综述：衰老的突触：对衰老和帕金森病中突触的自噬、钙处理和线粒体生物能量学的审视

本综述深入探讨了突触在衰老及帕金森病（PD）中的核心病理生理机制，聚焦于自噬（Autophagy）、钙稳态（Ca2+ handling）及线粒体生物能量学（Mitochondrial bioenergetics）三大关键过程。文章系统阐述了这些过程在维持正常突触功能中的作用，及其在生理性衰老和PD（一种加速衰老模型）中的异常改变，强调了它们作为潜在治疗靶点（如AMPK、LRRK2、α-synuclein）的重要性，为理解神经退行性病变的早期事件和开发干预策略提供了重要见解。

　　

引言：突触

突触是神经元之间进行电化学通信的重要生理结构，是我们执行日常基本功能的基础。支撑突触正常生理功能的关键过程包括自噬、钙稳态和线粒体生物能量学，这些过程在衰老过程中均会发生改变。理解衰老如何影响突触的这些过程，不仅是为了满足理解自然衰老的基本需求，也是为了识别在帕金森病（PD）等衰老相关疾病中，这些过程如何变得异常甚至病态。

与正常衰老不同，神经退行性疾病以神经元和突触的进行性丧失为特征，导致严重的认知障碍和功能衰退。有证据表明，神经退行性疾病实际上是一个加速衰老的问题，而突触功能障碍已被确定为其核心病理过程之一。以PD为例，它代表了突触功能障碍作为疾病早期和进行性部分的典型神经退行性疾病。

PD是最常见的神经退行性疾病之一，是一种多系统疾病，其特征是整个大脑的神经元丢失，其中黑质致密部（SNpc）的多巴胺能神经元表现出特别的易损性。关键的是，突触丧失被认为是PD的一个主要因素，“ dying back”假说认为突触功能障碍和消亡先于神经元死亡。

突触的可塑性

神经科学领域的开创性工作表明，突触具有惊人的可塑性，能够以活动依赖的方式加强或减弱对化学信号的反应。这种先天能力允许从记忆形成和学习到认知灵活性的各种功能。

在兴奋性突触，谷氨酸同时激活α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPARs）和N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDARs），但它们在突触可塑性中的作用不同。AMPARs通过钠内流介导快速膜去极化，强去极化则解除NMDARs的镁阻滞。这使得NMDAR介导的钙内流得以实现，钙水平决定了可塑性的方向：适度的内流激活如钙调磷酸酶和蛋白磷酸酶1（PP1）等磷酸酶，触发AMPAR内化和长时程抑制（LTD）；而较高的钙内流则触发包括CaMKII、PKC和MAPK在内的激酶，增强AMPAR电导，并促进其插入突触后膜，从而促进长时程增强（LTP）。因此，NMDARs作为“ coincidence detectors”，将突触输入强度转化为通过AMPAR调节的持久性突触减弱或增强。

随着年龄增长，LTP和LTD下降，损害了如记忆和技能形成等认知过程。大量证据支持这些变化是衰老过程中NMDAR改变的结果。

自噬

自噬通过三种主要途径维持突触完整性：巨自噬（自噬体介导的降解）、微自噬（直接溶酶体吞噬）和分子伴侣介导的自噬（CMA）（LAMP2A依赖性的对带有KFERQ样基序的蛋白质进行选择性降解）。

有丝分裂后的神经元依赖于自噬质量控制，因为它们无法通过细胞分裂稀释功能失调的细胞成分，并且重复的神经递质释放对蛋白质周转有极高要求。此外，神经元高度极化的结构要求精确的时空调节自噬，以维持数千种对传递至关重要的突触蛋白，自噬失败会导致突触功能障碍和神经退行性变。

近年来，已鉴定出许多基于活动的自噬启动系统，其中高代谢需求和突触活动与自噬途径的上调相匹配。这些包括但不限于NMDA处理后自噬活性增加，以及诱导靶向自噬以选择性清除受损的突触蛋白。

生理性衰老中突触的自噬

自噬活性在健康的各个方面都具有关键作用， indeed，衰老。这种降解途径的活性及其相关蛋白质随时间推移而被发现会下降。事实上，细胞质中异常蛋白质的积累已被确定为衰老的代表性特征。

进一步证明这一变化的是，与1个月大的年轻小鼠相比，24个月大的老年原代背根神经节（DRG）培养物的突触中自噬体生物发生下降了70%。同一实验室的进一步研究还发现异常自噬结构增加，老年小鼠中只有34%表现出双膜形态，而年轻小鼠为80%。研究确定，自噬体形成所需的另一种蛋白质WD重复结构域磷酸肌醇相互作用蛋白2（WIPI2）由于磷酸化状态的改变而在衰老过程中功能减弱。

