黃春輝，張在軍

(暨南大學新藥研究所，廣東 廣州 510632)

肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是一種進行性的罕見神經(jīng)退行性疾病。其特征是由腦和脊髓中運動神經(jīng)元的退化引起的肌肉無力，以及迅速進行性癱瘓和呼吸衰竭造成而的死亡。約10%的ALS屬于家族性ALS，與其相關(guān)的主要基因有：超氧化物歧化酶1(Cu-Zn superoxide dismutase，SOD1)、編碼TDP-43的TAR DNA結(jié)合蛋白43(transactive response DNA binding protein 43 kDa，TARDBP)、編碼肉瘤融合蛋白的FUS以及最近發(fā)現(xiàn)的C9ORF72內(nèi)含子重復擴增。其余90%病因不明的病例被認為是散發(fā)性的?；颊甙Y狀出現(xiàn)后的中位生存期為3～5年，且無有效的治療方法可用于治療或治愈ALS[1]。目前，僅有兩種FDA批準的藥物可用于ALS患者，這兩種藥物療效受限，長期應用都具有副作用。因此，需要進一步了解導致運動神經(jīng)元變性和ALS的分子和細胞機制，以加速ALS的藥物發(fā)現(xiàn)。

ALS可用藥物甚少，其發(fā)病機制復雜，包括氧化應激，神經(jīng)炎癥，線粒體功能障礙等[2]。能量代謝失調(diào)是ALS的一致特征，包括體重減輕，代謝亢進和高脂血癥，這在ALS患者和嚙齒動物模型中均得到了研究的支持[3]。這些異常大多與生存期有關(guān)，現(xiàn)有的臨床證據(jù)支持能量代謝不良對整個致病過程的負面影響。同時對ALS動物模型的研究結(jié)果支持這種觀點，并提供了對潛在機制的認識。因此，這些結(jié)果提示對ALS患者能量代謝缺陷的治療具有臨床意義，為將來的治療干預鋪平了道路。

磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine phosphate-activated protein kinase，AMPK)和沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(sirtuin 1，SIRT1)在能量代謝和線粒體功能方面的功能相互補充，它們既相互調(diào)節(jié)又共享許多共同的靶分子[4]。AMPK和SIRT1在細胞水平感受能量代謝狀態(tài)，并在調(diào)節(jié)機體能量穩(wěn)態(tài)和自噬方面起重要作用。AMPK是維持細胞能量穩(wěn)態(tài)的主要能量傳感器。越來越多的證據(jù)表明，AMPK作為細胞對能量應激和線粒體損傷反應的中心介質(zhì)，對線粒體生物學和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的各個方面有著特殊的調(diào)節(jié)作用，包括通過刺激線粒體生物發(fā)生來控制線粒體數(shù)量，調(diào)節(jié)細胞中線粒體網(wǎng)絡的形狀，以及通過調(diào)節(jié)自噬和有絲分裂來控制線粒體質(zhì)量。AMPK在ALS中的作用備受關(guān)注，因為有研究表明，在幾種遺傳ALS模型中AMPK活性的降低是有益的[5-6]。然而，在另外的模型中，抑制AMPK的活性反而會產(chǎn)生不利作用[5]。因此，AMPK信號通路對ALS調(diào)節(jié)的潛在機制需要深入探索，也值得探索。SIRT1作為NAD+依賴的類組蛋白脫乙?；福瑓⑴c調(diào)控能量代謝、線粒體生物合成與維持線粒體正常功能。研究表明，AMPK激活SIRT1，使下游的參與能量代謝的基因過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔活化因子1α(peroxlsome proliferator-activated receptor coactivator-1α,PGC-1α)等去乙酰化激活，從而提高線粒體生物合成水平，合理地解釋了AMPK/SIRT1協(xié)同參與能量代謝調(diào)節(jié)的機制[7]。

