Ageing Research Reviews：阿尔茨海默病中的蛋白质稳态缺陷

导读

细胞内蛋白质的稳态或蛋白质的平衡对于神经元的功能和大脑的学习记忆等过程至关重要。越来越多的证据表明，有缺陷的蛋白质稳态会加剧神经退行性疾病的进展，包括阿尔茨海默病 (AD)，这是老年人中最普遍的痴呆症。蛋白质稳态包括控制蛋白质的合成、折叠、翻译后修饰和降解等一系列的细胞机制，但在AD中这些机制都不能发挥其正常的作用。

重要的是，蛋白质稳态的失调在突触功能障碍和记忆障碍（AD 的主要临床表现）中发挥着关键的作用。近期Ageing Research Reviews 期刊发表了“Defective proteostasis in Alzheimer's disease”的综述，作者探讨了AD中蛋白质合成和降解的分子途径，以及纠正这些缺陷的潜在药理学方法。

简介

随着预期寿命的延长，与年龄相关的疾病（如阿尔茨海默病 (AD)）的发病率也在逐渐增加。AD 是一种最常见的痴呆症，影响着全世界超过4000 万人的健康。 进行性认知能力下降，记忆力减退是AD最显著的症状。AD 的发病率在全球范围内持续上升，预计到 2050 年将增加两倍。大多数 (> 95%) AD 病例是散发性的，这类病人多在65 岁后发病，而家族性 AD 病例通常是在 50 岁时开始。散发性 AD 被认为是遗传、环境和生活方式因素共同作用的结果，其中年龄是最危险的因素，而家族性AD病例与淀粉样前体蛋白（APP）、早老素1（PS1）或早老素2(PS2）的常染色体突变有关。

与其他神经退行性疾病类似，AD的特征是大脑中错误折叠的蛋白质聚集体的积累。在AD中，聚集体由淀粉样蛋白-β(Aβ) 肽和 tau蛋白组成，它们分别形成细胞外淀粉样斑块和细胞内神经原纤维缠结 (NFT)。尽管这些不溶性聚集体是AD的经典组织病理学标志，但大量证据表明可溶性低聚形式的Aβ（AβOs) 和 tau (TauOs) 是最具神经毒性的形式，会导致大脑氧化应激，线粒体损伤、细胞内信号通路失调、突触衰竭和记忆缺陷。尽管在过去的25年中取得了一系列的进展，但AD的发病机制仍未完全了解。目前批准用于临床的疗法是对症的，但没有可用于预防或逆转疾病进展的疗法。尽管最近批准抗淀粉样蛋白-β抗体 (Aducanumab)可用于治疗AD，但对其有效性仍存在相当大的争议。

蛋白质稳态一词涵盖细胞内蛋白质的稳态，即蛋白质合成、折叠、翻译后修饰和降解之间的平衡。所有这些过程都必须精确调节以确保适当的细胞功能。在大脑中，蛋白质合成和降解之间的平衡对于突触可塑性和记忆形成至关重要。如果在合成或折叠过程中发生错误并且给定的蛋白质错误折叠或聚集，则细胞反应机制被激活以重新折叠或降解该蛋白质。现在很清楚，功能失调的蛋白质稳态是 AD 的一个特征，并会导致神经元应激，最终导致突触丧失和记忆缺陷。

作者总结了在AD中解除管制的大脑蛋白质合成和降解所涉及的机制，以及它们是如何导致突触和记忆障碍的原因。作者专注于特定的分子途径控制脑蛋白的稳态，包括 (1) mTOR 通路及其在蛋白质合成中的作用，(2) 泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 和参与蛋白质降解的自噬， (3) 应激激活通路，即未折叠蛋白反应 (UPR) 和综合应激反应 (ISR)。最后，作者讨论了最近的证据，表明旨在恢复蛋白质稳态的方法可以保护AD小鼠模型中的突触和挽救记忆缺陷。

1.1. 蛋白质合成和降解在记忆中的作用

 一般而言，神经元中的蛋白质合成（mRNA 翻译）以与其他细胞类型类似的方式受到调节。然而，与其他细胞类型不同，神经元生理学包括受体介导的过程激活，称为长时程增强 (LTP) 和长时程抑制 (LTD)。这些过程分别导致突触增强或减弱，并被认为是突触可塑性、学习和记忆的基础。LTP 和 LTD 需要在突触处从头合成蛋白质，因此需要局部调节 mRNA 翻译。

mRNA 翻译发生在神经元细胞体、轴突和树突中，包括突触末端 。响应 LTP，脑源性神经营养因子 (BDNF) 激活酪氨酸受体激酶 B (TrkB)，导致磷酸肌醇 3-激酶 (PI3K) 和细胞外信号调节激酶 (ERK) 信号的激活。PI3K 刺激哺乳动物/雷帕霉素机制靶点 (mTOR) 通路，从而激活真核翻译起始因子 4E (eIF4E) 和 p70 核糖体蛋白 S6 激酶 (p70S6K)，从而诱导蛋白质合成。

mRNA 翻译的起始步骤受到许多真核起始因子 (eIF) 的严格调控。除了 eIF4E，eIF2 (eIF2α) α亚基的磷酸化调节蛋白质合成的起始，调节 LTP 和记忆形成，并且是应激反应途径的核心，正如所讨论的以下。在延伸步骤中，真核生物延伸因子 2 (eEF2) 的磷酸化控制着整体蛋白质合成。p70S6K 是控制eEF2激酶 (eEF2K) 活性的酶之一，因此将 mTOR 信号转导连接到蛋白质合成的起始和延伸步骤。

