自噬与衰老相关性疾病

据统计2000～2050年间,全球60岁以上的人口比例将从11%增加到22%,这意味着60岁以上人口数量将从6.05亿增加到20亿人[1]。人口的老龄化为这个世界带来了很多机会,但同时也带来了很多挑战,老年人的身体功能随着年龄的增加在逐渐下降。

1 衰老相关性疾病

近年来,临床医生发现越来越多的疾病伴随着衰老而发生或者加重,这些疾病被称为衰老相关性疾病[2]。衰老相关性疾病分为2种,即退行性与进行性衰老相关性疾病。肿瘤属于代表性的进行性衰老相关性疾病,而退行性衰老相关性疾病一般指阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease, AD)、帕金森病(Parkinson’s disease, PD)、年龄相关性黄斑变性(AMD)、2型糖尿病、骨质疏松与动脉粥样硬化等。与此同时,衰老相关性疾病已经成为人类死亡的重要因素,其引起的心理健康恶化是世界上最大的致残因素,超过20%老年病人的日常生活伴随着此类残疾[3]。世界卫生组织(WHO)在2013年通过了“第十二个工作总规划草案”,优先解决事项为“应对非传染性疾病——衰老相关性疾病”,解决老龄化问题已经迫在眉睫[4]。

2 自噬

自噬,也称“自体吞噬”或“自我进食”,是一种高度保守的细胞代谢机制,用于降解和回收长寿命蛋白质和受损的细胞器。自噬一般分为3种类型:巨自噬(macroautophagy)、分子伴侣自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)以及微自噬(microautophagy)。最常被研究且具有自噬最完整特征类型的是巨自噬。在自噬开始的过程中,自噬体的形成需要含有自噬相关蛋白(ATG)与哺乳动物同系物Beclin1。Beclin1通过募集Ⅲ型磷脂酰肌醇(PI)3-激酶VPS34,其与VPS15和ATG14L复合,产生磷脂酰肌醇3-磷酸[PI(3)P][5]。PI(3)P募集具有PI(3)P结合结构域的蛋白质以调节细胞内运输和自噬体形成[6]。由Beclin1复合物启动的过程产生了新生的自噬体膜,将受损的细胞器与蛋白封装后与溶酶体融合为囊泡,产生自噬溶酶体[7],并且其内容物最终被降解用于再循环。Beclin1和VPS34控制自噬活性,其中该复合物的AMP活化蛋白激酶(AMPK)和UNC-51样激酶-1(ULK1)依赖性调节发挥重要作用[8]。虽然通常自噬对细胞内蛋白质以及细胞器的消除是非选择性的,但有时自噬也参与特定蛋白(如p62/SQSTM1)或特定细胞器的降解,如aggrephagy(用于蛋白质聚集体的降解)、mitophagy(用于线粒体的降解)、pexophagy(用于过氧化物酶体的降解)以及网状噬菌体和异种自噬[9]。有学者将器官的衰老部分归因于自噬的减少而引起细胞死亡的增加,这是因为自噬通量的减少,会导致损伤的细胞器和功能失调的蛋白质累积,触发细胞死亡。研究人员同时也在小鼠和蠕虫机体上证明了自噬相关基因会影响正常寿命，从而抑制肿瘤的发生[10]。

3 自噬与衰老进行性疾病

自噬一直被认为是通过自噬-溶酶体对细胞毒性成分的降解而维持细胞稳态,从而抑制肿瘤的发生。但自噬介导的分泌因子也可能通过自体或者信号通路刺激肿瘤细胞增殖,在肿瘤的治疗过程中增加肿瘤的药物抗性。在过去几年中,自噬在肿瘤中的双向调节作用被很多学者所关注[11]。Wu等[12]发现阿帕替尼可以通过Akt/mTOR通路提高自噬的表达,从而抑制结肠癌HCT116和SW480细胞的增殖。Beclin1可以介导自噬蛋白定位在特定的位置,对于自噬体的成熟不可或缺,自噬功能上调,也伴随着Beclin1的增加。Lade等[13]与Liang等[14]研究发现,相对于正常的肝脏与乳腺上皮组织,在肝癌与乳腺癌的癌细胞中,Beclin1呈现明显的低表达甚至缺失。在人乳腺癌MCF-7细胞中稳定转录Beclin1后发现,细胞的成瘤性得到了明显抑制。Thorburn等[15]研究发现,抑制自噬可以调节促凋亡蛋白PUMA的增加,使肿瘤细胞对Trail诱导的凋亡更加敏感。然而,还有一些学者发现抑制自噬会增加肿瘤细胞对抗癌药物的敏感性,说明某种情况下,自噬的存在对肿瘤细胞起到了一定的积极作用。Burton等[16]通过自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine, 3-MA)联合不同的中药单体作用在前列腺癌细胞上发现,抑制保护性自噬后,增强了中药单体对肿瘤细胞的生长抑制与促凋亡作用。Ma等[17]也在黑色素瘤中发现,自噬抑制剂联合抗肿瘤药物可以促进肿瘤的消退,减轻肿瘤的负荷。自噬抑制剂的这种作用,在乳腺癌[18]与胶质细胞瘤[19]的研究中也得到了验证。

