自噬是一種溶酶體降解途徑,，它不僅有助于提供營養(yǎng)物質(zhì)，還能夠清除有害物質(zhì),，如錯誤折疊的蛋白質(zhì)和入侵的微生物,，幫助支持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和生存,。因此，自噬缺陷與多種人類疾病有關(guān),。

在神經(jīng)退行性病變中,，神經(jīng)元自噬功能紊亂和異常蛋白質(zhì)聚集折疊是神經(jīng)退行性疾病的主要病理改變。

經(jīng)典的神經(jīng)退行性疾病有一些關(guān)鍵性蛋白,，例如,，阿爾茨海默病(AD)的淀粉樣前體蛋白(APP)的Aβ和c末端片段(CTF)，帕金森病(PD)的突變α-synuclein,，亨廷頓病(HD)的聚谷氨酰胺(polyQ)擴(kuò)增型亨廷頓蛋白(mHtt),。另外，自噬受體的基因突變,，如p62,、OPTN、NBR1和ALFY/WDFY3,，常與神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。

越來越多的證據(jù)表明,，自噬與神經(jīng)退行性疾病之間的相互作用,，不僅自噬活性的降低是疾病的原因之一，而且疾病相關(guān)基因的突變也會在不同階段抑制自噬,。

圖1：自噬過程與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)蛋白之間的相互作用

接下來,，我們整理了常見的神經(jīng)退行性疾病（阿爾茲海默病AD,、帕金森氏病PD,、亨廷頓氏病HD、肌萎縮性側(cè)索硬化癥ALS）與自噬機制的前沿進(jìn)展,，以及自噬調(diào)節(jié)作為這些疾病的治療策略,。

阿爾茨海默病(AD)是最常見的癡呆形式,，其特征是Tau和β-淀粉樣肽兩種蛋白質(zhì)的積累,。自噬途徑的缺失已被證實是AD的標(biāo)志。

針對自噬與AD的2種特征蛋白的研究已有很多,。我們首先來看,，將M1C細(xì)胞暴露于3-MA (2.5 mM, 5 mM)中，與未處理對照組相比,，用3-MA處理細(xì)胞可導(dǎo)致Tau蛋白顯著積累(圖2A),。此外，在加入3-MA (5 mM)的Tau蛋白誘導(dǎo)5天后,，從細(xì)胞裂解液中檢測到p44陽性Tau蛋白（圖2B）,。

圖2：抑制自噬會增加tau蛋白的積累

這說明,，自噬抑制劑3-MA對細(xì)胞的處理會導(dǎo)致Tau蛋白更多的積累，提示自噬系統(tǒng)在清除聚集的Tau蛋白方面發(fā)揮著明顯的作用^[1],。

另一種蛋白淀粉樣β肽是淀粉樣前體蛋白(APP)降解的結(jié)果,。淀粉樣β肽的積累導(dǎo)致自噬小體與溶酶體融合受損，進(jìn)而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的積累,。此外,，編碼早衰素1 (PSEN1)的基因的突變也會導(dǎo)致溶酶體功能受損，淀粉樣β-肽積累,。在AD中淀粉樣β-肽的積累和PSEN1突變受到UPR和自噬的保護(hù),。只有細(xì)胞內(nèi)淀粉樣β-肽和PSEN1突變才能通過RYR和ITPR從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子來觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。有趣的是,，PSEN1突變會阻斷內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器,，從而使神經(jīng)元細(xì)胞更容易受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的影響。

圖3：神經(jīng)元細(xì)胞中的 ER 應(yīng)激和 UPR 通路

除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激外,，溶酶體pH的改變在AD中也有有效作用,。V0 - ATP酶對降低自噬溶酶體的pH值至關(guān)重要。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PSEN1突變導(dǎo)致了V0-ATP酶 a1亞基從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到溶酶體的靶向性缺陷,。因此,，PSEN1突變導(dǎo)致AD患者通過自噬減少了底物的蛋白水解，因為PSEN1突變患者的pH沒有得到適當(dāng)?shù)木S持^[2],。

