自噬在神经元轴突与树突变性中的作用

黄雅楠(综述) 董健健 程 楠 韩咏竹(审校)

1)安徽中医药大学研究生部 合肥 230038 2)安徽中医药大学神经病学研究所附属医院神经内科 合肥 230061

·综述与讲座·

自噬在神经元轴突与树突变性中的作用

黄雅楠1，2)(综述) 董健健2)程 楠2)韩咏竹2)(审校)

1)安徽中医药大学研究生部 合肥 230038 2)安徽中医药大学神经病学研究所附属医院神经内科 合肥 230061

自噬通过形成自噬小体，对细胞内一些错误折叠的蛋白质和受损的细胞器降解，以保持细胞内环境的动态稳定。神经细胞内蛋白质的异常堆积是大多数神经变性病最常见的病态产物。神经元树突和轴突是神经元胞体的延伸及形成突触的基础，对细胞的信号传导起关键作用。神经元轴突和树突变性常出现在神经变性病的早期，对内外环境的变化十分敏感，而自噬是清除神经变性病中异常蛋白质的关键途径，对保持内环境稳态有不可替代作用。因此，通过激活神经元自噬可以缓解神经元树突与轴突变性。本文将从自噬在轴突与树突中的合成与转运，自噬对轴突与树突变性的调控作用以及自噬与突触形成的相关性等方面阐述自噬在神经元轴突与树突变性中的作用。

自噬；轴突；树突；神经变性病

自噬普遍见于真核细胞中，也可作为应激反应而发生[1]，在应激状态下，通过消化长寿蛋白和损伤的细胞器，回收利用脂肪酸和氨基酸用作合成新的大分子和给线粒体氧化提供ATP，维持生物体内稳态[2]。自噬可分为三类：(1)巨自噬(macroautophagy)；(2)分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)；(3)微自噬(microautophagy)。本文所讲的自噬指巨自噬[3]。

自噬在神经元中的作用是不可替代的，而神经元轴突细长，敏感脆弱，易受环境影响[4]，也容易变性，导致神经元轴突与树突变性的原因有很多，如细胞的损伤、营养的匮乏、蛋白质的异常聚集等。轴突与树突变性的最明显特性就是轴突和树突上出现的突起串珠。轴突和树突的变性是许多疾病产生的原因，也是神经变性病的最早期变化与特征。

1 神经变性病中的神经元树突和轴突变性

神经变性病有相似的病理特性，包括神经炎症、线粒体功能障碍与蛋白堆积等，如亨廷顿病(Huntington’s disease，HD)、肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)、阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)[5]。蛋白质的异常堆积对细胞有毒害作用，能引起神经元轴突与树突的变性，轴突和树突变性常早于胞体，在疾病病变早期就会出现。

2 自噬与突触形成的相关性

突触的形成与轴突与树突有密不可分的关联，主要是树突棘在突触连接中成为主要组成部分。突触的形成与功能表达都离不开自噬，自噬对突触的清除对突触进一步的形成、发展、功能表达等方面有重要的作用[6]。有实验用果蝇模型证明高度保守的E3泛素连接酶、高丝(Hiw)在轴突和突触变性中起主要的调节和调控作用，Hiw促进NMNAT蛋白的迅速消失，在轴突变性中有不可忽视的作用，可阻碍突触生成与突触发展[7]。在电子显微镜下观察体外培养的海马神经元，在其突触末端可观察到突触小体的存在[8]。突触的缺失是神经变性病的主要病理表现，适度的自噬可促进突触的生成、发展，为治疗神经变性病提供了新的方向。

3 自噬小体在神经元树突和轴突中的合成与转运

自噬体在轴突合成以后在神经元内运输，轴突内合成的自噬小体进入到胞体内，必须通过轴浆运输的方式，而微管是物质运输的途径。轴突变性改变轴突内钙水平和钙依赖性的细胞骨架破坏[9]，所以，自噬体是在轴突中合成的，且经轴浆运输的方式进入到神经元胞体内结合溶酶体后被降解。

