神經(jīng)退行性疾病與自噬功能的相關(guān)性

神經(jīng)退行性疾病與自噬功能的相關(guān)性

許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病都是進展性的。其病理特點為特定神經(jīng)核團萎縮變性,神經(jīng)元丟失。此類神經(jīng)元的丟失多伴有星形膠質(zhì)細(xì)胞增生,神經(jīng)膠質(zhì)過多以及特定的病理沉積。如阿爾茲海默病(Alzheimerdisease,AD)中老年斑(senileplaques,SP)和帕金森病(Parkinsondisease,PD)中路易小體(Lewybody)的形成。自噬廣泛存在于真核細(xì)胞內(nèi),作為一種有效降解變性蛋白及受損老化細(xì)胞器的機制,在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮著重要作用。但是,細(xì)胞自噬在神經(jīng)退行性疾病中扮演的角色隨著周圍環(huán)境不同復(fù)雜多變。因此,充分了解自噬的確切功能對于神經(jīng)退行性疾病的治療和預(yù)防具有重要意義。下文重點綜述自噬在AD和PD發(fā)病機制中的作用。1大自噬的原理自噬(autophagy)是細(xì)胞在能量代謝缺乏,應(yīng)激狀態(tài)下的一種分解代謝過程。依據(jù)降解物進入溶酶體的途徑不同,可以將自噬劃分為大自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)。大自噬的發(fā)生過程分為三個階段:首先,在應(yīng)激狀態(tài)下,胞質(zhì)成分被囊泡樣雙層膜結(jié)構(gòu)包裹形成自噬體;然后,自噬體通過細(xì)胞骨架微管系統(tǒng)將內(nèi)容物運送至溶酶體并與溶酶體融合,形成自噬溶酶體;最終,自噬體被溶酶體內(nèi)的水解酶消化降解,其降解產(chǎn)物在胞內(nèi)再循環(huán)利用。小自噬過程為溶酶體膜自身變形內(nèi)陷,直接從胞漿中攝取底物降解。CMA過程相對復(fù)雜:胞漿中分子伴侶(如熱休克蛋白70,HSP70)先識別靶蛋白上的特定五肽序列(KFERO)并構(gòu)成復(fù)合物,然后與溶酶體相關(guān)蛋白2A型(Lysosomal-associatedmembraneprotein,LAMP-2A)結(jié)合,使靶蛋白進入腔內(nèi),再由腔內(nèi)的二級分子伴侶對底物轉(zhuǎn)運,最終被水解酶降解。目前大自噬的分子機制研究最為深入。三種途徑顯著區(qū)別在于,唯有大自噬過程有自噬體的形成。下文無特殊說明的自噬均指大自噬。2gs其編碼的自噬相關(guān)蛋白自噬機制具有保守性,在哺乳動物中的機制與酵母中的類似。自噬起始于包繞部分細(xì)胞質(zhì)的自噬前體結(jié)構(gòu)(Preautophagosomalstructure,PAS),然后逐漸形成具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體,也稱隔離膜。隨后自噬體與溶酶體融合,達到內(nèi)容物被水解酶消化的結(jié)果。自噬相關(guān)基因(ATGs)及其編碼的自噬相關(guān)蛋白(Atg1~Atg35)在自噬過程中發(fā)揮重要作用。如Atg12-Atg5和Atg8介導(dǎo)自噬體膜延長和自噬的起始。而隔離膜的形成需要Atg6(Beclin-1為Atg6的直系同源物)和PI3K介導(dǎo)。Atg2、Atg9和Atg18能夠介導(dǎo)Atg蛋白與自噬體分離的循環(huán)通路。Atg22則是一種空泡透性酶,使氨基酸從降解腔隙中流出。與泛素化-蛋白酶體途徑(ubiquitinproteasmesystem,UPS)主要清除短壽命蛋白質(zhì)不同的是,自噬負(fù)責(zé)長壽命蛋白和破損細(xì)胞器的降解。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)激酶是這種降解機制的重要調(diào)控物,在營養(yǎng)豐富的條件下關(guān)閉自噬系統(tǒng)。施加雷帕霉素能夠抑制mTOR活性,促使Atg13去磷酸化和Atg1活化,發(fā)揮抑制核糖體蛋白質(zhì)(p70S6)活性,誘導(dǎo)自噬的發(fā)生。Beclin-1介導(dǎo)下隔離膜的形成,受抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL負(fù)性調(diào)控和Ambra-1、UVRAG、Bif-1正性調(diào)節(jié)。3老年斑中的神經(jīng)元/nftsAD的病理變化為大腦皮質(zhì)萎縮,伴有淀粉樣β蛋白(amyloid-βprotein,Aβ)沉積,神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFTs),記憶性神經(jīng)元數(shù)目減少以及老年斑形成。其中,老年斑中的主要沉積物Aβ以及誘發(fā)NFTs產(chǎn)生的過磷酸化Tau蛋白成為近些年的研究靶點。自噬作為主要的蛋白質(zhì)降解途徑,在AD發(fā)生發(fā)展中起著截然相反的雙向作用。3.1tau蛋白自噬活動的機制可溶性Tau蛋白以及NFTs的降解需要自噬參與。