自噬與神經退行性疾病的關係一文帶你吃透，不點進來看看？

自噬是一種溶酶體降解途徑，它不僅有助於提供營養物質，還能夠清除有害物質，如錯誤摺疊的蛋白質和入侵的微生物，幫助支援細胞穩態和生存。因此，自噬缺陷與多種人類疾病有關。

在神經退行性病變中，神經元自噬功能紊亂和異常蛋白質聚集摺疊是神經退行性疾病的主要病理改變。

一、認識自噬與神經退行性疾病

自噬的一些基礎知識，小優之前已給大家做過整理，需要的小夥伴可以戳這裡瞭解。

經典的神經退行性疾病有一些關鍵性蛋白，例如，阿爾茨海默病（AD）的澱粉樣前體蛋白（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）的聚谷氨醯胺（polyQ）擴增型亨廷頓蛋白（mHtt）。另外，自噬受體的基因突變，如p62、OPTN、NBR1和ALFY/WDFY3，常與神經退行性疾病有關。

越來越多的證據表明，自噬與神經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：自噬過程與神經退行性疾病相關蛋白之間的相互作用

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

二、自噬途徑與神經退行性疾病發病機制的關係

2。1阿爾茲海默病（AD）

阿爾茨海默病（AD）是最常見的痴呆形式，其特徵是Tau和β-澱粉樣肽兩種蛋白質的積累。自噬途徑的缺失已被證實是AD的標誌。

針對自噬與AD的2種特徵蛋白的研究已有很多。我們首先來看，將M1C細胞暴露於3-MA （2。5 mM， 5 mM）中，與未處理對照組相比，用3-MA處理細胞可導致Tau蛋白顯著積累（圖2A）。此外，在加入3-MA （5 mM）的Tau蛋白誘導5天后，從細胞裂解液中檢測到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對細胞的處理會導致Tau蛋白更多的積累，提示自噬系統在清除聚集的Tau蛋白方面發揮著明顯的作用［1］。

另一種蛋白澱粉樣β肽是澱粉樣前體蛋白（APP）降解的結果。澱粉樣β肽的積累導致自噬小體與溶酶體融合受損，進而導致蛋白質的積累。此外，編碼早衰素1 （PSEN1）的基因的突變也會導致溶酶體功能受損，澱粉樣β-肽積累。在AD中澱粉樣β-肽的積累和PSEN1突變受到UPR和自噬的保護。只有細胞內澱粉樣β-肽和PSEN1突變才能透過RYR和ITPR從內質網釋放鈣離子來觸發內質網應激。有趣的是，PSEN1突變會阻斷內質網應激感測器，從而使神經元細胞更容易受到內質網應激的影響。

圖3：神經元細胞中的 ER 應激和 UPR 通路

除內質網應激外，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值至關重要。已經發現PSEN1突變導致了V0-ATP酶 a1亞基從內質網到溶酶體的靶向性缺陷。因此，PSEN1突變導致AD患者透過自噬減少了底物的蛋白水解，因為PSEN1突變患者的pH沒有得到適當的維持［2］。

圖4：PS1 KO囊胚中v-ATPase的溶酶體靶向功能受損

由於自噬過程中自噬小體酸化和組織蛋白酶啟用的選擇性損傷，導致基質蛋白水解和自噬小體清除被阻止。引起早發性AD的PS1突變在AD患者的成纖維細胞中產生類似的溶酶體/自噬表型。因此，PS1對於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重要。

2。2帕金森氏病（PD）

帕金森病是一種進行性神經退行性運動障礙，特徵是黑質多巴胺能神經元的丟失，以及多巴胺的丟失導致運動障礙。其主要病理特徵包括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誘導的推定激酶1 （PINK1）、富含亮氨酸重複激酶2 （LRRK2）和DJ1，這些基因與疾病的早期發生有關。

自噬相關基因的轉錄改變在PD中很常見。在PD症狀期，中腦大部分多巴胺能神經元已經缺失，TFEB介導的Beclin-1、CTSD和LAMP1的轉錄較症狀前期降低［3］。

圖5：基因轉移介導的自噬刺激保護DA神經元免受α-syn毒性。

研究顯示，過表達Beclin-1和TFEB對黑質DA神經元具有強大的神經保護作用，可抵抗α- sync誘導的毒性。測量結果顯示，與GFP對照組相比，Beclin-1和TFEB過表達組紋狀體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醯胺的溶酶體酶，是帕金森病最常見的遺傳危險因素。研究發現，散發性帕金森病患者在早期表現為GBA活性選擇性降低，伴有α-突觸核蛋白內含物增加［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複激酶2（LRRK2/PARK8）基因突變。然而，LRRK2在自噬中的作用是否與PD病理相關仍存在爭議。有研究表明，LRRK2缺失會破壞自噬-溶酶體途徑，導致細胞死亡［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-溶酶體系統受損，並與神經退行性疾病（如PD）有關。為了進一步評估LRRK2缺失情況下的自噬功能，作者還評估了自噬小體的標記物LC3。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酶離子轉運的功能缺失突變體ATP13A2是PD早期發病的特徵，該蛋白主要是利用水解三磷酸腺苷釋能驅動物質跨膜運輸，因此對於維持溶酶體的pH至關重要。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缺失引起的神經毒性［6］，這表明ATP13A2的缺失可能透過α-synuclein的積累參與PD的病理過程。

