详解关于细胞自噬对神经性疾病的一些影响

细胞自噬一般都是指细胞内受损或者是变性或衰老的蛋白质和细胞器被运输到溶酶体,溶酶体对其进行消化降解,以胞质内自噬体出现为标志的细胞自我消化的过程。自噬在体内普遍存在,其在清除代谢废物和回收能量为细胞正常转运及提供能量的过程中发挥重要作用。 根据细胞内
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  细胞自噬一般都是指细胞内受损或者是变性或衰老的蛋白质和细胞器被运输到溶酶体,溶酶体对其进行消化降解,以胞质内自噬体出现为标志的细胞自我消化的过程。自噬在体内普遍存在,其在清除代谢废物和回收能量为细胞正常转运及提供能量的过程中发挥重要作用。


  根据细胞内底物进入溶酶体方式的不同,哺乳动物细胞自噬分3种主要方式:大自噬或巨自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和分子伴侣介导自噬(chaperone-mediatedautophagy,简称CMA)。大自噬是最主要的自噬形式,在大自噬中由膜包绕待降解物,形成自噬体后与溶酶体融合并且降解其内容物;在小自噬中,溶酶体膜直接内陷包绕长寿命蛋白等并在溶酶体内降解,没有自噬小体形成的过程;分子伴侣介导自噬为胞浆内蛋白结合到分子伴侣后转运到溶酶体中,被溶酶体酶消化。CMA的底物是可溶性蛋白分子,因此CMA降解途径在清除蛋白质时是有选择性,而前两者无明显的选择性。通过此3种自噬途径降解细胞内产物的过程,称为自噬溶酶体途径(autophagy-lysosomepathway,ALP)。此过程中涉及到的囊泡样结构统称为自噬囊泡(autophagicvacuoles,AVs)。


  所有细胞中都存在低的基础水平自噬,执行自身稳定的基本功能,比如蛋白质和细胞器更新。当细胞需要营养和能量时自噬会迅速上调,例如在饥饿、生长因子缺乏、能量需求,细胞更新或者细胞内出现过多的代谢废物时;或是在氧化性应激、感染或者蛋白质聚集体异常堆积时;营养状况、激素水平和其他的因素如温度、氧气浓度和细胞密度在[1-4]自噬的调节中都有重要作用.


  自噬的分子发生机制和信号调控机制非常复杂且高度的保守,自噬是一种选择性的降解途径。异常的蛋白质聚集体、受损细胞器或病原体可被选择性地加入到自噬体中,并运输到溶酶体进行降解。


  其中,mTOR和Beclinl作为各种调控通路的集中点发挥了至关重要的作用。而且这个阶段中有两种激酶有可能发挥重要作用:丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)和III型磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol3-kinase,PI3K)的复合物。


  1自噬信号调控分子机制及相关通路


  1.1mTOR-PI3K-Atg信号通路


  mTOR在调节细胞的生长、增殖、凋亡、自噬等方面具有重要作用.mTOR包含两种形式:mTORC1(mTOR、rapor、mLST8和PRAS40)和mTORC2(mTOR、mLST8、rictor和mSIN1)。前者[5]主要调节细胞的生长、凋亡和细胞自噬,后者与细胞骨架蛋白构建和细胞存活有关。由于mTORC1与细胞自噬关系最紧密,故文中所涉及的mTOR指mTORC1.mTOR作为自噬相关基因(autophagerelatedgenes,Atg)蛋白的上游蛋白,是一种与信号转导第一步相关的进化保守的激酶。用激动剂刺激mTOR后,自噬被抑制;当mTOR受到抑制时激活自噬,如营养缺乏时。当mTOR被正常激活时,磷酸化Atg13阻止它与Atgl结合。而Atgl是哺乳动物unc-51-样激酶I(unc-51-likekinaseI,ULKI)的酵母同源体.Atg13是Atgl复合物的调节亚单位,Atgl和ULKI分别在果蝇和哺乳动物细胞自噬体的形成是必需的。但对自噬诱导起最直接、最重要作用的还中是ULKI,有研究表明哺乳动物细胞ULKI在mTOR的下游发挥作用。


  PI3K在自噬体形成的核化过程中发挥调控作用。这种酶复合物有3种高度保守的蛋白质:蛋白激酶空泡蛋白分选(vacuolarproteinsorting,Vps)-[6-7]15,Vps34和Beclin1/Atg6.


