Cell：阿尔茨海默病研究新策略--分子伴侣介导的自噬防止神经元亚稳态蛋白质组的崩解

自噬缺陷是蛋白质稳态网络的组成部分之一，且与神经退行性疾病有关。分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated autophagy，CMA)，是一种选择性降解溶酶体中单个蛋白质的途径。CMA有助于降解涉及神经退行性疾病的病原蛋白，例如tau蛋白。这些蛋白质的致病变体（突变或翻译后修饰异常）通过CMA靶向溶酶体，但它们无法转运并最终阻断CMA。
然而，在衰老大脑和神经退行性疾病中神经元CMA活性降低所带来的后果还不明确。此外，所有细胞都存在所有类型的自噬，是否存在一定程度的冗余或每个细胞是否维持特定的子蛋白质组也尚不清楚。
美国艾伯特爱因斯坦医学院的Ana Maria Cuervo和Evripidis Gavathiotis两位教授团队着力于了解自噬缺陷在神经退行性疾病中的分子基础，近日他们在《Cell》中发表了一项重要的工作，揭示了分子伴侣介导的神经元自噬调节处于蛋白质聚集风险的一个蛋白质组子集，且与阿尔茨海默氏病相关的脑蛋白毒性相关。

当胞浆的分子伴侣热休克同源蛋白71 kDa（Hsc70）识别底物蛋白序列中的五肽（KFERQ样基序）时，就会触发溶酶体靶向。底物/分子伴侣复合物一旦到达溶酶体，会与溶酶体相关2A型膜蛋白（L2A）的胞质尾结合，从而触发L2A多聚成易位复合物，从而使溶酶体内化底物蛋白进而进行降解。L2A是参与CMA的lamp2基因的三个剪接蛋白变体中的唯一同工型。
在这项工作中，研究者们分别构建了全身性L2A和兴奋性神经元特异性L2A敲除小鼠模型，来分析CMA对维持神经元蛋白质组的作用。

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1.神经元CMA缺失导致蛋白质组异常

敲除神经元中的CMA后对神经元蛋白质组进行相对定量和定性分析，发现不可溶蛋白质的表达量显著增加，主要包含某些KFERQ基序且易于沉积的蛋白（如α-syn、tau蛋白）。

进一步分析过饱和蛋白质组的变化后发现相较于总蛋白，敲除L2A后在不可溶蛋白质中富集的蛋白过饱和分数明显增加，表明CMA缺失后转变为不溶性的蛋白质组是过饱和蛋白质组的一部分（图1）。

实际上，带有KFERQ基序的蛋白质有更高的过饱和分数，表明它们有分别从未折叠或折叠状态形成聚集体的趋势。

 图1 兴奋性神经元CMA缺乏导致蛋白稳态失调

2.神经元CMA缺失导致神经元功能失调

下一步，研究者们利用CKATG7^-/-小鼠来模拟大自噬缺陷，同时相比于CKL2A^-/-小鼠（图2），通过不溶性蛋白质组的比较蛋白质组学来阐明CMA和大自噬这两条自噬通路对神经元蛋白质变性的特定作用。
经过比较两种基因敲除小鼠脑内不可溶蛋白质的变化，发现变化的蛋白质组并不相同，其中大巨噬缺陷导致细胞周期和泛素化蛋白酶体分解代谢过程相关的蛋白变化，而CMA缺陷带来的蛋白改变主要与蛋白转运、阳离子稳态与代谢相关（图2），表明依赖CMA活性的子蛋白质组与依赖于功能性大自噬的子蛋白质组有所不同。

图2 CKL2A敲除和CKATG7敲到导致蛋白质组变化

由于CMA缺陷后引起的蛋白靶向转运相关蛋白变化，导致网格蛋白表达增多、网格蛋白衔接蛋白AP2α减少，导致胞吞显著减少；同时还出现了肌动蛋白相关蛋白Arpc2表达增加，致使细胞骨架表现异常（图3）。

 图3 CKL2A小鼠神经元功能异常

3.CMA在AD早期就出现异常

对AD患者及健康个体的前额叶皮层进行单细胞核RNA测序（SnRNA-seq），分析结果发现在AD早期患者兴奋性神经元中就能够观察到CMA网络成分转录被抑制，且在抑制性神经元中CMA负调控元件表达转录表达水平增加，且随着年龄的增加CMA网络所受到的抑制更强（图4），表明随着AD病程发展，CMA活性出现了时空上的下调，且在对tau蛋白毒性更为敏感的兴奋性神经元上表现更为明显。

 图4 AD患者的CMA受到了抑制

4.CMA缺陷与AD病变相关

通过构建 APP^Swe、PS2^N141I、hTau^P301L三基因敲入（Tg）与L2A敲除的转基因小鼠（Tg-L2A^-/-）就能实现在AD小鼠身上阻断CMA。结果发现相较于同月龄的对照小鼠，Tg-L2A^-/-小鼠的Aβ42短肽、Aβ斑块和磷酸化tau蛋白沉积更多，且沉积速度更快。

进一步比较大脑蛋白质组学变化，发现AD患者和Tg-L2A^-/-小鼠沉积蛋白的变化特征有更大的重叠性。另外，Tg-L2A^-/-小鼠的蛋白质组变化不仅表现在脂代谢、蛋白酶体通路上，还表现在淀粉样蛋白调节通路上（图5）。这些结果显示，CMA通过对处于聚集风险中的蛋白质组的协同（而不仅仅是相加作用）负面作用来加速AD病程。

图5 Tg-L2A^-/-小鼠的蛋白质组变化

最后，对AD小鼠（PS19小鼠和Tg小鼠）分别给予连续口服数月CMA激动剂的处理，能够减少tau蛋白及Aβ蛋白的沉积，并且能够显著加强小鼠的记忆能力以及减少小鼠的焦虑和抑郁样行为。

总 结

以上的研究结果重点阐述了CMA对神经元蛋白稳态的贡献，CMA缺陷证明了衰老大脑中CMA缺陷是神经退行性疾病发作的加重因素，并为靶向CMA作为治疗方向提供了概念证明。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.048

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编译作者：Sybil（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

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