自噬与神经系统疾病研究进展

基金项目:浙江省自然科学基金(Y2080132)。收稿日期:2009-09-10;修回日期:2009-11-09

作者简介:潘婕(1985-),女,在读硕士研究生,主要从事神经系统疾病的研究。通讯作者:罗本燕(1962-),女,博士,教授,主任医师,主要从事神经变性疾病、神经心理学、脑血管病的研究。

自噬与神经系统疾病研究进展

潘婕,汪敬业 综述 罗本燕 审校

浙江大学医学院附属第一医院,浙江省杭州市 310003

摘 要:自噬是细胞内降解/再循环系统,被称为II 型程序性细胞死亡。近年来研究表明自噬广泛参与神经系统发育以

及脑缺血、痴呆、帕金森病等神经系统重大疾病的发生与发展,但在自噬对神经细胞死亡的作用上还存在较大争议。本文就自噬与神经系统疾病的关系研究进展加以综述,从而有助于今后深入探索自噬在神经系统疾病中的功能并开辟神经系统疾病新的治疗方向。

关键词:自噬;神经系统疾病;细胞死亡

自噬是40多年前学者在电镜下观察到的一种细胞结构,然而,直到最近几年科学家才逐渐认识到自噬的重要功能,尤其是2005年5Sc i ence 6杂志将细胞自噬评为该年度六大科技热点研究之首,自噬相关研究得以迅速进展。自噬通过降解细胞内小分子物质、细胞器或细胞膜,一方面帮助细胞清除受损伤或衰老的细胞器、不再需要的生物大分子以及细胞内异物;另一方面也为细胞内细胞器的构建提供原料,即细胞结构的再循环;同时在应激或饥饿时尚能为细胞提供生存必须的营养物质以帮助细胞度过难关。自噬的过度发生也可诱导细胞发生程序性死亡,被称为II 型程序性细胞死亡,参与多种疾病的发生发展

[1]

。近年来自噬在神经

系统领域的研究成果丰硕,这使我们对其在某些重大疾病中的作用有了更加深入的认识,但这些研究的结果并不一致,自噬在神经细胞死亡上是起保护作用还是促进作用尚存在较大争议。本文试图全面综述该领域的最新研究进展,以期为今后更加深入探索自噬在神经系统中的功能提供参考。1 自噬概况

真核生物中自噬根据待降解物被转运到溶酶体内的途径不同分为大自噬(m acroautopha gy)、小自噬(m icr oa utophagy )以及分子伴侣介导的自噬(c ha peron 2mediate d autophagy,C MA )3种,通常所说的自噬即大自噬。自噬发生需要众多分子的参与,如自噬相关基因(aut ophagy 2rel ated gene ,Atg)、微管相关蛋白轻链3(m icrot ubule 2associate d protei n li ght

c ha i n 3,LC3)等。

2 自噬与神经系统退行性疾病

神经系统退行性疾病的发生与异常蛋白的聚集密切相关,而自噬参与细胞内大分子和细胞器的降解从而维持正常的细胞代谢和生理功能,在对Atg5[2]

以及A t g7

[3]

基因敲除的研究中均发现脑内

大量神经元出现退变而死亡,并产生行为学损害。从而提出自噬在神经退行性疾病中可能扮演了极为重要的角色,且随着研究的深入蛋白异常聚集的具体机制也得以逐渐阐明。2.1 帕金森病

A 2突触核蛋白(A 2synuclei n )是帕金森病(Par 2ki nson .s di sease ,PD )的重要致病蛋白。研究发现,a 2synuclein 与溶酶体相关膜蛋白2(l ysoso m e 2associ 2ated m e mbra ne pr ote i n 22,LA MP 22)有高度的亲合性,但a 2synuclei n 并不能通过C MA 途径转运至溶酶体内降解,这种高亲合性反而促进了a 2synuclein 以及其它蛋白的聚集

[4]

。除此之外,a 2synuclei n 修饰改

变也与PD 发生相关。M arti nez 2V icente 等[5]

研究发

现修饰抑制了a 2synuclei n 通过C MA 途径降解,但并不抑制其他蛋白的降解,而经多巴胺处理后的a 2synuclein 在抑制自身降解同时也促进了其他蛋白的异常聚集,这提示多巴胺抑制自噬可能造成多巴胺神经元选择性死亡而产生P D 。肌细胞增强因子2D (MEF 2D )通过与H sc70结合发挥正常功能是维持神经元存活的关键,Yang 等

[6]