  由于P13K与磷脂酰肌醇3-磷酸盐的形成有关,推断它能够募集Atg蛋白到自噬体膜上。自噬体的形成涉及2种泛素化系统,分别是Atg12-Atg5-Atg16和LC3-Ⅱ-磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)复合物系统。Atg蛋白是两种进化保守的泛素样结合系统中的一部分,并且在酵母和哺乳动物的自噬体的延长和完成中有重要作用。LC3前体被Atg4B加工为LC3-Ⅰ,通过Atg5和Atg3催化,细胞溶质的LC3-I转变成为一种膜结合形式即LC3-II.LC3-II相当于酵母中的Atg8,LC3-II是哺乳动物细胞的典型自噬体标志物。LC3能与PE结合,这种结合可被Atg4B分解。


  胰岛素和胰岛素样生长因子(insulin-likegrowthfactor-1,IGF-1)通过PI3K/Akt/mTOR通路调节细胞自噬。细胞的能量状态也能介导mTOR影响细胞自噬。当葡萄糖饥饿时,ATP/AMP降低,AMPK激活,通过磷酸化激活TSC1/2复合物,进而抑制mTOR,上调细胞自噬。在哺乳动物细胞中营养缺乏可诱导LC3-II的形成。这种诱导水平通常具有细胞和组织依赖性.此外,Atg12-Atg5-Atg16有助于LC3/Atg8-PE的脂化和正确定位。


  1.2Beclinl复合物


  Beclinl是酵母中的Atg6的同源基因,有4个结构域:与Bcl-2结合结构域(BH3)、螺旋-螺旋结构域(CCD)、进化保守结构域(ECD)与核输出结构域。Beclinl一般通过Bcl-2、mVps34、UVRAG、Bif-[8-9]


  1、Barker等因子的相互作用,调节细胞自噬水平.


  Bcl-2是凋亡抑制蛋白,它通过与Beclinl的BH3结构域结合为复合物,抑制Beclinl诱导的细胞自噬。当氧化应激时,c-JunN末端激酶使JNK1被激活,磷酸化Bcl-2,致Beclin1-Bcl-2复合物分离,[10]Beclinl被释放出来,激活细胞自噬.mVps34也是细胞自噬激活因子,能与Beclinl的CCD和ECD结构域[10]结合成mVps34-Beclinl复合物,上调细胞的自噬.


  而UVRAG能与Beclinl的CCD结构域结合,从而激活细胞自噬;也能加强Beclinl与mVps34相互作用提高mVps34的活性,上调细胞自噬。Bif-1能通过影响Beclinl而影响自噬活性,它通过UVRAG与Beclinl相互作用,激活mVps34活性,诱导细胞自噬.2+1.3RAGE-Ca/CaMKK-AMPK信号通路[12]2+Son等研究发现RAGE-Ca/CaMKK-AMPK信号途径介导自噬体的形成。抑制晚期的糖基化终末产物受体(receptorforadvancedglycationendproducts,RAGE),影2+响细胞内Ca浓度和钙调蛋白依赖的蛋白激酶β(calmodulin-dependentproteinkinasekinase-2+beta,CaMKK,是一种由Ca激活的激酶)活性,减弱腺苷-磷β酸活化的蛋白激酶(AMPactivatedproteinkinase,AMPK)信号及自噬体的形成.2+AMP/ATP增加和Ca升高磷酸化AMPK的THr172位点,激活AMPK,活化AMP,减少mTOR信号通路的[13]活性,促进AVs的形成及自噬发生.


