線粒體功能障礙、α-突觸核蛋白與帕金森病

張如意 張 麗 李 林

(首都醫科大學宣武醫院藥物研究室北京市老年病醫療研究中心北京市神經藥物工程技術研究中心，北京100053)

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是一種中老年人常見的中樞神經系統退行性疾病，以震顫、僵直和運動不能為主要臨床表現。帕金森病最主要的病理改變是中腦黑質多巴胺(dopamine，DA)能神經元的變性死亡、紋狀體DA顯著性減少以及黑質殘存神經元胞質內出現路易小體。盡管確切的發病機制至今未明，有學者［1］認為基因突變線粒體功能障礙和氧化應激等多因素共同參與PD發病。

1 α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)與帕金森病

α-Syn是一種高度保守的含140個氨基酸的蛋白質，主要富集于突觸前，在正常生理條件下處于隨機螺旋的伸展狀態［2］。盡管其生理功能尚不明確，但研究［3］顯示，α-Syn在神經可塑性、調節突觸小泡池、調節DA釋放與合成、靶向多巴胺轉運體至質膜的方面很可能發揮著潛在的功能。Perez等［4］的研究顯示在α-Syn過表達或發生A53T突變時DA的釋放降低。野生型及A53T、A30P突變型α-Syn的過表達會損傷原代中腦神經元的軸突生長并且影響軸突分支［5］。寡聚的α-Syn可經由干擾微管與驅動蛋白間的相互作用而直接影響軸突運輸［6］。

α-Syn是第一個被確定與PD相關的基因突變蛋白，其53位(A→T)，30位(A→P)以及46位(E→K)氨基酸的突變可導致家族性PD的發生。隨后，又發現α-Syn是路易小體的主要成分，α-Syn被證實也與散發性PD相關［7］。α-Syn的高級結構包括寡聚體、前原纖維(protofibrils)、原纖維(fibrils)和細絲(filaments)。α-Syn被證實以纖維狀形式存在于路易小體中。Lee等［8］提出:前原纖維和原纖維似乎是其毒性最強的形式;這些高級結構的穩定化可能是PD發病機制的核心問題。Volpicelli-Daley等［9］的實驗表明少量的外源性α-Syn原纖維可以經胞吞作用進入小鼠原代海馬神經元，可以引起內源性可溶性α-Syn轉變為不溶性的病理性路易小體樣物質。這些聚集物最初形成于軸突，將內源性α-Syn遠隔于突觸前末梢，隨后擴散到胞體。經過一段時間后，這些α-Syn聚集體會導致選擇性的突觸蛋白的改變，損害神經元興奮性和連接，最終導致神經元死亡。盡管已經認識到α-Syn的錯誤折疊可促進細胞死亡，但是對于引起α-Syn錯誤折疊的原因卻并不明確。散發性PD中引發α-Syn聚集的原因目前有2種假設:①線粒體復合體Ⅰ功能的破壞可能導致胞內活性氧增加，從而造成多巴胺神經元細胞的死亡。②多巴胺的異常代謝可以產生許多活性氧產物，而這些有害產物可以引起蛋白質包括α-Syn、DNA和脂類分子的氧化修飾，并造成其結構功能的受損，最終有可能造成細胞亞結構膜完整性的喪失。研究［10］顯示，線粒體功能障礙很可能影響α-Syn的正常功能。

2 線粒體功能障礙與PD

帕金森病分為家族性和散發性帕金森病。家族性帕金森病的發病原因是由于遺傳基因的改變導致線粒體異常，散發性帕金森病的發生則與環境中的神經毒素如 1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP)、魚藤酮及百草枯所引起的線粒體功能障礙相關。

線粒體被認為是細胞的“能量站”，并且調控基因表達和細胞凋亡等過程。有證據［11］表明，能量代謝障礙是許多神經退行性疾病早期階段的關鍵因子。帕金森病患者的多巴胺能神經元的軸突長且薄，幾乎不含髓鞘［12］，軸突功能的完成需要 ATP的支持，而ATP由線粒體供給。線粒體對軸突形態和功能的維持具有重要影響［13］。軸突運輸的嚴格調控對于維持神經元的正常結構和功能非常重要。研究［14］表明，將α-Syn運輸到遠端的軸突轉運一旦變緩就會導致α-Syn在胞體內的聚集，加重細胞的損傷。