N-甲基-D-天冬氨酸 (NMDAR) 亚型的谷氨酸受体介导 LTP 中的中央通路。NMDAR 介导的钙流入通过cAMP 依赖性蛋白激酶 A (PKA) 触发 cAMP 反应元件结合蛋白 (CREB) 的激活（图 1）。CREB 是突触可塑性的重要转录因子，并受激活转录因子4（ATF4，也称为 CREB2）的控制，后者在 eIF2α 磷酸化时选择性翻译。ATF4 充当阻遏物，必须降解才能发挥生理 CREB 功能。PKA 通过泛素-蛋白酶体系统 (UPS) 刺激 ATF4 的降解。UPS 还会降解 PKA 的调节亚基，从而使催化亚基保持活性形式。实际上，UPS 活动对于LTP的维护、突触重塑和记忆形成是必需的（图 1）。

突触可塑性不仅需要合成新蛋白质，还需要下调翻译抑制因子。这可以通过降低阻遏物的合成速率、通过UPS降解阻遏物或通过脆性 X 信使核糖核蛋白（以前称为脆性 X 智力低下蛋白，FMRP）的作用来实现。FMRP是翻译的负调节因子，它与 mRNA 结合，可以在起始或延伸步骤抑制翻译。FMRP表达在存在学习刺激的情况下瞬时增加，表明它在记忆形成中发挥作用。与ATF4类似，FMRP级别由UPS 调节。

自噬介导的蛋白质降解在正常衰老和病理条件下的记忆中也起着重要作用。例如，在最近的一项研究表明海马自噬需要通过诱导依赖于活动的结构和功能突触可塑性来促进学习和记忆，并且刺激海马自噬可以逆转小鼠与年龄相关的记忆缺陷。此外，在 AD 小鼠模型中，促进自噬已被证明可以减少大脑中 Aβ 的积累并挽救突触和记忆。总之，现有证据表明突触处的蛋白质合成和降解都受到高度调节，并在记忆处理中发挥关键作用。

图1. NMDAR介导的LTP诱导途径

1.2. 蛋白质合成和降解的性别差异

AD对女性的影响比对男性的影响大，而且有证据表明性别差异可能使女性易患 AD。尽管如此，AD 是否涉及性别之间蛋白质稳态的差异仍然未知。最近的研究发现，在执行恐惧条件记忆任务后，野生型大鼠杏仁核中的蛋白质降解在雄性和雌性之间存在差异。这些报告表明，只有雄性大鼠在恐惧条件反射后表现出蛋白质降解增加，而雌性大鼠在基线时 UPS 活性增加。K48-多泛素化的靶点在性别之间也不同：女性表现出囊泡转运蛋白降解增加，而男性表现出与细胞骨架、ATP 合成和细胞信号转导相关的蛋白质降解增加。应该指出的是，这些研究是在野生型大鼠中进行的，而不是在AD模型中进行的，未来的工作似乎有必要阐明AD是否会在性别之间对蛋白质稳态产生不同的影响。

1.3. AD 中的蛋白质合成缺陷

40 年前，出现了涉及 AD 中有缺陷的大脑翻译的初步线索，通过 [11C] L-甲硫氨酸正电子发射断层扫描测量，发现痴呆症患者额叶皮质中的蛋白质合成显著减少。朗斯特罗姆等人。与对照组相比，随后在 AD 额叶皮质中发现了越来越少的活性多核糖体。此外，已在 AD 的早期阶段发现核糖体核酸和多核糖体复合物的改变，包括其氧化。总而言之，这些研究表明翻译缺陷是早期事件，可能作为 AD 发病机制的触发因素或中介因素。

蛋白质合成在起始和延伸步骤都受到高度调控。下文将更深入地讨论 AD 中 mRNA 翻译起始的缺陷。在延伸步骤中，eEF2 控制 mRNA 通过核糖体的转运，eEF2K 对其进行磷酸化会减缓蛋白质延伸 。这会抑制整体蛋白质合成，同时增加特定树突状 mRNA 子集的翻译。eEF2 的磷酸化在 AD 大脑和小鼠模型中增加。此外，eEF2K 的遗传破坏和药理学抑制均可纠正 AβO 介导的体外毒性和小鼠模型中的记忆缺陷。值得注意的是，eEF2K 似乎是其他疾病的潜在药物靶点，例如某些类型的癌症和心血管疾病。

