自噬與神經退行性病變的研究進展

吳冬金，莫文斌

（中國醫科大學，遼寧 沈陽 110000）

1 自噬

自噬是在43年前由Christian de Duve首次提出的，是一種以大量聚集的自噬泡和沒有細胞核固縮為特征的細胞死亡途徑［1］。自噬有三種方式：小自噬、分子伴侶介導的自噬和巨噬［2］。自噬包括三個過程：自噬體形成，自噬體的成熟以及與溶酶體的融合，內容物的降解。

1.1 自噬體的形成

在酵母與哺乳動物中，幾個高度保守的自噬相關基因參與到這個過程中［3］。自噬由mTOR依賴或mTOR獨立的途徑誘導。一旦自噬被誘導之后就形成了一層隔離膜，隔離細胞器。隔離膜包含Beclin1、Ambra1和UVRAG［4］。研究表明從內質網到高爾基體的膜轉運COPII參與自噬體形成［5］。此外，Trs85參與巨噬和過氧化物酶介導的自噬，并且引導酵母選擇性細胞液中液泡的定位［6］。

1.2 自噬體的成熟以及與溶酶體的融合

自噬體形成后，他們經過與內涵體或多泡小體的融合，再與溶酶體融合為成熟的自噬溶酶體。其中SNARE、Rab蛋白、ESCRT復合物、Vps4和Fab1介導自噬體與內涵體，多泡小體，溶酶體的融合［7］。融合取決于 Vps4／SKD1and Rab11［8］。最近的研究表明，HOPS復合物能增強自噬小體與內涵體的融合［9］。Hrs或者ESCRT III復合物的亞基的丟失或者功能喪失，自噬小體的成熟過程就會受損。而SNARE也是酵母自噬小體與液泡融合所必須的［10］。

1.3 內容物的降解

自噬溶酶體通過溶酶體水解酶降解溶酶體內的蛋白與細胞器。自噬的每一個步驟都是嚴格規范的并且都是自噬的關鍵，其中任何步驟出現問題都將造成自噬的損傷并導致疾病。

2 神經退行性病變

神經退行性疾病是一類由于神經元進行性變性死亡，導致人體中樞神經系統等受損，影響患者的認知功能和運動功能，包括阿爾茨海默AD、亨廷頓病HD、帕金森病PD等。

2.1 阿爾茲海默病AD

AD是中樞神經系統一種常見的退行性疾病，臨床上主要表現為進行性記憶力減退、智力下降，伴有或不伴有輕度神經系統體征。其病理特征為神經細胞內的神經纖維纏結，細胞結構中的神經斑以及皮層動脈和小動脈的血管淀粉樣變性。AD患者中tau蛋白發生異常的高度磷酸化，導致患者腦中神經纖維纏結形成［11］。此外，突變的β淀粉樣蛋白大量聚集。以上蛋白的聚集最終導致AD的發生。

2.2 亨廷頓病HD

這是一種遲發性神經退行性遺傳病，該病主要侵害基底節和大腦皮質，具有高度的區域選擇性。亨廷頓舞蹈癥的主要臨床癥狀是舞蹈樣動作。HD基因編碼由3144個氨基酸組成亨廷頓蛋白（huntingtin，Htt）。從Htt氨基末端第17位氨基酸殘基開始有一段重復的CAG序列，該序列重復次數大于35時就會產生HD病癥。

2.3 帕金森病PD

帕金森病是漸進的黑質多巴胺能神經元的損失以及其他神經細胞功能障礙導致自主認知功能障礙的疾病。α－Synuclein被認為是PD致病的候選基因。當α－Synuclein蛋白A53T和A30p發生點突變后，α－Synuclein的α螺旋被破壞而形成β片層結構，導致蛋白質的自身聚集，聚集后形成的路易小體（Lewy body）是帕金森病患者發生癡呆的主要神經病理學基礎。

3 自噬在神經退行性病變中的作用

自噬與神經退行性病變密切相關，自噬的失調對神經退行性病變的發生發展起重要作用。成人發生神經退行性病變的一個共同的特點是神經元細胞中細胞質成分的堆積。在阿爾茲海默中是tau蛋白的堆積，在帕金森中是αsynuclein的堆積，在亨廷頓中是突變蛋白的堆積。這些病變的共同點是自噬在這些疾病當中的降解水平［12］。