  在神经变性疾病中,自噬-溶酶体途径(antophagy-lysosomepathway,ALP)和泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasomesystem,UPS)在降解错误折叠及聚集蛋白方面起着重要作用,尤其是ALP在帕金森病(Parkinson'sdisease,PD)等神经变性疾病的发生和发展过程中发挥着重要的作用,受到研究者的关注。尽管有关自噬的研究很多,但神经元中自噬的研究却非常有限。有研究表明在中枢神经系统基础水平的自噬受抑制可以造成泛素化蛋白的积累和神经退行性疾病。证据显示自噬参与的神经退行性疾病有阿尔茨海默病(AD),帕金森病(PD)和抑郁症等.


  2自噬与神经性疾病


  2.1自噬与早老性痴呆(AD)


  AD是常见的一种神经退化性疾病,其特征是缓慢恶化的记忆障碍及认知功能缺失。AD的主要神经病理学表现是细胞外神经炎性斑(NPs),又称老年斑(SPa)、细胞内神经原纤维缠结(NETs)及神经元和神经突触缺失。老年斑主要由含有42个氨基酸残基的β-淀粉样蛋白(Aβ)多肽组成,是β-淀粉样蛋白前体(APP)蛋白水解产物,而神经原纤维缠结则是由神经元内高度磷酸化的细胞骨架相关蛋白tau蛋白聚集形成。由于自噬途径能够降解功能障碍的细胞器和/或异常折叠的蛋白质,因此,自噬在AD的发生发展中有调控作用。有研究发现自噬[16]溶酶体途径是细胞内APP降解主要方式.


  有研究结果显示,在AD患者脑组织中有大量自噬体形成。自噬体形成于轴突的周围,而溶酶体主要在细胞核周围,自噬体通过轴突逆向运输至胞体,与溶酶体结合后被降解。正常情况下,自噬体可以快速被运送到胞体被降解,故在正常神经组织中极少见到自噬体的存在。而在AD患者,由于自噬体沿轴突的运输发生功能障碍,造成自噬体堆积。


  自噬溶酶体途径是产生Aβ重要过程之一。因为自噬体内富含Aβ多肽、APP、γ分泌酶。这些新生的Aβ主要依赖于溶酶体进行去除,部分被释放至细胞外形成斑块。


  APP细胞外结构域(ECD)被α和β分泌酶切割释放其氨基末端(N末端)片段,细胞内结构域被γ分泌酶切割,释放羧基末端(C末端)片段,最后产生Aβ。正常分泌Aβ90%的成分为Aβ40,10%是Aβ42,Aβ42比Aβ40有更强的疏水性、聚集性和神经毒性。早老素(PS-1)基因突变和自噬与AD发病相关基因包括有PS-1、PS-2基因和APP基因,其中PS-1基因突变占已发现AD基因突变的90%.有证据显示PS-l和AD之间通过自噬而联系。PS-1为γ-分泌酶功能核心。在家族性AD脑组织中普遍有PS-l和PS-2基因突变,这些基因突变直接导致Aβ淀粉样蛋白斑块的积聚,尤其是Aβ42增多,引起AD症状.


  除了自噬体的表达水平升高外,自噬体清除障碍也可能发挥更重要的作用,尽管细胞内有大量的溶酶体,但自噬体聚集于神经突末端无法去除。


  AD的APP突变体构建的转基因动物模型中,溶酶体的功能上调,表现是囊泡样结构增多,溶酶体特异性水解酶的转录和表达增高。而这种溶酶体功能改变常早于AD老年斑的形成和临床表现的出现,揭示该表现可能是AD发病的启动因素。因此很多学者提出了溶酶体功能异常在AD发病机制中可能的作用:神经元内吞溶酶体功能障碍,伴随AD的进展,出现溶酶体功能障碍,自噬囊泡及脑内Aβ积累。溶酶体内的水解酶溢出。造成神经元被降解,溶酶体内吞噬的待降解物被释放到细胞外,形成细胞外Aβ沉积。内吞途径诱导、功能障碍以及自噬途径都可导致溶酶体的异常。另外,随着晚期自噬囊泡与溶酶体的结合,在神经元中内吞通路在很大程度上表现和自噬途径合作。


