線粒體功能障礙與阿爾茨海默病的相關性研究

葉群英 綜述 王艷云，羅紅波 審校

遵義醫科大學第五附屬(珠海)醫院神經內科，廣東 珠海 519100

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是一種以進行性認知功能障礙和行為學損害為主要臨床表現的神經變性疾病。該病占癡呆癥患者總數的60%～80%[1-2]。據統計，截止目前包括AD 在內的全球癡呆患者約5 000 萬，估計到2050年將增長2 倍，并且基于AD生物學特性，甚至可能增加3倍[3]。但AD的病因是復雜、多元的，關于AD的具體發病機制尚不清楚。目前較為公認的機制假說包括：淀粉樣蛋白假說、Tau蛋白假說、膽堿能假說、APOE4 基因學說及氧化應激假說、線粒體功能障礙假說等[4]。目前，AD治療藥物的研發主要圍繞著“淀粉樣蛋白假說、Tau蛋白假說”，但仍不能有效延緩或者遏制AD的疾病進程，因此充分研究AD的發病機制，找到合理的治療靶點，尋求有效的藥物，仍是當前亟待解決的問題。近年來越來越多研究表明，線粒體功能障礙在AD發病機制中發揮的重要作用，對線粒體方面相關機制的研究已成為研發AD靶向治療藥物的熱點[5-7]。本文就線粒體能量代謝、Ca2+穩態、氧化應激、線粒體動力學、線粒體DNA、線粒體自噬等方面，對線粒體功能障礙與AD的相關性研究進行探討，以期為AD的臨床研究與治療方向提供科學依據。

1 線粒體結構及功能

線粒體是一種真核生物的細胞器，為雙層單位膜構成的封閉囊狀結構，分為基質、內膜、膜間隙、外膜。內膜上有氧化磷酸化相關的蛋白質，包括呼吸鏈(復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)、ATP 合成酶及腺苷轉運體等[8]。內源性自由基主要由電子傳遞鏈產生，其可損傷蛋白質、DNA和脂質。此外，線粒體基質有著完整的轉錄與翻譯體系，其包括線粒體DNA、tRNA、tRNA、70S型核糖體、DNA 聚合酶、氨基酸活化酶等。線粒體是機體的“能量工廠”，其通過合成ATP，調控Ca2+通道，調節氧化應激(oxidative stress，OS)及細胞凋亡，維持著機體能量代謝[9]。同時，線粒體又可通過分裂、融合、轉運與自噬維持自身的動態平衡[10]。

2 線粒體功能障礙與AD的相關性

2.1 線粒體能量代謝障礙與AD的相關性 人腦占機體體質量的2%～3%，在耗氧量方面，約占機體的20%[11]，且ATP 是大腦唯一的能量使用形式。絕大部分ATP是依賴于線粒體內膜上的氧化磷酸化的生成，氧化磷酸化需要電子傳遞鏈和ATP 合成酶的參與[12]。因此，復合體Ⅰ～Ⅳ和ATP 合成酶的活性改變或基因表達下降將直接影響著線粒體能量代謝。研究發現線粒體功能障礙導致的神經元“饑餓”與進行性認知和運動退化有著密切的關系[13]。Terni等[14]發現，與正常人相比，在AD 患者的早期(Braak Ⅰ/Ⅱ期，MCI 發作前)，線粒體ATP 合成酶的α亞單位在內嗅皮質中被HNE修飾，可使ATP合成酶的活性下降約30%。Chou等[2]發現，在AD 小鼠(3xTg-AD)皮質中進行的蛋白質組學測定顯示，與對照組相比，AD小鼠中ATP合成酶的β亞單位的表達是增加。根據上述可以推測，通過改變ATP 合成酶的α亞單位或者β亞單位表達可以影響ATP 酶的活性，從而來影響線粒體的能量代謝，但其具體的機制尚未闡明。與對照組比較，AD 晚期患者編碼線粒體電子傳遞鏈亞基的核基因在后扣帶皮層、海馬CA1 區、顳中回和內嗅皮層中的表達是減少的[15]。在AD 中，線粒體功能障礙也可通過抑制線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的表達，從而影響其能量代謝[16]。因此，可以進一步推測通過靶向性干預ATP合成酶或者其他復合體來提高ATP的產生，達到恢復其正常能量代謝的目的。

