帕金森病中的自噬途径与关键药物靶点_欧阳亮

帕金森病中的自噬途径与关键药物靶点

欧阳亮, 张岚, 刘博*

(四川大学华西医院, 生物治疗国家重点实验室, 生物治疗协同创新中心, 四川成都 610041)

摘要: 帕金森病 (PD) 是一种常见的神经退行性疾病。在过去几十年中, 对PD的发病机制的探索已有了较大的进步, 环境因素和遗传因素都会导致PD的发生, 然而它的具体发病机制仍然未知。最近的研究表明自噬过程或许与PD密切相关, 在许多PD患者和动物模型中都观察到了异常的自噬水平。此外, 一些PD相关蛋白, 如α-synuclein、Parkin和PINK1等都被发现参与自噬的调控, 被认为与PD的发病机制相关。本文综述了几种重要PD相关蛋白在自噬途径中的作用, 同时概述了通过调节自噬过程来治疗PD的潜在策略。

关键词: 自噬; 帕金森病; α-突触核蛋白; 线粒体自噬; 帕金森病治疗

中图分类号: R966 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2016) 01-0009-09 Autophagy pathways and key drug targets in Parkinson’s disease

OUYANG Liang, ZHANG Lan, LIU Bo*

(State Key Laboratory of Biotherapy, West China Hospital, Sichuan University,

and Collaborative Innovation Center of Biotherapy, Chengdu 610041, China)

Abstract: Parkinson’s disease (PD) is a common neurodegenerative disorder associated with aging. Great progresses have been made toward understanding the pathogenesis over the past decades. It seems that both genetic factors and environmental factors contribute to PD, while the precise pathogenesis still remains unknown. Recently, increasing evidence has suggested that autophagy dysregulation is closely related to PD. Dysregula-tion of the autophagic pathways has been observed in the brains of PD patients or in animal models of PD, and a number of PD-associated proteins, such as α-synuclein, Parkin and PINK1, were found to involve in autophagy, suggesting a link between autophagy and pathogenesis of PD. In this review, we summarized the role of PD-associated proteins in autophagy pathways. In addition, we described the efficacy of autophagy-modulating compounds in PD models and discussed promising strategies for PD therapy.

Key words: autophagy; Parkinson’s disease; α-synuclein; mitophagy; Parkinson’s disease therapy

1 帕金森病概述

帕金森病 (Parkinson’s disease, PD) 是居于阿兹海默病后的第2位最常见的神经退行性疾病, 其主要病理学特征是在黑质中多巴胺能神经元细胞死亡, 黑质纹状体通路退化[1]。此外, 受损的多巴胺能神经元胞浆内存在着路易小体 (Lewy body, LB),

收稿日期: 2015-08-11; 修回日期: 2015-10-14.

基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (81473091, 81260628).

*通讯作者 Tel / Fax: 86-28-85503817, E-mail: liubo2400@ DOI: 10.16438/j.0513-4870.2015-0706 其内主要包含异常的或者聚集体形式的α-突触核蛋白(α-synuclein)[2]。脑内产生多巴胺的细胞逐渐丧失了影响神经系统的功能, 使患者控制肌肉的能力受限。在临床上, PD具有一些核心运动症状, 统称为震颤性麻痹, 包括静止性震颤、运动迟缓、肌强直、姿势不稳和步态障碍。此外, 临床描述的PD还包括几种非运动性症状, 如执行功能障碍、自主神经系统功能障碍、睡眠障碍、行为和精神方面的改变以及嗅觉障碍等[2−4]。据2013年美国国立PD基金会统计, 全世界有400万～600万名PD患者, 在工业化国家中流

行度接近总人口的0.3%。据估计, 中国PD 患者超过200万名, 其中65岁以上发病率约为1.7%。基于世界人口的老龄化, 未来PD 流行度将有明显的增加, 对世界10个人口最多国家和西欧5个人口最多国家的研究表明, 这15个国家2030年PD 患者的人数将达到870万～930万, 约为目前发病人数的两倍[5]。PD 是一种进行性的、无法治愈的神经系统疾病, 尚未发现有延缓或停止疾病进展的确切疗法。现今PD 治疗手段包括药物治疗和非药物治疗, 非药物治疗包括手术、教育和运动康复等策略, 有助于持续缓解症状并维持功能。在药物治疗领域现已有较大进展, 这些药物能够缓解症状和疾病进展, 如作用于谷氨

酸受体的药物和儿茶酚-O -甲基转移酶 (catechol-O -

methyltransferase , COMT) 抑制剂等[6]。 2 自噬与PD

自噬是一个进化上保守的过程, 能够介导细胞内长寿命蛋白以及受损或多余细胞器的降解。自噬可由多种因素诱发, 包括有限的营养物质、低氧水平以及能量供给不足等, 其结果导致降解产物的释放, 例如氨基酸可被重新释放到细胞质内用于必需的生物合成途径[7]