圖4：PS1 KO囊胚中v-ATPase的溶酶體靶向功能受損

由于自噬過程中自噬小體酸化和組織蛋白酶激活的選擇性損傷,，導(dǎo)致基質(zhì)蛋白水解和自噬小體清除被阻止。引起早發(fā)性AD的PS1突變在AD患者的成纖維細(xì)胞中產(chǎn)生類似的溶酶體/自噬表型,。因此,，PS1對于v-ATPase靶向溶酶體、溶酶體酸化和自噬過程中的蛋白水解至關(guān)重要,。

帕金森病是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性運動障礙，特征是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的丟失,，以及多巴胺的丟失導(dǎo)致運動障礙,。其主要病理特征包括α-synuclein等基因的遺傳突變。帕金森病已被檢測到包含6個基因的突變,，即SNCA,、GBA、Parkin (PARK2),、PTEN誘導(dǎo)的推定激酶1 (PINK1),、富含亮氨酸重復(fù)激酶2 (LRRK2)和DJ1，這些基因與疾病的早期發(fā)生有關(guān),。

自噬相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄改變在PD中很常見,。在PD癥狀期,，中腦大部分多巴胺能神經(jīng)元已經(jīng)缺失，TFEB介導(dǎo)的Beclin-1,、CTSD和LAMP1的轉(zhuǎn)錄較癥狀前期降低^[3],。

圖5：基因轉(zhuǎn)移介導(dǎo)的自噬刺激保護(hù)DA神經(jīng)元免受α-syn毒性。

研究顯示,，過表達(dá)Beclin-1和TFEB對黑質(zhì)DA神經(jīng)元具有強大的神經(jīng)保護(hù)作用,，可抵抗α- sync誘導(dǎo)的毒性。測量結(jié)果顯示,，與GFP對照組相比,，Beclin-1和TFEB過表達(dá)組紋狀體TH 末端存活顯著。

葡糖腦苷脂酶(GBA)的突變,，是一種降解葡糖神經(jīng)酰胺的溶酶體酶,，是帕金森病最常見的遺傳危險因素。研究發(fā)現(xiàn),，散發(fā)性帕金森病患者在早期表現(xiàn)為GBA活性選擇性降低,，伴有α-突觸核蛋白內(nèi)含物增加^[4]。

圖6：GBA1突變PD患者和nc患者的GCase活性和α-syn物種水平

在N370S GBA1突變攜帶者中,，我們觀察到比非攜帶者更低的GCase活性,，而這些病例也顯示出比非GBA1突變PD患者更高的t-α-syn水平。

帕金森病中第二常見的遺傳危險因素是富含亮氨酸重復(fù)激酶2(LRRK2/PARK8)基因突變,。然而,，LRRK2在自噬中的作用是否與PD病理相關(guān)仍存在爭議,。有研究表明,，LRRK2缺失會破壞自噬-溶酶體途徑，導(dǎo)致細(xì)胞死亡^[5],。

圖7：衰老LRRK2?/?小鼠的自噬-溶酶體途徑受損,，氧化損傷增加

圖7A，年老的LRRK2?/?小鼠腎臟中脂褐素顆粒異常堆積,，脂褐素顆粒的異常積累提示自噬-溶酶體系統(tǒng)受損,，并與神經(jīng)退行性疾病(如PD)有關(guān)。為了進(jìn)一步評估LRRK2缺失情況下的自噬功能,，作者還評估了自噬小體的標(biāo)記物L(fēng)C3,。WB分析顯示，20月齡LRRK2?/?腎臟中LC3-II水平顯著下降(圖7C),，表明LRRK2缺失時自噬小體形成受損,。

ATP酶離子轉(zhuǎn)運的功能缺失突變體ATP13A2是PD早期發(fā)病的特征，該蛋白主要是利用水解三磷酸腺苷釋能驅(qū)動物質(zhì)跨膜運輸,，因此對于維持溶酶體的pH至關(guān)重要,。研究表明,，ATP13A2的突變被證明可以引起α-synuclein的積累，而α-synuclein的沉默可以減輕ATP13A2缺失引起的神經(jīng)毒性^[6],，這表明ATP13A2的缺失可能通過α-synuclein的積累參與PD的病理過程,。