顯然，能量代謝缺陷和線粒體異常在ALS中的作用已經(jīng)不可忽視，而AMPK/SIRT1/PGC-1α途徑在機體能量穩(wěn)態(tài)和自噬方面具有光明前景。那么，通過直接或間接調(diào)控AMPK/SIRT1/PGC-1α通路來保護運動神經(jīng)元和干預ALS病程將是ALS治療策略的另一蹊徑。

1 能量代謝缺陷和線粒體異常對ALS的影響

1.1 SOD1相關(guān)的能量代謝缺陷和線粒體異常眾多臨床證據(jù)顯示，能量代謝缺陷對整個ALS致病過程具有負面影響。而越來越多的證據(jù)表明，線粒體功能受損可能是這種情況下快速神經(jīng)退行性改變的關(guān)鍵。代謝功能障礙在SOD1突變小鼠模型中得到了較多驗證。運動神經(jīng)元中線粒體形態(tài)的改變是ALS突變型SOD1小鼠模型中最早的病理征象之一[8]?？梢钥吹?，SOD1突變小鼠在運動神經(jīng)元中顯示出空泡的線粒體[8]，早在2個月時就檢測到線粒體復合體I的活性降低。此外，突變型SOD1小鼠的脊髓中存在氧化磷酸化，ATP合成缺陷和鈣緩沖作用受損[9]。更重要的是，突變的SOD1在體內(nèi)異常地定位于線粒體，提示其會誘發(fā)線粒體功能障礙[9]。這些研究共同表明，線粒體功能和動力學的變化是ALS發(fā)病機理的核心和共同特征。因此，線粒體異常造成能量代謝缺陷在SOD1突變中的作用不可忽視。

1.2 TDP-43和FUS相關(guān)的能量代謝缺陷和線粒體異常除SOD1外，ALS相關(guān)蛋白TDP-43和FUS的突變導致嚙齒動物運動神經(jīng)元能量破壞和線粒體缺陷，增強了ALS中的能量異常[3]。TDP-43在調(diào)節(jié)代謝途徑中的潛在作用的第一個證據(jù)是：小鼠出生后TDP-43的缺失導致了體脂的急劇減少，隨后迅速死亡[10]。相反，在轉(zhuǎn)基因小鼠中，TDP-43突變體的過表達導致脂肪沉積增加和脂肪細胞肥大。以上研究證實，TDP-43是體內(nèi)脂肪代謝和葡萄糖穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。在FUS突變體的病例中，對青少年ALS患者的尸檢顯示，殘余的脊髓運動神經(jīng)元含有與線粒體紊亂相關(guān)的陽性嗜堿性粒細胞包涵體[11]。此外，突變FUS在轉(zhuǎn)基因大鼠中的表達觸發(fā)了皮層神經(jīng)元的線粒體病理學[12]，再次與FUS介導的ALS中的線粒體缺陷相一致。

綜上所述，在ALS的多種模型中，包括SOD1、TDP-43、FUS等，均顯示出能量代謝和線粒體異常，并對ALS進程和生存產(chǎn)生巨大影響。因此，能量代謝失衡和線粒體異常應被視為ALS進展和潛在治療的重要因素。

2 AMPK/SIRT1/PGC-1α在ALS中至關(guān)重要的作用

2.1 AMPK/SIRT1/PGC-1α信號通路中樞神經(jīng)系統(tǒng)能量代謝的顯著特征是能量需求和供應之間存在緊密的聯(lián)系。在大多數(shù)真核細胞中，AMPK是主要的能量傳感器，用以檢測能量需求和能量供應之間的平衡，以調(diào)節(jié)細胞以及整個人體能量穩(wěn)態(tài)。

運動神經(jīng)元中AMPK信號級聯(lián)的失調(diào)是ALS發(fā)病機制中的早期和常見事件。AMPK是一種Ser/Thr激酶，可刺激促進能量產(chǎn)生或抑制能量消耗的途徑[13]。AMPK可以通過催化域內(nèi)Thr172的磷酸化直接被許多上游激酶激活，激活后，AMPK可以磷酸化并刺激許多關(guān)鍵的下游途徑，以減少能量消耗，并促進葡萄糖的攝取和利用，有利于生物能量穩(wěn)態(tài)的維持[13]。此外，還已知ROS以復雜的方式調(diào)節(jié)AMPK。因此，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，AMPK扮演著非常重要和復雜的角色。