。根据内容物运送到溶酶体的途径的不同, 自噬可分为三种类型: 大自噬 (macroautophagy)、小自噬 (microautophagy) 以及分子伴侣介导的自噬 (chaperone-mediated autophagy, CMA), 其中最引人注目的是大自噬过程, 以下简称为自噬。在自噬过程中, 部分细胞质被双层膜的吞噬泡吞噬, 随后扩大成为自噬小体, 最后完整的自噬小体被运送到溶酶体进行降解[8]。近年来的研究已揭示了自噬的主要分子

机制, 相关的主要自噬蛋白可被分为四组: ① Atg1/

unc-51-like kinase (ULK) 复合物[9, 10]

; ② 两种泛素样蛋白共轭系统 (Atg12和Atg8/LC3)[11, 12]; ③ III 型磷脂酰肌醇3-激酶 (class III phosphatidylinositol 3-kinase, PtdIns3K)/Vps34 复合物I (含Beclin-1、Atg14和Vps15)[13]; ④ Atg9/mATG9跨膜蛋白系统[14]。雷帕霉素 (rapamycin) 的靶标mTOR (mammalian target of rapamycin) 是主要调控自噬的关键组分之一

[15]

。

此外, 一些其他激酶如蛋白激酶A 、AMPK (AMP- activated protein kinase)/Snf1和Pho85也能在其他条件下调节自噬[16]。近年来的证据表明自噬或许在PD 的发病机制中有着重要作用, 在许多PD 患者或者动物模型中都观察到了异常的自噬水平[17−20]。此外, 一些PD 相关蛋白, 如α-synuclein 、Parkin 和PINK1等都被发现能够参与自噬的调控[21]。

3 PD 中的自噬相关通路

3.1 α-Synuclein 与自噬 细胞质内的α-synuclein 聚集体是PD 最显著的病理特征之一。α-Synuclein 的水平高低是其细胞毒性的主要决定因素, 它的过表达或缺乏降解将导致多巴胺能神经元的退行性病变。编码α-synuclein 的基因的错义突变如A53T 、A30P 、E46K 和H50Q, 以及一些翻译后修饰如磷酸化、泛素化、硝化、氧化和多巴胺依赖的加合物的形成等都会产生不同程度的神经毒性[22−30]。α-Synuclein 主要由泛素蛋白酶复合体系统 (ubiquitin-proteasome system, UPS) 和自噬溶酶体途径 (autophagy-lysosomal pathway, ALP) 降解[31], 后者包括CMA 和大自噬。然而过多

的α-synuclein 以及该蛋白的突变或修饰形式会阻遏UPS 以及CMA 降解途径, 从而导致细胞质内毒性累积[32, 33]。

此时, 自噬能够作为一个补偿途径来降解α- synuclein, 从而具有神经保护作用; 然而一些研究也显示, 在压力条件下, 有可能导致自噬性死亡[34−36]。此外, 异常的α-synuclein 也被发现能够抑制自噬的发生。α-Synuclein 通过抑制Rab1a 的活性, 导致Atg9定位异常以及抑制自噬小体的形成, 从而抑制自噬发生[37]。在SH-SY5Y 细胞模型中, A53T α-synuclein 被发现能够上调mTOR 信号, 导致自噬被抑制。同时, 通过siRNA 使mTOR 表达沉默, 能够恢复自噬水平并且减少α-synuclein 的积累[38]。在另一些细胞模型中, E46K 突变能抑制JNK1的激活, 导致Bcl-2磷酸化减少, 更多的Bcl-2与Beclin-1结合, 进一步阻止了Beclin-1/hVps34的形成, 从而抑制了自噬。研究还发现E46K 突变细胞更易遭受毒性损伤, 猜测其原

因是自噬的受损[39]。此外, 利用A53T 转基因小鼠研

究发现, α-synuclein 能够定位到线粒体, 并导致线粒

体自噬的发生, 此时的线粒体自噬会导致线粒体包

涵物 (mitochondrial inclusions) 的形成, 而这些受损的线粒体不能通过自噬被有效清除, 最终可能导致神经退行性变化[40]。之前有研究表明, α-synuclein 在正常情况下不会损伤线粒体的功能, 但是随着年龄增长或在病理条件下, α-synuclein 会影响线粒体的正常功能[41], 而线粒体失调也是PD 的另一显著特征, 后文中将会进行介绍。 3.2 线粒体自噬和PINK1-Parkin 最近的研究表明, 线粒体功能失调可能同时与家族性PD 和散发性PD 的发病机制有关。在所有真核细胞中, 线粒体通过氧化磷酸化作用提供90%以上的细胞所需能量, 是主要的供能细胞器[42]; 此外, 线粒体的功能还涉及到体内钙平衡和凋亡的调控[43]。

然而, 线粒体也是