研究发现A 2sy 2

nuclei n 转基因小鼠以及P D 患者神经元内MEF 2D

水平升高,野生型以及突变型的A2synuclei n均可以通过阻断MEF2D与H sc70结合而干扰MEF2D的正常功能从而导致神经细胞死亡,而抑制C MA后细胞内失活的MEF2D出现异常聚集,从而揭示C MA可通过调节MEF2D功能参与PD发生。除A2 synuclei n之外,细胞外信号激酶[7]等也通过自噬影响PD发展过程。以上研究结果说明C MA、大自噬均参与PD的发病过程且相互联系。

2.2亨廷顿舞蹈病

CAG扩增性疾病是由于C AG片段异常扩增导致异常蛋白聚集而引起,如亨廷顿舞蹈病(Hunti ng2 ton.s disease,HD)、I型脊髓小脑性共济失调等,其中HD是由于I T15基因C AG片段异常扩增并产生亨廷顿蛋白(H unti ngtin,H tt)所致,自噬在HD发病中起着重要的作用。在HD中可发现自噬分隔膜中H tt大量聚集,在动物模型中通过乳胞素或敲除Becli n1基因阻断自噬,可增加H tt的聚集[8]。相反,通过雷帕霉素加强自噬作用,可减少H tt的聚集、增加果蝇HD模型中的小眼中感杆小体的数量,减少神经系统缺陷[9]。Jeong等[10]通过对H tt 中赖氨酸残基444的乙酰化作用,增加H tt向自噬泡的转运,显著增加自噬对H tt的清除,这为HD的靶蛋白治疗提供了可能性。

2.3阿尔茨海默病

包括路易体痴呆、额颞痴呆等在内的许多痴呆性疾病发生都与自噬相关,而其中对阿尔茨海默病(A lz hem i er.s di sease,AD)研究最为深入。AD病理改变的核心由类淀粉前体蛋白断裂后形成B2淀粉样肽组成。目前认为,在AD早期自噬被激活,大量自噬泡形成,但这些自噬泡没有完全酸化或者伴有组织蛋白酶D高表达,与溶酶体结合过程受损,聚集的自噬泡最终转化为B2淀粉样肽的内源性来源,从而导致淀粉样蛋白的沉积。在AD早期病变部位自噬基因Becli n1表达水平降低70%,敲除Becli n1基因,可以减少神经元自噬,造成溶酶体分裂,促进胞内外B2淀粉样肽聚积,最终导致退行性疾病的发生[11]。但Yang等[12]研究后认为,凋亡是AD神经细胞死亡的主要方式,自噬通过与凋亡的交叉作用,影响神经细胞死亡。以上研究表明,AD 造成自噬系统的紊乱,可表现为自噬的激活、抑制或功能障碍,而这些改变都与AD病理改变相关,但其重要性还有待进一步研究。

3自噬与急性神经细胞死亡3.1脑缺血缺氧性疾病

早在1995年N itatori等[13]首次观察到细胞死亡前有大量自噬泡样结构形成,然而直到2005年才首次提出自噬参与脑缺血后细胞死亡。Zhu 等[14]在小鼠缺血缺氧(hypoxia2isc he m i a,H I)损伤模型上研究发现缺血后8h即可检测到自噬泡大量形成以及LC32II的表达增加,24~72h尤为明显。大量研究表明缺血后神经元死亡机制在很大程度上取决于动物的成熟度,胚胎期或新生动物中凋亡的激活显著高于成年动物[14,15]。Koi ke等[15]通过敲除caspase3基因研究发现H I诱导的新生小鼠海马神经元死亡仅35%得以挽救,说明即使新生小鼠也仅35%神经元死亡依赖于caspase,而caspase3敲除对成年小鼠无任何保护作用。该研究者进一步通过选择性敲除Atg7基因后发现新生小鼠中caspase依赖以及非caspase依赖的海马神经元死亡均能被阻断,且接近100%神经元死亡被挽救,说明自噬可能位于众多死亡机制的上游。由于Atg7敲除后海马区域神经元慢性丢失,故A t g7敲除在成年小鼠中的作用未能验证[15]。成年大鼠局灶性脑缺血模型(MCAO)中研究发现缺血半暗带区域自噬明显激活,且用自噬阻断剂32MA或bafli o myc i n A1(BFA)阻断自噬后梗死体积减小,脑水肿以及大鼠行为损害均得到显著改善[16,17]。以上结果说明,尤其在成年动物中,自噬发生可能促进了缺血后神经元的死亡且自噬性细胞死亡较凋亡作用可能更大,然而现有研究结果并不完全一致。Carl on i等[18]在H I诱导新生小鼠损伤模型中研究发现缺血后海马和大脑皮质神经元中Beclin1表达增高,并在24h达高峰,同样缺氧预处理后Bec2 li n1表达也明显增高;然而缺血前20m i n侧脑室注入自噬抑制剂)))32MA和渥曼青霉素(wort man2 ni n)后Becli n1表达减少,但海马以及皮质神经元死亡明显增加;相反侧脑室注入自噬激活剂)))雷帕霉素rapa myc i n后Becli n1表达增加,但海马以及皮质神经元死亡明显减少。Chen等[19]在离体培养神经元的氧糖剥夺模型(OGD)中研究发现OGD损伤后30m i n自噬即被明显激活,1h后达到高峰;用32MA抑制自噬后OGD损伤进一步加剧。以上可见,自噬在脑缺血缺氧损害中的确切作用尚存有争议,自噬是加重还是减轻缺血后神经元损害尚需在不同模型、不同成熟阶段的动物中进一步加以研究。