研究表明，AMPK激活SIRT1，使能量代謝相關(guān)基因PGC-1α等去乙?；せ?，進而提升線粒體生物合成水平，合理地解釋了AMPK/SIRT1協(xié)同參與能量代謝調(diào)節(jié)的機制[7]。SIRT1被認為構(gòu)成了衰老和人類神經(jīng)退行性疾病之間的獨特分子聯(lián)系，并為治療干預提供了有希望的途徑。例如SIRT1可以激活PGC-1α和HIF-1α，從而改善了線粒體的生物發(fā)生和延長壽命[14]。作為多功能調(diào)節(jié)因子，PGC-1α調(diào)節(jié)多種生理生化過程，包括線粒體生物發(fā)生、糖異生、葡萄糖轉(zhuǎn)運、脂肪酸氧化、過氧化物酶體重塑、氧化磷酸化和肌纖維類型轉(zhuǎn)化。PGC-1α是AMPK和SIRT1共同的靶分子，對線粒體生物發(fā)生的貢獻有至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用[4]。可以說，PGC-1α、SIRT1和AMPK，組成了一個控制能量消耗的能量傳感網(wǎng)絡。因此，通過調(diào)控AMPK/SIRT1/PGC-1α途徑維持機體能量代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)是極具潛力的(Fig 1)。

Fig 1 Regulation of AMPK/SIRT1/PGC-1α pathway to maintain energy metabolism and mitochondrial homeostasis

2.2 AMPK/SIRT1/PGC-1α對ALS的影響

2.2.1AMPK對ALS的作用 鑒于AMPK信號轉(zhuǎn)導在能量代謝和細胞應激的關(guān)鍵作用，其在ALS中已被大量研究。首先，在脊髓培養(yǎng)物和表達突變型SOD1的運動神經(jīng)元細胞系以及從SOD1G93A小鼠衍生的胚胎神經(jīng)干細胞中發(fā)現(xiàn)AMPK激活增加[5,15]。從癥狀發(fā)作開始，突變的SOD1小鼠的脊髓中AMPK活性增加，特別是在脊髓運動神經(jīng)元中[5,15]。重要的是，在ALS患者的運動神經(jīng)元中同樣顯示出增強的AMPK激活[16]，這與ALS能量消耗和高代謝一致。通過以上研究，我們推測降低AMPK活性可減少運動神經(jīng)元死亡，從而改善ALS癥狀。

然而，在TDP-43介導的ALS中，AMPK信號傳導的作用尚不清楚。在癥狀前和有癥狀的轉(zhuǎn)基因TDP-43A315T小鼠和表達不同TDP-43突變體的脊髓和大腦運動神經(jīng)元細胞中，AMPK活性反而急劇下降[15]。這與突變的TDP-43對AMPK磷酸酶，蛋白磷酸酶2A的選擇性上調(diào)有關(guān)。同時，在TDP-43M337V模型中，也觀察到AMPK活性增加，這可能與TBC1D1基因失活導致葡萄糖消除率和脂肪酸氧化增加相關(guān)[5]。以上反映了野生型和過表達不同突變型TDP-43或所用特定小鼠模型在AMPK活性調(diào)節(jié)中的具有差異。

相比之下，用AMPK的小分子激活劑拉特吡啶(latrepirdine)預處理可延遲癥狀發(fā)作并延長SOD1G93A小鼠的壽命[17]。在SOD1G93A小鼠中，白藜蘆醇(resveratrol，RSV)通過激活AMPK改善運動神經(jīng)元并延長壽命，從而產(chǎn)生有益作用[6]。這與AMPK激活有關(guān)，并可通過自噬通量的正?；驮黾覵OD1G93A小鼠脊髓的線粒體生物發(fā)生而發(fā)揮保護作用[6]。

