亚精胺调控细胞自噬在衰老和神经退行性疾病中的作用研究进展

尤雯雯，徐晓斌，张丽慧，杨 怡

（杭州师范大学医学院药理学教研室，浙江杭州 310036）

亚精胺调控细胞自噬在衰老和神经退行性疾病中的作用研究进展

尤雯雯，徐晓斌，张丽慧，杨 怡

（杭州师范大学医学院药理学教研室，浙江杭州 310036）

亚精胺普遍存在于动植物细胞中，发挥广泛的生物学作用。自噬是细胞内重要的降解途径之一，细胞通过自噬-溶酶体通路，清除长寿命蛋白和受损细胞器，维持细胞内环境稳定。大量研究结果表明，亚精胺调控的细胞自噬参与众多生理病理过程，其表达水平异常又可加速衰老、诱发神经退行性疾病等。本文对亚精胺诱导细胞自噬的病理生理学作用进行综述，并以衰老和神经退行性疾病为例，阐释亚精胺调控的细胞自噬与人类生理病理的相关性。

亚精胺；自噬；衰老；神经退行性疾病

多胺广泛分布于动物、植物、细菌和真菌等所有生命体内，对维持生物体内环境稳态具有重要生理功能。动物细胞中常见的多胺类化合物主要有精胺、亚精胺和腐胺3种［1-2］。早在1678年，Anto⁃nie van Leeuwenhoek首次从精液中分离鉴定出精胺，亚精胺和腐胺也相继被确认［3］。

亚精胺〔结构简式H2N（CH2）3NH（CH2）4NH2〕是一种具有生物活性的低分子脂肪族含氨基的多胺化合物，普遍存在于组织细胞中。细胞内的亚精胺主要以结合形式存在，而游离态的亚精胺含量较少［4］。亚精胺细胞生物学功能诸多，参与调控细胞增殖、分化和死亡，也可以通过应对环境的应激压力，保护细胞免受氧化损伤。自噬是依赖于溶酶体的细胞分解代谢途径，细胞通过降解受损蛋白质、衰老细胞器等，维持内环境稳态［5］。亚精胺在诱导细胞自噬活化方面的效能是近年来研究的热点。据报道，亚精胺可通过诱导细胞自噬延长多种模式生物的寿命，具有抗衰老作用［6］。除此之外，细胞和动物水平的研究结果也表明，在神经系统退行性疾病动物模型中，适宜浓度的亚精胺补给对疾病治疗有着较好的功效。反之，生物体内调节多胺的机制被破坏，导致亚精胺浓度异常，也可能诱发各种病理状况。由于亚精胺是一种天然存在的多胺，生理含量的亚精胺具有天然、有效、安全和无毒性作用等优点，因而将其作为药物开发也具有一定的应用前景。

1 亚精胺的生物合成和生理作用

亚精胺的合成起始于精氨酸。精氨酸在精氨酸酶的作用下水解去一分子尿素生成鸟氨酸，鸟氨酸再经鸟氨酸脱羧酶（ornithine decarboxylase，ODC）脱去羧基形成腐胺，催化该反应的ODC是腐胺合成的限速酶，而二氟甲基鸟氨酸（difluorometh⁃ylornithine，DFMO）是ODC的抑制剂，通过抑制ODC的催化作用，将减少亚精胺的生物合成［7］。腐胺在亚精胺合酶（spermidine synthase，SPDS）的作用下生成亚精胺。合成后的亚精胺在精胺合酶的作用下转化为精胺。细胞内的亚精胺可以通过特定渠道进行降解［2］。例如，亚精胺在亚精胺/精胺N1-乙酰转移酶（spermidine/spermine N1-acetyl transferase，SSAT）的催化下，形成N1-乙酰亚精胺，再由多胺氧化酶（polyamine oxidase，PAO）氧化性降解为腐胺。细胞通过调节亚精胺的生物合成和代谢、摄取和外排，严格控制细胞内亚精胺的水平［8］。正常细胞的精胺浓度约1 mmol·L-1，亚精胺和腐胺浓度较精胺更高。

合成后的多胺在细胞生理pH值下以多聚阳离子的形式存在，可以与带负电荷的分子（如DNA、RNA、蛋白质和磷脂等）相互结合，从而发挥广泛的细胞生物学作用，参与调节DNA复制、转录、翻译及翻译后修饰、离子通道门控和保持膜的稳定性等［9］。亚精胺与细胞众多生命活动息息相关，它不仅调控细胞的增殖和分化，还可通过调节细胞应激，避免有害物质对细胞造成的损伤，起一定细胞保护效应［2］。

