線粒體軸突轉運在神經系統疾病中的研究進展

吳文雪， 楊 春， 于小淇， 司 晗， 紀 娜 綜述， 單海燕， 張明陽,3審校

中樞神經系統疾病是一類病因學和發病機制尚未闡明的疾病，具有高發病率、高死亡率、高致殘率、高復發率等特點，但目前仍缺乏有效的手段。而線粒體作為細胞的能量供應器和代謝中心，尤其對于以高能量需求為特征的神經系統至關重要。此外，它在維持鈣穩態、調節活性氧自由基產生、能量平衡與代謝、誘導程序性細胞死亡中均發揮重要作用。線粒體通過軸突轉運至相應部位發揮其功能，并在神經系統中保持動態平衡以快速適應軸突不同部位的能量需求，對神經元的存活及其正常功能的發揮至關重要。近年來發現，許多中樞神經系統疾病的起因和進展可能都與線粒體軸突轉運有重要的聯系。因此，及時有效地發現并改善線粒體軸突轉運障礙對治療中樞神經系統疾病有重要意義。本文通過查閱國內外關于線粒體軸突轉運機制的研究，綜述線粒體軸突轉運在神經系統疾病中的研究進展，有望以線粒體軸突轉運為出發點為防治中樞神經系統疾病提供新的思路和方法。

1 線粒體軸突轉運

1.1 線粒體軸突轉運概況 線粒體為雙層膜結構，由較光滑的外膜和可以向內折疊形成嵴的內膜組成的細胞器。線粒體的外膜和內膜之間的間隙稱為線粒體間隙。線粒體內膜上有ATP合成途徑的呼吸鏈酶和復合體，同時線粒體內膜包裹的基質內含有三羧酸循環所需的全部酶類。因此，線粒體在生物合成和生物能量途徑中起著至關重要的作用，可以快速調節以滿足細胞的代謝需求。線粒體是神經元存活的重要細胞器，神經元時刻需要通過軸突轉運這一過程來保持線粒體在胞漿中的最適分布以維持細胞的正常功能。突觸是神經元中能量消耗最高的區域，線粒體運輸和錨定的調節可確保這些代謝活躍的區域得到充足的ATP。在神經元中，線粒體軸突轉運通常分為3類：順行轉運(15%)、逆行轉運(15%)和長時間保持靜止的軸突線粒體(70%)。靜止的線粒體充當局部能量站，產生ATP以支持突觸功能。運動和靜止線粒體之間是處于動態平衡中的，并且對軸突和突觸生理的變化快速響應。但是，受損的線粒體運輸和清除可能對神經元功能產生有害影響，并與多種神經系統疾病有關[1]。

1.2 線粒體軸突轉運的分子機制 線粒體在軸突中轉運主要依靠作為軌道的微管進行運輸，微管可以和馬達蛋白結合，然后馬達蛋白通過銜接蛋白連接線粒體，這樣就形成線粒體轉運復合體，并且由馬達蛋白水解ATP提供能量保證這一過程的順利進行。α-和β-微管蛋白異二聚體的聚合是正確指導軸突轉運方向的基礎[2]。

1.2.1 線粒體運動的分子馬達 分子馬達的主要組成成分有Kinesin(驅動蛋白)、Dynein(動力蛋白)和Myosin(肌球蛋白)。不同的分子馬達參與不同的線粒體軸突轉運和調控機制，各個分子馬達蛋白相互作用，維持軸突線粒體轉運的正常進行。Kinesin調控線粒體沿著微管由胞體向軸突末端的順行轉運[3]。Kinesin通常是由兩條輕鏈(KLC)和兩條重鏈(KHC)構成的異源四聚體，KLC有助于Kinesin與線粒體關聯和運動活動的調節；KHC則通過結合和水解ATP提供動力，并沿著微管進行軸突轉運。Kinesin-1家族(統稱為KIF5)是Kinesin超家族的14個蛋白家族中最重要的成員之一，線粒體通過Kinesin-1轉運至突觸端。在哺乳動物中，KIF5有3個亞型，分別為KIF5A、KIF5B以及KIF5C。KIF5B在所有細胞內表達，而KIF5A與KIF5C僅在神經元中選擇性表達，并與線粒體轉運相關。此外，還有研究發現，Kinesin-3家族的KIF1B與KLP6等分子參與了線粒體軸突轉運[1,4]。胞質動力蛋白-1(cytoplasm dynein-1)調控線粒體沿著微管由軸突末端向胞體的逆行轉運[3]。Dynein是由多條多肽鏈組成的復合物，通常需要與Dynactin(動力蛋白激活蛋白)結合形成Dynein-Dynactin復合體從而結合線粒體進行軸突轉運[2]。