盡管AMPK的激活對ALS的作用仍有爭議，但總得來看，大多數(shù)證據(jù)是支持AMPK激活是有益的。當然，這需要更多的研究進行驗證，因為模型的不同、疾病進展階段的差異、性別等因素都會產(chǎn)生巨大的影響。

2.2.2SIRT1對ALS的作用 AMPK和SIRT1既相互調(diào)節(jié)又共同作用于許多靶分子[4]。研究表明，在正常衰老過程中，野生型小鼠的脊髓中SIRT1表達降低，而使用在運動神經(jīng)元中過表達SIRT1的小鼠模型，可以發(fā)現(xiàn)SIRT1減慢了神經(jīng)肌肉接頭(NMJs)上與年齡相關(guān)的運動神經(jīng)元突觸前突觸部位的變性，且正常衰老過程中的變化與ALS進程中的變化幾乎是一致的[18]。同時，在SOD1G93A小鼠的運動神經(jīng)元中過表達SIRT1會延遲其疾病進展[18]。并且與正常健康對照來源的相比，ALS患者的骨髓間充質(zhì)干細胞SIRT1/AMPK的活性顯著降低，而使用白藜蘆醇可以恢復這種下降[19]。結(jié)合以上研究，可以推測激活SIRT1對ALS能產(chǎn)生有益作用，調(diào)節(jié)SIRT1的表達是預防ALS患者運動神經(jīng)元變性的潛在治療方式。

2.2.3PGC-1α對ALS的作用 PGC-1α是AMPK參與線粒體生物發(fā)生的主要靶標，同時也受SIRT1去乙?；龠M核轉(zhuǎn)運。ALS患者和轉(zhuǎn)基因小鼠的脊髓和運動皮層組織中PGC-1α的蛋白和mRNA水平降低，且升高的PGC-1α活性可維持線粒體的生物發(fā)生和肌肉功能，但不會延長遺傳性ALS小鼠的生存期[20]。此外，PGC-1α的遺傳消融加速SOD1G93A小鼠疾病進程，而PGC-1α的過表達則延長了壽命，且這種對生存的有益影響歸因于神經(jīng)元中的PGC-1α活性[20]。因此，PGC-1α表達水平和活性對ALS患者延長壽命和延緩疾病發(fā)作的潛力不可忽視，值得投入更多的研究。

3 靶向調(diào)控AMPK/SIRT1/PGC-1α信號通路使之成為ALS的有效治療策略

綜上所述，AMPK/SIRT1/PGC-1α能量傳感網(wǎng)絡對能量代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)有著極其關(guān)鍵的作用，直接或間接靶向調(diào)控AMPK/SIRT1/PGC-1α信號通路策略可能是改善或治療ALS的重要手段。目前，靶向AMPK/SIRT1/PGC-1α藥物已嶄露頭角[21]，有單一激活AMPK或SIRT1的，也有同時作用于AMPK和SIRT1，進而激活PGC-1α發(fā)揮作用的(Tab 1)。

FDA批準的治療ALS的藥物利魯唑，其確切的作用機制仍不清楚，研究發(fā)現(xiàn)利魯唑能夠增加AMPK磷酸化，并使其下游靶標AS-160磷酸化，從而提高細胞中的葡萄糖轉(zhuǎn)運速率[22]。因此，增加ALS受影響細胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運率可能是利魯唑治療ALS的機制之一。同樣，AICAR也可以激活AMPK而發(fā)揮作用[15]。在表達ALS相關(guān)的SOD1和TDP-43突變的NSC-34細胞中，AICAR處理導致AMPK的劑量依賴性磷酸化。此外，在SOD1G93A原代小鼠運動神經(jīng)元培養(yǎng)物和腰椎脊髓中，AMPK的小分子激活劑latrepirdine處理增加了的AMPK活性，且latrepirdine預處理可延遲癥狀發(fā)作并延長SOD1G93A小鼠的壽命[17]。這表明latrepirdine預處理是一種可能的ALS治療策略。