圖8：ATP13A2的消耗導致α-syn和初級神經元的毒性

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

2。3亨廷頓氏病（HD）

亨廷頓氏病HD是一種常染色體單基因顯性遺傳性神經退行性疾病，它會導致主要是身體狀態，思維認知能力和情緒的變化。亨廷頓病患者體內的異常亨廷頓蛋白首先會影響其腦內的基底核，使得基底核無法修飾或抑制大腦的指令，於是全身肌肉便不受控制地運動，表現為舞蹈樣動作。到了疾病的晚期，連負責下達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，並出現認知功能下降甚至痴呆。導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結構，導致紋狀體和皮層的細胞毒性。

研究表明，mHtt的過表達可誘導進行性運動障礙，並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免疫熒游標記顯示，與WT同窩小鼠對照相比，每個神經元的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透過泛素化作用被導向自噬-溶酶體降解途徑。

最近對紋狀體的全基因組篩查表明，許多自噬相關基因，如Atg4b、TFEB和Atlastin 3，似乎可以預防mHtt毒性。

圖10：體內CRISPR篩選驗證神經元必需基因和通路

全基因組篩選已經發現了在成人中樞神經系統中參與維持體內神經元活力的基因。這些基因屬於許多細胞通路，包括自噬通路、神經營養蛋白訊號和突觸傳遞相關的通路（圖10G）。研究人員還在這些重要基因中發現了一組紋狀體富集基因，並預測抑制這些特定的紋狀體富集基因的mHTT誘導的轉錄失調將有助於抑制mHTT毒性。

2。4肌萎縮性側索硬化症（ALS）

肌萎縮性側索硬化症是一種衰弱性神經肌肉疾病，以脊髓和大腦運動神經元的進行性退化為特徵。這些運動神經元的退化導致神經肌肉失神經、隨意骨骼肌萎縮，最終導致癱瘓和死亡。目前還沒有治癒這種致命疾病的方法，現有的治療方法效果都比較有限。

迄今為止發現的幾個ALS相關基因都與自噬和線粒體吞噬功能有關，特別是蛋白質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結合蛋白，在細胞內的RNA轉錄、選擇性剪接及mRNA穩定性調節等過程中發揮功能。在ALS和額顳葉變性（FTLD）病人脊髓或大腦受損區域的神經元和膠質細胞中，能檢測到泛素化的蛋白質包涵體，TDP-43是其特徵性成分。研究表明，自噬啟用能減少TDP-43的聚集，並可改善攜帶TDP-43突變的人類運動神經元的生存［7］。

圖11：自噬刺激改善ALS神經元和星形膠質細胞模型的生存。

研究發現，攜帶ALS相關TARDBP突變的人iPSC衍生的神經元和星形膠質細胞會積累突變的TDP-43蛋白，這進一步支援了過量的TDP-43是疾病發病機制的中心的觀點。並且，自噬誘導有效地提高了齧齒動物神經元和人類iPSC來源的神經元和星形膠質細胞的存活率。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保護策略。

UBQLN2是另一個家族性ALS的遺傳風險因子，也與自噬有關。UBQLN2與LC3形成複合物，並在自噬小體中泛素化貨運蛋白。並且，UBQLN2會促進自噬體-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

結果顯示，GFP-LC3廣泛共定位，這是自噬小體的標記物（圖12A）。UBQLNs和LC3也在內源性穩定表達GFP-LC3的MCF-10A細胞中共定位（圖12B），這排除了過度表達的假象。

近年來，ALS與p62、OPTN等聚集性受體蛋白的相關性越來越明顯。我們要知道，大約一半的ALS相關突變是位於p62的PB1、LIR和UBA區域，這些區域負責與貨運蛋白或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。研究顯示，p62過表達會減弱由不溶性蛋白聚集物引起的ALS症狀。

圖13：p62的過表達降低了TDP-43的聚集

p62在N2A細胞中過表達會導致不溶性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。並且在證實了d1GFP蛋白水平可以用作蛋白酶體活性的一個指標後，當p62過表達時，d1GFP訊號顯著降低，表明p62過表達確實刺激了蛋白酶體的活性（圖13c）。作者還以LC3-I向LC3-II的修飾為指標檢測了p62對自噬的影響，N2A細胞中p62的過表達導致了更多的LC3-II，這證實了p62的過表達也刺激了自噬（圖13c）。

三、自噬上調作為神經退行性疾病的治療策略

經過我們上面的分析，透過自噬上調來減少細胞內聚集物蛋白的積累，是有助於延緩AD、PD、HD和ALS的疾病惡化的，這表明自噬誘導可作為大多數神經退行性疾病的治療策略。然而，廣泛的自噬對維持細胞內穩態是有害的。因此，用自噬的方法來治療神經退行性疾病時應謹慎。

圖14：自噬的治療機制

各種自噬誘導劑的處理可以以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依賴的自噬誘導物（紅色），如雷帕黴素和薑黃素，會直接抑制mTORC1的活性，導致ULK1複合物的啟用。相反，mTOR非依賴性藥物（藍色）則是透過各種細胞內訊號級聯或溶酶體生物發生上調自噬活性。