施加自噬抑制劑3-MA可以誘導(dǎo)Tau蛋白的聚集和Tau蛋白介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。在Tau蛋白過表達的小鼠模型中,施加自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素可以有效降低Tau蛋白的再聚集以及其介導(dǎo)的神經(jīng)毒,從而達到減輕癥狀,延長小鼠壽命的療效。值得一提的是,不同長度的Tau蛋白通過不同的自噬方式降解。例如,全長Tau蛋白易被大自噬優(yōu)先降解;而具有重復(fù)結(jié)構(gòu)域的截斷Tau蛋白則通過CMA機制轉(zhuǎn)運至溶酶體。Jaeger從相反的實驗角度證實,在AD患者中,自噬啟動的重要調(diào)控因子—Beclin-1表達顯著降低。Beclin-1表達降低又進一步促進Aβ,APP以及APP-CTFs過多累積。綜上所述,自噬在清除Tau蛋白以及影響Aβ代謝中起到重要作用。3.2自噬在ad中的作用雖然自噬能夠清除異常蛋白,但是自噬在AD中扮演的角色仍充滿爭議。有實驗顯示,自噬小體在神經(jīng)突觸前大量堆積,孤立突觸小體,從而干擾神經(jīng)元正常生理功能,并促使AD在亞臨床階段的發(fā)展。同時大量研究表明,Aβ很可能由自噬小體產(chǎn)生。通過免疫標(biāo)記和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)分離的方法發(fā)現(xiàn),自噬小體中不僅存在Aβ,還包括APP、APP-CTFs和γ-分泌酶復(fù)合物。從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中提取γ-分泌酶復(fù)合物至自噬小體,能夠高度誘導(dǎo)自噬效應(yīng)以及Aβ的產(chǎn)生。體外實驗也進一步證實,γ-分泌酶復(fù)合物具有促使自噬小體內(nèi)的APP-CTFs轉(zhuǎn)化為Aβ的作用。因此,自噬小體很可能是AD患者中Aβ生成的重要來源。以上實驗結(jié)果顯示了自噬在AD中發(fā)揮的復(fù)雜作用。一方面,自噬參與Tau蛋白降解過程;而另一方面,自噬卻很可能是Aβ蛋白的產(chǎn)生源頭。究竟哪方面的影響更大,有待學(xué)者的進一步探索。4研究熱點分析PD的病理變化以黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元變性缺失和路易小體(Lewybody)形成為主。近幾年的研究熱點集中在α-突觸核蛋白(α-synucein,α-syn)、富亮氨酸重復(fù)激酶2(leucimerichrepeatkinase2,LRRK2)以及PD相關(guān)基因PINK1、parkin等方面。下文將簡介細(xì)胞自噬在其中的影響。4.1對不溶-syn的降解在正常生理狀況下,α-syn是一種可溶性蛋白質(zhì),形成穩(wěn)定的α螺旋結(jié)構(gòu)。但是一部分PD患者的α-syn突變形成β折疊,從而導(dǎo)致其不溶聚集。大自噬作為胞內(nèi)唯一的有效途徑(有別于UPS和CMA僅可降解可溶性蛋白質(zhì)),在降解不溶α-syn中起到關(guān)鍵作用。由大自噬降解的聚集物包括選擇性泛素化蛋白和隨之被接頭蛋白識別的LC-3Ⅱ。上述相互作用促使圍繞在聚集物周圍的自噬膜形成,從而達到聚集物被自噬小體完全包裹,最終被溶酶體消化降解的結(jié)果。大自噬的激活能夠介導(dǎo)多種病理性α-syn的降解。相反,選擇性抑制大自噬也會導(dǎo)致突變型α-syn水平不同程度的提高。另一方面,CMA對野生型α-syn的降解是必需的。A53T和A30P突變型α-syn(引起家族性PD),通過對LAMP2A產(chǎn)生高親和力來抑制CMA途徑。α-syn也可通過抑制CMA介導(dǎo)的再生因子MEF2D降解而導(dǎo)致PD的神經(jīng)死亡。綜上所述,通過保護大自噬和CMA的功能很可能成為對抗PD的一種有效治療方法。4.2合成纖維/參與小體自噬相關(guān)基因表達自噬還在LRRK2突變所帶來的致病效應(yīng)中起到一定的作用。研究表明,突變的LRRK2能夠引起神經(jīng)元變短,分枝稀少。在散發(fā)性和遺傳性帕金森病的路易小體和神經(jīng)突觸中,LRRK2表達皆增加。有趣的是,LRRK2表達與自噬通路間存在著千絲萬縷的關(guān)系。在幼年動物模型中,RNA介導(dǎo)下敲低LRRK2能夠誘導(dǎo)自噬潮的產(chǎn)生。相反,敲低重要的自噬組件LC-3II或Atg7能影響神經(jīng)突觸上G2019S突變型LRRK2的表達。類似實驗結(jié)果顯示,野生型和G2019S突變型LRRK2細(xì)胞中出現(xiàn)脂肪滴以及自噬小體樣物質(zhì)的堆積,暗示自噬-溶酶體系統(tǒng)的正常生理功能受到干擾。由此可見,LRRK2很可能對自噬起到抑制作用從而誘導(dǎo)PD發(fā)生。除此之外,PD相關(guān)基因PINK1和parkin在線粒體自噬中也發(fā)揮一定作用。研究表明,正常的長鏈PINK1蛋白在線粒體膜中積聚,能夠促使parkin誘導(dǎo)線粒體發(fā)生自噬。相反,W437X突變型PINK1蛋白與Beclin-1結(jié)合,對自噬產(chǎn)生抑制作用。但具體的分子機制還有待實驗者的進一步研究。5自噬對a蛋白及pd的作