1.4. AD 中改变的 mTOR 通路

雷帕霉素 (mTOR) 的哺乳动物/机制靶标是一种激酶，可作为营养感应细胞中枢。因此，它在蛋白质稳态调节、细胞增殖和存活中起着关键作用。在大脑中，mTOR 信号对于突触可塑性和记忆力至关重要。大量证据支持 mTOR 参与 AD 和其他神经退行性疾病以及癌症和糖尿病的发病机制的观点。mTOR 存在于两个不同的复合体中，即 mTORC1 和 mTORC2，它们具有不同的细胞功能并参与不同的信号通路。由于蛋白质合成和降解的几个方面主要由 mTORC1 控制，因此本综述将重点关注 mTORC1 通路，mTORC1 的作用之一是抑制自噬。如上所述，自噬在 AD 中受损，这与表明 mTOR 活性在 AD 患者和小鼠模型的大脑中上调的证据一致。许多研究报告说，抑制 mTOR 可促进自噬并增加 AD 模型中的 Aβ 清除率。事实上，雷帕霉素对 mTOR 活性的药理学抑制及其遗传减少了脑 Aβ 聚集体并改善了AD 小鼠模型中的认知缺陷。

另一方面，mTORC1 通过磷酸化 p70S6K 和真核起始因子 4E 结合蛋白 (4E-BP) 来刺激蛋白质合成（图 2）。4E-BP 的磷酸化导致其与 eIF4E 解离，从而使 eIF4E 能够与 eIF4F 复合体结合并启动翻译。该过程对于突触蛋白的局部 mRNA 翻译和突触可塑性至关重要。因此，mTOR 的过度激活可能会导致有害的过度突触蛋白合成，这与在 AD 中观察到的翻译的整体抑制形成对比。尽管大量研究表明 mTOR 活性被上调并通过抑制 AD 中的自噬增强 Aβ 积累，但也有证据表明情况并非如此。例如，在经 Aβ 处理的培养神经元、年轻的 Tg2576 小鼠和 APP/PS1 小鼠中，参与 mTORC1 信号通路的蛋白质磷酸化被发现减少，以及 APP/PS1 敲入小鼠。此外，mTOR 磷酸化在死后 AD 淋巴细胞中减少，并与认知缺陷相关。

不同研究中 mTORC1 活性结果不一致的原因尚不完全清楚。除了与不同研究中采用的实验模型之间的差异相关的琐碎解释外，应该注意的是，AD 是一种经过数十年发展的进行性神经退行性疾病，因此 mTOR 活性的变化可能取决于疾病阶段。事实上，虽然在早期到轻度 AD 阶段已经报道了 mTOR 的过度激活，但其他研究发现对照大脑和来自AD不同疾病阶段的个体的大脑之间没有差异, 仅在严重受影响的病例中发现差异。考虑 mRNA 翻译、mTORC1 活性和自噬之间的相互作用可能会阐明 AD 中 mTORC1 活性的动态变化。AD 中的 mRNA 翻译可被多种机制抑制。这些包括 eIF2α和 eEF2 的磷酸化，可能还有 4E-BP 和 FMRP 等翻译阻遏物的积累。全局翻译的衰减可能导致 mTORC1 磷酸化的反应性增加，目的是使神经元蛋白质合成正常化。然而，这也会导致自噬抑制，导致错误折叠/聚集形式的 Aβ 和 tau 的积累。这些聚集体反过来会激活可能抑制 mTORC1 和翻译的细胞应激反应机制，从而产生导致神经变性的恶性循环。

1.5. AD 中的泛素-蛋白酶体系统

早期研究表明，泛素化蛋白的积累与淀粉样斑块和 NFT 相关，并确定了泛素 B 肽(UBB+1)中的移码突变，该突变导致对去泛素化的抗性并损害 AD 大脑中的蛋白酶体活性。据报道，与对照组相比，AD 中的蛋白酶体水平没有变化，20 S 蛋白酶体被选择性抑制，特别是在受淀粉样蛋白和 tau 病变影响的区域，例如海马和颞叶皮层，但在小脑没有。从机制上讲，Aβ 聚集体（包括低聚物和原纤维，但不包括单体）被证明可以抑制纯化的蛋白酶体活性蛋白酶体制剂和原代神经元培养物 。AD 相关的致病性 tau 亚型与蛋白酶体相关并损害其活性。积累 TauOs的突触呈现出泛素化蛋白水平的增加，这表明蛋白酶体的局部功能障碍。此外，据报道，包括 Aβ、α-突触核蛋白和亨廷顿蛋白在内的疾病相关蛋白的寡聚体可通过稳定蛋白酶体20S 核心颗粒的闭门构象来直接抑制蛋白酶体活性。因此，细胞内蛋白质聚集体的积累可能导致 AD 中蛋白酶体活性受损。

 20S蛋白酶体降解错误折叠、氧化和本质上无序的蛋白质 (IDP)，包括 Aβ 和 tau。Aβ 已被证明可与 20 S 蛋白酶体结合并作为降解底物。虽然低分子量 AβOs（二聚体、三聚体）会被蛋白酶体降解，但较高分子量的聚集体似乎会被自噬降解。据报道，Tau 还会与蛋白酶体相互作用并被蛋白酶体降解。Ca [2]+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II (CamKII) 或糖原合酶激酶 3β (GSK-3β) 的磷酸化可抑制 20 S 蛋白酶体对 tau 的降解。tau 和 Aβ 组装对蛋白酶体活性的影响可能触发前馈循环，导致这些病理蛋白进一步聚集和沉积。

