运动调节FUNDC1介导的线粒体自噬改善AD的机制研究

李亚楠 闫清伟

摘 要：研究证实阿尔茨海默症（ Alzheimer's disease， AD）脑内Aβ累积，导致线粒体功能障碍，造成线粒体自噬活性降低，无法彻底清除毒性物质，导致AD发生发展。而运动可提高线粒体自噬活性，清除Aβ，改善AD的病理特征，但其机制尚不清楚。通过分析发现低氧下UNC-51样激酶1（unc-51like kinase1，ULK1）磷酸化FUNDC1（FUN14 domain conTaining1）的Ser17位点，磷酸甘油变位酶家族蛋5（phosphOglyeerate-mutase family member 5，PGAM5）去磷酸化Ser13位点，促进FUNDC1与微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）结合，介导线粒体自噬发生。而在运动刺激下，可激活AMPK-ULK1途径，磷酸化FUNDC1的Ser17位点，诱导FUNDC1和LC3结合，提高线粒体自噬活性，减少Aβ，改善脑内线粒体功能障碍，为防治AD提供新的治疗靶点。

关键词：运动;阿尔茨海默病;FUNDC1;线粒体自噬

一、前言

AD是一种累进性脑功能障碍退行性病变。主要表现为记忆力减退、认知及学习功能障碍。典型的病理特征是β-淀粉样蛋白沉积形成的老年斑（SPs）、Tau蛋白累积形成的神经纤维缠结（NFTs）[1]。目前世界上已有4000万人患AD，预计经过10年，患AD人数可能增加至8200万例。2015年在AD方面耗资8000亿美元，随着患病人数的增加，费用也每年呈递增式增加，这给全球经济带来了挑战[2]。所以针对AD的防治变得极为迫切，然而当前尚无药物可以根治AD，人们的注意力逐渐转移到运动锻炼。

大量研究证实运动可提高线粒体自噬水平，减少脑内Aβ累积，改善线粒体功能，缓解AD脑损伤。人体实验中：50～80岁认知障碍患者进行3个月中等强度有氧运动后，通过MMSE、ADAS-cog等检查发现，中等强度有氧运动可以缓解AD患者的认知功能障碍[3]。另外AD患者经过中、高强度有氧运动后，其学习记忆能力显著提高，并且高强度有氧运动对学习记忆的改善作用主要表现在短期，长期内则是中等强度有氧运动效果好[4]。总之研究证实维持运动可提高AD患者学习认知能力，而缺乏运动则会增加AD的患病率。动物实验中：D-半乳糖模型大鼠经过跑台和游泳的混合运动后，Aβ42减少，D-半乳糖模型大鼠的学习记忆能力显著提高[5]。APP/PS1小鼠进行12周高强度间歇运动后，海马内Aβ降低，线粒体自噬活性提高，APP/PS1小鼠的认知功能提高[6]。综上所述，人体和动物实验均证实运动可有效清除Aβ沉积，提高线粒体自噬活性，减轻AD脑内线粒体氧化应激状态，抑制AD的发生发展。随着研究的深入，发现FUNDC1可能在运动介导线粒体自噬的分子机制中占有重要的地位。然而目前尚不清楚运动发挥此作用的机制，需要进一步深入探究。因此本文分析运动和FUNDC1的关系以及FUNDC1和线粒体自噬与AD的关系，提出运动改善AD的分子机制。

二、AD脑内线粒体自噬障碍

自噬是一种保障细胞正常运行的过程。在氧化应激等刺激下，细胞产生适应性反应，损伤的细胞等毒性物质转运至自噬体，随后与溶酶体形成自噬溶酶体被降解，从而维持细胞内稳态。这种细胞自发的保护反应称为自噬。自噬可以分为：大自噬、微自噬以及伴侣自噬[7]。其中大自噬进一步划分为选择性和非选择性自噬，已证实线粒体自噬是属于选择性自噬[2]。首先自噬体选择性的筛选出功能障碍的线粒体，其次将其包裹在包被结构内与溶酶体融合，最后被降解清除，避免细胞再次损伤。

研究证实Aβ诱导的线粒体自噬障碍是AD发病的重要因素。正常生理条件下，功能障碍的线粒体主要是通过线粒体自噬来清除。但AD海马内线粒体自噬活性较低，造成毒性物质堆积，加剧AD的病理现象。并且研究证实突变型APP转基因小鼠与对照组相比，转基因小鼠线粒体分裂蛋白基因表达升高，而融合、生物发生以及线粒体自噬基因表达降低[2]。另外在AD患者海马体内发现溶酶体功能受损，含有Aβ的自噬体积聚[8]。提示AD线粒体自噬活性下降可能是由于溶酶体功能失调所致。而提高线粒体自噬活性可能是防治AD的治疗策略。自噬相关基因LC3在细胞质中转化成LC3-I，随后与磷脂酰乙醇胺结合形成LC3-II。LC3-Ⅱ是促进自噬溶酶体降解的重要蛋白，因此LC3-Ⅱ被认为是判断自噬體的金标准[9]。而P62是一种泛素结合蛋白，在线粒体自噬过程中P62与LC3连接并被降解。因此P62在细胞中表达增加，而自噬活性会下降，两者是负相关的关系[10]。综上所述在实验研究中，检测LC3-II、P62的表达可作为观察线粒体自噬活性的指标。

