Atp2a2介导钙失衡与内质网应激在氢化可的松诱导神经毒性中的作用机制研究

本刊推荐：研究人员针对蛋白质稳态失衡在神经退行性疾病中的关键作用，利用秀丽隐杆线虫模型系统探讨了自噬(autophagy)在维持蛋白质质量控制和延缓衰老中的分子机制。研究发现自噬通过降解异常蛋白、形成保护性包涵体及介导跨组织通讯等多种途径维持蛋白质稳态，为阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)等神经退行性疾病的治疗提供了新的靶点方向。

　　

随着全球人口老龄化加剧，神经退行性疾病的发病率和疾病负担日益加重。阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)、帕金森病(Parkinson's disease, PD)、亨廷顿病(Huntington's disease, HD)和肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)等神经退行性疾病的共同特征是蛋白质稳态(proteostasis)失衡，导致错误折叠蛋白聚集和神经元功能障碍。蛋白质稳态网络由分子伴侣、泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system, UPS)和自噬(autophagy)三大系统组成，其中自噬作为主要的降解途径，在清除异常蛋白质和受损细胞器中发挥关键作用。

然而，随着年龄增长，自噬功能逐渐衰退，导致毒性蛋白积累，加速神经退行性病变进程。尽管既往研究揭示了自噬在蛋白质质量控制中的重要性，但其在不同组织中的特异性调控机制、与UPS系统的交互作用以及在各种长寿范式中的具体贡献尚未完全阐明。为了解决这些问题，研究人员利用模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)开展了系统研究，相关成果发表在《Cell Stress and Chaperones》杂志上。

研究主要采用了以下关键技术方法：利用组织特异性荧光报告基因系统进行体内自噬和蛋白聚集的动态追踪；采用RNA干扰(RNAi)技术和降解素(degron)介导的蛋白降解方法实现组织特异性基因操控；通过蛋白质组学分析年龄相关的蛋白质溶解性和泛素化修饰变化；应用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建神经退行性疾病模型；使用药理学工具如巴佛洛霉素A(Bafilomycin A)抑制自噬流评估自噬功能。

分子机制研究部分表明，自噬主要通过巨自噬(macroautophagy)途径发挥作用，该过程涉及40多个自噬相关(ATG)基因的精确调控。研究详细解析了自噬过程的各个阶段： initiation（启动）、phagophore formation（吞噬泡形成）、expansion（扩展）、membrane closure（膜闭合）、transport to and fusion with the lysosome（运输及与溶酶体融合）和degradation（降解）。转录因子HLH-30/TFEB、DAF-16/FOXO、PHA-4/FOXA、SKN-1/NRF和HSF-1在营养缺乏和应激条件下激活自噬和溶酶体基因表达。营养和能量感应通路（mTORC1、insulin/IGF、AMPK）通过这些因子协调自噬体的生物发生。

自噬与UPS系统的交互作用部分揭示，这两个系统虽然处理不同的底物，但对蛋白毒性应激都有响应并表现出调控串扰。K48连接的多聚泛素链通常是蛋白酶体降解的信号，而K63连接的多聚泛素链和单泛素化则更多与自噬降解相关。研究发现蛋白酶体相关去泛素化酶(DUBs)的抑制会以组织依赖的方式调节自噬，表明这些系统不是可互换的保障机制，而是相互依赖的调节器。

选择性自噬研究重点关注了aggrephagy（聚集物自噬）过程。p62/SQSTM1（SQST-1在线虫中）作为 well-characterized 的选择性自噬受体，通过与泛素化蛋白聚集物结合，同时通过其LC3相互作用区与吞噬泡膜上的Atg8蛋白相互作用，促进蛋白聚集物靶向 engulfment 进入自噬体。研究发现SQST-1/p62过表达能够以自噬基因依赖的方式延长寿命，但其作用具有 context-dependent 特性。

年龄相关变化研究显示，在线虫衰老过程中，数百种内源性蛋白（包括聚集倾向的GTP酶RHO-1和 casein 激酶KIN-19）逐渐变得不溶性增加并形成淀粉样沉积。泛素组分析发现约1000种蛋白质的泛化位点发生 age-dependent 变化，总体泛素化水平下降。自噬也受到年龄影响，自噬囊泡数量随年龄增加，但 flux 测定显示这反映的是自噬流阻滞而非诱导增强。

