基于线粒体自噬治疗阿尔茨海默症的药物及机制研究进展

毛婉一,张雨萌,黎静,张梓怡,李佳晖,汪思,刘奕辰,季鹏,许龙

(泰州学院 医药与化学化工学院,江苏 泰州 225300)

1 线粒体自噬

线粒体自噬(Mitophagy)属于自噬的一种重要类型,是细胞自噬装置对线粒体的靶向吞噬和破坏,通常被认为是线粒体质量控制的主要方法。Mitophagy也是一种选择性地清除多余、受损或不完整线粒体的过程,对线粒体的完整性和主要功能有一定的保护作用,以确保线粒体正常生理活动地进行[1]。在目前的研究中,Mitophagy的经典途径主要包括以下两种:PINK1/Parkin通路和受体介导。PINK1/Parkin通路是介导线粒体自噬的最经典途径,PINK1和Parkin的相互协调可调控线粒体的自噬。正常情况下,PINK1由于其表达水平极低而无法被检测到,但因线粒体受损失去呼吸链产生的膜电位,使PINK1大量聚集[2]。所以,PINK1被认为具有作为线粒体损伤主要探测器的潜力。当线粒体受损后电势降低,外膜去极化,PINK1稳定存在于线粒体外膜(OMM)。随后PINK1在MMO上丝氨酸228和丝氨酸402位点发生自体磷酸化,为Parkin招募提供条件。活化后的PINK1再对泛素进行磷酸化,随后进行Parkin招募。此时PINK1促进Parkin活化,进一步促进线粒体自噬。多聚泛素链随后被PINK1磷酸化,作为自噬机制的信号。适配器蛋白(p62,OPTN,NDP52)识别线粒体蛋白上磷酸化的多聚泛素链,并通过与微管相关蛋白轻链3(LC3)结合,启动自噬体形成。自噬体与溶酶体融合后,溶酶体水解酶能够降解自噬体内容物。在受体介导方面,Nix和FUNDC1分别介导的线粒体自噬是最常见的两种受体介导。Nix又被称为Bnip3L,它在多种肿瘤中发挥着抑癌作用,如:抗癌药物KP46能够特异性地激动Nix依赖的线粒体自噬进而发挥抑癌作用。FUNDC1作为线粒体自噬受体分子,在缺氧条件的刺激下通过其LIR区域与LC3相互作用介导线粒体自噬过程[3]。

2 线粒体自噬在AD中的作用机制

阿尔兹海默症(AD)作为神经退行性疾病中典型病例,其主要发病机制是β-淀粉样蛋白(Aβ)生成与清除失衡和Tau蛋白的高度磷酸化导致神经元纤维缠结。近来有研究者发现在AD损伤神经元中出现了异常的线粒体自噬,这一研究现象表明线粒体自噬功能的失调可能是AD的发病机制之一。

线粒体自噬通过自噬选择性清除受损线粒体及时清除损伤的线粒体,对维持细胞正常生理功能具有重要的作用。同时,线粒体自噬具有细胞特异性,他作为“细胞中的废物处理系统”,在保护机体正常生理活动中有重要地位。实验表明,线粒体自噬在AD发病早期时其自噬/溶酶体通路正常,适当的自噬功能对大脑神经是一种保护机制,但当后期通路发生异常时,线粒体的功能也会出现障碍,会对大脑产生加剧损伤的后果[4-5]。在AD患者的神经元中,当β-淀粉样蛋白(Aβ)和Tau蛋白积累时,线粒体会发生一定程度的损伤,轻微损伤的线粒体可以通过分离融合来保证线粒体内部环境的稳定;但严重损伤的线粒体则需要以选择性线粒体自噬的方式给予清除,此时在AD中早期会通过增强线粒体自噬而清除严重受损的线粒体,但如果线粒体功能障碍,会导致线粒体的异常堆积致使线粒体自噬异常[6]。此功能受阻时,神经元中出现显著的线粒体功能障碍,进而导致AD病理改变加重[7]。因此,Aβ和Tau蛋白会诱导线粒体自噬功能障碍,从而影响AD的病理。下面将简单描述Aβ和Tau蛋白对线粒体自噬的影响。