4 自噬与衰老退行性疾病

4.1 自噬与AD 最新的证据强烈支持自噬是作为维持细胞稳态和延长生物寿命的主要机制,并且自噬在AD中也扮演了极其重要的角色[20]。尽管β-淀粉样蛋白(Aβ)的细胞外沉积形成淀粉样斑块与神经原的纤维缠结是导致AD的主要原因,但自噬-溶酶体途径中的错配与障碍可能先于这些神经细胞病理学特征而形成[21]。电镜下观察AD的神经轴突发现,虽然营养障碍可以诱导大量的自噬小泡产生,但是无营养障碍的轴突间原本也会存在大量的自噬小泡。Beclin1在AD早期的减少可导致淀粉样前体蛋白基因(amyloidprecursor, APP)、Aβ和C-末端片段增加,还能引起小胶质细胞变化和神经元超微结构的异常;而其过表达可减少Aβ的积累[22]。雷帕霉素(rapamycin)是一种自噬的诱导剂与mTOR通路的抑制剂,如果在神经组织大量缠结以及斑块广泛形成前就开始治疗,能够降低Aβ的沉积以及改善认知[23]。研究人员通过细胞以及APP/PS1的转基因AD模型小鼠发现,牛蒡子苷元(Arctigenin, ARC-G)可以通过抑制mTOR以及AMPK/Raptor通路激活自噬来抑制BACE1的表达,并且促进Aβ的清除,显著降低了老年斑并且有效地缓解了记忆障碍[24]。Qi等[25]发现,ARC-G也可以通过PI3K/Akt通路降低tau蛋白的磷酸化,有效地减轻了AD小鼠的学习记忆障碍。

4.2 自噬与AMD 多位研究学者发现,视网膜色素上皮细胞(RPE)自噬的变化与视网膜外层的变性有着密切关系,并且与年龄呈正相关[26]。研究发现,在老年小鼠的RPE中与来自人类尸体眼睛中的玻璃状疣中发现了大量的自噬外泌体,同时,越来越多的证据显示,RPE清除细胞内碎片的能力降低以及脂褐素的堆积与自噬的失调密不可分。RB1CC1是自噬必需的上游诱导物,被mTOR所抑制,Yao等[27]通过建立特异性Rb1cc1条件性敲除小鼠模型,验证了RPE中自噬的选择性减少会引起RPE的年龄相关性变性与光感受器的继发性变性,证明了自噬在维持衰老的RPE的正常稳态中起到了关键作用。SQSTM1/P62作为连接溶酶体与蛋白酶体的标志性蛋白质,在细胞内广泛存在[28]。在PD、AD以及亨廷顿舞蹈病的研究中,都有报道在泛素蛋白阳性的包涵体中,自噬的减少常常伴随着SQSTM1/P62的积累[29]。Kaarniranta等[30]通过对AMD病人的研究发现,自噬的降低使得p62/SQSTM1较之ELAVL1/HuR在细胞内有更多的积累,这表明自噬在RPE中清除蛋白质聚集体的作用要大于蛋白酶体介导的蛋白水解。在AMD的辅助研究中发现了5种自身反应性靶标:热休克蛋白70(HSP70)家族中的HSP8与HSP9,另一个热休克蛋白HSPB4,也称为α-晶状体蛋白A链(CRYAA),膜联蛋白A5和蛋白质S100-A9[31]。 尽管这些蛋白质可能参与各种对AMD发展至关重要的作用和机制,包括免疫调节和抗氧化、抗凋亡保护,但它们都可以参与自噬活化,证实了自噬在AMD发病机制中的重要作用。

4.3 自噬与PD 有学者通过对PD病人神经元的超微结构进行分析发现,黑质多巴胺能神经元存在着自噬变性,表明PD的主要病理学变化可能和自噬功能失调紧密相关[32]。有多种PD的相关基因已被证实与线粒体自噬相关:调控α-突触核蛋白(α-synuclein,α-Syn)的SNCA基因、PINK1基因、DJ-1基因、富亮氨酸重复激酶2 (leucine duplication kinase 2,LRRK2) 等[33]。上述基因通常均定位于衰老的线粒体上,调控线粒体的自噬,降解受损和老化的线粒体,当基因突变或者降解功能受损时,神经元保护性自噬下调,结构功能改变,从而导致PD。LC3是迄今为止被了解的最为透彻的自噬相关基因8(autophagy-related 8 genes, Atg8)的一个同源蛋白,通常定位于自噬体膜上,对自噬体的形成十分重要,被广泛认为是自噬过程中的标记蛋白[34]。有学者研究发现,通过使用海藻糖上调PD模型小鼠的LC3后,小鼠的PD症状有所缓解,说明小鼠的PD症状可能与自噬相关[35]。位于自噬泡上的LRRK2基因通常可抑制细胞炎症因子的生成与释放,有学者研究发现,敲除了自噬泡上的LRRK2基因,可以抑制部分小胶质细胞释放炎症因子以及多巴胺能神经元的死亡,从而改善PD病情[36]。通过雷帕霉素及其类似的自噬激活剂激活自噬,也是目前通过mTOR依赖性途径治疗PD的主要手段。研究人员将雷帕霉素应用于1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)造模的小鼠中发现,小鼠的LC3、多巴胺能神经元均明显增多,而α-Syn显著下降[37]。同时,锂盐、卡马西平等药物也能通过mTOR非依赖性途径诱导自噬,从而减轻鱼藤酮造模的PD小鼠的症状。虽然自噬的发病机制尚无明确定义,但是通过增强衰老蛋白和α-Syn的降解,降低错误折叠蛋白的异常沉积,是促进PD病人病情改善的有效途径,我们期盼自噬途径可以成为PD防治的新思路。

5 展望

自噬作为调节衰老相关性疾病的重要方法,旨在减轻老年人的痛苦,提高老年人的健康寿命,已经得到了研究学者的广泛认同。但是针对不同的疾病,以及该疾病不同的阶段,自噬对其具体的作用机制仍待深入探究。