圖8：ATP13A2的消耗導(dǎo)致α-syn和初級神經(jīng)元的毒性

這些實驗表明，在神經(jīng)元中敲低ATP13A2導(dǎo)致NF染色減少(圖8C),， LDH釋放增加(圖8D),，核凝結(jié)增加(圖8E)，提示ATP13A2功能的喪失導(dǎo)致神經(jīng)元毒性,。

亨廷頓氏病HD是一種常染色體單基因顯性遺傳性神經(jīng)退行性疾病，它會導(dǎo)致主要是身體狀態(tài),，思維認(rèn)知能力和情緒的變化,。亨廷頓病患者體內(nèi)的異常亨廷頓蛋白首先會影響其腦內(nèi)的基底核，使得基底核無法修飾或抑制大腦的指令,，于是全身肌肉便不受控制地運動,，表現(xiàn)為舞蹈樣動作。到了疾病的晚期,，連負(fù)責(zé)下達(dá)指令的大腦表層也會逐漸死亡,，屆時病人可能失去所有行動能力，并出現(xiàn)認(rèn)知功能下降甚至癡呆,。導(dǎo)致亨廷頓氏病的蛋白是突變型的亨廷頓蛋白mHtt,，這些蛋白形成泛素陽性聚集物，具有豐富的β-sheet結(jié)構(gòu),，導(dǎo)致紋狀體和皮層的細(xì)胞毒性,。

研究表明，mHtt的過表達(dá)可誘導(dǎo)進(jìn)行性運動障礙,，并伴有自噬小體的積累,。

圖9：LC3點狀蛋白和泛素與mhtt聚集物共定位

40周齡HdhQ200雜合子小鼠紋狀體相鄰部分的LC3免疫熒光標(biāo)記顯示，與WT同窩小鼠對照相比,，每個神經(jīng)元的LC3點狀點增加了4倍(圖9A),。LC3與AF共定位(圖9B)，一些異常的蛋白聚集物通過泛素化作用被導(dǎo)向自噬-溶酶體降解途徑,。

最近對紋狀體的全基因組篩查表明,，許多自噬相關(guān)基因，如Atg4b,、TFEB和Atlastin 3,，似乎可以預(yù)防m(xù)Htt毒性。

圖10：體內(nèi)CRISPR篩選驗證神經(jīng)元必需基因和通路

全基因組篩選已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)中參與維持體內(nèi)神經(jīng)元活力的基因,。這些基因?qū)儆谠S多細(xì)胞通路,，包括自噬通路,、神經(jīng)營養(yǎng)蛋白信號和突觸傳遞相關(guān)的通路(圖10G)。研究人員還在這些重要基因中發(fā)現(xiàn)了一組紋狀體富集基因,，并預(yù)測抑制這些特定的紋狀體富集基因的mHTT誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄失調(diào)將有助于抑制mHTT毒性,。

肌萎縮性側(cè)索硬化癥是一種衰弱性神經(jīng)肌肉疾病，以脊髓和大腦運動神經(jīng)元的進(jìn)行性退化為特征,。這些運動神經(jīng)元的退化導(dǎo)致神經(jīng)肌肉失神經(jīng),、隨意骨骼肌萎縮，最終導(dǎo)致癱瘓和死亡,。目前還沒有治愈這種致命疾病的方法,，現(xiàn)有的治療方法效果都比較有限。

迄今為止發(fā)現(xiàn)的幾個ALS相關(guān)基因都與自噬和線粒體吞噬功能有關(guān),，特別是蛋白質(zhì)聚集物和受損線粒體的清除,。已知在自噬中起作用的ALS基因包括OPTN、TBK1和SQSTM1等,。

這其中,，TDP-43是一個多功能的DNA和RNA結(jié)合蛋白，在細(xì)胞內(nèi)的RNA轉(zhuǎn)錄,、選擇性剪接及mRNA穩(wěn)定性調(diào)節(jié)等過程中發(fā)揮功能,。在ALS和額顳葉變性（FTLD）病人脊髓或大腦受損區(qū)域的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中，能檢測到泛素化的蛋白質(zhì)包涵體,，TDP-43是其特征性成分,。研究表明，自噬激活能減少TDP-43的聚集,，并可改善攜帶TDP-43突變的人類運動神經(jīng)元的生存^[7],。

