神经退行性疾病与自噬功能的相关性

神经退行性疾病与自噬功能的相关性

许多中枢神经系统退行性疾病都是进展性的。其病理特点为特定神经核团萎缩变性,神经元丢失。此类神经元的丢失多伴有星形胶质细胞增生,神经胶质过多以及特定的病理沉积。如阿尔兹海默病(Alzheimerdisease,AD)中老年斑(senileplaques,SP)和帕金森病(Parkinsondisease,PD)中路易小体(Lewybody)的形成。自噬广泛存在于真核细胞内,作为一种有效降解变性蛋白及受损老化细胞器的机制,在神经退行性疾病中发挥着重要作用。但是,细胞自噬在神经退行性疾病中扮演的角色随着周围环境不同复杂多变。因此,充分了解自噬的确切功能对于神经退行性疾病的治疗和预防具有重要意义。下文重点综述自噬在AD和PD发病机制中的作用。1大自噬的原理自噬(autophagy)是细胞在能量代谢缺乏,应激状态下的一种分解代谢过程。依据降解物进入溶酶体的途径不同,可以将自噬划分为大自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)。大自噬的发生过程分为三个阶段:首先,在应激状态下,胞质成分被囊泡样双层膜结构包裹形成自噬体;然后,自噬体通过细胞骨架微管系统将内容物运送至溶酶体并与溶酶体融合,形成自噬溶酶体;最终,自噬体被溶酶体内的水解酶消化降解,其降解产物在胞内再循环利用。小自噬过程为溶酶体膜自身变形内陷,直接从胞浆中摄取底物降解。CMA过程相对复杂:胞浆中分子伴侣(如热休克蛋白70,HSP70)先识别靶蛋白上的特定五肽序列(KFERO)并构成复合物,然后与溶酶体相关蛋白2A型(Lysosomal-associatedmembraneprotein,LAMP-2A)结合,使靶蛋白进入腔内,再由腔内的二级分子伴侣对底物转运,最终被水解酶降解。目前大自噬的分子机制研究最为深入。三种途径显著区别在于,唯有大自噬过程有自噬体的形成。下文无特殊说明的自噬均指大自噬。2gs其编码的自噬相关蛋白自噬机制具有保守性,在哺乳动物中的机制与酵母中的类似。自噬起始于包绕部分细胞质的自噬前体结构(Preautophagosomalstructure,PAS),然后逐渐形成具有双层膜结构的自噬体,也称隔离膜。随后自噬体与溶酶体融合,达到内容物被水解酶消化的结果。自噬相关基因(ATGs)及其编码的自噬相关蛋白(Atg1~Atg35)在自噬过程中发挥重要作用。如Atg12-Atg5和Atg8介导自噬体膜延长和自噬的起始。而隔离膜的形成需要Atg6(Beclin-1为Atg6的直系同源物)和PI3K介导。Atg2、Atg9和Atg18能够介导Atg蛋白与自噬体分离的循环通路。Atg22则是一种空泡透性酶,使氨基酸从降解腔隙中流出。与泛素化-蛋白酶体途径(ubiquitinproteasmesystem,UPS)主要清除短寿命蛋白质不同的是,自噬负责长寿命蛋白和破损细胞器的降解。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)激酶是这种降解机制的重要调控物,在营养丰富的条件下关闭自噬系统。施加雷帕霉素能够抑制mTOR活性,促使Atg13去磷酸化和Atg1活化,发挥抑制核糖体蛋白质(p70S6)活性,诱导自噬的发生。Beclin-1介导下隔离膜的形成,受抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-XL负性调控和Ambra-1、UVRAG、Bif-1正性调节。3老年斑中的神经元/nftsAD的病理变化为大脑皮质萎缩,伴有淀粉样β蛋白(amyloid-βprotein,Aβ)沉积,神经元纤维缠结(NFTs),记忆性神经元数目减少以及老年斑形成。其中,老年斑中的主要沉积物Aβ以及诱发NFTs产生的过磷酸化Tau蛋白成为近些年的研究靶点。自噬作为主要的蛋白质降解途径,在AD发生发展中起着截然相反的双向作用。3.1tau蛋白自噬活动的机制可溶性Tau蛋白以及NFTs的降解需要自噬参与。施加自噬抑制剂3-MA可以诱导Tau蛋白的聚集和Tau蛋白介导的神经毒性。