帕金森病線粒體功能障礙機(jī)制的研究進(jìn)展

郭清華，范玲玲，范軍林，邢紅霞

(1.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，河南 衛(wèi)輝 453100； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第三附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，河南 新鄉(xiāng) 453000)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是僅次于阿爾茨海默病的第二大神經(jīng)退行性疾病，以進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)功能障礙為特征，是黑質(zhì)紋狀體通路選擇性變性的結(jié)果[1]。PD的病因及發(fā)病機(jī)制較復(fù)雜，有調(diào)查顯示，在60歲以上人群中，有1%的人受到PD的影響[2]。PD的發(fā)生受多種因素共同影響，其中包括線粒體功能障礙，目前多使用破壞線粒體復(fù)合體Ⅰ活性的毒素來建立PD動(dòng)物和細(xì)胞模型[3]。在臨床和實(shí)驗(yàn)中，與PD密切相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)也多引起線粒體功能障礙，包括1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶、百草枯、錳和三氯乙烯等[4]。PD的早期藥物治療效果較好，尤其是藥物治療的前3～5年，但隨著病情發(fā)展，藥物療效逐漸降低、副作用逐漸明顯，每次服藥后藥效維持時(shí)間逐漸縮短，癥狀起伏波動(dòng)，如“異動(dòng)癥”和“開關(guān)現(xiàn)象”等，嚴(yán)重影響患者的身心健康及生活質(zhì)量。目前，廣泛接受的PD致病機(jī)制為異常的線粒體形態(tài)和功能。線粒體功能受損影響許多細(xì)胞途徑，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)成分受損和細(xì)胞死亡。流行病學(xué)研究表明，接觸殺蟲劑、農(nóng)村生活、飲用井水人群的PD發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加[5]，這可能與線粒體功能障礙有關(guān)。現(xiàn)就PD線粒體功能障礙機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述。

1 年齡

年齡影響PD的臨床進(jìn)展，是散發(fā)型PD最重要的危險(xiǎn)因素之一[6]。中老年人群中PD的發(fā)生率隨年齡增長逐漸升高。有研究表明，在PD患者中，年齡增長與左旋多巴反應(yīng)性降低、步態(tài)和姿勢損害嚴(yán)重、認(rèn)知障礙與癡呆癥的發(fā)展相關(guān)[7]。且隨著年齡的增長，線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突變在人類各種組織中逐漸積累[8]，具有活躍氧化代謝的終末分化組織(如大腦)在老化過程中積累了相對(duì)較高水平的mtDNA突變。有研究證實(shí)了年齡相關(guān)的mtDNA點(diǎn)突變在PD致病中的重要作用[9]，在mtDNA堿基對(duì)5 178處的點(diǎn)突變可減少線粒體復(fù)合物Ⅰ活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生[10-11]。因此，衰老仍是PD發(fā)生最強(qiáng)的危險(xiǎn)因素之一[6,12]。

2 環(huán)境因素

暴露于某些環(huán)境毒素可能導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元死亡[13]。首先，與PD環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的是職業(yè)暴露于某些金屬，最明顯的為錳，慢性錳暴露與PD的發(fā)生有關(guān)。錳的神經(jīng)毒性導(dǎo)致線粒體功能障礙[14-16]，有實(shí)驗(yàn)表明，給予錳的MitoPark小鼠(轉(zhuǎn)基因小鼠模型)的神經(jīng)退行性改變伴隨紋狀體和黑質(zhì)的氧化損傷增加[14]。其次，PD的發(fā)生與線粒體毒素的暴露之間存在關(guān)聯(lián)，包括農(nóng)用化學(xué)品百草枯、亞甲基藍(lán)和魚藤酮等。魚藤酮具有高度親脂性，很容易通過血腦屏障，是一種特異性的線粒體復(fù)合物Ⅰ抑制劑。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校鹧趸瘧?yīng)激的殺蟲劑百草枯和抑制線粒體復(fù)合物Ⅰ的魚藤酮均會(huì)導(dǎo)致黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的喪失，產(chǎn)生與人類PD相關(guān)的行為改變[17]。Stykel等[18]也證明，農(nóng)藥可能作用于基因突變PD患者，引起線粒體功能障礙。另外，在其他動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，水環(huán)境中的超痕量氧化石墨烯會(huì)觸發(fā)PD樣癥狀[19]。

有數(shù)據(jù)表明，mtDNA拷貝數(shù)減少是PD的生物標(biāo)志物之一[12]。而吸煙與外周血細(xì)胞mtDNA減少有關(guān)，其可能是PD患者mtDNA拷貝數(shù)減少的一個(gè)因素。因此，吸煙也可能是引起線粒體功能障礙的環(huán)境因素。

