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 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。