值得一提的是，白藜蘆醇(一種SIRT1激活分子)治療顯著延遲了ALS疾病的發(fā)作，并在雌性和雄性動物中保留了上下運動神經(jīng)元的功能[6]。此外，白藜蘆醇顯著延長了SOD1G93A小鼠的壽命，并促進了脊髓運動神經(jīng)元的存活[6]。進一步的實驗表明，白藜蘆醇促使脊髓腹側(cè)SIRT1和AMPK的表達和激活增加，這有助于自噬通量的正?；途€粒體生物發(fā)生進而產(chǎn)生保護作用[6]。除此之外，在ALS的細胞模型中，白藜蘆醇可以促進神經(jīng)元存活。白藜蘆醇介導的SIRT1激活可以對SOD1G93A小鼠產(chǎn)生保護作用[23]。5 mg/kg的SIRT1激活劑SRT1720處理，可使SIRT1表達升高誘導PGC-1α脫乙?；?，并加快線粒體蛋白表達和功能的恢復[24]。以上研究表明，白藜蘆醇可以通過上調(diào)SIRT1的表達來作為防止ALS患者的運動神經(jīng)元變性的潛在治療靶標。

除此之外，在SOD1G93A小鼠模型中，化合物R13激活AMPK/PGC-1α/Nrf1/Tfam，促進線粒體生物合成，改善線粒體功能障礙，從而顯著減弱了SOD1G93A小鼠的異常運動表現(xiàn)。并且R13處理降低了小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的增殖，減少了脊髓運動神經(jīng)元病理學和腓腸肌萎縮的進程[25]。線粒體組學分析表明，R13改變了SOD1G93A小鼠延髓和脊髓中的線粒體蛋白表達譜，特別是促進了與氧化磷酸化相關(guān)的蛋白的表達。同時，在穩(wěn)定表達G93ASOD1的蠕蟲上R13延長了其存活率。

我們最近的研究中，硝酮嗪(TBN)在SOD1G93A轉(zhuǎn)基因小鼠中通過激活PGC-1α/Nrf2/HO-1通路改善運動功能障礙和病理表現(xiàn)[26]；與此同時，在紋狀體注射TDP-43M337的小鼠中，TBN激活了AMPK/PGC-1α/Nrf2信號通路進而改善運動功能并延長了小鼠的生存期[27]。值得一提的是，TBN治療ALS的臨床二期試驗(ChiCTR2000039689)正在進行，這給ALS治療藥物的研發(fā)提供了一些見解。

以上藥物雖然在特定的ALS模型中被驗證有一定的效果，但仍需更多不同的模型系統(tǒng)地研究AMPK/SIRT1/PGC-1α途徑在ALS治療中切實可行，最終推進相關(guān)藥物進入臨床試驗，以評估對ALS患者的安全性和治療效果。

Tab 1 Drugs targeting AMPK/SIRT1/PGC-1α

4 總結(jié)

能量代謝和線粒體功能異常在ALS發(fā)生發(fā)展中的作用已日益明確，維持能量代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)必將成為ALS治療的光明途徑。盡管AMPK在ALS中扮演的角色尚不清楚，但考慮到AMPK/SIRT1/PGC-1α在線粒體穩(wěn)態(tài)中的重要性，直接或間接靶向調(diào)控AMPK/SIRT1/PGC-1α信號通路，以調(diào)節(jié)線粒體功能并維持代謝穩(wěn)定不失為一個極佳的選擇。并且目前已經(jīng)有眾多藥物被證明對該信號通路有調(diào)節(jié)作用，一方面這是極具潛力的藥物資源，另一方面，也需要更多的模型和研究進行驗證。除此之外，運動可顯著影響PGC-1α和AMPK-SIRT1途徑，因為它參與能量代謝和線粒體生物發(fā)生的調(diào)控。因此，通過AMPK/SIRT1/PGC-1α調(diào)節(jié)能量代謝和線粒體穩(wěn)態(tài)治療ALS的策略可以從不同的角度來進行，例如藥物，飲食，運動等。未來的研究也應針對闡明AMPK/SIRT1/PGC-1α是否可以作為ALS有用的治療途徑，并尋找相應的治療策略。