除了这一点，自噬相关蛋白如Atg5、Atg7和Atg8，以及与自噬途径这些核心方面形成关键分子复合物的那些蛋白，例如Sirtuin 1，已被确定为长寿的调节因子。

研究还发现，自噬增强剂如亚精胺可用于减缓认知障碍，甚至可能减缓神经退行性变。用亚精胺和TAT-Beclin1等自噬增强剂治疗患有轻度认知障碍的老年小鼠，能够恢复对处理高记忆负荷至关重要的AMPA受体亚基GluR1（GluA1）的翻译后修饰，并挽救老年小鼠的记忆能力缺陷。

在小鼠海马神经元中也发现了类似的结果。在衰老过程中，海马体内的自噬活性降低。在该区域诱导老年小鼠的自噬能够逆转由衰老引起的记忆缺陷。

帕金森病中突触的自噬

功能失调的自噬经常被显示为PD的稳健表型。这种功能障碍被认为是该疾病中看到的毒性蛋白质聚集的核心，导致路易体（LBs）的形成，这是PD的一个标志性特征。α-突触核蛋白，一种位于突触内的蛋白质，是在LBs中发现的主要成分之一。

除了这一点，在另一个内吞蛋白auxilin上的人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的多巴胺能神经元（DaNs）的工作表明，PD LRRK2突变体如何影响突触自噬。Auxilin功能受损导致氧化多巴胺的积累，这对细胞是有毒的。这进而有助于降低一种叫做GCase（由GBA1基因编码）的溶酶体蛋白酶的活性。

GBA1基因的杂合突变是PD的最大遗传风险因素。GCase活性丧失具有广泛的影响。这包括溶酶体内其他蛋白酶活性的丧失，以及溶酶体pH值和稳定性的破坏，以及溶酶体内鞘脂和胆固醇的积累。

α-突触核蛋白并不是唯一参与自噬和自噬相关蛋白的蛋白质。Endophilin-A（EndoA），一种参与突触小泡内吞作用的蛋白质，被发现与Atg9阳性膜发生免疫共沉淀，并且功能上与三种不同的PD相关蛋白有关：富亮氨酸重复激酶2（LRRK2）、PARK2/Parkin和synaptojanin1（SYNJ1）。

钙处理

钙（Ca²⁺）动力学是神经递质释放和可塑性的核心，动作电位诱导的电压门控钙通道（VGCC）激活和内质网Ca²⁺释放后，胞质钙水平从基线200nM上升到低微摩尔浓度。这些Ca²⁺瞬变驱动受体运输和小泡动力学，这些是突触传递的基础，通过Ca²⁺结合蛋白和主动摄取到细胞器中维持稳态调节。

生理性衰老中突触的钙处理

Ca²⁺信号随年龄改变，并已牵涉到神经退行性疾病中，因此理解大脑中Ca²⁺动力学和失调的复杂性至关重要。

与年龄相关的Ca²⁺信号最显著的变化之一是细胞内Ca²⁺稳态的失调。关键因素如线粒体功能障碍、Ca²⁺通道通过翻译后修饰和氧化应激的失调，以及受损的Ca²⁺缓冲，最终导致衰老过程中神经元Ca²⁺稳态的破坏。

VGCCs的功能和表达随年龄变化。具体来说，在Ca_V1 L型钙通道中观察到改变，导致Ca²⁺超载和 altered firing patterns。免疫印迹研究表明，在大鼠中，L型VGCCs的表达在衰老过程中上调，与记忆损伤相关。

在突触处，来自细胞内储存的Ca²⁺释放在衰老神经元中变得不那么严格调控。IP3Rs的Ca²⁺释放增加，与年龄相关的氧化应激修饰RyRs使其更容易发生钙泄漏，并且RyRs与其调节蛋白之间相互作用的改变可能导致Ca²⁺通道开放增加。

帕金森病中的钙处理变化

在PD中，细胞内Ca²⁺水平失调和钙稳态受损是标志性的病理特征，并且已显示PD患者与健康个体相比表现出更高的平均胞质钙水平。

多巴胺能神经元（DaNs）由于其起搏活动而具有独特的钙动力学。这是由L型Ca_V1通道驱动的，特别是Ca_V1.3亚型，使它们特别容易受到Ca²⁺稳态紊乱的影响。

突变体α-突触核蛋白也被显示与离子通道相互作用以诱导多巴胺释放。当Ca_V2通道存在于脂质丰富的膜上时，通道从关闭到开放的构象变化需要更多能量。突变体α-突触核蛋白促进Ca_V2通道重新定位到低脂质环境，促进Ca²⁺流入突触前部，并诱导神经递质释放。