神经退行性疾病模型研究部分详细探讨了自噬在亨廷顿病、阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症线虫模型中的作用机制。在亨廷顿病模型中，自噬基因缺失会增加polyQ聚集，而 hormetic 热休克以自噬和sqst-1/p62依赖的方式减少神经元和肠道中的polyQ聚集。在阿尔茨海默病模型中，Aβ表达会激活mTORC1信号，抑制自噬，导致自噬体积累。帕金森病模型中，绿原酸和 ferulic 酸通过上调自噬基因减少α-突触核蛋白聚集。肌萎缩侧索硬化症模型中，metformin 处理通过daf-16/FOXO和lgg-1/ATG8/GABARAP依赖的方式改善运动功能并减少hSOD1聚集。

长寿范式研究部分分析了自噬在 reduced insulin/IGF-1 signaling、reduced mTORC1 signaling、饮食限制(dietary restriction, DR)、 germline 去除和 mild mitochondrial dysfunction 等长寿范式中的作用。这些长寿范式都通过激活自噬和改善蛋白质稳态来延长寿命，但具体要求自噬的组织和机制存在差异。

应激诱导自噬部分探讨了热休克应激、氧化应激、内质网应激(ER stress)和线粒体应激等各种应激条件下自噬的 activation 机制。热休克通过HSF-1和HLH-30/TFEB激活自噬基因表达，氧化应激通过SKN-1/NRF2调节自噬基因表达，内质网应激通过IRE-1-XBP-1轴诱导自噬，线粒体应激通过UPR^mt和HLH-30/TFEB增强自噬。

自噬介导的包涵体形成部分介绍了蛋白聚集的形成机制和自噬在聚集物 compartmentalization 中的作用。研究发现 inclusion bodies 作为保护性结构隔离有害蛋白，p62/SQSTM1通过 liquid-liquid phase separation 形成动态 condensates 与泛素化蛋白聚集，促进其向自噬体输送。在线虫中，SQST-1/p62过表达会产生巨大的包涵体样结构。

非经典自噬功能部分介绍了分泌自噬(secretory autophagy)和跨组织调控等非降解功能。在线虫中，神经元在蛋白毒性应激下会形成"exophers" large vesicles，携带错误折叠蛋白如PolyQ聚集物，这些囊泡被邻近的表皮细胞吞噬降解。跨组织调控方面，神经元或胶质细胞中的XBP-1s表达能够激活外周组织的应激反应，增强蛋白质稳态，肠道来源的microRNA如mir-83/miR-29能够调节多个组织的自噬功能。

研究结论表明，自噬作为蛋白质稳态网络的关键成员，在细胞和系统水平上发挥着多方面的作用，通过降解错误折叠蛋白、清除聚集物和支持与改善蛋白质稳态相关的长寿范式来维持蛋白质质量。研究发现自噬在不同组织中存在特异性调控，年龄相关的自噬功能衰退导致毒性蛋白积累。研究还揭示了自噬与UPS系统的复杂交互作用，以及自噬在多种神经退行性疾病模型中的保护作用。

这些发现的重要意义在于：首先，阐明了自噬在维持蛋白质稳态中的核心作用机制，为理解神经退行性疾病的发病机制提供了新的视角；其次，揭示了自噬在不同组织中的特异性调控，为开发组织特异性的治疗策略提供了理论基础；第三，发现了自噬与UPS系统的复杂交互关系，表明需要同时靶向多个降解系统才能有效治疗蛋白聚集疾病；第四，验证了多种长寿范式通过激活自噬延长寿命的机制，为延缓衰老和相关疾病提供了新的干预策略；最后，揭示了自噬的非经典功能如分泌自噬和跨组织调控，扩展了对自噬功能多样性的认识。

该研究为开发针对自噬 pathway 的治疗方法提供了重要依据，特别是对于阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病的治疗具有重要的 translational 价值。通过调节自噬功能，可能能够延缓衰老进程、预防或治疗神经退行性疾病，从而提高老年人的生活质量和健康寿命。