自噬在阿尔兹海默病发病机制中的作用

周彦均 黄南渠 巴智胜 李园园 罗 勇

1)遵义医科大学，贵州 遵义 563000 2)遵义医科大学附属第三医院药物临床试验机构办公室，贵州 遵义 563000 3)遵义医科大学第三附属医院神经内科，贵州 遵义 563000

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是发生于老年和老年前期、以进行性认知功能障碍和行为障碍为特征的中枢性神经系统疾病。临床上表现为记忆障碍、失语、失用、失认、视空间能力损害、抽象思维和计算能力损害、人格行为改变等表现为特征。根据国家统计局统计数据显示，中国近14亿人口中，60岁及以上的老人占总人口的17.3%，其中65岁及以上人口数高达1.583亿，占11.4%，人口老龄化已成为中国非常严重问题[1]。伴随着老龄化社会的到来，以AD为主的神经退行性疾病的发病率也逐年上升[2]。目前AD的发病机制仍不明确，其病因可能与遗传因素、低教育程度、膳食因素、吸烟、雌激素水平降低、甲状腺激素、血管病等诸多因素有关[3-4]。而自噬是一种主要的细胞调节机制，其使细胞能够应对通常在代谢活细胞内发生的一些破坏性改变，这是通过维持细胞稳态，清除受损细胞器和蛋白质以及回收必需的分子(如氨基酸和脂肪酸)来实现的。自噬在神经元衰老和健康方面发挥着重要作用。基于其保护机制在清除异常聚集或错误折叠的蛋白质，从而维护机体的稳定，目前已有许多研究发现了自噬与神经退行性疾病之间的紧密联系[5]。因此，进一步了解AD与自噬的内在联系，对诊断AD、治疗AD、预防AD提供新思路及方向。。

1 AD的发病机制

AD的大体病理表现为脑的体积缩小和重量减轻，脑沟加深、变宽，脑回萎缩，颞叶特别是海马区萎缩明显。而大脑皮层和海马突触的逐渐丧失，导致记忆受损和认知功能恶化[6]。目前有研究表明AD的发病机制可能有多种因素参与，其中β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)沉积、Tau蛋白过度磷酸化、线粒体功能障碍、神经炎症等因素均可导致AD病理改变[7-8]。而Tau蛋白过度磷酸化与Aβ的生成与清除失衡是导致神经元变性和痴呆的主要病理机制。其中细胞外Aβ聚集形成的老年斑(senile plaque，SP)和Tau蛋白的过度磷酸化在细胞内出现的神经纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFT)是AD的主要病理特征[9]。虽然现在AD的发病机制研究假说较多，但目前尚无明确定论，故进一步探索AD发病机制对AD进一步治疗提供新方向。

2 自噬的分子机制

自噬是将细胞内受损、衰老坏死或错误聚集的蛋白质和细胞器运送到溶酶体中形成自噬溶酶体，通过溶酶体降解和再循环细胞成分，实现细胞自身代谢需和物质循环更新的过程，从而达到维持细胞的稳态。其过程其与40多种相关蛋白有关[10]。通常情况下自噬由三种类型组成：巨自噬、微自噬及分子伴侣介导的自噬。其中巨自噬分子机制研究较为深入，也最具有特征，是三种自噬中最常见的自噬过程，故通常将巨自噬简称为自噬[11]。自噬是一条非选择性降解途径，其过程主要包括[12]：(1)自噬膜的产生，是自噬发生的标志之一；(2)自噬体的形成，是自噬发生的标志之二；(3)自噬体的运输与溶酶体的形成；(4)自噬体的降解。

3 自噬在AD中的作用

自噬是清除降解动物细胞中错误蛋白质的重要途径之一，同时维护蛋白质和细胞的稳定，有研究表明自噬功能障碍可能在AD的早期阶段就已表现出来[13]，其中包括自噬在Aβ的产生和代谢中发挥重要作用、自噬可减少Tau蛋白的过度磷酸化从而延缓AD进展、在AD患者中线粒体自噬增加、自噬与神经炎性反应之间存在密切联系等。