1.2.2 線粒體銜接蛋白 在神經元中，Syntabulin、Milton、Miro等銜接蛋白通過將馬達蛋白銜接在線粒體外膜上調節沿微管的線粒體運輸。銜接蛋白對線粒體軸突轉運具有廣泛的調節作用，并通過不同的機制發揮作用。例如，Syntabulin作為外周膜結合蛋白，可與Kinesin形成復合體，在線粒體順行轉運中發揮關鍵作用；Milton(在果蠅中)的丟失和過表達通過選擇性削弱Kinesin或Dynein介導的運動而降低了順行和逆行線粒體運輸的有效性。在哺乳動物中，有兩種Milton直系同源物，Trak1和Trak2。雖然Trak2的過表達可以強有力地增強線粒體的運動性，但Trak1的丟失或其突變體的表達會導致線粒體的軸突轉運減少。Miro1和Miro2是Miro在哺乳動物中的兩種直系同源物。Miro1-Trak2銜接復合物是海馬神經元線粒體運輸的重要調節器。Miro1的表達升高可能增加了線粒體的Trak2和KIF5馬達，從而增加了線粒體的運動性[5]。

1.2.3 其他分子的調控 鈣離子參與一切生命活動過程，是生命體不可缺少的離子。胞漿中鈣離子調控線粒體軸突轉運的研究已取得重大進展，有研究表明神經遞質介導的鈣離子濃度升高可以通過Miro-Ca2+感應途徑特異性抑制線粒體的軸突轉運。鈣離子主要通過改變銜接蛋白Miro的EF手形結構域而調控Kinesin-1介導的順行轉運，并存在兩種模型：一種為鈣離子與Miro的EF結構域結合后介導KHC與Miro結合，從而阻止KHC結合到微管，但在線粒體表面保留了Miro-Milton-KHC復合物；另一種為鈣離子結合Miro后介導的Kinesin與Miro-Milton復合體的解離，使線粒體脫離了運動軌道，從而抑制了線粒體軸突轉運。線粒體鈣單向轉運蛋白(MCU)是線粒體攝入鈣離子的重要分子機器，對線粒體的能量代謝和神經元中的線粒體運輸起著關鍵作用，研究發現Miro1是MCU復合物的新成分，并且MCU是線粒體運輸的重要調節劑。MCU通過其N末端域與Miro1相互作用，且證實MCU-Miro1相互作用是維持線粒體運輸所必需的[6]。

2 線粒體軸突轉運在神經系統疾病中的作用

2.1 急性損傷

2.1.1 腦外傷(traumatic brain injury，TBI) 腦外傷(TBI) 是由于頭部撞擊、敲打或顛簸等引起的后天性腦損傷。TBI是全球年輕人發病和死亡的主要原因之一。基本上所有臨床上重癥的TBI病例都存在軸突損傷，這與TBI引起的繼發性損傷密切相聯，軸突細胞骨架的某些修飾中斷了軸突運輸機制，線粒體等細胞器因軸突運輸受阻而逐漸聚集導致軸突腫脹，繼而引發繼發性軸突脫節和Wallerian變性[7]。TBI引起彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury，DAI)，使其發病率和死亡率大大增加。觀察表明，在隨后的DAI發病過程中，由鈣穩態的改變影響線粒體的軸突轉運，線粒體等細胞器因軸突轉運受損而聚積逐漸發展為軸突腫脹和軸突斷裂并伴有軸突能量衰竭[7,8]。同時，TBI后局部軸突細胞骨架降解導致軸突轉運受損后，淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的軸突運輸受到損害并積聚在受損部位。此外，TBI原發性損傷可能引起Tau蛋白的病理性沉積和高度磷酸化，使線粒體軸突轉運障礙進而引發其功能障礙，從而導致神經退行性疾病的發生[9]。

2.1.2 腦出血(intracerebral hemorrhage，ICH) 腦出血(ICH)主要由腦實質內血管破裂引起，其特征為嚴重的神經功能障礙，因其高致殘率，高死亡率一直備受關注。Hijioka[10]等人發現在腦出血小鼠中，ICH誘導3 h后軸突運輸受損，同一時間小鼠運動能力急劇下降，提示軸突運輸受損導致線粒體軸突轉運障礙，并且引發一系列代謝及與線粒體功能相關的問題。腦出血引起的腦損傷中，介導線粒體自噬的主要路徑為Pink1/Parkin，并發現Pink1位于Parkin的上游[11]，通過Pink1介導的磷酸化和Parkin介導的蛋白酶體降解線粒體銜接蛋白(Miro)影響線粒體轉運，從而促進線粒體自噬去除受損的線粒體[12]。在ICH早期階段，線粒體自噬可能對神經細胞具有保護作用并減輕腦損傷程度，但隨著疾病進展，過度的自噬則會誘導啟動凋亡機制，促進細胞壞死，加劇損傷[11,13]。

