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(jìn)展性的。其病理特點(diǎn)為特定神經(jīng)核團(tuán)萎縮變性,神經(jīng)元丟失。此類(lèi)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(guò)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(jī)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?chē)h(huán)境不同復(fù)雜多變。因此,充分了解自噬的確切功能對(duì)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(diǎn)綜述自噬在AD和PD發(fā)病機(jī)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(guò)程。依據(jù)降解物進(jìn)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(guò)程分為三個(gè)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(guò)細(xì)胞骨架微管系統(tǒng)將內(nèi)容物運(yùn)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(guò)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(guò)程相對(duì)復(fù)雜:胞漿中分子伴侶(如熱休克蛋白70,HSP70)先識(shí)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(jìn)入腔內(nèi),再由腔內(nèi)的二級(jí)分子伴侶對(duì)底物轉(zhuǎn)運(yùn),最終被水解酶降解。目前大自噬的分子機(jī)制研究最為深入。三種途徑顯著區(qū)別在于,唯有大自噬過(guò)程有自噬體的形成。下文無(wú)特殊說(shuō)明的自噬均指大自噬。2gs其編碼的自噬相關(guān)蛋白自噬機(jī)制具有保守性,在哺乳動(dòng)物中的機(jī)制與酵母中的類(lèi)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(chēng)隔離膜。隨后自噬體與溶酶體融合,達(dá)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(guò)程中發(fā)揮重要作用。如Atg12-Atg5和Atg8介導(dǎo)自噬體膜延長(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)制的重要調(diào)控物,在營(yíng)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(guò)磷酸化Tau蛋白成為近些年的研究靶點(diǎn)。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(dòng)的機(jī)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(guò)表達(dá)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(dá)到減輕癥狀,延長(zhǎng)小鼠壽命的療效。值得一提的是,不同長(zhǎng)度的Tau蛋白通過(guò)不同的自噬方式降解。例如,全長(zhǎng)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?cái)郥au蛋白則通過(guò)CMA機(jī)制轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體。Jaeger從相反的實(shí)驗(yàn)角度證實(shí),在AD患者中,自噬啟動(dòng)的重要調(diào)控因子—Beclin-1表達(dá)顯著降低。Beclin-1表達(dá)降低又進(jìn)一步促進(jìn)Aβ,APP以及APP-CTFs過(guò)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(mǎn)爭(zhēng)議。有實(shí)驗(yàn)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(shí)大量研究表明,Aβ很可能由自噬小體產(chǎn)生。通過(guò)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(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí),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(lái)源。以上實(shí)驗(yàn)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(guò)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(jìn)一步探索。4研究熱點(diǎn)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(diǎn)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(jiǎn)介細(xì)胞自噬在其中的影響。4.1對(duì)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(shí)別的LC-3Ⅱ。上述相互作用促使圍繞在聚集物周?chē)淖允赡ば纬?從而達(dá)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(huì)導(dǎo)致突變型α-syn水平不同程度的提高。另一方面,CMA對(duì)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(guò)對(duì)LAMP2A產(chǎn)生高親和力來(lái)抑制CMA途徑。α-syn也可通過(guò)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(guò)保護(hù)大自噬和CMA的功能很可能成為對(duì)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(dá)自噬還在LRRK2突變所帶來(lái)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(dá)皆增加。有趣的是,LRRK2表達(dá)與自噬通路間存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。在幼年動(dòng)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(dá)。類(lèi)似實(shí)驗(yàn)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(jiàn),LRRK2很可能對(duì)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(xiàn)粒體自噬中也發(fā)揮一定作用。研究表明,正常的長(zhǎng)鏈PINK1蛋白在線(xiàn)粒體膜中積聚,能夠促使parkin誘導(dǎo)線(xiàn)粒體發(fā)生自噬。相反,W437X突變型PINK1蛋白與Beclin-1結(jié)合,對(duì)自噬產(chǎn)生抑制作用。但具體的分子機(jī)制還有待實(shí)驗(yàn)者的進(jìn)一步研究。5自噬對(duì)a蛋白及pd的作