3．1自噬对Aβ的清除作用Aβ由第21号染色体编码，39-43个氨基酸组成，是淀粉样蛋白前体(β-amyloid precursor protein，APP)经蛋白水解酶作用后形成的分解产物。APP可以被α-、β-、γ-三种蛋白酶分解；而其中β-蛋白酶和γ-蛋白酶的连续作用分解产生Aβ。最常见的残基亚型是Aβ40和Aβ42，两者之中Aβ40更为常见，但Aβ42更原纤维产生与病情有关[14]。Aβ和自噬之间存在复杂的相互作用，有研究表明在AD患者脑中，由于营养神经因子缺乏导致神经突发生膨胀、变性甚至坏死，自噬泡中发现异常聚集Aβ，表明自噬可能与AD的发病过程有关[15]。也有研究表明，AD患者脑内的神经细胞中，轴突远端自噬应激加强，这一过程有助于清除分解受损的蛋白质及细胞器，但随着疾病的逐渐进展，不断堆积的有害物质使自噬过程逐渐受阻，微管相关蛋白轻链3-II(Light Chain 3-II，LC3-II)不断堆积，导致自噬泡与溶酶体的结合受阻，进而导致AD的进一步发生[16]。同时也有研究发现通过AMP活化的蛋白激酶催化亚单位α1(protein kinase AMP-activated catalytic subunit alpha 1，PRKAA1)通路从而使Aβ降解，从而进一步促进自噬的发生[17]。也有研究表明自噬对Aβ代谢中不完全起清除作用，自噬在AD病理表达中失调，在Aβ代谢中起重要作用，除了其广泛确定的抗体降解作用外，也有研究还发现自噬也会影响抗体的分泌[18]。因此，自噬在Aβ代谢中的作用是双功能的。

3．2自噬与Tau蛋白Tau蛋白是含量最高的微管相关蛋白，基因位于17染色体长臂，可表达出6种同工异构体。Tau蛋白为含磷酸基蛋白，正常脑中的Tau蛋白分子含2～3个磷酸基。而AD患者脑中，每分子Tau蛋白可含5～9个磷酸基，Tau蛋白异常过度磷酸化，使细胞丧失正常功能。同时AD患者脑中Tau蛋白总量较正常人多，且过度磷酸化Tau蛋白含量增加而正常Tau蛋白含量减少。同时正常Tau蛋白与微管蛋白的结合力是异常Tau蛋白的10倍，这就导致Tau蛋白失去其促进微管装配形成的生物学功能并丧失维持微管稳定的作用。越来越多的证据表明，自噬途径与神经元生理和病理条件下的Tau蛋白磷酸化有关[19-20]。慢性脑灌注不足可增强Tau蛋白过度磷酸化并减少阿尔茨海默病小鼠的自噬[21]。已显示多种形式的Tau蛋白被UPS(泛素-蛋白酶体系统)和自噬-溶酶体系统降解[22]。与此同时，Tau蛋白过度磷酸化导致自噬功能障碍。自噬体转运主要取决于其在自噬过程中沿微管的运动，Tau过度磷酸化导致神经元微管不稳定，从而影响溶酶体和线粒体的放置和功能[23]。另一方面，自噬激活抑制Tau聚集并消除其细胞毒性。自噬功能障碍也诱导Tau蛋白聚集和神经变性。在自噬缺陷的实验动物模型中，尽管没有NFT，但Atg7表达的沉默增加了磷酸化Tau蛋白和糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase 3 beta，GSK3β)[24]。自噬相关蛋白NDP52的诱导可减少神经元中的Tau蛋白磷酸化[25]。也有研究发现增加多功能蛋白p62表达水平来激活自噬以去除Tau[26]，所以自噬与病理性Tau清除之间存在密切联系。