  在AD发病过程中,自噬表现为抑制、激活还是功能障碍;自噬通过哪些通路影响神经元凋亡、坏死以及三者之间的联系分子有哪些;如何发挥自噬对神经元保护作用,同时不影响其他生命活动,以上问题的进一步阐明,将有助于更加深入了解AD的病理生理学过程,也将有益于发现AD治疗的新靶点和新策略。


  2.2自噬与PD


  PD以黑质致密部多巴胺能神经元进行性、广泛性丢失为特点,以细胞内出现聚集的α-突触核蛋白的包涵体-Lewy小体(LBs)为病理标志的神经变性疾病。尽管PD患者多巴胺能神经元选择性丢失和α-突触核蛋白积聚的原因不清楚,但蛋白水解系统障碍[20]和氧化应激被认为是导致易聚集蛋白积聚的原因.


  近来的研究认为,尽管LBs是神经变性的标志,但LBs的形成不是细胞死亡的原因,且在PD中LBs的形成可能代表一种细胞保护机制。而α-突触核蛋白的寡聚体和神经原纤维具有细胞毒性,可能是PD发病机制中的重要事件。α-突触核蛋白可能通过ALP途径发挥作用.包括启动、触发、降解等在内ALP功能失常参与了PD发病及病理生理过程:①α-突触核蛋白的可溶性寡聚体形式可通过ALP的降解,主要可能与分子伴侣介导的溶酶体降解(CMA)途径有关;②野生型的α-突触核蛋白选择性移位到溶酶体中并通过CMA降解。突变型α-突触核蛋白与受体结合可能阻断了溶酶体对α-突触核蛋白摄入,并抑制了包括突变型仅α-突触核蛋白在内的CMA途径。故突变型α-突触核蛋白和其他组分的聚集扰乱了细胞的稳态,导致了神经毒性;③在1-甲基4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)小鼠模型中发现溶酶体功能障碍并伴α-突触核蛋白聚集,溶酶体ATP酶(ATP13A2)突变阻断了导致自噬的执行并造成α-突触核蛋白的聚集;④由于PD中存在有线粒体功能障碍,这种障碍可能是启动大自噬的触发条件。有证据表明在PD细胞模型中有大自噬的激活;⑤衰老也是与蛋白控制系统功能失常相关的一个重要因素,因为在几乎所有的衰老器官中都发现了UPS和ALP活性降低。鉴于年龄是PD的一个主要危险因素,因此推测衰老的大脑对ALP的功能失常更为敏感。


  在PD患者中也观察到是蛋白而非α-突触核蛋白基因的突变,这有助于我们理解PD的不同致病机制。如一些突变蛋白,如DJ-1和PINK1,会导致线粒体的功能障碍以及加重氧化应激;其它的如UPS的成分(parkin或UCH-L1)以及溶酶体的ATPase(ATP13A2),也会增强蛋白降解进而改变在PD发病中的作用.


  DJ-1是一种重要的保护性蛋白,在许多反应中发挥神经保护作用,如DJ-1基因缺陷增加对氧化应激的敏感性;过表达野生型DJ-1,可保护神经元抵抗氧化应激,提高HSP70的表达水平,抑制突变型α-突触核蛋白引起的蛋白聚集和细胞毒性。


  2.3抑郁症与自噬


  抑郁症是一种情感性精神类疾病,临床表现为情绪低落,现已证实,抑郁症患者海马体积存在显着异常,表现为海马体积萎缩。海马主要参与情绪的控制和反应,是重要的情绪整合部位,其结构功能改变与抑郁症发病密切相关。故探讨抑郁症患者海马萎缩原因对于揭示抑郁症发病机制有重要的意义。


  抑郁症模型大鼠海马神经元内可现自噬体增多,自噬标志分子LC3-Ⅱ比例增多,Beclin-1上调明显.这均提示抑郁症大鼠海马神经元存在明显的细胞自噬,这可能是导致海马缩小的原因.但凋亡和自噬二者关系复杂。海马神经细胞存在明显的细胞凋亡与自噬,两者在抑郁症发病中的关系需进一步深入研究。


  作者:小韩。本文来自《中华神经医学》杂志

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