4 自噬对轴突和树突变性的调控机制

自噬在维持轴突动态平衡和防止轴索营养不良和变性方面有不可或缺的作用[10]。轴突变性可诱发自噬。海马神经元体外培养实验证明，Aβ1-42毒性所致轴突变性先于海马神经细胞死亡，而Bcl-xL的过表达抑制了轴突和细胞体退化[11]。故自噬对神经元的作用是双向的，既是有利的又是有害的[12]，自噬作为保护机制对细胞有保护作用，而过度自噬又可促进细胞死亡。本文将对阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病、多发性硬化症、肌萎缩性侧索硬化症等分别论述。

4．1 阿尔茨海默病 阿尔茨海默病是一种以细胞外淀粉样蛋白沉积(senile plaques，SP)为主要表现的神经变性病。在对转基因APP小鼠的研究发现，具有毒性的Aβ聚集在肿胀的轴突中以及树突的顶端，有毒性的Aβ可在神经元内运输，导致轴突和树突的变性[13]。淀粉样蛋白斑块相关营养不良的轴突显示早期有自噬小泡的大量积累[14]。自噬可能是运走具有细胞毒性的Aβ蛋白，抑制神经元轴突、树突损伤，有效延缓轴突和树突退化，在改善或阻止AD发生、发展中发挥保护作用。

4．2 帕金森病 帕金森病的典型症状是脑黑质内多巴胺(dopamine，DA)能神经元受损、胞浆蛋白聚集形成路易小体(Lewy body)。PD中突触和轴突病变常先于神经元缺失和蛋白质聚集[15]。蛋白质的聚集又可导致轴浆运输障碍，轴浆运输障碍也是突触变性的表现。在体外建立的PD模型中共同的病理表现是轴浆运输的改变[16]。而PD病中α-突触核蛋白(α-synuclein)的错误折叠、聚集和异常降解是导致神经元轴突和树突变性、轴浆运输障碍以及神经元死亡的原因，而自噬是清除α-synuclein蛋白主要途径之一。神经变性病中存在自噬缺陷[17]，在帕金森病同样存在自噬缺陷。自噬途径或过程受到抑制，可引起细胞内的α-synuclein蛋白异常积聚，异常聚积的α-synuclein蛋白又进一步抑制未受影响自噬的功能，从而加重神经元轴突与树突的变性。

4．3 亨廷顿病 亨廷顿病的特征性表现是多聚谷氨酰胺的异常聚集引起神经元的缺失[18]。在死亡HD患者脑组织中发现的主要特征有中型多棘神经元的缺失[10]。亨廷顿蛋白在组织中聚集也会引起轴突运输发生障碍[19]。轴突运输障碍和异常聚集的多聚谷氨酰胺导致神经元轴突的变性，而轴突变性又进一步加重轴突运输障碍，从而加重HD的发生、发展。实验证实，激活AMPK使细胞内LC3、p62的表达增加，Htt聚集减少，提高了细胞的存活率[20]。可见，自噬是细胞内Htt的重要降解途径，通过激活细胞自噬可明显改善神经元轴突和树突变性，控制疾病的发生、发展。

4．4 多发性硬化症 多发性硬化症是常见的脱髓鞘疾病，脱髓鞘是本病的主要变化，同时也可引起轴突损伤[21]，慢性MS的特征性损伤是轴突的肿胀及轴突横断、变性[22]，且轴突损伤的表现在疾病早期就会出现。有实验证明，在MS病中自噬相关基因ATG16L2、ATG9A、BCL2、FAS、GAA、HGS、PIK3R1、RAB24、RGS19、ULK1等的表达水平有明显变化，不仅影响蛋白质的水平，还影响自噬的活力，可能是MS发病机制的主要危险因素[23]。多发性硬化症存在神经元轴突的变性和自噬障碍，由此猜想，我们可通过调节自噬，改善神经元变性，为治疗多发性硬化症提供新的靶点和方法。