2.1.3 腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI) 缺血性腦卒中在腦卒中發病率中占首位，也是腦卒中死亡的首要原因[14]。CIRI是指缺血腦組織在恢復血液供應后，會加重原本缺血區域的急性損傷[15]。研究發現，缺血再灌注神經元中軸突線粒體通過逆向軸突轉運至胞體進而被自噬清除。神經元經過氧糖剝奪-再灌(oxygen-glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)處理后，線粒體順行性軸突轉運在數量上沒有明顯差異，但線粒體逆行性軸突轉運得到加強。OGD/R過程中線粒體逆行性軸突轉運是隨著錨定蛋白Syntaphilin(SNPH)表達的逐漸增加而受到抑制的，這樣阻斷了線粒體轉運至胞體進行線粒體自噬而加重神經元損傷。如果促進OGD/R損傷后神經元線粒體逆行性軸突轉運可發現，線粒體自噬水平明顯提高并能改善缺血再灌注神經元死亡。進一步研究發現OGD/R過程中線粒體逆行性軸突轉運伴隨氧化應激水平升高，提示氧化應激可能是促進線粒體逆向轉運的機制[16]。CIRI中線粒體自噬的典型途徑為PINK1/Parkin通路。OGD/R可激活PINK1介導的線粒體自噬。此外，腦缺血再灌注后影響線粒體的軸突轉運，造成線粒體自身DNA的表達紊亂，線粒體蛋白質和酶活性降低，線粒體能量合成障礙，最終導致神經元細胞死亡，從而引發損傷[17]。受損的線粒體是加重腦CIRI的關鍵因素。因此，以CIRI過程中功能異常的線粒體為治療靶點，闡明其發生機制，尋求干預方法，打斷損傷后的惡性循環，對于減輕缺血再灌注過程中的腦損傷至關重要。

2.2 慢性損傷

2.2.1 阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD) AD是最常見的神經退行性疾病之一，65歲以上老年人群的發病率達4%～7%。其主要臨床表現為認知功能障礙、記憶力衰退等，且常常伴有運動和精神失常[18]。AD的病理改變包括β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)的產生和沉積、由高磷酸化形式的Tau蛋白形成的神經原纖維纏結，突觸及神經元的損傷等。AD發病機制復雜，在眾多病因中，線粒體軸突轉運障礙可能是AD發病的早期病理現象并在AD的發病機制中起關鍵作用。在3xTg-AD小鼠中的研究表明，在Aβ沉積或絲狀Tau聚集之前，軸突轉運和軸突腫脹均存在缺陷，表明這種缺陷可能是AD的早期事件[19]。線粒體軸突轉運障礙可能通過多條信號通路參與了AD的發病過程。而且Aβ的過度積聚和Tau蛋白的異常磷酸化引起線粒體軸突運輸障礙，進而影響神經元能量代謝和物質轉運，導致學習和記憶障礙。研究顯示Aβ寡聚體累積能迅速地特異性減少AD患者神經元運動線粒體數量并顯著降低線粒體軸突轉運速度，尤其是線粒體的順行轉運[20,21]。KIF5A是kinesin-1的關鍵同工型，它是促進軸突線粒體順行轉運的關鍵分子機制。Wang[22]等人發現死后AD患者顳葉中KIF5A的下調。對Aβ處理的原代神經元和5×FAD小鼠的進一步研究表明，Aβ毒性與KIF5A丟失密切相關。KIF5A的下調促進了Aβ誘導的軸突線粒體轉運障礙，表明KIF5A缺乏在AD相關的軸突線粒體轉運中的潛在作用。重要的是，KIF5A水平的恢復可減輕Aβ誘導的軸突線粒體轉運障礙，主要是順行轉運的調控，而對逆行轉運幾乎無影響。該發現提示KIF5A在減輕AD的功能損傷的治療中起了重要作用并為AD的臨床治療提供新思路。有研究顯示，AD轉基因小鼠原代神經元中表達的hAPP會導致線粒體軸突轉運功能障礙，但通過下調Tau蛋白的表達可改善神經元線粒體的軸突轉運[23]。這些結果提示Tau蛋白介導了Aβ損害軸突運輸過程并在神經元線粒體軸突轉運過程中起著非常重要的作用，所以降低Tau蛋白水平有可能改善Aβ損害神經元軸突運輸。此外，還有研究表明將重組人Tau的單體和絲狀形式灌注到魷魚腋質中，Tau細絲通過激活蛋白磷酸酶1(PP1)和糖原合酶激酶3(GSK-3)介導軸質囊泡釋放Kinesin從而選擇性抑制順行性軸突轉運[24]。半胱天冬酶裂解的Tau可能通過增加TRAK2-線粒體結合和減少這些細胞器運動過程ATP的產生來影響線粒體運輸，且減少神經元軸突轉運過程中線粒體的數量，而不影響其速度[25]。在線粒體慢性輕度應激的早期，軸突中功能異常的線粒體選擇性釋放SNPH促進軸突約80%的去極化線粒體逆向轉運，此過程發生在PARK2/Parkin介導的自噬作用之前，并對其有激活作用。這種SNPH介導的反應在AD相關的皮質神經元的早期疾病階段被強烈激活，出現在軸突中線粒體質量控制系統早期。因此，該途徑有利于在幾種主要的神經退行性疾病的早期階段開發新的治療策略以減輕疾病的病理損害[26,27]。此外，隨著疾病進展，成熟神經元中SNPH的過表達與線粒體逆向轉運水平下降相關[28]。

