Cell丨自噬如何减少脑中异常β淀粉样蛋白沉积？

来源：BioArt

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）是老年人进行性痴呆的最常见原因，主要特征是患者有不可逆的认知能力丧失并且海马和皮质中有β淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉积和神经原纤维缠结（neurofibrillary tangle，NFT）形成的老年斑。在阿尔茨海默症患者脑中，由于代谢失调导致Aβ的积累和聚集。自噬是一种依赖溶酶体的稳态过程，其中细胞器和蛋白质被降解并再循环成能量。因此，有研究表明自噬功能障碍是导致阿尔兹海默病人脑中有害蛋白质的增加的原因。那么自噬是如何减少脑中异常的β淀粉样蛋白沉积的呢？

2019年6月27日，美国的St. Jude儿童研究医院（St. Jude Children's Research Hospital）的Douglas R Green及其团队在Cell上发表题为LC3-Associated Endocytosis Facilitates b-Amyloid Clearance and Mitigates Neurodegeneration in Murine Alzheimer’s Disease的文章。该研究不仅发现了LC3 / GABARAP家族蛋白与内体膜结合的LC3相关内吞作用（LANDO），并且确定LANDO可以助力清除β淀粉样蛋白沉积，防止在无小胶质细胞时产生过度的炎性反应及神经变性。

小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）的主要免疫细胞，具有识别病原体和其他炎症刺激物的能力。小胶质细胞可以识别和响应β淀粉样蛋白沉积【1】。小胶质细胞会通过受体介导的内吞作用（RME）内吞β淀粉样蛋白沉积，导致以配体依赖性方式激活信号传导途径和细胞因子产生。小胶质细胞可以发生促炎反应，导致多个下游细胞内信号传导途径的激活【2】。

小胶质细胞响应β淀粉样蛋白沉积的主要介质，对神经炎症的反应及神经变性和突触功能障碍的进展高度相关。直接分泌到神经环境中的促炎细胞因子和趋化因子加速神经元损伤并最终导致神经元死亡【3】。虽然轴突自噬已被认为是神经退行性疾病早期的保护机制【4】，但在小胶质细胞和免疫激活的背景下，自噬蛋白的功能仍不清楚。

研究人员采用表达APP和突变型Presenilin1的转基因小鼠作为研究阿尔兹海默病的模型。组织特异性地在髓系细胞及小胶质细胞中敲除自噬调节蛋白ATG5和Rubicon后，小胶质细胞表现出明显的自噬能力减弱，而FIP200敲除则无显著差异。

图1. 4月龄的相应基因敲除小鼠的海马中β淀粉样蛋白（红色）

为了研究动物模型中β淀粉样蛋白的差异产生的原因及自噬蛋白在该过程中发挥的作用，研究者设计了表达GFP-LC3的BV2鼠神经胶质细胞，并使用CRISPR / Cas9构建了缺乏FIP200，ATG5或Rubicon的细胞系。使用β淀粉样蛋白的培养基进行培养，可见对照组细胞和缺乏FIP200的细胞显示LC3向含有β淀粉样蛋白的囊泡募集，但ATG5和Rubicon缺陷细胞中这种募集显著减少。

图2. 在BV2小胶质细胞中含有Aβ（红色）囊泡的募集依赖于ATG5和Rubicon，但不依赖于FIP200。

接下来，研究人员发现在小胶质细胞中，自噬蛋白ATG5缓解了β淀粉样蛋白沉积，降低神经炎症并对神经变性起保护作用。相反，另一种必需的自噬蛋白FIP200却没有这种功能。值得注意的是，Rubicon同样具有保护作用。

随后，在表达GFP-LC3的BV2鼠神经胶质细胞中，研究人员发现FIP200缺乏对Aβ1-42应答的IL-1b，IL-6，CCL5和TNFα四种细胞因子表达没有任何影响，但ATG5和Rubicon缺陷细胞中LANDO的丢失导致所评估的四种促炎基因表达显著增加。同时在LANDO缺乏的5xFAD小鼠的海马及皮层中有明显的tau蛋白过度磷酸化，并且伴有神经功能受损和神经元加速死亡。数据表明LANDO缺陷小鼠中Aβ受体再循环受损导致Aβ细胞外沉积，导致显著小鼠行为记忆受损。

总体来讲，该研究描述了自噬蛋白在CNS中调节免疫功能的作用依赖于关键自噬调节因子ATG5和Rubicon，揭示了小胶质细胞Rubicon和ATG5在清除Aβ和减轻小胶质细胞激活方面的作用，这与它们在经典自噬中的功能不同。LANDO是小胶质细胞中回收包括在内的Aβ受体所必需的，其可预防Aβ沉积、小鼠AD中的神经元损伤和记忆障碍，同时5xFAD可能有助于体内神经保护剂的开发验证试验。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.056

参考文献

1. Doens, D., and Ferna ́ ndez, P.L. (2014). Microglia receptors and their implica- tions in the response to amyloid b for Alzheimer’s disease pathogenesis. J. Neuroinflammation 11, 48.

2. Wang, N., Liang, H., and Zen, K. (2014). Molecular mechanisms that influence the macrophage m1-m2 polarization balance. Front. Immunol. 5, 614.

3. Morales, I., Guzma ́ n-Martı ́nez, L., Cerda-Troncoso, C., Farı ́as, G.A., and Mac- cioni, R.B. (2014). Neuroinflammation in the pathogenesis of Alzheimer’s dis- ease. A rational framework for the search of novel therapeutic approaches. Front. Cell. Neurosci. 8, 112.

4. Maday, S. (2016). Mechanisms of neuronal homeostasis: autophagy in the axon. Brain Res. 1649 (Pt B), 143–150.