4．5 肌萎缩侧索硬化症 肌萎缩侧索硬化症是由神经元的变性引起的致命的神经变性病[24]。ALS突变带来的毒性导致ALS运动神经元(MNs)的快速变性[25]，特别是贝茨细胞变性和缺失。SOD1(铜锌超氧化物歧化酶)和FUS(fused in sarcoma)也称TLS(translated in liposarcoma)，是ALS主要的致病基因[26-27]，突变的SOD1蛋白扰乱轴浆运输和线粒体功能，也是神经元变性的重要原因，而自噬是SOD1蛋白降解的主要途径。

5 问题与展望

随着科研水平的提高，对自噬的研究与探讨也越来越深入，自噬的影响因素，影响自噬表达的基因，以及一些通路和蛋白，还有部分抑制或诱导自噬的药物都逐渐被大家所认识。虽现在已知自噬是在轴突中形成的，经轴浆运输，通过微管运输到神经元胞体内，但与树突的关系目前报道较少，以及神经元轴突变性是诱导自噬的发生还是由于变性导致的轴浆运输障碍使自噬小体在轴突中聚集，这些疑问均未得到解答。我们可通过药物等调控自噬，清除神经元内的异物，改善神经元树突和轴突的变性，从而为神经变性病的治疗提供确切的目标和方向，但适度的自噬才可以改善轴突、树突的变性，促进突触的发生发展，如何通过药物等达到适度自噬以及什么程度的自噬是适度自噬目前还是个未解的难题。虽关于自噬在神经元轴突、树突变性中的作用还有很多未解的困惑和难题，但相信随着医疗技术的发展，有关困惑和难题一定可以得到解决，为我们提供新的理论知识，为治疗神经变性病提供新的策略和方法。

[1] Puri P，Chandra A．Autophagy modulation as a potential therapeutic target for liver diseases[J]．Clin Exp Hepatol，2014，4(1)：51-59．

[2] Cheng Y，Ren X，Hait WN，et al．Therapeutic targeting of autophagy in disease[J]：biology and pharmacology[J]．Pharmacol Rev，2013，65(4)：1 162-1 197．

[3] Galluzzi L，Pietrocola F，Manuel J，et al．Autophagy in malignant transformation and cancer progression[J]．EMBO，2015，34(7)：856-880．

[4] Mishra B，Carson R，Hume RI，et al．Sodium and potassium currents influence Wallerian degenerationof injured Drosophila axons[J]．Neurosci，2013，33(48)：18 728-18 739．

[5] Li MD，Burns TC，Morgan AA，et al．Integrated multi-cohort transcriptional meta-analysis of neurodegenerative diseases[J]．Acta Neuropathol Commun，2014，2：93．

[6] Shen DN，Zhang LH，Wei EQ，et al．Autophagy in synaptic development，function，and pathology[J]．Neurosci Bull，2015，31(4)：416-426．

[7] Xiong X，Hao Y，Sun K，et al．The Highwire ubiquitin ligase promotes axonal degeneration by tuning levels of Nmnat protein[J]．PLoS Biol，2012，10(12)：e1001440．

[8] Petralia RS，Schwartz CM，Wang YX，et al．Sonic hedgehog promotes autophagy in hippocampal neurons[J]．Biol Open，2013，2(5)：499-504．

[9] Wang JT，Medress ZA，Barres BA．Axon degeneration：molecular mechanisms of a self-destruction pathway[J]．J Cell Biol，2012，196(1)：7-18．

[10] Yang Y，Coleman M，Zhang L，et al．Autophagy in axonal and dendritic degeneration[J]．Trends Neurosci，2013，36(7)：418-428．

[11] Alobuia WM，Xia W，Vohra BP．Axon degeneration is key component of neuronal death in amyloid-beta toxicity[J]．Neurochem Int，2013，63(8)：782-789．

