袁小凡 焦劍橋 谷競(jìng)龍飛 張麗 李金國 張昭強(qiáng)
摘要:自噬是清除病理狀態(tài)下異常蛋白質(zhì)的重要途徑,對(duì)維持機(jī)體平衡有重要的作用,自噬異常參與多種疾病的發(fā)病機(jī)制。帕金森病 (Parkinsons disease, PD) 是中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,自噬紊亂與PD的發(fā)生發(fā)展具有密切聯(lián)系,其已成為PD研究和治療的重要方向。文章簡(jiǎn)要綜述了自噬與PD,以期為今后的研究提供參考。
關(guān)鍵詞:自噬;帕金森病相關(guān)基因;α-突觸核蛋白
【中圖分類號(hào)】R322.8?? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A??? 【文章編號(hào)】2107-2306(2020)02-327-02
自噬在真核細(xì)胞中廣泛存在,是一個(gè)吞噬自身細(xì)胞質(zhì)蛋白或細(xì)胞器,使其包被進(jìn)入囊泡,并與溶酶體融合,降解包裹的內(nèi)容物的過程,從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞本身的代謝需要和某些細(xì)胞器的更新。在應(yīng)激條件下自噬通常被激活,清除細(xì)胞內(nèi)異物和異常的細(xì)胞,從而維持機(jī)體平衡。
1 自噬的分類與活性檢測(cè)
根據(jù)細(xì)胞將物質(zhì)運(yùn)到溶酶體內(nèi)的途徑不同,自噬分為以下幾種:①大自噬(macroautophagy),即為通常所說的自噬,由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)來源的膜包繞待降解物形成自噬體,然后與溶酶體融合并降解其內(nèi)容物; ② 小自噬 (microautophagy),不形成自噬體,由溶酶體的膜直接包裹長(zhǎng)壽命蛋白等,在溶酶體內(nèi)降解; ③ 分子伴侶介導(dǎo)的自噬 (chaperone-mediated autophagy, CMA), 胞質(zhì)內(nèi)蛋白結(jié)合到分子伴侶后被轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體腔中,然后被溶酶體酶消化。CMA在清除蛋白質(zhì)時(shí)具有選擇性,其底物是可溶性蛋白質(zhì)分子,而前兩種方式則無明顯的選擇性。
自噬體的形成對(duì)自噬的發(fā)生與發(fā)展至關(guān)重要,但只有完整的自噬流才能清除損傷的線粒體和異常聚積的蛋白。微管相關(guān)膜蛋白輕鏈3 (microtuble associated protein light chain 3,LC3) 是自噬體膜上的標(biāo)志性蛋白,分為可溶性的LC3-I和膜性的LC3-II。當(dāng)自噬信號(hào)被激活,產(chǎn)生大量自噬體,LC3-II結(jié)合到自噬體膜上,自噬底物蛋白死骨片1 (p62) 通過LC3-II進(jìn)入自噬體內(nèi),p62水平降低,當(dāng)自噬體與溶酶體結(jié)合,自噬體被降解,LC3-II濃度隨之降低[1],即自噬體的數(shù)量與LC3-II水平呈正相關(guān),與p62水平成負(fù)相關(guān)。所以,可以采用Western blot檢測(cè)LC3的含量,或通過LC3和p62水平來判斷自噬流的強(qiáng)弱。另外,通過溶酶體抑制劑,抑制溶酶體的功能,使LC3積聚,通過比較不同組別LC3水平差異也可判斷自噬流的強(qiáng)度。
2 自噬與帕金森病 (Parkinsons disease, PD) 的關(guān)系
PD的典型病理特征為黑質(zhì)多巴胺 (dopamine, DA) 能神經(jīng)元退行性變性死亡和殘存的神經(jīng)元胞漿內(nèi)形成路易小體 (Lewy bodies, LBs),聚集的α-突觸核蛋白 (α-synuclein, α-syn)是LBs的主要結(jié)構(gòu)成分。α-syn是由SNCA基因指導(dǎo)合成的含150個(gè)氨基酸的小分子蛋白質(zhì),正常生理狀態(tài)下為穩(wěn)定的α-螺旋結(jié)構(gòu),不會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒素作用,在參與DA 的生物合成、抵抗細(xì)胞損傷方面有重要作用。多種因素都可導(dǎo)致α-syn錯(cuò)誤折疊并過度聚積,產(chǎn)生具有神經(jīng)毒性的寡聚體,增加細(xì)胞通透性促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Ca2?濃度上升,胞內(nèi)離子濃度平衡被破壞,進(jìn)而激活caspase蛋白酶系統(tǒng),最終導(dǎo)致神經(jīng)元變性死亡。研究發(fā)現(xiàn)不溶性和突變的α-syn 主要通過自噬途徑清除,可溶性α-syn 則主要通過蛋白酶降解。α-syn的異常積聚抑制自噬途徑,而自噬途徑的抑制又導(dǎo)致α-syn的積聚,加重了DA能神經(jīng)元的損傷情況,進(jìn)而形成一個(gè)惡性循環(huán)的病理過程[2]。
3? PD相關(guān)基因與自噬
PD的致病機(jī)理復(fù)雜,是多種因素共同作用的結(jié)果。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了20余種家族性PD相關(guān)的基因,它們可以直接或間接地影響自噬過程,進(jìn)而影響PD發(fā)病過程。我們選取較為重要的幾種基因與自噬的相互關(guān)系進(jìn)行了綜述。