3.2癫痫

癫痫、痫性发作可以导致ATP耗竭,谷氨酸兴奋性中毒,并涉及氧化应激,而这些都是自噬的重要激活因素。Cao等[20]发现,在癫痫持续状态后2、8、16、24、72h,受损神经细胞中LC3II、LCI以及becli n1都显著增加,并在24h达高峰,而预先使用维生素E,可通过减少LC3II的形成部分抑制自噬过程。

4自噬与神经系统感染性疾病

早在1978年,S m ith等就在巨细胞病毒的研究中发现自噬体。直到1998年,在对Si ndbis病毒性脑炎的研究中,才有了自噬参与机体抗病毒的直接证据。目前认为,在神经系统中,自噬可以将胞内以及胞外的抗原提呈给小胶质细胞,星形胶质细胞中的MHC II分子;同时在周围树状突细胞中自噬影响病毒核酸的复制,增加I FN的生成,从而激活机体免疫反应。

4.1病毒性脑炎

1型单纯疱疹病毒(herpes sm i plex vir us1,HS V2 1)是双链DNA的A疱疹病毒,编码I CP34.5基因片段的H S V21可抑制自噬,而研究发现,I CP34.5基因敲除后,HS V21病毒感染的细胞自噬泡形成大量增加[21]。在对柯萨奇B4病毒的研究中发现,病毒感染后,神经元细胞自噬泡形成大量增加,而通过32甲基腺嘌呤抑制钙蛋白酶活性,可减少自噬泡的形成[22]。以上研究均证实,自噬参与病毒感染的发生发展。

4.2脊髓灰质炎

研究发现,在无包膜病毒)))脊髓灰质炎病毒感染晚期时,胞浆中会出现大量包含病毒颗粒的双层膜结构自噬泡,病毒RNA在双层膜结构中大量繁殖,并通过自噬泡与细胞膜的融合释放到胞外。用32甲基腺嘌呤或者通过RNA干扰技术下调自噬途径中必需的蛋白来抑制自噬,病毒数量减少[23]。从而表明,在脊髓灰质炎中自噬有利于胞内病原体的生存,抑制自噬就抑制了病原体的存活。

5其它神经系统疾病

大量研究证明,许多神经肌肉疾病都与自噬相关[24],在空泡性肌病中,自噬泡的高度积聚是该病的重要诊断依据。除此之外,自噬与神经系统遗传性疾性以及朊蛋白病[25]的关系也得到了一定的证实,但其具体机制还有待进一步研究。

6总结与展望

自噬作为细胞内降解/再循环系统,贯穿于正常细胞生长发育及生理病理全过程,部分神经系统疾病与自噬的关系得到明确地证实。但目前仍然有诸多问题需要解决:1自噬降解的特异性:自噬要实现其调节细胞生理功能必须通过特异性降解某些异常的细胞器或细胞内分子,因此细胞如何达到其特异性降解的目的尚需大量研究。o自噬起保护还是损伤作用:神经系统退行性病变等慢性疾病中,自噬更多地表现为功能缺陷,而脑缺血缺氧等急性疾病中,自噬更多地表现为功能亢进,但在绝大部分疾病中,自噬的作用性质尚不明了。?自噬与细胞死亡:适度的凋亡有助于机体的稳定,而凋亡过度或缺乏都将导致疾病的发生与发展;作为II型程序性细胞死亡)))自噬可能同样需要保持适度的水平,研究发现凋亡和自噬尚存在某些共同的调节分子,因此自噬与凋亡以及细胞死亡的关系将成为一个重要的研究领域。?自噬的启动与关闭:自噬通过何种机制启动其清除作用而必要时又通过何种机制关闭以防止自噬过度,自噬适时地启动与关闭将使其维持适度的水平,也决定着其发挥保护抑或损伤作用,因此相关分子机制研究将能为今后疾病的防治提供重要的干预靶点。相信随着上述问题的阐明也将有助于解释目前研究结果间差异的原因,从而最终实现通过调控自噬而达到治疗神经系统重大疾病的目的。

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