2.1 β-淀粉样蛋白诱导线粒体自噬障碍

阿尔兹海默症病理的其中一种方面会表现为:在细胞内,β-淀粉样蛋白(Aβ)聚集形成老年斑。研究表明,在AD患者脑中,神经元胞质中的Parkin减少,从而导致线粒体自噬水平的下降[8]。根据相关报道[5],Aβ的增加可能导致Parkin水平减低,进而影响自噬溶酶体途径-PINK1/Parkin途径,导致线粒体自噬水平的下降。已有实验证明[9],Aβ42会对线粒体前体蛋白输入的早期阶段产生较大的抑制作用,并且该输入过程对线粒体前体蛋白的发生以及线粒体功能的维持具有很重要的作用[10]。当线粒体自噬功能发生异常时,大量功能障碍的线粒体在细胞中的沉积会加快Aβ的沉积以及加重线粒体自噬障碍,形成恶性循环后加速了AD的发生进展[11]。线粒体自噬障碍在AD发病过程中扮演着关键角色,因此Aβ诱导线粒体自噬障碍的过程在AD的发病中也存在着重要作用,调控Aβ可以为治疗AD提供新的方向。

2.2 Tau蛋白诱导线粒体自噬障碍

阿尔兹海默症的诊断治疗是通过观察大脑中的由微管相关蛋白—Tau蛋白的高度磷酸化(p-Tau)组成的神经元纤维缠结(NFT)即细胞包涵体来检测的,NFT已成为AD的又一标志性病理特点。在阿尔兹海默症中,细胞中可溶性Aβ的增加会导致Tau蛋白的异常磷酸化,使Tau蛋白以可溶性单体形式从微管中释放出来,各项研究成果都表明,Tau蛋白在AD研究中有着不可忽视的重要地位[12]。现有研究表明,Tau蛋白的突变表达会损伤自噬溶酶体途径—PINK1/Parkin途径,进而会导致线粒体自噬障碍[13]。另外也有报道提出致病性Tau截断体可能会导致异常的线粒体自噬[14-15]。线粒体自噬作为保护机制,当其自噬途径发生异常时,会发生自噬功能的减弱或激进,即会导致线粒体自噬功能对机体的保护或自噬体基因、蛋白高表达使其进一步损伤。因此,Tau蛋白诱导的线粒体自噬障碍会加剧对大脑神经组织的损伤。所以,可以选择对Tau蛋白进行相关调控抑制线粒体自噬的异常表达,这样能保护大脑神经元,为AD治疗提供潜在的治疗方向。

2.3 其他

最近几年研究发现,部分阿尔兹海默症患者细胞中存在着PS基因突变[16]。据研究,PS基因突变会导致β-淀粉样蛋白前体(APP)剪切和加工异常,从而产生过多的β-淀粉样蛋白(Aβ),加重线粒体自噬障碍。实验表明,PS表达的改变引起tau之间的相互作用异常,与神经元纤维缠结(NFT)有关。除PS外,AβPP也可能导致线粒体前序列肽酶(PreP)的抑制,致使线粒体蛋白谱异常以及Aβ的积累,进而造成线粒体自噬功能异常[17]。此外,线粒体中的Aβ结合乙醇脱氢酶(ABAD)可对抗应激损伤,但当线粒体功能受损时,Aβ与ABAD结合改变后者的构象,从而降低对抗应激损伤的能力。与此同时,Larsen等人提出线粒体的功能障碍是神经元中的Alu元素(SINEs)的有害活动造成的。

沉默信息调节因子(SIRTs)是一组NAD+依赖的去乙酰酶,可调节多种细胞通路,在哺乳动物中能广泛表达,具有抑制一系列代谢和衰老等相关疾病的作用[18]。在七种SIRTs家族成员中,细胞核的SIRT1和线粒体的SIRT3与神经保护有关,这些蛋白的减少可能导致神经退行性疾病,包括AD、PD等。根据研究者对AD患者脑组织的研究结果,发现其脑组织中顶叶皮层SIRT1蛋白表达降低(-45%)。研究显示,SIRT1上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)辅助激活因子-1α(PGC-1α),通过脱乙酰化和激活自噬相关蛋白ATG5、ATG7、ATG8等稳定PINK1,上调线粒体自噬受体BNIP3L/NIX和LC3,在自噬/线粒体自噬诱导中发挥重要作用,SIRT1缺乏则自噬被抑制。由此可知,SIRT1的减少可能会抑制线粒体自噬,导致受损线粒体在胞内累积以及Aβ的堆积与p-Tau的缠结。另外,氧化应激介导的DNA损伤增加引起的PARP1激活可能会导致AD患者脑组织NAD+的减少,而Sirtuins家族依赖NAD+,NAD+的减少导致的SIRTI活性的降低同样会抑制线粒体的自噬功能,促进Aβ的堆积。还有相关报道,AD中DNA修复功能的降低会导致脑组织神经加大退化,提出AD的DNA修复缺陷与线粒体自噬/线粒体功能障碍之间存在直接或间接的猜想[19]。