線粒體在為細胞活動提供能量的同時也不可避免的產生了大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)。復合物Ⅰ是線粒體呼吸鏈中最大的復合體，是線粒體發揮氧化磷酸化功能的關鍵，其結構和功能也最易受到損害。對散發性PD患者尸檢發現，其黑質紋狀體神經元內線粒體復合物Ⅰ的活性及相關蛋白明顯下降［15］，提示線粒體功能缺陷可能與散發性PD的發病有關?！把趸瘧W說”被認為貫穿于帕金森病的發生與發展過程中。來源于機體正常和異常反應中的氧化物，ROS和活性氮(reactive nitrogen species，BNS)等都會給細胞帶來嚴重的損傷［16］。線粒體功能障礙不僅在黑質多巴胺能神經元中并且在全腦中起著重要的作用［17］。大腦皮質線粒體的氧攝取和復合體Ⅰ的活性在PD患者是顯著降低的，這些變化被認為是線粒體氧化損傷的結果。由于黑質致密部的高多巴胺代謝，神經膠質細胞的廣泛存在以及此區域極低的抗氧化能力，ROS的生成會對此區域產生很大的影響。有學者用布洛芬治療魚藤酮大鼠模型中的氧化應激，取得了很好的效果［18］。

α-Syn可以通過與線粒體的聯系來影響ROS。有研究表明，野生型和/或突變型α-Syn可以引起ROS積累［19］并經氧化作用修飾線粒體蛋白［20］。這些發現提示，在α-Syn與線粒體功能障礙間必然存在著某種密切的聯系。

3 α-Syn與線粒體功能障礙

最近，線粒體復合體Ⅰ抑制劑1-甲基-4-苯基-吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)的神經毒性與α-Syn表達之間的關聯引起了廣泛的關注。α-Syn可以影響線粒體的功能。據報道［21］，α-Syn基因敲除可以保護SH-SY5Y細胞對抗MPP+的神經毒性。過表達α-Syn的小鼠對線粒體毒素百草枯更敏感。Martin等［22］報告，過表達人 A53T α-Syn的轉基因小鼠顯示出線粒體異常，包括線粒體DNA損傷和退行性變。此外，Betts-Henderson等［23］報告，PD 患者的黑質和紋狀體有α-Syn蓄積和線粒體復合體Ⅰ活性降低，線粒體突變的患者有路易小體出現。野生型或A53T突變型α-Syn可選擇性抑制來源于細胞系以及轉基因小鼠腦線粒體復合體Ⅰ的活性［24］。用siRNA干擾后，α-Syn的表達缺失反過來也會通過影響復合物Ⅰ和Ⅲ之間的電子流來影響呼吸酶的功能［25］。關于α-Syn影響復合體Ⅰ功能的機制尚不明確，但很可能是突觸核蛋白與線粒體直接作用的結果。

α-Syn可以直接破壞線粒體的形態并且可以迅速、特異地與線粒體膜相結合［26-27］。其作用機制尚未被證實，但很可能是突觸核蛋白與心磷脂直接作用的結果。α-Syn對心磷脂具有高度親和性，而心磷脂在線粒體外膜、尤其是內膜中含量豐富。在培養的細胞中，α-Syn升高會引起線粒體的結構破壞，導致其長度/寬度下降［28］。

線粒體功能障礙也會對α-Syn的正常形態與功能產生不利影響。線粒體不僅是ATP生成的主要場所，也是產生ROS的主要源泉。ROS可以促進α-Syn的聚集，聚集后的α-Syn的清除需要泛素蛋白酶體系統消耗ATP，從而形成了一個惡性的循環。即由于α-Syn的聚集導致線粒體功能失常，而引起ATP生成減少和活性氧的生成增加，活性氧增多會進一步促進α-Syn的聚集，ATP的減少也使降解途徑受阻導致α-Syn聚集［29］。聚集后的α-Syn最終引起細胞的死亡［30］。

綜上所述，突觸核蛋白與線粒體都在PD發病機制中起著非常重要的作用，諸多線索提示二者很可能共同發揮作用。目前的研究對于突觸核蛋白與線粒體發生相互作用后會對線粒體功能、突觸核蛋白功能以及神經元存活產生怎樣的生物學影響知之甚少。對突觸核蛋白以及線粒體在PD發病中發揮作用機制的深入了解將對研發新的PD治療方法具有重要意義。

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