能量和线粒体

如前所述，神经元通信是一个复杂的过程组合，这些过程精细平衡并需要大量能量。因此，在驱动突触传递的过程中，完整线粒体的功能也是关键。随着年龄增长，线粒体产生所需能量的能力随时间减弱，影响神经元网络内突触通信的效率。

传递信息 between neurons 的能量货币主要由糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS）产生的ATP提供。生物能量衰竭开始被认为是早期衰老和神经退行性变的常见机制，并且在多种神经退行性疾病中发现了证据，包括AD、PD和ALS。

线粒体对突触功能的维持

释放单个含神经递质的突触小泡 alone 就需要大约2x10⁴个ATP分子。这是单一突触功能的大量能量，甚至在解决神经元和突触内的其他过程（如静息膜电位的维持和突触间隙的神经递质回收）之前，这些过程需要更多的ATP。虽然突触活动的变化伴随着能量需求的增加（例如，长时间的突触刺激）在健康条件下可以轻松维持，但在衰老和疾病期间，这种能力受到损害。

因此，线粒体是维持正常神经元性能的核心参与者之一。然而，这伴随着活性氧（ROS）产生的代价，这是线粒体稳态的主要危害因素。

突触线粒体默认比胞体线粒体产生更多的ROS。这种内在差异是由于它们的膜电位降低，这直接受它们与细胞核距离的影响。

突触代谢支持

大脑的大部分能量供应用于突触传递，因此突触可用的能量量可以决定突触恢复的差异，即缺陷与丧失/变性。在突触能量消耗的大局中，主要贡献者是神经递质释放和再摄取、Ca²⁺流和突触电流的产生。

在正常情况下，神经元可以适应生物能量挑战（例如，能量可用性的变化，能量来源），要么加强预先存在的突触和神经元回路，要么降低它们的放电率。脑细胞的首选能量来源是葡萄糖。然而，根据情况，可以临时使用来自其他代谢途径的能量来源，例如，酮体和乳酸。

恢复/维持或增强神经元生物能量学的策略

对不同时间点（3周、16周、59周和92周）的野生型小鼠大脑进行的代谢组学调查显示，每个时间点都有 distinct 的代谢特征，组间没有重叠。这些结果强调的主要代谢转变是围绕线粒体和突触代谢，其中糖酵解副产物和神经递质生物合成是主要 hits。

虽然热量限制是增强神经功能最有效的非药物治疗方法之一，但仅通过限制饮食在2型糖尿病（T2D）个体中维持足够的能量稳态已被证明具有挑战性。

结论

突触是至关重要的结构，提供了神经元通信得以发生的接口。这种通信是电化学性质的，神经传递和 propagating 电活动是这个过程的基础。然而，将突触仅仅归结为离子通道和含神经递质的小泡过于简化。在这篇综述中，我们涵盖了通常与 wholesale 细胞功能相关的关键过程，但这些过程在突触的正常功能中具有特定和关键的作用。

尽管这些过程通常被认为在性质上与突触通信分开，但在这里我们强调了自噬、钙稳态和线粒体如何直接影响突触功能，并为神经元通信提供了重要的控制水平。由于突触在动物生理学中扮演着如此复杂和精细的角色，因此存在多种途径来 dictate 其活动、可塑性和信号整合的精细控制也就不足为奇了。

这些突触任务驱动从运动到言语和认知的关键功能。因此，诸如自噬等有助于突触功能的途径的功能障碍将影响执行基本任务的能力。我们的综述侧重于衰老的突触，这篇综述突出了直接证据，表明年龄对突触过程的影响是罪魁祸首。

这些过程中的每一个都可以相互影响，使突触的衰退永久化，并加速诸如认知等过程的恶化。例如，通过抑制性突触的丧失减少抑制性传递可能导致下游兴奋性神经元的过度兴奋。由于兴奋性神经元使用更多能量，这可能会进一步 stress 位于这些神经元突触上的功能失调的线粒体。

突触功能障碍的加剧及其 resultant 临床表型也在PD的背景下进行了描述。PD代表了一种与年龄内在相关的疾病，并且已被证明具有深刻而稳健的、早期且持续的突触功能障碍表型。在这里，我们描述了PD如何影响已知受年龄影响且对突触功能重要的途径。因此，PD以及广义上的神经退行性疾病，得益于对影响突触功能的过程的改进理解，以及这些过程在衰老中受到的干扰。在这里，我们强调了关键靶点和途径，这些靶点和途径要么已经，正在，要么应该成为未来研究的兴趣点。