先前的证据表明，蛋白酶体功能可以防止错误折叠的 Aβ 和 tau 在 AD 的 3xTg 小鼠模型的大脑中累积。这表明恢复蛋白酶体活性可能是缓解 tau 相关神经变性的一种有趣方法。根据这一概念，一项概念验证研究报告称，通过纳米颗粒将 26 S 活性人类蛋白酶体递送至表达 tau 的人类细胞导致细胞内 tau 降解，减少 tau 积聚并提高细胞活力。

利用 PKA 通过磷酸化 Rpt6（19 S 调节粒子的一个组成部分）刺激蛋白酶体活性的发现，Myeku 等人。发现使用洛利普兰（一种 FDA 批准的磷酸二酯酶 5 (PDE5) 抑制剂）能够提高 PKA 的活性，可减少 tau 蛋白的积累并挽救 tau 转基因小鼠的记忆。最近，同一小组表明，刺激垂体腺苷酸环化酶激活肽 (PACAP) 受体 1 (PAC1R) 可激活腺苷酸环化酶和 PKA，从而激活相同的信号通路以阻断 tau 介导的神经毒性。支持刺激泛素化通量可能对 AD 有益的观点，使用细胞渗透性泛素 C 末端水解酶 1 (UCH-L1) 促进单泛素的再循环，挽救了 APP/PS1 转基因中淀粉样蛋白病理学诱导的突触可塑性和记忆缺陷小鼠。UCH-L1 是一种多功能酶，被认为可以增加泛素的稳定性并使底物去泛素化以进行泛素回收。然而，UCH-L1 有利于 UPS 活动的确切机制仍不清楚，并值得进一步调查。

图2. 调节mRNA翻译的信号通路

  1.6. AD 中的自噬

大自噬，此后简称为自噬，是一个蛋白质、脂质、聚集物和细胞器被隔离到被称为自噬体的囊泡中，并被传递到溶酶体进行降解的过程。通过将胞质 LC3-I 转化（通过磷脂酰乙醇胺缀合）为膜结合的 LC3-II，自噬开始于双层膜囊泡的形成。LC3-II 和 p62 都负责识别靶向自噬和自噬体形成的特定的底物。因此，自噬介导大量靶标和特定靶标的降解。自噬体的 LC3 成分识别泛素化底物，以及那些含有自噬特异性泛素样修饰剂的底物。此过程确保特定细胞内容物（如线粒体、ER 和细胞内聚集体）的降解，并根据细胞需求由多种信号通路调节。

AD 脑中的营养不良性神经突积累未成熟的自噬体，表明自噬体成熟和向溶酶体的运输受损。通过用雷帕霉素处理刺激健康神经元中的自噬不会诱导未成熟自噬体的积累，表明自噬体内容物的有效清除。另一方面，自噬晚期步骤的抑制导致未成熟自噬体的积累，类似于 AD 中发生的情况，支持自噬在AD大脑中受损的观点。通过删除巢蛋白阳性神经元中的 Atg5 或 Atg7 来抑制发育过程中的自噬会导致严重的神经变性、泛素化包涵体的积累和行为异常。此外，在 CamKII 阳性成熟谷氨酸能神经元中，Atg7 缺失对自噬的抑制会导致小鼠过度磷酸化 tau 蛋白的积累。相反，海藻糖对自噬的激活减少了皮质神经元和 tau 病变细胞模型中的磷酸化和总 tau，表明 tau 是自噬降解的底物。

关于自噬在淀粉样蛋白病理学中的作用的证据仍然存在争议。Beclin-1 是启动自噬的中心蛋白，在 AD 脑中减少，APP/PS1 转基因小鼠模型中 beclin-1 的杂合性缺失导致自噬减少加重淀粉样蛋白病理学，表明自噬对于 Aβ 清除很重要。与这些发现一致，beclin-1 过表达减少了 APP/PS1 小鼠的细胞内 Aβ 和淀粉样斑块。此外，删除胱抑素 B（一种可刺激组织蛋白酶活性的溶酶体半胱氨酸蛋白酶内源性抑制剂）会导致自噬增加、淀粉样斑块减少和泛素化蛋白水平降低，并挽救 AD 小鼠的记忆障碍。