3 線粒體基因

線粒體作為呼吸和能量產(chǎn)生的主要細(xì)胞器，對(duì)細(xì)胞起著至關(guān)重要的作用。與核基因組不同，線粒體有其獨(dú)特的基因組。線粒體基因組有37個(gè)無內(nèi)含子基因，線粒體的基因組由人類中16.6 kb的環(huán)狀雙鏈分子的多個(gè)副本組成，雖然這個(gè)基因組只編碼了13個(gè)參與氧化磷酸化的肽，但它們是細(xì)胞能量生產(chǎn)機(jī)制的關(guān)鍵組成部分[20]。mtDNA缺陷會(huì)導(dǎo)致器官功能障礙，原因?yàn)閙tDNA編碼的蛋白質(zhì)合成不足，導(dǎo)致能量產(chǎn)生不足，從而無法滿足受影響器官的需要[21]。線粒體基因組缺少保護(hù)性組蛋白分子，因此mtDNA的突變率高于核DNA[22]。mtDNA的損傷和線粒體基因組完整性的喪失在嚴(yán)重早發(fā)性疾病和慢性年齡相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展中起著越來越重要的作用。mtDNA缺失的形成可能與PD病因有關(guān)，線粒體損傷是PD的一個(gè)重要特征[23]。

4 線粒體泛素-蛋白酶體系統(tǒng)

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system，UPS)是一種高效、選擇性和能量依賴的蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)，其在維持穩(wěn)定的細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的蛋白質(zhì)降解中起重要作用[24]。UPS是“蛋白質(zhì)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)”的一部分，與自噬溶酶體系統(tǒng)和分子伴侶網(wǎng)絡(luò)一起，通過去除可能聚集并對(duì)細(xì)胞有毒的有害蛋白質(zhì)或受損蛋白質(zhì)，有助于維持細(xì)胞蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。有研究表明，UPS發(fā)揮作用依賴線粒體[25]。細(xì)胞蛋白質(zhì)降解系統(tǒng)(尤其是UPS)的破壞在PD的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用[26]。UPS的失調(diào)導(dǎo)致蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的改變，這可能會(huì)促進(jìn)有毒蛋白質(zhì)的積累并引起神經(jīng)元死亡[27]。

有證據(jù)表明，PD患者的黑質(zhì)蛋白酶體功能受損。如有研究表明，在PD患者變性黑質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元中有α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)、泛素和其他蛋白質(zhì)的異常積累，表明抑制正常/異常蛋白質(zhì)降解可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[28]。同時(shí)，從散發(fā)PD獲得的驗(yàn)尸數(shù)據(jù)表明26/20S蛋白酶體中存在結(jié)構(gòu)和功能缺陷[29]。另外，神經(jīng)病理學(xué)研究提供了PD蛋白酶體系統(tǒng)衰竭的間接證據(jù)，該研究記錄了UPS組成成分的積累[28]。實(shí)驗(yàn)表明，抑制UPS會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性變，并形成路易體樣包裹體[28]。這為PD的神經(jīng)保護(hù)療法提出了新靶點(diǎn)。

5 線粒體自噬

自噬是指細(xì)胞分解代謝過程，其可去除溶酶體的胞質(zhì)成分，主要包括功能障礙的細(xì)胞器、折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)以及多余或不必要的胞質(zhì)成分[30]。線粒體功能障礙是PD的關(guān)鍵病理變化。而清除受損線粒體的唯一方法為線粒體吞噬，這是一種通過自噬選擇性降解線粒體的細(xì)胞過程[31]。細(xì)胞自噬包括微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。自噬缺陷會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷的積累，與肝病、神經(jīng)退行性病變、衰老、癌癥和代謝綜合征等密切相關(guān)[32]。

神經(jīng)元的正常新陳代謝需要線粒體提供大量能量，線粒體功能紊亂常會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元病變。有研究表明，線粒體自噬缺陷與PD發(fā)病機(jī)制有關(guān)[33]。與PD相關(guān)的VPS35 D620N突變體抑制自噬，并削弱自噬蛋白ATG9A的運(yùn)輸[34]。且通過操縱Polo樣激酶2或活化分子伴侶介導(dǎo)的自噬能減少α-Syn聚集，而PD患者的黑質(zhì)中發(fā)現(xiàn)自噬活性異常，故導(dǎo)致α-Syn異常聚集[35]。此外，與PD相關(guān)的神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶可以通過細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶5介導(dǎo)的內(nèi)啡肽B1磷酸化誘導(dǎo)自噬[36]。

