基于線粒體自噬治療阿爾茨海默癥的藥物及機制研究進展

毛婉一,張雨萌,黎靜,張梓怡,李佳暉,汪思,劉奕辰,季鵬,許龍

(泰州學院 醫藥與化學化工學院,江蘇 泰州 225300)

1 線粒體自噬

線粒體自噬(Mitophagy)屬于自噬的一種重要類型,是細胞自噬裝置對線粒體的靶向吞噬和破壞,通常被認為是線粒體質量控制的主要方法。Mitophagy也是一種選擇性地清除多余、受損或不完整線粒體的過程,對線粒體的完整性和主要功能有一定的保護作用,以確保線粒體正常生理活動地進行[1]。在目前的研究中,Mitophagy的經典途徑主要包括以下兩種:PINK1/Parkin通路和受體介導。PINK1/Parkin通路是介導線粒體自噬的最經典途徑,PINK1和Parkin的相互協調可調控線粒體的自噬。正常情況下,PINK1由于其表達水平極低而無法被檢測到,但因線粒體受損失去呼吸鏈產生的膜電位,使PINK1大量聚集[2]。所以,PINK1被認為具有作為線粒體損傷主要探測器的潛力。當線粒體受損后電勢降低,外膜去極化,PINK1穩定存在于線粒體外膜(OMM)。隨后PINK1在MMO上絲氨酸228和絲氨酸402位點發生自體磷酸化,為Parkin招募提供條件。活化后的PINK1再對泛素進行磷酸化,隨后進行Parkin招募。此時PINK1促進Parkin活化,進一步促進線粒體自噬。多聚泛素鏈隨后被PINK1磷酸化,作為自噬機制的信號。適配器蛋白(p62,OPTN,NDP52)識別線粒體蛋白上磷酸化的多聚泛素鏈,并通過與微管相關蛋白輕鏈3(LC3)結合,啟動自噬體形成。自噬體與溶酶體融合后,溶酶體水解酶能夠降解自噬體內容物。在受體介導方面,Nix和FUNDC1分別介導的線粒體自噬是最常見的兩種受體介導。Nix又被稱為Bnip3L,它在多種腫瘤中發揮著抑癌作用,如:抗癌藥物KP46能夠特異性地激動Nix依賴的線粒體自噬進而發揮抑癌作用。FUNDC1作為線粒體自噬受體分子,在缺氧條件的刺激下通過其LIR區域與LC3相互作用介導線粒體自噬過程[3]。

2 線粒體自噬在AD中的作用機制

阿爾茲海默癥(AD)作為神經退行性疾病中典型病例,其主要發病機制是β-淀粉樣蛋白(Aβ)生成與清除失衡和Tau蛋白的高度磷酸化導致神經元纖維纏結。近來有研究者發現在AD損傷神經元中出現了異常的線粒體自噬,這一研究現象表明線粒體自噬功能的失調可能是AD的發病機制之一。

線粒體自噬通過自噬選擇性清除受損線粒體及時清除損傷的線粒體,對維持細胞正常生理功能具有重要的作用。同時,線粒體自噬具有細胞特異性,他作為“細胞中的廢物處理系統”,在保護機體正常生理活動中有重要地位。實驗表明,線粒體自噬在AD發病早期時其自噬/溶酶體通路正常,適當的自噬功能對大腦神經是一種保護機制,但當后期通路發生異常時,線粒體的功能也會出現障礙,會對大腦產生加劇損傷的后果[4-5]。在AD患者的神經元中,當β-淀粉樣蛋白(Aβ)和Tau蛋白積累時,線粒體會發生一定程度的損傷,輕微損傷的線粒體可以通過分離融合來保證線粒體內部環境的穩定;但嚴重損傷的線粒體則需要以選擇性線粒體自噬的方式給予清除,此時在AD中早期會通過增強線粒體自噬而清除嚴重受損的線粒體,但如果線粒體功能障礙,會導致線粒體的異常堆積致使線粒體自噬異常[6]。此功能受阻時,神經元中出現顯著的線粒體功能障礙,進而導致AD病理改變加重[7]。因此,Aβ和Tau蛋白會誘導線粒體自噬功能障礙,從而影響AD的病理。下面將簡單描述Aβ和Tau蛋白對線粒體自噬的影響。