在Tau蛋白过表达的小鼠模型中,施加自噬诱导剂雷帕霉素可以有效降低Tau蛋白的再聚集以及其介导的神经毒,从而达到减轻症状,延长小鼠寿命的疗效。值得一提的是,不同长度的Tau蛋白通过不同的自噬方式降解。例如,全长Tau蛋白易被大自噬优先降解;而具有重复结构域的截断Tau蛋白则通过CMA机制转运至溶酶体。Jaeger从相反的实验角度证实,在AD患者中,自噬启动的重要调控因子—Beclin-1表达显著降低。Beclin-1表达降低又进一步促进Aβ,APP以及APP-CTFs过多累积。综上所述,自噬在清除Tau蛋白以及影响Aβ代谢中起到重要作用。3.2自噬在ad中的作用虽然自噬能够清除异常蛋白,但是自噬在AD中扮演的角色仍充满争议。有实验显示,自噬小体在神经突触前大量堆积,孤立突触小体,从而干扰神经元正常生理功能,并促使AD在亚临床阶段的发展。同时大量研究表明,Aβ很可能由自噬小体产生。通过免疫标记和亚细胞结构分离的方法发现,自噬小体中不仅存在Aβ,还包括APP、APP-CTFs和γ-分泌酶复合物。从内质网(ER)中提取γ-分泌酶复合物至自噬小体,能够高度诱导自噬效应以及Aβ的产生。体外实验也进一步证实,γ-分泌酶复合物具有促使自噬小体内的APP-CTFs转化为Aβ的作用。因此,自噬小体很可能是AD患者中Aβ生成的重要来源。以上实验结果显示了自噬在AD中发挥的复杂作用。一方面,自噬参与Tau蛋白降解过程;而另一方面,自噬却很可能是Aβ蛋白的产生源头。究竟哪方面的影响更大,有待学者的进一步探索。4研究热点分析PD的病理变化以黑质致密部多巴胺能神经元变性缺失和路易小体(Lewybody)形成为主。近几年的研究热点集中在α-突触核蛋白(α-synucein,α-syn)、富亮氨酸重复激酶2(leucimerichrepeatkinase2,LRRK2)以及PD相关基因PINK1、parkin等方面。下文将简介细胞自噬在其中的影响。4.1对不溶-syn的降解在正常生理状况下,α-syn是一种可溶性蛋白质,形成稳定的α螺旋结构。但是一部分PD患者的α-syn突变形成β折叠,从而导致其不溶聚集。大自噬作为胞内唯一的有效途径(有别于UPS和CMA仅可降解可溶性蛋白质),在降解不溶α-syn中起到关键作用。由大自噬降解的聚集物包括选择性泛素化蛋白和随之被接头蛋白识别的LC-3Ⅱ。上述相互作用促使围绕在聚集物周围的自噬膜形成,从而达到聚集物被自噬小体完全包裹,最终被溶酶体消化降解的结果。大自噬的激活能够介导多种病理性α-syn的降解。相反,选择性抑制大自噬也会导致突变型α-syn水平不同程度的提高。另一方面,CMA对野生型α-syn的降解是必需的。A53T和A30P突变型α-syn(引起家族性PD),通过对LAMP2A产生高亲和力来抑制CMA途径。α-syn也可通过抑制CMA介导的再生因子MEF2D降解而导致PD的神经死亡。综上所述,通过保护大自噬和CMA的功能很可能成为对抗PD的一种有效治疗方法。4.2合成纤维/参与小体自噬相关基因表达自噬还在LRRK2突变所带来的致病效应中起到一定的作用。研究表明,突变的LRRK2能够引起神经元变短,分枝稀少。在散发性和遗传性帕金森病的路易小体和神经突触中,LRRK2表达皆增加。有趣的是,LRRK2表达与自噬通路间存在着千丝万缕的关系。在幼年动物模型中,RNA介导下敲低LRRK2能够诱导自噬潮的产生。相反,敲低重要的自噬组件LC-3II或Atg7能影响神经突触上G2019S突变型LRRK2的表达。类似实验结果显示,野生型和G2019S突变型LRRK2细胞中出现脂肪滴以及自噬小体样物质的堆积,暗示自噬-溶酶体系统的正常生理功能受到干扰。由此可见,LRRK2很可能对自噬起到抑制作用从而诱导PD发生。除此之外,PD相关基因PINK1和parkin在线粒体自噬中也发挥一定作用。研究表明,正常的长链PINK1蛋白在线粒体膜中积聚,能够促使parkin诱导线粒体发生自噬。相反,W437X突变型PINK1蛋白与Beclin-1结合,对自噬产生抑制作用。但具体的分子机制还有待实验者的进一步研究。5自噬对a蛋白及pd的作