3 线粒体自噬对AD的药理调节

查阅了大量文献资料,基于线粒体自噬治疗AD作为研究方向,总结归纳了一些具有治疗AD前景的药物。

3.1 抑制Aβ和Tau堆积药物

3.1.1 白藜芦醇

白藜芦醇(Res)是一种非黄酮类的多酚类植物抗毒素化合物,存在于许多植物中,如葡萄、桑葚等,其主要在葡萄皮以及葡萄叶中合成。已有研究证明,白藜芦醇具有多种药理作用,如抗衰老、抗肿瘤以及防治心血管疾病等。近年来研究发现,白藜芦醇在治疗阿尔兹海默症上极具治疗潜力,有着极大的研究前景。

阿尔兹海默症的发病机制之一是β-淀粉样蛋白(Aβ)的过度沉积,而白藜芦醇可以有效减少Aβ的形成以及防止其过度沉积[20]。Aβ的形成离不开γ分泌酶,白藜芦醇可以通过自噬-溶酶体系统抑制γ分泌酶的活性,从而减少Aβ的形成。同时,白藜芦醇也可通过激活相关蛋白激酶(AMPK)来启动AMPK-SIRT1-自噬通路,清除聚集沉淀的Aβ[21]。更有研究证明,Aβ与白藜芦醇两者之间呈现剂量性依赖关系,因此可利用二者的依赖关系降低Aβ的沉积。阿尔兹海默症另一个主要发病机制则是Tau蛋白的高度磷酸化后形成的神经元纤维缠结,白藜芦醇也可调节Tau蛋白的高度磷酸化[22],从而有效治疗阿尔兹海默症。研究发现,白藜芦醇可通过抑制GSK-3β等信号通路来降低Tau蛋白Ser 396位点的过度磷酸化,也可通过激活相关自噬途径来有效清除异常磷酸化的Tau蛋白。同时白藜芦醇还可激活Sirt1通路,使Tau蛋白去乙酰化,通过泛素-蛋白酶体途径进行降解[23]。

综上所述,白藜芦醇作为一种天然有机化合物有着多种生物活性,并且作用复杂。目前临床在人体实用上暂未有更深入的研究,但不可否认的是白藜芦醇在预防以及治疗阿尔兹海默症上有良好的研究前景,能够为阿尔兹海默症患者提供新的希望。

3.1.2 二甲双胍

二甲双胍是一种双胍类药物,是治疗2型糖尿病中应用最广泛的药物。有研究表明,二甲双胍能够通过多种机制改善AD临床前模型的认知和记忆障碍,其中包括降低Aβ斑块和NFTs的负荷,抑制炎症反应,改善线粒体功能障碍和降低氧化应激,同时限制凋亡神经元死亡和诱导神经发生[24-25]。已有研究人员通过链脲佐菌素(STZ)经鼻或口服二甲双胍对脑室内注射的小鼠进行4周治疗,采用Morris水迷宫法评定小鼠的学习记忆功能,以及采用液相色谱串联质谱法和酶联免疫吸附法分别测定二甲双胍和Aβ42的浓度。测定了胰岛素受体、丝氨酸/苏氨酸激酶(Akt)及其磷酸化形式在小鼠海马和大脑皮质的表达后[26],结果表明,双侧侧脑室注射链脲佐菌素(icv-stz)诱导的AD小鼠其学习记忆功能受损,而二甲双胍可改善icv-stz诱导产生的不良反应。还有研究实验使用308只雄性SD大鼠,蛛网膜下腔出血(SAH)后30 min内腹腔注射不同剂量的二甲双胍,研究人员发现二甲双胍在SAH后以ampk依赖的方式促进线粒体自噬[27]。并且研究还发现二甲双胍除了对线粒体自噬产生影响,还可以通过ampk依赖的方式减轻SAH后的氧化应激和凋亡。由此,二甲双胍为通过线粒体自噬治疗阿尔兹海默症提供了新的可能性。

3.2 SIRT1激活剂:NAD+前体类药物

NAD+是维持生命的必需分子,能保持人的青春状态,调控细胞的老化和凋亡。由于NAD+不能被细胞直接吸收和利用,因此必须通过服用NAD+的前体来获得。科学家们发现,烟酰胺单核苷酸(NMN)可以作为NAD+的前体,NMN又称为维生素B族的衍生物,NMN是由烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nampt)的作用而产生,它在人体细胞产生能量过程中起着关键作用。其主要作用机制是参与细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的合成,激活NAD+底物依赖性酶Sirt1(组蛋白去乙酰化酶,又称密封调节蛋白),调节细胞生存和死亡,维持氧化还原状态并发挥其他生理功能,从而参与慢性疾病和有关衰老中的疾病。