2.1 β-淀粉樣蛋白誘導線粒體自噬障礙

阿爾茲海默癥病理的其中一種方面會表現為:在細胞內,β-淀粉樣蛋白(Aβ)聚集形成老年斑。研究表明,在AD患者腦中,神經元胞質中的Parkin減少,從而導致線粒體自噬水平的下降[8]。根據相關報道[5],Aβ的增加可能導致Parkin水平減低,進而影響自噬溶酶體途徑-PINK1/Parkin途徑,導致線粒體自噬水平的下降。已有實驗證明[9],Aβ42會對線粒體前體蛋白輸入的早期階段產生較大的抑制作用,并且該輸入過程對線粒體前體蛋白的發生以及線粒體功能的維持具有很重要的作用[10]。當線粒體自噬功能發生異常時,大量功能障礙的線粒體在細胞中的沉積會加快Aβ的沉積以及加重線粒體自噬障礙,形成惡性循環后加速了AD的發生進展[11]。線粒體自噬障礙在AD發病過程中扮演著關鍵角色,因此Aβ誘導線粒體自噬障礙的過程在AD的發病中也存在著重要作用,調控Aβ可以為治療AD提供新的方向。

2.2 Tau蛋白誘導線粒體自噬障礙

阿爾茲海默癥的診斷治療是通過觀察大腦中的由微管相關蛋白—Tau蛋白的高度磷酸化(p-Tau)組成的神經元纖維纏結(NFT)即細胞包涵體來檢測的,NFT已成為AD的又一標志性病理特點。在阿爾茲海默癥中,細胞中可溶性Aβ的增加會導致Tau蛋白的異常磷酸化,使Tau蛋白以可溶性單體形式從微管中釋放出來,各項研究成果都表明,Tau蛋白在AD研究中有著不可忽視的重要地位[12]。現有研究表明,Tau蛋白的突變表達會損傷自噬溶酶體途徑—PINK1/Parkin途徑,進而會導致線粒體自噬障礙[13]。另外也有報道提出致病性Tau截斷體可能會導致異常的線粒體自噬[14-15]。線粒體自噬作為保護機制,當其自噬途徑發生異常時,會發生自噬功能的減弱或激進,即會導致線粒體自噬功能對機體的保護或自噬體基因、蛋白高表達使其進一步損傷。因此,Tau蛋白誘導的線粒體自噬障礙會加劇對大腦神經組織的損傷。所以,可以選擇對Tau蛋白進行相關調控抑制線粒體自噬的異常表達,這樣能保護大腦神經元,為AD治療提供潛在的治療方向。

2.3 其他

最近幾年研究發現,部分阿爾茲海默癥患者細胞中存在著PS基因突變[16]。據研究,PS基因突變會導致β-淀粉樣蛋白前體(APP)剪切和加工異常,從而產生過多的β-淀粉樣蛋白(Aβ),加重線粒體自噬障礙。實驗表明,PS表達的改變引起tau之間的相互作用異常,與神經元纖維纏結(NFT)有關。除PS外,AβPP也可能導致線粒體前序列肽酶(PreP)的抑制,致使線粒體蛋白譜異常以及Aβ的積累,進而造成線粒體自噬功能異常[17]。此外,線粒體中的Aβ結合乙醇脫氫酶(ABAD)可對抗應激損傷,但當線粒體功能受損時,Aβ與ABAD結合改變后者的構象,從而降低對抗應激損傷的能力。與此同時,Larsen等人提出線粒體的功能障礙是神經元中的Alu元素(SINEs)的有害活動造成的。

沉默信息調節因子(SIRTs)是一組NAD+依賴的去乙酰酶,可調節多種細胞通路,在哺乳動物中能廣泛表達,具有抑制一系列代謝和衰老等相關疾病的作用[18]。在七種SIRTs家族成員中,細胞核的SIRT1和線粒體的SIRT3與神經保護有關,這些蛋白的減少可能導致神經退行性疾病,包括AD、PD等。根據研究者對AD患者腦組織的研究結果,發現其腦組織中頂葉皮層SIRT1蛋白表達降低(-45%)。研究顯示,SIRT1上調過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)輔助激活因子-1α(PGC-1α),通過脫乙酰化和激活自噬相關蛋白ATG5、ATG7、ATG8等穩定PINK1,上調線粒體自噬受體BNIP3L/NIX和LC3,在自噬/線粒體自噬誘導中發揮重要作用,SIRT1缺乏則自噬被抑制。由此可知,SIRT1的減少可能會抑制線粒體自噬,導致受損線粒體在胞內累積以及Aβ的堆積與p-Tau的纏結。另外,氧化應激介導的DNA損傷增加引起的PARP1激活可能會導致AD患者腦組織NAD+的減少,而Sirtuins家族依賴NAD+,NAD+的減少導致的SIRTI活性的降低同樣會抑制線粒體的自噬功能,促進Aβ的堆積。還有相關報道,AD中DNA修復功能的降低會導致腦組織神經加大退化,提出AD的DNA修復缺陷與線粒體自噬/線粒體功能障礙之間存在直接或間接的猜想[19]。