有趣的是，兴奋性神经元中Atg7的缺失减少了老年AD转基因小鼠海马和皮质中的淀粉样斑块和 Aβ水平。通过删除Atg7或用 Spautin-1（一种促进 beclin-1 降解的化合物）处理来抑制自噬，降低野生型原代神经元中的 Aβ 水平，而雷帕霉素刺激自噬增加Aβ含量。APP 和 γ-分泌酶的成分高度定位于自噬小泡，表明自噬可能会刺激自噬小泡中的 Aβ 裂解。综上所述，现有证据支持自噬在 AD 中的双重作用，即通过降解 AD 脑中的 Aβ、tau 和聚集体，同时促进 Aβ 的产生。值得注意的是，抑制 mTOR 信号并促进自噬的雷帕霉素据报道仅在 AD 小鼠模型中的淀粉样斑块沉积之前和整个过程中给药时才具有保护作用，但不在病理晚期。这表明自噬在 AD 中的复杂和阶段依赖性作用值得进一步研究。PS1 是自噬和内溶酶体降解所必需的。PS1 的缺失或家族性 AD (FAD) 突变会损害自噬并减少人类细胞中的溶酶体酸化。因此，PS1的功能受损可能是 AD 中自噬及 Aβ 和 tau 沉积抑制的基础。AD 中自噬的抑制也可能是由轴突逆行运输缺陷引起的。暴露于 AβO 的原代海马神经元的快速轴突运输受到双向抑制。塔米尼尼等人。显示 AβOs 干扰运动衔接蛋白动力蛋白和管理单元之间的相互作用。通过删除 snapin 来破坏逆行轴突运输会损害自噬，而 snapin 过表达会降低 AD 转基因小鼠的神经元远端轴突中的自噬应激和自噬体保留。

自噬在胶质细胞中也受到严格调节，并通过小胶质细胞介导炎症反应。小胶质细胞自噬被证明可以降解 NLR 家族、含有 3 个 (NRLP3) 的热蛋白结构域以限制白细胞介素 1β (IL-1β) 和白细胞介素 18 (IL-18) 的表达和脑部炎症。因此，可以想象，AD 中自噬的下调可能导致促炎介质释放增加和认知能力下降。有趣的是，最近的研究表明，利用小胶质细胞中自噬介质（包括 Atg5 和 Atg16L）的非典型功能可能会阻止大脑中的 AD 样修饰。LC3 相关核内体 (LANDO) 的组装促进小胶质细胞 Aβ 受体（例如 TREM2）的回收，从而使 Aβ 降解并赋予小鼠抗神经变性的保护作用。

尽管自噬因其在分解大型结构中的作用而为人所知，但已在大脑中观察到导致单个错误折叠蛋白质降解并称为分子伴侣介导的自噬 (CMA) 的特殊过程。CMA 依赖于 Hsp70 诱导的底物递送至溶酶体和随后的降解。尽管 CMA 有助于 tau 的降解，但乙酰化 tau 的积累会抑制神经元 CMA。最近，Cuervo 实验室证明 CMA 对维持神经元蛋白稳态至关重要，它的缺乏会引发野生型小鼠的记忆障碍，并加剧 AD 转基因小鼠的 AD 病理。此外，他们表明 CMA 在小鼠和人类 AD 的早期阶段受到抑制，并开发了一种 CMA 小分子激活剂，可以挽救 AD 小鼠的认知症状。总之，自噬的多个方面似乎与 AD 的发病机制有关，对神经变性的治疗发展具有潜在影响。

1.7. 蛋白酶体、自噬和蛋白质合成之间的串扰

几种应激刺激，如氨基酸剥夺、血清饥饿和生长因子剥夺，会导致 mTOR 抑制、AMP 活化蛋白激酶 (AMPK) 激活和自噬上调。mTOR 通路通过 ULK1 复合物的失活负向调节自噬，而 AMPK 通过下调 mTOR 和激活 ULK1 来刺激自噬。因此，合成代谢途径与自噬降解之间存在负相关关系（图 3）。

mTOR 通路似乎也调节蛋白酶体功能，尽管文献中的结果相互矛盾。通过删除内源性抑制剂、结节性硬化复合物 2 (TSC2) 激活 mTOR，增加蛋白酶体亚基的水平，并通过激活小鼠细胞中的转录因子、核因子红细胞衍生的 2 相关因子 1 (Nfe2l1) 来增强蛋白酶的一些活性。另一项研究表明，补充天冬氨酸通过小鼠细胞中的 mTOR 信号传导增加蛋白酶体活性，而通过二甲双胍处理激活 AMPK 减少了 20 S 蛋白酶体组装和活性。相反，据报道，Torin 和雷帕霉素对 mTOR 的抑制可增强人和鼠细胞中的蛋白酶体活性。在分离的人 26 S 蛋白酶体制备过程中，雷帕霉素已被证明可以变构结合并抑制 20 S 蛋白酶体活性。雷帕霉素和其他雷帕霉素是否能够抑制细胞或组织环境中的蛋白酶体活性仍不清楚。