2 亚精胺活化细胞自噬

2.1 细胞自噬

自噬是真核生物对细胞内物质进行降解以维持细胞稳态的重要调控机制。自噬发生时，细胞内的一些受损蛋白或细胞器被双层膜结构的吞噬泡包裹，形成包含底物的自噬体结构，自噬体再与溶酶体融合，借助溶酶体内的酶将底物进行降解并循环利用［10］。细胞自噬需要保持在一个适度活化的水平，过度的自噬可能诱发自噬性细胞死亡，而自噬不足同样也可能导致底物降解不充分，引起细胞损伤。自噬异常与疾病的发生发展相关［11-12］；而精细化调控细胞内的自噬活性，对人类疾病的防治具有重要意义［13］。

2.2 亚精胺对自噬的活化作用

近年来研究发现，亚精胺可在酵母［6，14］、线虫［6，15］、果蝇［6，15-18］和小鼠［6，19-22］等多种模式生物以及人体细胞［23］中触发自噬活化（表1）。上述研究证实，在亚精胺的作用下，细胞内自噬相关基因（autophagy-related genes，Atg）表达上调，含有自噬标志的轻链蛋白3（light chain protein 3，LC3）的荧光报告基因载体标记的自噬体数量明显增多，自噬体膜型蛋白LC3-Ⅱ表达增加，自噬流增强，底物（如p62/SQSTM1等）降解充分。这些结果表明亚精胺具备自噬激动效应。

2.3 亚精胺诱导自噬活化的作用机制

2008年，研究人员在老年酵母中发现，亚精胺通过抑制组蛋白乙酰转移酶，引发组蛋白H3脱乙酰基作用，继而上调自噬相关转录物的表达，增强细胞自噬活性［6］。Morselli等［24］的研究进一步证实了亚精胺通过乙酰化修饰调节自噬活性。该研究结果显示，亚精胺可对细胞质、线粒体和细胞核中560个包含赖氨酸的基团进行乙酰化修饰，影响375种蛋白的乙酰化状态，其中包括170种与自噬相关的蛋白。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白1（mam⁃malian target of rapamycin 1，mTOR1）是细胞自噬的负性调控因子。Pietrocola等［23］的研究指出，亚精胺可抑制mTOR1，解除其对自噬的负调控作用，激活自噬通路。此外，赖氨酸乙酰转移酶EP300是内源性的自噬抑制因子，亚精胺通过抑制EP300，活化细胞自噬［23］。也有结果显示，亚精胺对自噬的调控作用与促进叉头盒蛋白O（fork head box protein O，FOXO）靶基因转录，影响Akt信号通路活性密切相关［21］。尽管大量实验证据提示，亚精胺的生物学作用与其诱导自噬活化密切相关，也有研究指出，亚精胺可通过自噬非依赖的途径，调节酵母、线虫和果蝇等模式生物的交配、受精和氧化应激等生理过程［25-26］。

表1 不同模式生物中亚精胺对自噬的调控作用

3 亚精胺的抗衰老效应

衰老是自然界的普遍现象，也是生物体结构和功能随时间衰退的必然过程。衰老细胞表现为细胞周期停滞、细胞增殖能力减弱、细胞应激作用降低、衰老相关基因表达上调等特点，细胞则丧失永久性分裂能力［27-28］。近年来的研究结果提示，自噬在抗衰老中扮演着重要的角色［29］。细胞依赖正常的自噬途径清除衰老或损坏的细胞器和突变蛋白，实现细胞代谢和细胞器的更新，以此维持细胞生存；抑制自噬则加速衰老进程［30-31］。目前公认的抗衰老方法主要包括限制热量摄入、增强运动以及使用药物治疗［32］。研究证实，西罗莫司和白藜芦醇（resveratrol）可通过激动自噬，延长哺乳动物的寿命［33-34］。值得注意的是，天然物质亚精胺也具有活化自噬的作用。动物体内的多胺含量随年龄增长不断减少，补充富含亚精胺的食物，可能可以延缓衰老。Eisenberg等［6］发现，在多种模式生物中，亚精胺可诱导自噬，抵抗衰老；该作用可能与染色质介导的基因表达相关［35］。在缺失自噬关键基因atg7的果蝇，或是缺失Beclin 1（atg6）的线虫中，亚精胺无法延长此类动物的寿命，说明亚精胺的抗衰老效应有赖其对自噬的活化［6］。此外，给老年果蝇喂食亚精胺，可有效阻止果蝇记忆能力的下降，发挥抗衰老效应［17］。因此，亚精胺可能通过激动细胞自噬，加速对衰老或受损细胞器及蛋白的清除速率来对抗衰老。由此可见，补充适量亚精胺，或许能产生延年益寿的功效［30，36］。