3 線粒體自噬對AD的藥理調節

查閱了大量文獻資料,基于線粒體自噬治療AD作為研究方向,總結歸納了一些具有治療AD前景的藥物。

3.1 抑制Aβ和Tau堆積藥物

3.1.1 白藜蘆醇

白藜蘆醇(Res)是一種非黃酮類的多酚類植物抗毒素化合物,存在于許多植物中,如葡萄、桑葚等,其主要在葡萄皮以及葡萄葉中合成。已有研究證明,白藜蘆醇具有多種藥理作用,如抗衰老、抗腫瘤以及防治心血管疾病等。近年來研究發現,白藜蘆醇在治療阿爾茲海默癥上極具治療潛力,有著極大的研究前景。

阿爾茲海默癥的發病機制之一是β-淀粉樣蛋白(Aβ)的過度沉積,而白藜蘆醇可以有效減少Aβ的形成以及防止其過度沉積[20]。Aβ的形成離不開γ分泌酶,白藜蘆醇可以通過自噬-溶酶體系統抑制γ分泌酶的活性,從而減少Aβ的形成。同時,白藜蘆醇也可通過激活相關蛋白激酶(AMPK)來啟動AMPK-SIRT1-自噬通路,清除聚集沉淀的Aβ[21]。更有研究證明,Aβ與白藜蘆醇兩者之間呈現劑量性依賴關系,因此可利用二者的依賴關系降低Aβ的沉積。阿爾茲海默癥另一個主要發病機制則是Tau蛋白的高度磷酸化后形成的神經元纖維纏結,白藜蘆醇也可調節Tau蛋白的高度磷酸化[22],從而有效治療阿爾茲海默癥。研究發現,白藜蘆醇可通過抑制GSK-3β等信號通路來降低Tau蛋白Ser 396位點的過度磷酸化,也可通過激活相關自噬途徑來有效清除異常磷酸化的Tau蛋白。同時白藜蘆醇還可激活Sirt1通路,使Tau蛋白去乙酰化,通過泛素-蛋白酶體途徑進行降解[23]。

綜上所述,白藜蘆醇作為一種天然有機化合物有著多種生物活性,并且作用復雜。目前臨床在人體實用上暫未有更深入的研究,但不可否認的是白藜蘆醇在預防以及治療阿爾茲海默癥上有良好的研究前景,能夠為阿爾茲海默癥患者提供新的希望。

3.1.2 二甲雙胍

二甲雙胍是一種雙胍類藥物,是治療2型糖尿病中應用最廣泛的藥物。有研究表明,二甲雙胍能夠通過多種機制改善AD臨床前模型的認知和記憶障礙,其中包括降低Aβ斑塊和NFTs的負荷,抑制炎癥反應,改善線粒體功能障礙和降低氧化應激,同時限制凋亡神經元死亡和誘導神經發生[24-25]。已有研究人員通過鏈脲佐菌素(STZ)經鼻或口服二甲雙胍對腦室內注射的小鼠進行4周治療,采用Morris水迷宮法評定小鼠的學習記憶功能,以及采用液相色譜串聯質譜法和酶聯免疫吸附法分別測定二甲雙胍和Aβ42的濃度。測定了胰島素受體、絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)及其磷酸化形式在小鼠海馬和大腦皮質的表達后[26],結果表明,雙側側腦室注射鏈脲佐菌素(icv-stz)誘導的AD小鼠其學習記憶功能受損,而二甲雙胍可改善icv-stz誘導產生的不良反應。還有研究實驗使用308只雄性SD大鼠,蛛網膜下腔出血(SAH)后30 min內腹腔注射不同劑量的二甲雙胍,研究人員發現二甲雙胍在SAH后以ampk依賴的方式促進線粒體自噬[27]。并且研究還發現二甲雙胍除了對線粒體自噬產生影響,還可以通過ampk依賴的方式減輕SAH后的氧化應激和凋亡。由此,二甲雙胍為通過線粒體自噬治療阿爾茲海默癥提供了新的可能性。

3.2 SIRT1激活劑:NAD+前體類藥物

NAD+是維持生命的必需分子,能保持人的青春狀態,調控細胞的老化和凋亡。由于NAD+不能被細胞直接吸收和利用,因此必須通過服用NAD+的前體來獲得。科學家們發現,煙酰胺單核苷酸(NMN)可以作為NAD+的前體,NMN又稱為維生素B族的衍生物,NMN是由煙酰胺磷酸核糖轉移酶(Nampt)的作用而產生,它在人體細胞產生能量過程中起著關鍵作用。其主要作用機制是參與細胞內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的合成,激活NAD+底物依賴性酶Sirt1(組蛋白去乙酰化酶,又稱密封調節蛋白),調節細胞生存和死亡,維持氧化還原狀態并發揮其他生理功能,從而參與慢性疾病和有關衰老中的疾病。