3．3线粒体自噬与AD线粒体在自噬起始中起着至关重要的作用，目前，对于线粒体自噬增加在AD中所起的作用存在争议。有人认为线粒体自噬可能通过清除受损线粒体和运走具有细胞毒性的Aβ，在改善或抵制AD的发生和发展中发挥保护作用[27]。许多研究已表明，AD中受损的神经元经历线粒体功能障碍和早期发生的生物能量缺陷，以促进Aβ和Tau病理表达，而新发现表明，去除受损线粒体(线粒体自噬)自噬-溶酶体通路也在AD中受损，导致功能失调的线粒体积聚增多，通过氧化损伤和细胞能量缺乏导致线粒体自噬受损增加从而引发Aβ和Tau异常积聚，从而导致突触功能丧失和认知功能障碍的发生，反过来，这些会削弱线粒体自噬[28]。相关研究表明，AD病理特征为早期线粒体和突触变性与线粒体淀粉样蛋白累积和神经元内纤维缠结[29-31]，PTEN诱导的假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1，PINK1)过表达通过激活自噬受体(OPTN和NDP52)增强自噬信号，从而促进受损线粒体的清除，从而降低Aβ水平[32]。也有新研究发现SIRT2蛋白过度活化导致线粒体能量损失并导致线粒体自噬的功能障碍，从而使Aβ过表达[33]。但也有学者持不同意见，认为增加的线粒体自噬并不能使其发挥原有作用，反而是与分裂和融合障碍共同加剧了疾病的发生，溶酶体也不能与功能障碍的线粒体有效的融合，功能异常的线粒体对增加自噬不具有选择性[34]。线粒体在自噬体的最初发生和自噬调节细胞死亡的几个阶段中起重要作用[35]。此外，线粒体在血清饥饿期间通过彼此连接(线粒体融合)形成管状结构，其也迅速诱导自噬[36]。然而，在衰老过程中积累的功能失调的衰老线粒体功能失调，缺乏融合和阻碍自噬的能力[37]。线粒体在自噬起始中起着至关重要的作用。

3．4自噬与神经炎症研究表明神经炎症是AD发病机制中重要组成部分，值得注意的是，神经元炎症是AD进展中的一个突出特征[38]。在自我保护机制中炎症反应通常有益，但这个过程需要严格控制，以避免持续的炎症状态，可能会导致自我损害的。许多研究得出结论，神经炎症与AD期间导致大脑中的神经元损伤有关[39]。近年来，越来越多的证据支持慢性炎症反与AD的发病密切相关。在AD患者的血液中抗炎因子IL-10与促炎因子IL-1的比值大幅降低，并且服用非甾体类抗炎药的人群中AD发病率较低[40]，促炎因子如IL-1B和IL-18的积累可能损伤神经元细胞，从而导致学习和记忆的海马依赖性损伤[41]。这些均表明AD发病与神经炎症机制有密切联系。同时Aβ自身就可促进炎症的发生，而神经炎症又可促神经纤维元缠结和Aβ产生，从而使AD患者的认知功能障碍进一步加重[42]。也有相关研究表明，自噬激活剂雷帕霉素具有保护神经作用，其可以通过激动自噬以减少Aβ沉淀并促进Aβ的清除且改善Tau蛋白过度磷酸化和NFT引起的病理过程从而抑制AD的发生，其证明AD的保护机制与神经炎症有关[43]。有相关研究显示，雷帕霉素是通过自噬诱导、抗炎等机制发挥神经保护作用[44-45]。有研究表明自噬是星形胶质细胞中Aβ诱导的神经炎症反应的重要机制，并证明PG通过增强自噬抑制神经炎症反应的潜在神经保护机制[46]。因此可以推测自噬与神经炎性反应之间存在密切联系。

4 总结

虽然AD的病因尚不清楚，但许多因素包括遗传因素、饮食因素、雌激素水平降低、甲状腺激素等似乎与AD都有密切的关系，关于自噬的研究进展表明其在AD的中可能是个保护因素，但也有可能是个诱发因素。自噬可以影响Aβ的产生、分泌和清除，且其还将与Tau的磷酸化状态相互影响，自噬还与线粒体直接存在密切联系，同时自噬可以抑制神经炎性反应从而发挥神经保护作用。因此，研究自噬与AD发病机制的关系以期为治疗AD提供方向及新思路。