AD患者在额顶叶皮层中的自噬囊泡(AVs)的积累明显高于对照组。来自APP/PS1双转基因小鼠的数据显示，与年龄匹配的对照组相比，在Aβ斑块出现之前，神经元树突和胞体中积累了大量的AVs〔20〕。这些数据表明，诱导自噬的适用性值得怀疑。异常诱导的自噬实际上可能导致Aβ的产生增加，因为积累的AVs中含有活性的γ-分泌酶〔21〕。为了探讨自噬对Aβ分泌的影响，Nilsson等〔22〕通过条件性敲除Atg7建立自噬缺陷型APP转基因小鼠，值得注意的是，在这些自噬缺陷的小鼠中，Aβ的分泌减少了90%，而自噬恢复则导致Aβ的正常分泌。这些略有矛盾的结果可能反应了由受损的蛋白引起的转录水平的代偿效应，或自噬启动水平随疾病进展而变化，也可能是由于使用的AD模型及细胞不同所致。我们需要进一步的研究来阐明AD进展中的自噬活性水平。

自噬也是调节Tau蛋白清除的关键因素。Tau蛋白通过促进微管的组装和稳定，对自噬体逆行运输和成熟，与溶酶体的融合至关重要〔23〕。Tau蛋白通过自噬途径被有效降解，并反过来调节自噬。多项研究表明，自噬-溶酶体系统损伤可导致Tau蛋白低聚物和不溶性团聚体的形成，而通过诱导自噬可显著减轻其形成〔24〕。此外，由于Tau蛋白修饰可引起溶酶体畸变，因此自噬功能障碍可能是Tau蛋白过度磷酸化的结果〔25〕。有研究表明，自噬缺陷小鼠表现出Tau蛋白的过度磷酸化，而自噬恢复时，磷酸化的Tau蛋白减少〔26〕。这些结果都支持了自噬应该被认为是磷酸化Tau蛋白清除的一个替代过程。遗传学研究发现了其他可能参与调节自噬的分子，组织蛋白酶D是一种溶酶体酶，参与清除Aβ肽和Tau蛋白，这种影响溶酶体降解活性的酶的变异与AD的进展有关〔27〕。

2 自噬是治疗AD的靶点

由于自噬可以清除错误折叠的蛋白，激活自噬被认为是一种对抗神经退行性病变的策略。mTOR抑制剂雷帕霉素最近被用来延长哺乳动物的寿命，在临床试验中可以延缓心脏衰老，并对转基因小鼠的AD病理改变产生有益的影响。特别是，雷帕霉素通过激活APP转基因小鼠自噬来加速Aβ、Tau蛋白的清除，改善小鼠的认知功能障碍〔28，29〕。葡萄多酚白藜芦醇通过AMPK介导的自噬激活来改善AD小鼠的病理学改变〔30〕。Fan等〔31〕研究证明人参皂苷Rg2以不依赖mTOR的AMPK-ULK1途径激活自噬，提高蛋白聚集物的清除，改善AD小鼠的认知功能障碍。姜黄素通过下调磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/mTOR信号通路激活自噬抑制Aβ的生成，保护神经系统〔32〕。在AD小鼠模型中，抗糖尿病药物二甲双胍通过激活蛋白磷酸酶(PP)2A减轻Tau蛋白磷酸化〔33〕。来自体内的数据表明，锂可以通过自噬作用降低小鼠Tau蛋白的病理改变〔34〕。然而，最近关于AD模型的研究也出现了相互矛盾的数据，研究人员发现自噬的诱导并不总是有益的。自噬普遍增加可能是AD大脑中Aβ过量的重要来源〔19～21〕。也有研究证明，Aβ诱导的细胞死亡可以通过抑制而不是刺激自噬来缓解〔35〕。二甲双胍通过AMPK介导的自噬激活促进β-分泌酶和γ-分泌酶裂解APP产生Aβ，加重AD的进展〔36〕。美金刚是一种N-甲基-D-门冬氨酸(NMDA)受体阻断剂，经食品和药物管理局批准可以治疗中重度AD，有研究表明该药可以拮抗自噬，然而其对自噬的影响是否会影响脑病理学改变还有待阐明〔37〕。尽管这些药物对AD的影响存在相互矛盾的地方，但自噬靶向治疗是一个重要的研究领域。

综上，自噬功能障碍是AD的关键因素，自噬不足或过度都可能影响AD。激活自噬可以加速错误折叠蛋白Aβ、Tau蛋白的清除保护神经系统，然而，随着疾病的进展，蛋白质聚集物越来越多，对溶酶体蛋白酶降解的敏感性下降，自噬的持续性激活可能会引发自噬性细胞死亡，从而促进神经元的死亡，也有学者认为自噬普遍增加可能是AD大脑中Aβ过量的重要来源。因此以自噬为靶点研究AD需要更多的基础研究和临床研究，这也为深入研究AD提供了更广泛的思路。