在哺乳动物中,NMN在Nampt的催化下生成烟酰胺(Nam),随后NAD+由烟酰胺单核苷酸腺苷转移酶(Nmnat)催化生成[28]。相反,NMN在细胞体外通过去磷酸化转化为烟酰胺核苷(NR),然后NR进入细胞并被烟酰胺核苷激酶1(NRK1)磷酸化为NMN,NMN结合ATP并形成NAD+[5]。由本文的2.3机制可知,研究发现,SIRT1是诱导自噬的必要条件,过量表达SIRT1已被证明有促进自噬的作用。SIRT1增加PGC-1a水平,去乙酰化并激活关键的自噬蛋白(ATG5、ATG7和ATG8/LC3),稳定PINK1,Nix/BNIP3L和LC3在自噬细胞中的上调,对表达对自噬/线粒体自噬有重大影响[29]。NAD+-SIRT1途径的激活通过调节相关自噬蛋白实现线粒体自噬的恢复。异源研究表明,毛细血管扩张共济失调基因(ATM),可以导致线粒体功能障碍和持续的PARP1激活,从而NAD+耗竭,导致SIRT1失活和线粒体自噬受损。NAD+补充后,可改善ATM蛋白激酶缺陷的神经元的DNA修复并明显降低线粒体机能损害功能。另一项研究显示,蠕虫的细胞周期相关蛋白1(DCT1)与哺乳动物BNIP3/NIX是同源物,并在最近的一段时间内被证实参与了线粒体自噬,结果显示,NAD+-SIRT1的活化能促进DCT-1的表达,并活化与自噬有关的蛋白质,使其能够参与细胞的自噬。同样,NAD+-SIRT1激活初级大鼠皮层神经元中的AMPK,导致结节性硬化症复合体2(Tsc2)的Ser1387位点磷酸化,并抑制靶蛋白雷帕霉素,进而诱发自噬及线粒体自噬[30]。这些研究结果表明一些NAD+前体可成为AD治疗的潜在药物。

3.3 PINK1-Parkin活性调节剂:中药远志

中药远志属于多年生草本植物,是远志科植物远志或卵叶远志的干燥根,其性温,味苦、辛,具有安神益智、祛痰和消肿的功能。细叶远志皂苷(Ten)是远志安神益智作用的主要活性成分,具有抗氧化应激、抗衰老、抑制细胞凋亡和增进认知等多种生物学活性,除此之外还可通过自噬途径减少AD模型细胞Aβ的分泌。研究表明,Ten可通过抑制细胞线粒体内膜跨膜电位(Δψm)的下降,调控线粒体凋亡途径,减少细胞色素C的释放,抑制caspase的酶活性,从而降低细胞凋亡率;并通过抑制PINK1/Parkin途径,降低线粒体溶酶体共定位及哺乳动物LC3的表达,从而减弱线粒体自噬,即Ten通过降低线粒体自噬来发挥神经细胞的保护作用[31]。

4 总结

根据世界卫生组织统计,全球目前约有超过3 000万人患有阿尔茨海默症,并且中国患病人数居世界第一。AD的预防和治疗成为研究热点,是全球亟需攻克的一大难题。目前大部分研究普遍认为,AD的主要病因是β-淀粉样蛋白(Aβ)堆积和Tau蛋白的高度磷酸化导致的神经元纤维缠结。但从我们的报告中可以得知,线粒体自噬功能的失调可能成为AD的发病机制之一。线粒体自噬是通过选择性清除受损线粒体,从而及时清除损伤的线粒体,以维持细胞正常生理功能的过程,所以,本文基于线粒体自噬治疗AD作为研究方向,总结归纳了部分具有治疗AD前景的药物。如尿石素可以通过保护线粒体自噬功能从而改善AD病理;白藜芦醇可以通过某些途径激活自噬系统从而减少Aβ和清除异常磷酸化的Tau蛋白;NAD+前体类药物主要通过提高线粒体自噬来治疗和延缓AD症状。虽然线粒体自噬是未来治愈AD患者的发展方向之一,但现已发现被应用于这一机理治疗AD的药物很少,研究人员发现的大多数药物都仅仅只存在着治疗的可能性,并没有真正应用到临床,如白藜芦醇及二甲双胍等。选择从线粒体自噬来治疗AD的这一途径,目前仅是限于理论知识,尚未应用于人体,其仍然存在着极大的局限性与可能性。未来的发展方向应加大理论与实际的联系,仍需进行具体实验,从各项实验结果中找到解决该途径不足的方法,让理论依据成为现实,为AD治疗提供更多的可能性与生机。