圖11：自噬刺激改善ALS神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞模型的生存。

研究發(fā)現(xiàn),，攜帶ALS相關(guān)TARDBP突變的人iPSC衍生的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞會積累突變的TDP-43蛋白,，這進(jìn)一步支持了過量的TDP-43是疾病發(fā)病機制的中心的觀點,。并且,，自噬誘導(dǎo)有效地提高了嚙齒動物神經(jīng)元和人類iPSC來源的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的存活率。這一研究表明增強TDP-43清除是一種合理的人類疾病的神經(jīng)保護(hù)策略,。

UBQLN2是另一個家族性ALS的遺傳風(fēng)險因子,，也與自噬有關(guān)。UBQLN2與LC3形成復(fù)合物,，并在自噬小體中泛素化貨運蛋白,。并且，UBQLN2會促進(jìn)自噬體-溶酶體融合^[8],。

圖12：泛素與自噬小體共定位,，揭示UBQLNs與自噬小體相互作用

結(jié)果顯示,，GFP-LC3廣泛共定位，這是自噬小體的標(biāo)記物(圖12A),。UBQLNs和LC3也在內(nèi)源性穩(wěn)定表達(dá)GFP-LC3的MCF-10A細(xì)胞中共定位(圖12B),，這排除了過度表達(dá)的假象。

近年來,，ALS與p62,、OPTN等聚集性受體蛋白的相關(guān)性越來越明顯。我們要知道,，大約一半的ALS相關(guān)突變是位于p62的PB1,、LIR和UBA區(qū)域，這些區(qū)域負(fù)責(zé)與貨運蛋白或LC3的相互作用,，這說明源自p62突變的ALS病理可能與蛋白聚集物向自噬小體傳遞效率低下有關(guān),。研究顯示，p62過表達(dá)會減弱由不溶性蛋白聚集物引起的ALS癥狀,。

圖13：p62的過表達(dá)降低了TDP-43的聚集

p62在N2A細(xì)胞中過表達(dá)會導(dǎo)致不溶性TDP-43或TDP-43片段減少(圖13a),， TDP-43的聚集顯著減少(圖13b)，因此p62水平的增加可以減少TDP-43的聚集,。并且在證實了d1GFP蛋白水平可以用作蛋白酶體活性的一個指標(biāo)后,，當(dāng)p62過表達(dá)時，d1GFP信號顯著降低,，表明p62過表達(dá)確實刺激了蛋白酶體的活性(圖13c),。作者還以LC3-I向LC3-II的修飾為指標(biāo)檢測了p62對自噬的影響，N2A細(xì)胞中p62的過表達(dá)導(dǎo)致了更多的LC3-II,，這證實了p62的過表達(dá)也刺激了自噬(圖13c),。

經(jīng)過我們上面的分析，通過自噬上調(diào)來減少細(xì)胞內(nèi)聚集物蛋白的積累,，是有助于延緩AD,、PD、HD和ALS的疾病惡化的,，這表明自噬誘導(dǎo)可作為大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病的治療策略,。然而，廣泛的自噬對維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)是有害的,。因此,，用自噬的方法來治療神經(jīng)退行性疾病時應(yīng)謹(jǐn)慎。

圖14：自噬的治療機制

各種自噬誘導(dǎo)劑的處理可以以mTOR依賴性或非依賴性的方式增強聚集傾向蛋白的清除（圖14）,。mTOR依賴的自噬誘導(dǎo)物(紅色),，如雷帕霉素和姜黃素，會直接抑制mTORC1的活性，導(dǎo)致ULK1復(fù)合物的激活,。相反,，mTOR非依賴性藥物(藍(lán)色)則是通過各種細(xì)胞內(nèi)信號級聯(lián)或溶酶體生物發(fā)生上調(diào)自噬活性。