近年的研究多集中在PD連鎖的α-Syn突變，即E46K、H50Q、G51D和A53E位點(diǎn)突變。其中，E46K、H50Q和G51D α-Syn突變體的水平與WT蛋白的水平一樣，在Polo樣激酶2共表達(dá)時(shí)降低，表明在這些位點(diǎn)發(fā)生突變時(shí)可能發(fā)生宏觀自噬清除[37]。一項(xiàng)研究表明，蛋白酶體和巨自噬均可降解E46K α-Syn[38]。另一方面，A53E突變體在細(xì)胞中的表達(dá)導(dǎo)致蛋白酶體的蛋白水解活性增加[39]。

盡管這些自噬和UPS途徑尚未被認(rèn)為直接相關(guān)，但有研究指出了它們之間的密切聯(lián)系和動(dòng)態(tài)相互轉(zhuǎn)化[40]。如p62被共享作為UPS和自噬途徑的調(diào)節(jié)劑或共同底物。在UPS中，目標(biāo)蛋白與預(yù)定用于蛋白酶體降解的聚泛素鏈綴合。在自噬中，多聚泛素鏈也能被自噬銜接蛋白p62識(shí)別，并隨后靶向進(jìn)入自噬小體。這種調(diào)節(jié)因子不止p62，還包括EI24、自噬相關(guān)蛋白16和組蛋白脫乙酰酶6等[40]，它們同時(shí)在UPS及線粒體自噬中起作用，因此對(duì)于這些調(diào)節(jié)因子的研究可能會(huì)發(fā)現(xiàn)針對(duì)PD的新治療方法。

6 α-Syn的積聚

PD患者多巴胺能黑質(zhì)神經(jīng)元變性的重要病理特征為α-Syn的積聚和線粒體功能障礙[41]。研究表明，α-Syn在家族性和散發(fā)性PD的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用[42-43]。α-Syn是一種突觸前蛋白，定位于大多數(shù)神經(jīng)元的細(xì)胞器中，參與調(diào)節(jié)突觸小泡運(yùn)輸和內(nèi)吞作用，但其許多生理功能尚不清楚。大多數(shù)致病性α-Syn是膜結(jié)合的，并與線粒體相關(guān)，α-Syn過度表達(dá)和累積可引起神經(jīng)元中的線粒體損傷[44-46]。雖然外源性α-Syn可通過引起線粒體功能障礙誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元凋亡，但α-Syn破壞線粒體功能的機(jī)制仍不清楚[47]。研究表明，α-Syn異常聚集引起線粒體膜電位降低和能量產(chǎn)生減少，線粒體內(nèi)膜鈣動(dòng)態(tài)平衡被破壞，線粒體動(dòng)力學(xué)受到抑制，并誘導(dǎo)線粒體促凋亡蛋白細(xì)胞色素C釋放[48-52]，從而導(dǎo)致更多的α-Syn積累、錯(cuò)誤折疊和包涵體形成，進(jìn)而造成線粒體功能障礙[50]。有研究證明，α-Syn的Q62、V63和N65氨基酸殘基突變可阻止線粒體Ca2+超載、Δψm失調(diào)、復(fù)合體Ⅰ失活和ROS產(chǎn)生，這些結(jié)果表明V63和N65是介導(dǎo)線粒體失活的關(guān)鍵殘基[51]。另有研究發(fā)現(xiàn)，一種截短并磷酸化的α-Syn，可使線粒體膜上Tau蛋白磷酸化，兩者可能協(xié)同作用誘導(dǎo)線粒體毒性，進(jìn)一步證明了α-Syn與線粒體功能障礙之間的相關(guān)性[52]。這些發(fā)現(xiàn)為PD發(fā)病的分子機(jī)制提供了新見解。此外，線粒體功能障礙也會(huì)嚴(yán)重影響α-Syn的沉積[53]，因此α-Syn和線粒體功能障礙之間是雙向相互作用，且這種作用由α-Syn的N端(殘基1-60)介導(dǎo)，其中包含KAKEGVVAAE重復(fù)序列的N端區(qū)域(殘基10-30)參與了線粒體的結(jié)合，導(dǎo)致線粒體形態(tài)改變和功能障礙[54-55]。已有研究通過α-Syn缺失的小鼠原代皮質(zhì)神經(jīng)元檢測線粒體功能和形態(tài)證實(shí)，α-Syn病理性聚集可以對(duì)線粒體功能產(chǎn)生負(fù)面影響[56]。線粒體中α-Syn的病理性聚集抑制了復(fù)合物Ⅰ的活性，并隨后通過呼吸鏈的功能障礙推動(dòng)ROS的產(chǎn)生，這也反映了α-Syn與線粒體之間的相互作用[57]。

目前，有研究表明部分可溶性α-Syn直接與線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相互作用，從而誘導(dǎo)線粒體結(jié)構(gòu)和功能損傷，影響線粒體的融合和分裂[49]，這也在一定程度上增加了線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜作為除線粒體外或代替線粒體成為PD致病機(jī)制的可能性[58]。但截至目前，α-Syn與線粒體相互作用的生理影響只有部分被解決，因此還需要深入研究，以期探明α-Syn與線粒體在PD發(fā)病機(jī)制中的作用。