3.1? LRRK2與自噬
遺傳性家族PD發(fā)病的相關(guān)基因富含亮氨酸重復(fù)單位激酶2 (leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)可能與自噬相關(guān)。LRRK2基因突變可以增強(qiáng)LRRK2 激酶活性,影響神經(jīng)元生長(zhǎng),參與帕金森病發(fā)病過程。野生型LRRK2 可以通過CMA 途徑降解,突變型LRRK2則抑制CMA 降解途徑導(dǎo)致ɑ-syn 的堆積,其主要是通過結(jié)合溶酶體表面的Lamp2 抑制其正常功能[3]。
3.2? DJ-1與自噬
DJ-1是一種由PARK7基因編碼、可以調(diào)節(jié)細(xì)胞器更新速度的蛋白質(zhì)。在正常生理狀態(tài)下,線粒體產(chǎn)生ROS進(jìn)而上調(diào)自噬,使衰老、損傷的線粒體被清除。而突變型的DJ-1滅活ROS,溶酶體活性降低,使線粒體自噬減弱,導(dǎo)致?lián)p傷線粒體在細(xì)胞內(nèi)大量積聚,神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)生退行性病變,最終導(dǎo)致PD。
3.3 PINK1/Parkin與自噬
PTEN誘導(dǎo)的假定激酶1 (PTEN-induced putative kinase 1, PINK1) 和Parkin是PD中介導(dǎo)線粒體自噬的兩個(gè)致病基因。PINK1位于Parkin的上游,二者共同調(diào)節(jié)線粒體自噬。當(dāng)線粒體損傷時(shí),PINK1到線粒體外誘導(dǎo)線粒體自噬,清除損傷的線粒體。但在PD患者中,PINK1與Pakin突變,PINK1到線粒體外膜的過程出現(xiàn)障礙,致使線粒體自噬清除作用被抑制,受損線粒體在細(xì)胞內(nèi)堆積,產(chǎn)生大量活性氧物質(zhì) (reactive oxygen species, ROS),進(jìn)而造成了神經(jīng)元損傷[4]。
3.4 ATP13A2與自噬
ATP13A2可以調(diào)節(jié)溶酶體活性,清除細(xì)胞內(nèi)損傷的蛋白或細(xì)胞器。ATP13A2基因缺失會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Zn2?穩(wěn)態(tài)失衡,引起溶酶體功能紊亂,降低溶酶體的吞噬降解能力,α-syn降解減少導(dǎo)致堆積和線粒體損傷,而ATP13A2的過表達(dá)則可以逆轉(zhuǎn)此現(xiàn)象[5]。
3.5 UCH-L1與自噬
泛素C末端水解酶L1 (ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase L1, UCH-L1) 是一種僅在大腦、睪丸、卵巢和腫瘤周邊組織中表達(dá)的蛋白質(zhì)。UCH-L1的突變可以導(dǎo)致家族性PD,突變型的UCH-L1與CMA的底物具有高親和力,并與之結(jié)合,抑制CMA,導(dǎo)致α-syn積累,從而促進(jìn)PD的發(fā)病進(jìn)程。
4 自噬與PD治療
自噬與PD的密切關(guān)系提示我們,可以通過誘導(dǎo)激活自噬或增強(qiáng)溶酶體活性的方式調(diào)節(jié)自噬水平,減少α-syn聚積和受損傷細(xì)胞器的積累,抑制神經(jīng)元的變性壞死,從而為PD的治療提供一些新的治療參考。
哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白 (mammalian target of rapamycin, mTOR) 是自噬的負(fù)調(diào)節(jié)因子,而雷帕霉素是藥物自噬誘導(dǎo)劑,在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,可以抑制mTOR的活性促進(jìn)自噬,可以清除易聚集蛋白,保護(hù)細(xì)胞免于凋亡。海藻糖可以通過mTOR非依賴性途徑增強(qiáng)自噬,抑制α-syn的聚積,避免細(xì)胞死亡,減緩PD的病理變化,同時(shí)避免了雷帕霉素產(chǎn)生的較大副作用。mTOR依賴性與非依賴性自噬誘導(dǎo)劑聯(lián)合用藥,會(huì)產(chǎn)生累加效應(yīng),而且可以降低單獨(dú)用藥的給藥劑量,減少副作用,在帕金森癥的治療中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。另外,增強(qiáng)溶酶體活性,維持溶酶體的正常功能也有助于改善PD的病理變化。
5? 展望
自噬廣泛存在于機(jī)體中,維持細(xì)胞正常自噬功能,減少α-syn的異常聚集和損傷細(xì)胞器的積累,提高神經(jīng)元細(xì)胞的存活,對(duì)PD有重要作用。如何利用基因或藥理手段,激活自噬,實(shí)現(xiàn)對(duì)PD的有效治療,進(jìn)而在不傷害機(jī)體的前提下有效激活自噬,仍是PD治療的一大挑戰(zhàn)。
參考文獻(xiàn):
【基金項(xiàng)目】國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201810439041,201910439028);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2019MH090)
作者簡(jiǎn)介
袁小凡,焦劍橋 為本文共同第一作者。
通訊作者: 張昭強(qiáng)(1980-),男,副教授,博士,主要從事帕金森病的病因與防治的研究。