[12] Dagda RK，Das BT，Janda E．How Parkinsonian toxins dysregulate the autophagy machinery[J]．Int J Mol Sci，2013，14(11)：22 163-22 189．

[13] Christensen DZ，Huettenrauch M，Mitkovski M，et al．Axonal degeneration in an Alzheimer mouse model is PS1 gene dose dependent and linked to intraneuronal Aβ accumulation Front Aging[J]．Neurosci，2014，6：139．

[14] Sanchez-Varo R，Trujillo-Estrada L，Sanchez-Mejias E，et al．Abnormal accumulation of autophagic vesicles correlates with axonal and synaptic pathology in young Alzheimer's mice hippocampus[J]．Acta Neuropathol，2012，123(1)：53-70．

[15] Reis R，Hennessy E，Murray C，et al．At the centre of neuronal，synaptic and axonal pathology in murine prion disease：degeneration of neuroanatomically linked thalamic and brainstem nuclei[J]．Neuropathol Appl Neurobiol，2015，41(6)：780-797．

[16] Lingor P，Koch JC，Tonges L，et al．Axonal degeneration as a therapeutic target in the CNS[J]．Cell Tissue Res，2012，349(1)：289-311．

[17] Levine B，Packer M，Codogno P．Development of autophagy inducers in clinical medicine[J]．J Clin Invest，2015，125(1)：14-24．

[18] Rüb U，Hentschel M，Stratmann K，et al．Huntington's disease (HD)：degeneration of select nuclei，widespread occurrence of neuronal nuclear and axonalinclusions in the brainstem[J]．Brain Pathol，2014，24(3)：247-260．

[19] Reddy PH，Shirendeb UP．Mutant huntingtin，abnormal mitochondrial dynamics，defective axonal transport of mitochondria，and selective synaptic degeneration in Huntington's disease[J]．Biochim Biophys Acta，2012，1822(2)：101-110．

[20] Walter C，Clemens LE，Müller AJ，et al．Activation of AMPK-induced autophagy ameliorates Huntington disease pathology in vitro[J]．Neuropharmacology，2016，108：24-38．

[21] Szalardy L，Zadori D，Simu M，et al．Evaluating biomarkers of neuronal degeneration and neuroinflammation in CSF of patients with multiple sclerosis-osteopontin as a potential marker of clinical severity[J]．Neurol Sci，2013，331(1/2)：38-42．

[22] Dutta R，Trapp BD．Mechanisms of Neuronal Dysfunction and Degeneration in Multiple Sclerosis[J]．Prog Neurobiol，2011，93(1)：1-12．

[23] Igci M，Baysan M，Yigiter R，et al．Gene expression profiles of autophagy-related genes in multiple sclerosis[J]．Gene，2016，588(1)：38-46．

[24] Marcuzzo S，Zucca I，Mastropietro A，et al．Hind limb muscle atrophy precedes cerebral neuronal degeneration in G93A-SOD1 mouse model of amyotrophic lateral sclerosis：a longitudinal MRI study[J]．Exp Neurol，2011，231(1)：30-37．

[25] Sharma A，Lyashchenko AK，Lu L，et al．ALS-associated mutant FUS induces selective motor neuron degen-eration through toxic gain of function[J]．Nat Commun，2016，7：10465．

[26] Oliván S，Martínez-Beamonte R，Calvo AC，et al．Extra virgin olive oil intake delays the development of amyotrophic lateral sclerosis associated with reduced reticulum stress and autophagy in muscle of SOD1G93A mice[J]．Nutr Biochem，2014，25(8)：885-892．

[27] Ryu HH，Jun MH，Min KJ，et al．Autophagy regulates amyotrophic lateral sclerosis-linked fused in sarcoma-positive stress granules in neurons[J]．Neurobiol Aging，2014，35(12)：2 822-2 831．

(收稿2016-11-05)

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