蛋白酶体和自噬也是协同调节的过程。MG-132、epoxomicin、lactacystin 或 bortezomib 对蛋白酶体的抑制触发了细胞自噬的上调。Lactacystin 和 epox-omicin 治疗降低了 Akt 和 mTOR 的磷酸化，表明蛋白酶体抑制剂可以通过 mTOR 抑制激活自噬。另一方面，通过敲低 PI3K 催化亚基 3 型 (PIK3C3)、ATG5 或 ATG7 来抑制自噬会诱导细胞中的蛋白酶体活性 。因此，抑制蛋白酶体或自噬会激活其他降解途径（图 3）。有趣的是，蛋白酶体成分的水平可以调节通过自噬降解。据报道，蛋白酶体在蛋白吞噬的过程中被溶酶体降解 。通过氨基酸饥饿诱导自噬增加了 19 S 蛋白酶体成分的泛素化及其在自噬体中的定位。相反，包含自噬途径的蛋白质是蛋白酶体降解的底物。总之，蛋白酶体和自噬途径似乎受到反向调节。抑制 UPS 会上调自噬，而抑制自噬途径会增加蛋白酶体活性。这两个系统还通过降解相互调节，因为蛋白酶体是自噬途径的底物，而自噬成分是蛋白酶体降解的目标。在 AD 中，多种毒性事件似乎会损害由 UPS 和自噬介导的蛋白质降解（图 3）。

1.8. 细胞应激反应——UPR 和 ISR

大多数细胞蛋白质是在与内质网 (ER) 相关的核糖体中合成的。在它们合成后，跨膜蛋白和分泌蛋白被转移到 ER 腔内进行翻译后处理。在那里，它们被折叠成适当的二级和三级结构，并最终组装成用于输出的多时间复合体。这些过程由 ER 伴侣和折叠酶控制。在某些应激情况下，这些酶会感知并激活细胞应激反应通路。应激信号可能包括细胞代谢状态的变化、内质网环境的变化（例如，钙水平或 pH 值的变化）、未折叠蛋白与最丰富的内质网分子伴侣 BiP 的结合，或未折叠蛋白的积累。未折叠或错误折叠的蛋白质在 ER 腔中的积累会触发未折叠蛋白质反应 (UPR) 的激活 (Hetz, 2012)。UPR 是一种保守机制，由跨膜 ER 蛋白传感器触发的三个信号分支组成，即 IRE-1（肌醇需要蛋白 1）、ATF6（激活转录因子 6） 和 PERK（PKR 样 ER 激酶）（图 2）。这些传感器通过积累错误折叠的蛋白质在 BiP 隔离后变得活跃，这最终导致转录重编程，全局翻译和翻译后修饰的减弱以恢复 ER 的正常功能。在轻度至中度 ER 压力下，UPR 具有促适应作用，旨在重建 ER 稳态。然而，在 AD 等条件下，由于 Aβ 和/或 tau 的有毒聚集体的积累，压力会延长，UPR 变得适应不良并转向促凋亡分支。

IRE-1 信号催化 XBP1（X 盒结合蛋白 1）的可变剪接，从而产生易位至细胞核的 XBP1。第二个分支包括将 ATF6 易位到高尔基体，在那里它被切割成其活性形式 ATF6f。XBP1s 和 ATF6f 均作为转录因子上调参与蛋白质折叠和 ER 相关降解 (ERAD) 的几种 ER 伴侣和酶的表达。UPR 的第三个分支通过 PERK 对真核起始因子 2α (eIF2α) 的磷酸化导致全局 mRNA 翻译的抑制，从而阻止依赖性翻译，同时允许选择性翻译包含 5' 上游替代开放阅读框的 mRNAs. 整体蛋白质合成的减弱对于降低 ER 负担和促进短期细胞存活很重要。

PERK 是主要的 eIF2α 激酶之一。它们与其他三种激酶一起构成综合应激反应 (ISR)，其中 eIF2α 磷酸化 (eIF2α-P) 是核心事件（图 2）。其他 eIF2α 激酶是 HRI（血红素调节抑制剂）、GCN2（一般控制非去阻遏蛋白 2）和 PKR（双链 RNA 依赖性蛋白激酶）。ISR 由不同的压力刺激激活，每个分支响应不同的压力源。如上所述，ER 应激通过 UPR 激活 ISR，PERK 磷酸化 eIF2α。其他应激条件，包括血红素剥夺、氨基酸剥夺或病毒感染，分别通过 HRI、GCN2 和 PKR 信号激活 ISR。尽管它们都集中在 eIF2α-P 上，但不同 ISR 通路激活的细胞结果随应激的性质、持续时间和严重程度而变化。与UPR类似，当触发的损伤迅速得到解决时，ISR就开启了促生存的机制。但当损伤时间延长时，ISR就变得有害。在全局翻译减弱的同时，eIF2α-P 促进了特定蛋白质的翻译，包括 ATF4 (CREB2)，这是在 ISR 激活时决定细胞命运的关键因素。ATF4 控制并促进应激反应基因的转录，如 CHOP（C/EBP 同源蛋白），这是一种可以调节 mRNA 翻译并促进细胞凋亡的转录因子。

1.9. AD 中的应激反应

AD中UPR激活的初步证据可追溯到1990年代，当时首次报告了死后AD大脑中BiP 和 HSP72（另一种 ER 伴侣）的上调。随后，据报道早老素 1 (PS1) 在 IRE1 和 UPR 的激活中发挥作用。其他研究证实了这一发现，表明突变体 PS1 降低了 UPR，增加了细胞对 ER 应激和死亡的脆弱性。其他报告显示 AD 大脑中 PERK、IRE1α 和 eIF2α 的磷酸化升高，以及 eIF2α-P 与 AD 患者认知之间的负相关性 。