2.2.2 帕金森疾病(Parkinson’s disease，PD) 帕金森疾病(PD)是繼阿爾茨海默病之后的第二大神經退行性疾病，主要臨床特征為靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢平衡障礙，60歲以上人群發病率約為2%[29]。PD的病理特征包括黑質中多巴胺能神經元的丟失和由α-突觸核蛋白(α-Syn)組成的路易小體(Lewy bodies，LBs)的存在。寡聚的α-Syn可通過引起亞細胞中運輸調節的蛋白變化和能量缺乏，破壞線粒體的順行軸突轉運。Prots等人[30]的研究證明，增加α-Syn的劑量導致α-Syn積聚，進而導致軸突運輸中斷和能量不足，促進人類神經元的突觸丟失，并進一步表明通過抑制α-Syn寡聚體的形成可以恢復軸突線粒體順行轉運，提示α-Syn低聚物是觸發突觸早期軸突功能障礙的關鍵靶點。另有研究顯示，暴露于線粒體毒素[包括農用化學品百草枯(PQ)、代森錳(MB)和魚藤酮(Rot)]的SNCA-A53T突變的神經元中產生的NO通過硝化α-微管蛋白(α-Tub)選擇性地抑制線粒體順行轉運，這與PD的發生發展密切關聯[31]。Lin等人[27]提出，在輕度線粒體應激條件下(低劑量抗霉素A觸發的線粒體去極化)，溶酶體介導的自噬可能不是去除受損線粒體的主要機制。在這種情況下，受損的軸突線粒體通過逆行轉運至胞體去除，而軸突線粒體錨定蛋白突觸素從線粒體中的釋放增強了線粒體逆行運輸過程。Dukes等人[32]的研究結果顯示，在線粒體應激早期，低濃度MPP(+)暴露導致受損線粒體逆行轉運在早期代償性增加，以促進線粒體在細胞體內的降解。相反，較高濃度的MPP(+)暴露導致線粒體轉運總體下降，可能是由于細胞生物能學受到嚴重損害。PTEN誘導PINK1突變與早發的家族性帕金森氏病相關。同樣，在PD患者運動神經元中通過激活Pink1/Parkin途徑促進受損線粒體的自噬(線粒體逆行軸突轉運)[33]。

3 展 望

綜上所述，線粒體軸突轉運與中樞神經系統疾病的發生和發展密切相關，但目前尚無有效治療方案應用到臨床實踐中。線粒體具有能量供應、信息交流、抗氧化應激等多種生理作用，為細胞各種生命活動提供能量和安全保障，而能量代謝障礙是許多神經系統疾病早期階段的關鍵因子，軸突功能的完成需要ATP的支持，而線粒體軸突轉運至特定部位能夠滿足ATP的供給，因此線粒體對軸突形態和功能的維持具有重要影響，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。對線粒體軸突轉運機制的研究及其在神經系統疾病中的作用研究，有望突破神經系統疾病治療瓶頸，對神經系統疾病進行預防、診斷及治療提供潛在靶點，為廣大神經系統疾病患者帶去希望，這也將為許多神經系統疾病的預防及治療提供新的方向和依據。