自噬清除有聚集傾向的蛋白，這對于神經元這種不可分裂的細胞是必不可少的。神經元的自噬在過去認為是處于非活化的水平。然而，最近的研究提出自噬在不分裂的神經元中的基礎水平是十分重要的。具有基礎活性的自噬體清除細胞內散在蛋白這一功能對于防止異常蛋白的聚集作用重大［13］。

3.1 自噬相關基因與AD

TOR信號是細胞生長的調控因子，促進細胞死亡；而自噬，是TOR的負調控，保護細胞不死亡。自噬體的形成嚴格受細胞內和細胞外氨基酸含量和ATP含量的調節，并通過TOR營養感應激酶的信號通路來實現［14］。

Ab1－42被廣泛認為在AD的發展過程中起原因性的角色，它引起大量的自噬小泡的聚集，隨著年齡的增加，其功能也逐漸減退。Ab1－42功能的減退導致自噬溶酶體的損傷，進而引發 AD［15］。

beclin－1是自噬中的重要角色，在早期AD的進程中，在受影響的腦部區域中是減少的。在表達淀粉樣蛋白前提蛋白（APP）的轉基因小鼠中，基因性的beclin－1表達的減少增加了神經元內淀粉樣蛋白的聚集。在APP轉基因小鼠中，質粒表達beclin1，減少細胞內外的淀粉樣病變。相反，增加Beclin的表達使得AD轉基因小鼠神經元淀粉樣蛋白聚集的病理現象減輕，因此增加beclin－1水平可能成為潛在的 AD 的治療方案［16］。

3.2 自噬相關基因與HD

研究表明，突變亨廷頓（Htt）的轉錄后修飾，賴氨酸殘基444（K444）的乙酰化作用，可以達到清除細胞內聚集蛋白的作用。增加K444的乙酰化促進突變Htt形成自噬體，這大大提高了巨噬清除蛋白突變體的作用。與此相反，突變Htt的抗乙酰化的大幅積累，可導致培養的神經元和小鼠大腦神經元的神經退行性變。

此外，P62／SQSTM1與LC3的相互作用，對聚集蛋白質的清除起重要作用。P62蛋白水平的降低在極大程度上增強了突變Htt介導的細胞死亡。P62在乙酰化突變的Htt中也起作用［17］。

3.3 自噬相關基因與PD

PD病中，黑質紋狀體中多巴胺神經元的死亡與內涵體中的α－synuclein相關。自噬通過PINK1與PD相關，在常染色體隱性的PD中，PINK1發生突變。全長的PINK1與Beclin的相互作用是自噬的一個正性介質。PINK1的一個突變（W437X）無法與Beclin正常作用，因而無法增強自噬水平。α－synuclein的過度表達導致溶酶體的聚集和自噬體的改變。Beclin 1在LC3的過度表達和α－synuclein的聚集可部分被3－MA阻斷或者完全被bafilomycin A1阻斷。Parkin，作為常染色體隱性遺傳PD的另一個突變，同時也是自噬體吞噬無功能線粒體的一個信號［18］。

3.4 線粒體中和自噬相關的基因與神經退行性病變的關系

在人類組織研究、細胞培養、體內遺傳和毒素模型中發現線粒體穩態變化與帕金森有關。編碼PTEN誘導的激酶1基因（PINK1）的突變——Omi／HtrA2和parkin對帕金森病神經退行性變罕見的形式起決定性作用。PINK1，Omi／HtrA2和parkin參加不同層次的線粒體質量的控制，維持正常的線粒體表型。PINK1是典型的（絲氨酸／蘇氨酸）蛋白激酶的組分，受一個典型的N－末端線粒體定位序列的調控［19］。然而有趣的是，與 PD 相關的編碼 α－synuclein，LRRK2和parkin的基因至少部分定位在線粒體上，雖然這些線粒體蛋白缺乏規范的線粒體定位序列［20］。

4 結語

神經退行性疾病的發病率不斷升高，現在的常規治療方法只能對癥狀進行緩解，所以建立一種新的從根本上對神經退行性疾病進行治療的方法極其重要。自噬在神經退行性病變中的作用越來越受重視，越來越多的研究闡明了自噬的機制。現在就細胞自噬能清除長期存在和易形成聚集傾向的突變蛋白，對神經退行性疾病具有治療的效果已經取得了共識。但是目前關于細胞自噬的研究還停留在細胞水平，進入臨床應用還需要時間。雖然現在還有很多未知的問題有待解決，但隨著細胞自噬研究的不斷深入，我們會找到更好的神經退行性疾病的治療方法。

［1］SCARLATTI F，GRANATA R，MEIJER AJ，CODOGNO P.Does autophagy have a license to kill mammalian cells［J］.Cell Death Differ，2009，16（1）：12－20.