在哺乳動物中,NMN在Nampt的催化下生成煙酰胺(Nam),隨后NAD+由煙酰胺單核苷酸腺苷轉移酶(Nmnat)催化生成[28]。相反,NMN在細胞體外通過去磷酸化轉化為煙酰胺核苷(NR),然后NR進入細胞并被煙酰胺核苷激酶1(NRK1)磷酸化為NMN,NMN結合ATP并形成NAD+[5]。由本文的2.3機制可知,研究發現,SIRT1是誘導自噬的必要條件,過量表達SIRT1已被證明有促進自噬的作用。SIRT1增加PGC-1a水平,去乙酰化并激活關鍵的自噬蛋白(ATG5、ATG7和ATG8/LC3),穩定PINK1,Nix/BNIP3L和LC3在自噬細胞中的上調,對表達對自噬/線粒體自噬有重大影響[29]。NAD+-SIRT1途徑的激活通過調節相關自噬蛋白實現線粒體自噬的恢復。異源研究表明,毛細血管擴張共濟失調基因(ATM),可以導致線粒體功能障礙和持續的PARP1激活,從而NAD+耗竭,導致SIRT1失活和線粒體自噬受損。NAD+補充后,可改善ATM蛋白激酶缺陷的神經元的DNA修復并明顯降低線粒體機能損害功能。另一項研究顯示,蠕蟲的細胞周期相關蛋白1(DCT1)與哺乳動物BNIP3/NIX是同源物,并在最近的一段時間內被證實參與了線粒體自噬,結果顯示,NAD+-SIRT1的活化能促進DCT-1的表達,并活化與自噬有關的蛋白質,使其能夠參與細胞的自噬。同樣,NAD+-SIRT1激活初級大鼠皮層神經元中的AMPK,導致結節性硬化癥復合體2(Tsc2)的Ser1387位點磷酸化,并抑制靶蛋白雷帕霉素,進而誘發自噬及線粒體自噬[30]。這些研究結果表明一些NAD+前體可成為AD治療的潛在藥物。

3.3 PINK1-Parkin活性調節劑:中藥遠志

中藥遠志屬于多年生草本植物,是遠志科植物遠志或卵葉遠志的干燥根,其性溫,味苦、辛,具有安神益智、祛痰和消腫的功能。細葉遠志皂苷(Ten)是遠志安神益智作用的主要活性成分,具有抗氧化應激、抗衰老、抑制細胞凋亡和增進認知等多種生物學活性,除此之外還可通過自噬途徑減少AD模型細胞Aβ的分泌。研究表明,Ten可通過抑制細胞線粒體內膜跨膜電位(Δψm)的下降,調控線粒體凋亡途徑,減少細胞色素C的釋放,抑制caspase的酶活性,從而降低細胞凋亡率;并通過抑制PINK1/Parkin途徑,降低線粒體溶酶體共定位及哺乳動物LC3的表達,從而減弱線粒體自噬,即Ten通過降低線粒體自噬來發揮神經細胞的保護作用[31]。

4 總結

根據世界衛生組織統計,全球目前約有超過3 000萬人患有阿爾茨海默癥,并且中國患病人數居世界第一。AD的預防和治療成為研究熱點,是全球亟需攻克的一大難題。目前大部分研究普遍認為,AD的主要病因是β-淀粉樣蛋白(Aβ)堆積和Tau蛋白的高度磷酸化導致的神經元纖維纏結。但從我們的報告中可以得知,線粒體自噬功能的失調可能成為AD的發病機制之一。線粒體自噬是通過選擇性清除受損線粒體,從而及時清除損傷的線粒體,以維持細胞正常生理功能的過程,所以,本文基于線粒體自噬治療AD作為研究方向,總結歸納了部分具有治療AD前景的藥物。如尿石素可以通過保護線粒體自噬功能從而改善AD病理;白藜蘆醇可以通過某些途徑激活自噬系統從而減少Aβ和清除異常磷酸化的Tau蛋白;NAD+前體類藥物主要通過提高線粒體自噬來治療和延緩AD癥狀。雖然線粒體自噬是未來治愈AD患者的發展方向之一,但現已發現被應用于這一機理治療AD的藥物很少,研究人員發現的大多數藥物都僅僅只存在著治療的可能性,并沒有真正應用到臨床,如白藜蘆醇及二甲雙胍等。選擇從線粒體自噬來治療AD的這一途徑,目前僅是限于理論知識,尚未應用于人體,其仍然存在著極大的局限性與可能性。未來的發展方向應加大理論與實際的聯系,仍需進行具體實驗,從各項實驗結果中找到解決該途徑不足的方法,讓理論依據成為現實,為AD治療提供更多的可能性與生機。