聚焦阿尔茨海默病线粒体自噬与胆固醇积累
阿尔茨海默病（Alzheimerdisease，AD）是一种起病隐匿发病原因未知的、进行性发展的神经系统退行性疾病。其中线粒体功能障碍是AD背后的病因之一。在AD的早期阶段可观察到受损线粒体的积累，并与线粒体自噬功能障碍有关，但该病理机制仍不完全清楚。
基于此，来自西班牙的研究人员于近期发表在《Autophagy》的研究结果显示，在体内/体外实验中，胆固醇水平增高均抑制了线粒体自噬，加重了线粒体损伤，但二者具体机制不同。该研究揭示了胆固醇水平增高在AD线粒体损伤中的作用，以表明AD治疗中控制胆固醇水平的重要性。
线粒体的选择性自噬降解（又称为线粒体自噬）是最重要的线粒体质量控制机制之一。当该功能失调时，受损线粒体持续积累，从而影响细胞生存。
因此，由于神经元对线粒体供应能量的高度依赖，会发现许多神经退行性疾病（包括AD）的背后都有发现线粒体功能的异常的参与。
作者的前期实验已证明胆固醇可通过损害自噬水平来影响MAPT（微管相关tau蛋白)和β-淀粉样蛋白（Aβ）的清除。且胆固醇影响这两种AD关键因子代谢的重要因素与细胞内特定细胞器中的胆固醇水平增加有关，而不是总胆固醇水平的变化。
在线粒体中，胆固醇介导谷胱甘肽（GSH）耗尽，在Aβ的作用下，自噬相关蛋白ATG4B被氧化抑制，最终导致自噬体的形成增加。相反，内吞体-溶酶体膜中胆固醇的升高会损害自噬体和溶酶体融合的能力，导致富含MAPT和Aβ的自噬囊泡堆积。
近期研究中作者还发现高胆固醇也可影响线粒体自噬（图1），线粒体内的胆固醇富集，可通过降低线粒体的抗氧化防御能力，增加Aβ诱导的氧化应激，从而达到PINK-PRKN信号激活所必需的阈值（PINK1-PRKN通路更易被激活）。
体外细胞实验及在APPswe/PS1dE9双转基因伴甾醇调节元件结合转录因子2（SREBF2）激活的AD小鼠体内实验中发现高胆固醇均可阻断抑制线粒体自噬。然而，根据胆固醇的慢性变化和AD的进展，可以观察到两实验之间的差异。在暴露于寡聚形态Aβ的SH-SY5Y（神经母细胞瘤）细胞中,胆固醇水平增加可刺激线粒体自噬体的产生，但由于线粒体自噬体-溶酶体复合体的形成减少，导致了整体线粒体自噬水平受损（图1）。
同样，在SREBF2小鼠的胚胎神经元中，Aβ的孵育有利于PINK1在线粒体上的稳定及后续的线粒体自噬体的形成，而不依赖于PRKN的募集。此外，据描述在自噬体合形成的初期阶段需要线粒体ROS的瞬时生成。与此一致的是，使用谷胱甘肽（GSH）乙酯来恢复胆固醇介导的线粒体GSH消耗的同时，显著减少了线粒体自噬体的形成，从而证明胆固醇是通过增强线粒体氧化应激来诱导线粒体自噬体的产生。
在APP-PSEN1-SREBF2小鼠（AD模型小鼠）中，作者观察到PINK1在线粒体上的稳定、激活以及后续的PRKN募集，这一现象随着小鼠年龄增加（图1）。海马神经元中的胆固醇高负荷刺激了PINK1介导的线粒体自噬体堆积，但阻止了线粒体自噬这一完整过程的完成，在细胞实验中也同样发现了该现象的存在。有趣的是，与细胞实验的结果不同，尽管PINK1-PRKN通路被激活，但APP-PSEN1-SREBF2小鼠的线粒体没有显示自噬体标记蛋白LC3B的募集。对小鼠衰老过程中这些改变的本质进行更深入的分析显示，自噬受体optineurin（OPTN）在氧化因素的介导下逐渐聚集成大的包涵体样结构，称为聚集体。
反之，GSH乙酯治疗2周后，线粒体池中的GSH含量恢复，且这些聚集体显著减少。研究结果表明，长期的脑胆固醇水平增加通过增强氧化应激和损害自噬，将利于OPTN聚集体的形成。在该情况下，尽管有线粒体自噬诱导，也无法发挥OPTN的促进线粒体募集和线粒体自噬体形成的作用。
晚期AD表型个体患者的死后大脑与老年APP-PSEN1-SREBF2小鼠海马切片观察到了相同的疾病模式。CA3-CA2层中的锥体神经元胞体中发现了含有OPTN的聚集体样结构，与线粒体胆固醇水平的增加平行，且在疾病的晚期更加明显。
图1.本文提出的体外和体内AD模型中胆固醇对线粒体自噬的差异调控模型。在富含胆固醇的SH-SY5Y细胞和SREBF2小鼠胚胎神经元中，Aβ诱导了PINK1介导的、不依赖于PRKN的线粒体自噬，但由于胆固醇同时抑制了线粒体自噬体与溶酶体的融合，使得线粒体自噬体堆积而无法被降解。老年APP-PSEN1-SREBF2小鼠和晚期AD个体患者的死亡脑组织的体内实验中，随着AD的进展，Aβ持续诱导线粒体损伤，并在胆固醇负荷下继续加重，直接阻止了线粒体自噬体的形成（即使有PINK1-PRKN信号的刺激）；在这种情况下，线粒体的氧化应激促进了自噬受体OPTN在胞质内积累形成聚集体样结构，阻止了它向线粒体的募集及线粒体自噬。
总之，本文描述了AD中细胞内的胆固醇积累与线粒体自噬受损之间的联系。体内与体外实验中二者之间具体的作用机制不同。细胞实验中胆固醇抑制了线粒体自噬体被溶酶体降解；而体内实验中，脑胆固醇高负荷 AD疾病进展的双重作用下，线粒体氧化损伤逐渐加重，形成OPTN聚集体，直接阻碍了线粒体自噬体的形成。因此，特异性的降脑胆固醇疗法，恢复溶酶体功能并抑制线粒体ROS的过度生成，再结合自噬诱导药物的帮助，可能在AD的治疗中具有重要意义。
‖ 参考文献
1. Roca-AgujetasV, de Dios C, Abadin X, Colell A. Upregulation of brain cholesterollevels inhibits mitophagy in Alzheimer disease. Autophagy. 2021Jun;17(6):1555-1557. doi: 10.1080/15548627.2021.1920814. Epub 2021May 4. PMID: 33945386.