4 亚精胺与衰老相关的神经退行性疾病

神经退行性疾病是一种由于神经元死亡所致的神经系统病理损伤，常见的与衰老相关的神经退行性病变包括阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）和帕金森病（Parkinson disease，PD）等。其共同特点表现为神经元胞体以及突起缓慢、渐进性退变、突触损伤和异常蛋白聚集物的形成［37-38］。研究发现，在神经退行性疾病患者脑内多胺含量出现异常。一项研究结果显示，AD患者大脑颞叶皮质中亚精胺水平显著增加［39］。与正常人群相比，PD患者脑脊液中的亚精胺含量明显减少［40］，而红细胞中的亚精胺却显著增多［41］。SSAT是精胺和亚精胺代谢的限速酶，其酶活性的降低将引起多胺的蓄积［42］，影响细胞生存。研究发现，PD患者脑内SSAT活性显著下调［43］。考虑到亚精胺对蛋白合成和细胞生长的重要作用，异常上调的亚精胺水平，可能反映了一种机体的自我防御机制；但也不能排除这种现象可能仅仅是一种病理表现。

细胞自噬途径可以清除错误折叠蛋白和异常蛋白聚集物，如β淀粉样蛋白和α-突触核蛋白等，而神经退行性疾病常伴随出现细胞内自噬功能障碍［44-45］。活化细胞自噬或许可以成为相关疾病防治的策略之一。亚精胺具有自噬激动作用，通过加强自噬对底物的降解，对抗蛋白聚集物的神经毒性，发挥潜在的神经保护作用［15］。尽管如此，内源性多胺类物质，同样也参与着AD和PD等疾病的病理发生机制。研究显示，亚精胺可以加速β淀粉样蛋白纤维化的形成［46］和α-突触核蛋白的聚集［47］。因此，细胞内亚精胺的浓度需维持在一个平衡状态，发挥良好的细胞自噬活化作用以及疾病防治效果。

5 结语

大量实验证据证实，亚精胺在调控细胞自噬方面具有重要作用。亚精胺介导的自噬活化为衰老及与衰老相关的神经退行性疾病提供新的药物治疗途径。尽管对亚精胺的研究已取得了可观的进展，还有很多问题有待澄清。如亚精胺对自噬活化的分子调控机制、亚精胺抗衰老及抗神经退行性疾病的治疗浓度等尚不明确。随着对以上问题更深入的探讨，将会对促进人类健康和相关疾病的防治以及新型药物的研发作出贡献。

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Spermidine-mediated autophagy induction in aging and neurodegenerative diseases：research progress

YOU Wen-wen，XU Xiao-bin，ZHANG Li-hui，YANG Yi
（Department of Pharmacology，School of Medicine，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

Spermidine，presented widely in animal and plant cells，plays a variety of biologicalroles.Autophagy is a pivotal intracellular degradative pathway.Autophagy-lysosome pathway contrib⁃utes to maintenance of intracellular homeostasis via clearance of long-lived proteins and damaged cel⁃lular organelles.There is much evidence that spermidine-modulated autophagy is involved in the regu⁃lation of several pathophysiological processes.However，the abnormal level of spermidine may accelerate aging and lead to the development of neurodegenerative diseases.Here，we reviewed the pathophysiological significance of spermidine in mediating autophagy induction.In addition，the association between spermidine-induced autophagy and pathophysiological processes（e.g.aging and neurodegenerative diseases）was discussed.

spermidine；autophagy；aging；neurodegenerative diseases

s：YANG Yi，E-mail：yyang@hznu.edu.cn，Tel：（0571）28865673；ZHANG Li-hui，E-mail：lhzhang@hznu.edu.cn，Tel：（0571）28861603

R966

A

1000-3002-（2016）10-1102-06

10.3867/j.issn.1000-3002.2016.10.003

Foundation item：The project supported by National Natural Science Foundation of China（81401043）；National Natural Science Foundation（81671188）；Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China（LY17H310005）；Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China（LY17H160027）；the Key Laboratory of Hangzhou City Project（20090233T12）；and Program of“Xinmiao”Talents in Zhejiang Province of China（2016R423061）；

2016-04-05 接受日期：2016-08-03）

（本文编辑：乔 虹）

国家自然科学基金（81401043）；国家自然科学基金（81671188）；浙江省自然科学基金（LY17H310005）；浙江省自然科学基金（LY17H160027）；杭州市重点实验室项目（20090233T12）；浙江省新苗人才计划资助（2016R423061）

尤雯雯，女，药学专业本科生，主要从事神经药理学研究；杨怡，女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事神经药理学研究；张丽慧，女，博士，教授，硕士生导师，主要从事神经药理学研究。

杨 怡，E-mail：yyang@hznu.edu.cn，Tel：（0571）28865673；张丽慧，E-mail：lhzhang@hznu.edu.cn，Tel：（0571）28861603