7 鈣超載

PD的病因尚不清楚，現(xiàn)有證據(jù)表明，Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)可能與PD的神經(jīng)變性有關(guān)[59-60]。Ca2+穩(wěn)態(tài)在基因轉(zhuǎn)錄、膜興奮性、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)遞質(zhì)分泌和突觸可塑性等多種神經(jīng)功能中起著至關(guān)重要的作用[61-63]。鈣超載誘導(dǎo)的線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放被認(rèn)為是PD中腦多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失的致病因素[64]。在PD化學(xué)模型中，Ca2+拮抗劑藥物治療可以減輕神經(jīng)元損傷[65]。其中，Cav1(Caveolin-1)通道抑制劑伊拉地平對(duì)L型Ca2+通道CaV1.3亞單位具有高親和力，可以阻止線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔、6-羥基多巴胺和魚藤酮引起的神經(jīng)變性[66]，其減緩黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元丟失和PD的作用正在進(jìn)行Ⅲ期人體臨床試驗(yàn)[67]。

線粒體在神經(jīng)遞質(zhì)合成、Ca2+穩(wěn)態(tài)、ROS的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)以及神經(jīng)元死亡等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[68-69]。在病理?xiàng)l件下，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高時(shí)，線粒體可以積累更多的Ca2+[70]。同時(shí)，胞內(nèi)Ca2+緩沖可以減輕1-甲基-4-苯基吡啶離子誘導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)元死亡[71]。由此證明參與Ca2+穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的一個(gè)重要機(jī)制為Ca2+緩沖過程，雖然該過程由線粒體攝取管理Ca2+，但其在很大程度上依賴于胞質(zhì)Ca2+線粒體膜電位驅(qū)動(dòng)和結(jié)合蛋白的存在。然而，過度的線粒體Ca2+積累可以導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，隨后出現(xiàn)線粒體的滲透性腫脹和線粒體膜的破裂，導(dǎo)致包括細(xì)胞色素在內(nèi)的線粒體蛋白釋放到胞質(zhì)中，激活凋亡引起細(xì)胞死亡[64,72]。此外，鈉鈣交換體(sodium calcium exchanger，NCX)亞型是神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)主要的細(xì)胞Ca2+排出系統(tǒng)[73-74]。Sirabella等[75]通過PDA53T和WT小鼠模型的中腦神經(jīng)元的體外實(shí)驗(yàn)觀察到，NCX3的表達(dá)水平和活性降低，這一現(xiàn)象伴隨著線粒體鈣超載，可能導(dǎo)致該腦區(qū)線粒體功能障礙和神經(jīng)元死亡，進(jìn)一步證明了細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)與線粒體功能障礙之間存在因果關(guān)系，導(dǎo)致神經(jīng)元變性退化。因此推測，阻斷線粒體鈣超載可能能在一定程度上減輕與線粒體密切相關(guān)的PD的嚴(yán)重程度。值得注意的是，雖然Ca2+通過Cav1通道進(jìn)入體內(nèi)觸發(fā)線粒體損傷，但通過全身給藥不能達(dá)到足夠的通道抑制水平來減輕這種損傷[76]。因此，為了確定臨床相關(guān)劑量伊拉地平是否有效激活了活體大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)多巴胺神經(jīng)元上的Cav1通道。Guzman等[77]在健康小鼠黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元長期給予伊拉地平，結(jié)果表明負(fù)性變構(gòu)調(diào)節(jié)劑伊拉地平在體內(nèi)慢性抑制Cav1通道，導(dǎo)致黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元胞質(zhì)Ca2+水平持續(xù)下降，加深了人們對(duì)正在進(jìn)行的伊拉地平臨床試驗(yàn)的潛在機(jī)制以及Cav1通道抑制如何改變PD發(fā)病機(jī)制的理解。

8 結(jié) 語

隨著全球人口老齡化，以PD為代表的神經(jīng)退行性疾病日益增多。PD可能的致病因素很多，線粒體功能障礙在其中起關(guān)鍵作用。而年齡、環(huán)境因素、線粒體UPS及線粒體自噬障礙、α-Syn異常、鈣超載等均可能導(dǎo)致線粒體功能障礙，最終導(dǎo)致PD。因此，針對(duì)這些可能影響線粒體功能的因素的研究將有助于探究PD的發(fā)病機(jī)制，以進(jìn)一步提出更加切實(shí)有效的干預(yù)措施。未來，應(yīng)采用更加科學(xué)有效的治療方式，積極尋找最優(yōu)方案，以期更有效地提高PD患者的生存率和生活質(zhì)量。