三、FUNDC1调节AD脑线粒体自噬的分子机制

在2012年证实FUNDC1是一种哺乳动物内的线粒体外膜蛋白[11]。FUNDC1中含有155个氨基酸结构域，其中N端结构域包含一段与LC3结合的区域（LC3-interacting region，LIR）。因此FUNDC1与LC3作用，诱导线粒体自噬。FUNDC1处于特定的环境中，介导的线粒体自噬机制是复杂的。在正常环境中肌酸激酶2（creatine kinase 2，CK2）磷酸化FUNDC1的Ser13位点，与此同时BCL2L1阻碍PGAM5去磷酸化Ser13位点，导致FUNDC1被磷酸化，抑制线粒体自噬。在低氧刺激下BCL2L1被降解，因此BCL2L1与PGAM5结合受阻，PGAM5重新发挥去磷酸化作用，诱导FUNDC1与LC3结合，促进线粒体自噬。如果PGAM5基因突变，那么线粒体自噬会被显著抑制[12]。提示低氧下PGAM5可去磷酸化FUNDC1的Ser13位点，促进FUNDC1与LC3结合，诱导线粒体自噬发生。另外介导FUNDC1发生线粒体自噬的分子机制中还有一个重要的参与者—ULK1。低氧刺激下ULK1表达上调并被转运至线粒体外膜，磷酸化FUNDC1的Ser17位点，促进FUNDC1与蛋白CanX（Calexin）分离并和LC3结合，介导线粒体自噬发生[13]。

研究证实敲除FUNDC1基因，会阻断ULK1转移和抑制线粒体自噬。因此FUNDC1可能是ULK1在线粒体外膜的作用靶点，促进线粒体自噬发生。在心脏缺血再灌注实验中，低氧可诱导血小板中FUNDC1结合LC3提高线粒体自噬活性，减轻I/R所致的心脏损伤，敲除FUNDC1基因后，FUNDC1-LC3途径被阻断，线粒体自噬活性降低[14]。同样在大脑神经元细胞中也证实FUNDC1和LC3结合，诱导线粒体自噬发生，减轻脑损伤[15]。综上所述在骨骼肌、心肌、大脑神经元细胞中提高线粒体自噬可能和FUNDC1-LC3途径相关。研究证实大脑神经元内线粒体自噬活性下降，Aβ大量堆积，可能造成AD的重要因素。因此在大脑神经元内FUNDC1与LC3结合提高线粒体自噬活性可能是清除Aβ，防治AD的治疗策略。

四、运动通过FUNDC1调节AD脑线粒体自噬的分子机制

研究证实运动可介导线粒体自噬发生，但其具体机制尚不完全清楚。有氧运动可激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase， AMPK），促进其介导线粒体自噬的通路发生，改善AD大脑神经元[16]。AMPK是细胞内重要的调控物质能量代谢的蛋白质。运动干预可调控AMPK的T172位点磷酸化激活AMPK，AMPK在S555区磷酸化ULK1，从而激活并上调ULK1。而FUNDC1作为ULK1的下游蛋白，受到其磷酸化作用的调控。ULK1可在Ser17位点磷酸化FUNDCl，进而增强FUNDCl与LC3的相互作用，若敲除FUNDC1上的ULK1结合序列，会抑制线粒体自噬。研究证实SD大鼠经过运动后，骨骼肌中FUNDC1、ULK1以及LC3-II/I比值表达增加，p62表达下降，提示运动可能是通过AMPK-ULK1通路影响FUNDC1的表达，介导FUNDC1与LC3结合，诱导线粒体自噬保护骨骼肌细胞[17]。在早期心衰大鼠实验中，FUNDC1、LC3-II/I的表达水平上调，提示有氧运动可通过FUNDC1和LC3结合，诱导线粒体自噬发生，保护大鼠心肌细胞[18]。在哺乳动物体内存在FUNDC1介导线粒体自噬发生的机制，通过激活FUNDC1-LC3途径，提高线粒体自噬活性可能是缓解大脑线粒体氧化损伤的治疗策略。那么运动刺激AMPK表达，激活ULK1-FUNDC1-LC3途径提高线粒体自噬活性可能也是大脑神经中枢的调控机制。海马内线粒体自噬可清除Aβ沉积，而Aβ是AD的重要病理特征，因此运动通过激活AMPK-ULK1途径介导FUNDC1与LC3结合，提高线粒体自噬活性清除Aβ是防治AD的重要途径之一。

五、小结

AD是一种多因素神经退行性疾病，然而尚未发现某种药物可以治愈AD患者。而运动提高线粒体自噬活性，清除Aβ，改善AD是公认的重要途径。FUNDC1作为新发现的线粒体自噬蛋白在其中发挥着重要作用。低氧下ULK1磷酸化FUNDC1的Ser17位点，PGAM5去磷酸化Ser13位点，促进FUNDC1介导的线粒体自噬是防治AD的关键通路之一。而运动通过激活AMPK以及ULK1-FUNDC1途径，促进FUNDC1与LC3结合，诱导线粒体自噬可能也是改善AD的重要通路。然而在运动下FUNDC1作为ULK1的连接蛋白介导线粒体自噬发生改善AD的分子机制仍需深入探索。探讨不同的运动方案对FUNDC1介导的线粒体自噬有什么影响？以及脑神经元细胞中FUNDC1参与线粒体自噬的机制还需大量临床实验验证。

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作者簡介：李亚楠（1994—），女，汉族，河南濮阳市人，硕士研究生，单位：西藏民族大学体育学院运动人体科学专业，研究方向：体育学习和身心健康。

闫清伟（1982-），男，汉族，副教授，博士，硕士研究生导师，单位：西藏民族大学体育学院，研究方向：脑衰老的运动及药物干预。