［2］MIZUSHIMA N，LEVINE B，CUERVO AM，KLIONSKY DJ.Autophagy fights disease through cellular self－digestion［J］.Nature，2008，451（7182）：1069－1075.

［3］KROEMER G，LEVINE B.Autophagic cell death：the story of a misnomer［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2008，9（12）：1004－1010.

［4］KLIONSKY DJ.Autophagy：from phenomenology to molecular understanding in less than a decade［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8（11）：931－937.

［5］HAMASAKI M，NODA T，OHSUMI Y.The early secretory pathway contributes to autophagy in yeast［J］.Cell Struct Funct，2003，28（1）：49－54.

［6］MEILING－WESSE K，EPPLE UD，KRICK R，et al.Trs85（Gsg1），a component of the TRAPP complexes，is required for the organization of the preautophagosomal structure during selective autophagy via the Cvt pathway［J］.J Biol Chem，2005，280（39）：33669－33678.

［7］ESKELINEN EL.New insights into the mechanisms of macroautophagy in mammalian cells［J］.Int.Rev Cell Mol Biol，2008，266：207－217.

［8］FADER CM，SANCHEZ D M，FURLAN M，et al.Induction of autophagy promotes fusion of multivesicular bodies with autophagic vacuoles in k562cells［J］.Traffic，2008，9（2）：230－250.

［9］LIANG C，LEE JS，INN KS，et al.Beclin1－binding UVRAG targets the class C Vps complex to coordinate autophagosome maturation and endocytic trafficking［J］.Nat Cell Biol，2008，10（7）：776－787.

［10］FILIMONENKO M，STUFFERS S，RAIBORG C，et al.Functional multivesicular bodies are required for autophagic clearance of protein aggregates associated with neurodegenerative disease［J］.J Cell Biol，2007，179（3）：485－500.

［11］STRITTMATTER W J，ROSE A D.Proc.Natl［J］.Acad.Sci.USA，1995，92（11）：4725－4727.

［12］MENZIES FM，RAVIKUMAR B，RUBINSZTEIN DC.Protective roles for induction of autophagy in multiple proteinopathies［J］.Autophagy，2006，2（3）：224－225.

［13］KOMATSU M，WAGUI S，CHIBA T，et al.Loss of autophagy in the central nervous system causes neurodegeneration in mice［J］.Nature，2006，441（7095）：880－884.

［14］SCOTT RC，SCHULDINER O，NEUFELD TP.Role and regulation of starvation－induced autophagy in the Drosophila fat body［J］.Dev Cell，2004，7（2）：167－178.

［15］LING D，SONG HJ，GARZA D，et al.Abeta42－Induced Neu－rodegeneration via an Age－Dependent Autophagic－Lysosomal Injuryin Drosophila［J］.PLoS ONE，2009，4（1）：4201.

［16］PICKFORD F，MASLIAH E，BRITACHGI M，et al.The autophagy－related protein beclin 1shows reduced expression in early Alzheimer disease and regulates amyloidβaccumulation in mice［J］.J Clin Invest.，2008，118（6）：2190－2199.

［17］JEONG H，THEN F，MELIA TJ JR，et al.Acetylation Targets Mutant Huntingtin to Autophagosomes for Degradation［J］.Cell，2009，137（1）：60－72.

［18］DAGDA RK，CHERRA SJ 3RD，KULICH SM，et al.Loss of PINK1function promotes mitophagy through effects on oxidative stress and mitochondrial fission［J］.J Biol Chem，2009，284（20）：13843－13855.

［19］MILLS RD，SIM CH，MOK SS，et al.Biochemical aspects of the neuroprotective mechanism of PTEN－induced kinase－1（PINK1）［J］.J Neurochem，2008，105（1）：18－33.

［20］NARENDRA D，TANAKA A，SUEN DF.Youle RJ Parkin is recruited selectively to impaired mitochondria and promotes their autophagy［J］.J Cell Biol，2008，183（5）：795－803.