令人惊讶的是，UPR 标记主要在形态完整的神经元中升高，表明 UPR 在 AD 的早期阶段被激活并可能发挥神经保护作用。支持这一发现的体外研究表明，低聚 Aβ 而非原纤维会温和激活 UPR。另一方面，AD 大脑表现出升高的 UPR 促凋亡标志物，包括 CHOP、caspase-12 和 GADD34。在 AD 小鼠模型中也报道了类似的发现。BiP、eIF2α-P、ATF4、CHOP、caspase-12 和 GADD34 的水平在不同的基于 Aβ 的小鼠模型中均有所增加。在 tau 突变体 rTg4510 小鼠中，UPR 以及 PERK 磷酸化也升高。然而，这似乎在转基因小鼠模型中有所不同，因为有报告显示 Tg2576、5xFAD、App-knockin 或 P301S-Tau 小鼠没有 UPR/ER 应激。未来的研究似乎有必要阐明不同 AD 小鼠模型之间的差异。

然而，研究表明，eIF2α 激酶、PERK、GCN2 和 PKR 是 APP/PS1 和 AβO 注入小鼠脑 mRNA 翻译、突触可塑性和记忆缺陷所必需的。在体外，Aβ 增加 eIF2α-P 水平，并且 PKR或 ATF4的敲除使得神经元对 Aβ 毒性不太敏感。因此，除了对全局蛋白质翻译的影响外，ISR 的激活可能会导致突触可塑性受损，从而导致 AD 的认知能力下降（图 3）。

图3. 阿尔茨海默病中蛋白质稳态缺陷的潜在机制

纠正有缺陷的蛋白状态的药理学策略

2.1. 恢复蛋白质合成的策略

鉴于 AD 病理生理学中 mRNA 翻译缺陷的重要性，几个小组已经研究了纠正此类缺陷的策略，例如 AD 和其他相关神经退行性疾病的潜在疗法。尽管通过阻断 eIF2α-P 信号传导增强认知能力，但 UPR 和 ISR 的微调似乎对不同类型的记忆和行为至关重要。GCN2 和 PERK 缺陷小鼠分别在消退记忆和训练任务中出现损伤。这表明这些途径需要精确平衡以实现正常记忆功能，并且 eIF2α 激酶的遗传破坏可能不构成 AD 的可行疗法。

最近的研究已经确定了多种能够减轻 ER 压力和/或 ISR 的化合物，其中一些正在动物模型中进行广泛测试。值得注意的是，研究确定了包括盐酸曲唑酮在内的化合物，这些化合物可以抵消在朊病毒诱导的神经变性实验模型中由过量 eIF2α-P 驱动的应激反应。由于曲唑酮是 FDA 批准的抗抑郁药，这可以加速治疗其他疾病的临床试验。同样，ISRIB（ISR 抑制剂）是一种小分子化合物，能够绕过以 eIF2α-P 为代表的翻译阻断并恢复 mRNA 翻译。ISRIB 在多种神经系统疾病模型中显示出积极成果，包括朊病毒病、创伤性脑损伤、肌萎缩侧索硬化症和白质障碍脑病。此外，ISRIB 可作为幼鼠和老年小鼠的认知增强剂。除了这些神经保护作用外，ISRIB 还显示出良好的药代动力学特性，很容易穿过血脑屏障，并且在小鼠中没有表现出明显的毒性。重要的是，我们发现用 ISRIB 治疗可以纠正大脑 mRNA 翻译的损伤，突触可塑性和记忆，在大脑 Aβ 负荷没有减少的情况下，在两种 AD 小鼠模型中，即老年 APP/PS1 小鼠和接受脑室内输注的小鼠AβOs。

我们进一步研究了化学伴侣的作用，已知可减轻内质网应激的化合物，包括 4-苯基丁酸 (4-PBA) 和牛磺去氧胆酸 (TUDCA)，在注入 AβO 的小鼠模型中。结果表明，用 4-PBA 治疗可预防脑室内输注 AβOs 引起的记忆障碍，而 TUDCA 可预防脑输注 AβOs 引起的外周代谢缺陷（葡萄糖耐量受损和血浆去甲肾上腺素水平升高）。这些结果表明，减轻 ER 应激可能会纠正 Aβ 诱导的认知障碍以外的病理。

2.2. 恢复蛋白质降解的策略

靶向细胞内蛋白质降解的一种有趣的治疗方法是使用三类药物，称为蛋白水解靶向嵌合体 (PROTAC)、自噬靶向嵌合体 (AUTAC) 和自噬体束缚化合物 (ATTEC)。PROTAC 是一种双功能化合物，可将 E3 泛素连接酶募集到多聚泛素化靶蛋白并引导它们进行蛋白酶体降解，AUTAC 标记感兴趣的蛋白质并进行 S-鸟苷酸化修饰以靶向它们进行 K-63 泛素选择性自噬，而 ATTEC 是与靶向蛋白和 LC3 相互作用的双功能化合物，用于自噬体降解 。

PROTAC 已被探索用于标记 tau 以进行蛋白酶体降解并减轻 tau 介导的神经毒性。开发了一种靶向 tau 的 TH006 PROTAC 肽，可减少 tau 并挽救注入 Aβ 的神经元中的细胞活力。随后开发了一种血脑屏障可渗透的 PROTAC 化合物用于 tau 降解，并被发现可以降低额颞叶痴呆衍生神经元中的 tau 水平。有趣的是，它在神经元中降解 A152T 和 P301L 致病性亚型比野生型 tau 更有效。这导致了这样一种观念，即有可能开发出选择性靶向疾病相关或错误折叠蛋白质而不损害天然折叠蛋白质的 PROTAC 化合物。根据这一观点，Li 等人开发了一种专门针对致病性亨廷顿蛋白 (mHTT) 的 ATTEC 化合物，同时在亨廷顿氏病的小鼠遗传模型中保留了 WT HTT。AUTAC 的一个潜在优势是它可以适用于非蛋白质生物分子和更大的货物和细胞器。高桥等。开发了一种靶向线粒体外膜 (OMM) 的 AUTAC 化合物，并报告说它在唐氏综合症细胞模型中增加了线粒体自噬并挽救了线粒体功能。PROTAC、AUTAC 和 ATTEC 处于 AD 治疗的早期开发和测试阶段，它们是否具有治疗 AD 的潜力还有待确定。

展望  

此处回顾的研究结果表明，蛋白质稳态改变，特别是与蛋白质合成和降解的调节有关，在 AD 的发病机制中起着重要作用。由 Aβ 和 tau 聚集体引起的细胞蛋白质稳态改变导致错误折叠蛋白质的积累、ER 应激和功能失调的自噬和 UPS 降解，并且似乎是突触衰竭的重要因素（图 1-3）。因此，维持细胞蛋白稳态是确保适当的神经元功能和认知的关键。 尽管我们对神经退行性疾病中蛋白质稳态改变的理解取得了重大进展，但上述证据表明，导致蛋白质稳态缺陷的机制的某些方面仍不清楚或在文献中仍有争议。我们认为在动物研究中关注包括性别、年龄、疾病阶段、饮食和住房条件（例如，光照/黑暗循环、环境富集）在内的因素可能有助于阐明这些争议并提高我们对这些条件如何影响蛋白质稳态的理解。

在当前的综述中，我们重点关注蛋白质合成和降解的调节、功能障碍的潜在机制以及 AD 中蛋白质稳态的调节。我们相信，促进脑蛋白合成和疾病相关分子的降解有望成为治疗神经退行性疾病的一种方法。然而，应该注意的是，调节整体蛋白质合成以及蛋白酶体和自噬降解的途径很广泛，并且与其他生物过程中涉及的细胞途径高度相关。因此，操纵此类中枢通路可能会导致不良结果。例如，激活 mTOR 通路以促进 mRNA 翻译和蛋白酶体功能也会抑制自噬，并可能导致肿瘤生长和进展。相反，抑制 mTOR 以增强自噬可能导致免疫抑制、高脂血症和胰岛素敏感性改变。mTOR 抑制可进一步减少 mRNA 翻译和蛋白酶体降解，阻碍其治疗潜力。

如上所述，ISRIB 是一种拯救 mRNA 翻译的药物，在临床前研究中已被研究作为治疗 AD 和其他神经系统疾病的潜在疗法。在小鼠中，与其他 ISR 调节剂（例如 PERK 抑制剂）相比，慢性 ISRIB 治疗不会引起有害的副作用。然而，据我们所知，尚无临床研究评估 ISRIB 对神经系统疾病的毒性和疗效。根据目前的证据，临床试验似乎有必要确定 ISRIB 治疗是否安全有效地治疗 AD 和其他神经系统疾病，以及确定与其长期使用相关的可能副作用。展望未来，确定 AD 中蛋白质合成上调的有益效果所必需的特定 mRNA 子集至关重要。通过仅促进特定 mRNA 的翻译（而不是一般翻译），有可能减少有害的副作用，同时保持治疗特性。另一种前瞻性方法是刺激 AD 中疾病相关分子的降解，例如 tau 和 Aβ。这些策略，包括使用 PROTAC、AUTAC 和 ATTEC，有可能在不触发免疫系统激活的情况下降解有毒分子，就像在抗体疗法中一样，而且成本低。此外，此类药物可以识别特定的错误折叠和致病蛋白质种类，同时保留天然状态的蛋白质。这种方法可以限制有害的副作用，因为 tau 和 Aβ 都具有重要的生理作用。

小结

总体来说，大量研究涉及蛋白质稳态的细胞内途径，以及它们是如何促进 AD 中的蛋白质质量控制，已经阐明了我们对 AD 发病机制的理解。最近的研究表明，旨在纠正蛋白质合成和降解的某些方法作为 AD 以及其他神经退行性疾病的治疗策略具有一定的潜力。这些令人振奋的发现值得进一步研究 AD 中控制蛋白质稳态的机制，并更深入地研究操纵这些通路是否真的可以避免 AD 患者的认知障碍。