2.2 鈣離子穩態失衡與AD的相關性 鈣離子穩態(calcium homeostasis)是細胞中大部分生化反應的基礎，鈣離子主要在內質網儲存，在線粒體中發揮作用，調節細胞基本功能[17]。一方面，線粒體Ca2+攝取主要是受線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)和線粒體內膜上的線粒體Ca2+單轉運蛋白復合物(MCU)調節；另一方面，線粒體Ca2+排出主要通過線粒體內膜的Na+/Ca2+/Li交換器(NCLX)和Ca2+/H+交換器(CHE/Letm1)調節[18-19](圖1)。研究發現，β淀粉樣蛋白(Aβ)聚集體通過調節MCU提高線粒體的Ca2+攝取，致使線粒體Ca2+超載；同時用特異性抑制劑Ru360 阻斷MCU 可以避免Ca2+超載[20]。研究發現，在AD 患者及3×Tg AD 小鼠中的NCLX 表達下降，造成線粒體Ca2+排出受阻，使得線粒體Ca2+超負荷，迫使開放線粒體通透性轉變孔(MPTP)，致使神經元凋亡，促進AD 的發展；同時恢復或者提高NCLX的表達能夠促使線粒體Ca2+正常排出，避免了線粒體Ca2+超負荷運轉、細胞凋亡，進而改善AD 病理和認知障礙[21]。上述證據表明在AD早期可通過靶向性調節線粒體Ca2+的攝入或排出,可避免線粒體Ca2+超載，恢復線粒體Ca2+穩態，從而避免神經元凋亡，達到預防治療AD的目的。

圖1 鈣離子通道穩態及鈣超載示意圖Figure 1 Schematic diagram of calcium homeostasis and calcium overload

2.3 氧化應激與AD的相關性 氧化應激(oxidative stress，OS)是指體內活性氧(reactive oxygen species，ROS)或活性氮(reactive nitrogen species，RNS)的產生和蓄積與機體對其清除能力的不對等所引起的現象[22]。線粒體是內源性ROS的主要產生場所[23]。在線粒體正向電子傳遞中，呼吸鏈上的復合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ產生不可避免的電子泄漏，泄漏的電子與氧氣相互作用形成超氧陰離子(superoxide anion radical，O2-或過氧化氫(H2O2)[24]；在線粒體反向電子傳遞中，隨著質子動力上升，可驅動電子通過輔酶Q從復合物Ⅱ轉移到復合物Ⅰ，將NAD+還原成NADH，導致NADH/NAD+比值增大，使線粒體處于過氧化狀態，從而極大提高O2-含量，升高了線粒體ROS水平[25]。Mclellan 等[26]采用多光子成像技術對AD動物腦內Aβ沉積物進行成像,發現自由基產生的熒光分布在淀粉斑周圍。Lovell 等[27]利用Cu2+和Fe2+發生經典的芬頓反應造成原代大鼠皮層神經元的氧化應激，使得Tau蛋白的構象發生改變，并使蛋白激酶C 的α、β異構體失活，而蛋白激酶C 調節GSK-3β，誘導Tau 蛋白磷酸化，促使神經元凋亡。由于線粒體DNA離線粒體內膜更近，故更易遭到自由基的破壞，同時缺乏了組蛋白保護與損傷修復系統，故比nDNA更易發生突變[28]。上述證據表明線粒體氧化應激可通過上調Aβ表達、上調P-Tau 蛋白表達及損傷線粒體DNA等生物分子，進一步促進了AD的發生發展。由此，可以認為通過干預線粒體氧化應激靶向性治療AD具有一定的可行性。

2.4 線粒體動力學失衡與AD的相關性 線粒體動力學是指線粒體通過分裂和融合的動態轉化，來維持自身穩態的過程，其受多種相關蛋白的調控。包括線粒體有絲分裂蛋白1(動力蛋白相關蛋白1)、視神經萎縮相關蛋白1 (OPA1)和線粒體融合蛋白1 和2(mitofusion1/2)。線粒體融合主要由Opa1、Mfn1 和Mfn2共同調控，Opa1位于線粒體內膜上，推進線粒體內膜融合；Mfn1 位于線粒體外膜，促進線粒體外膜融合；Mfn2在線粒體外膜和內質網上促進線粒體外膜融合及協調線粒體-內質網交互作用[29-30]。線粒體轉運系統是由細胞骨架(微絲、微管)、馬達蛋白(驅動蛋白、動力蛋白、肌球蛋白)及銜接蛋白(Miro/Milton 等)組成[31-33]。研究發現，在哺乳動物中，Drap1、MFF、MiD49和MiD51共同調控線粒體分裂，Drp1在某些特定細胞信號傳導下由細胞質招募到線粒體外膜，同時與線粒體外膜上的線粒體分裂因子(MFF)、線粒體動力蛋白(MiD49h、MiD51)結合。Drp1 通過環狀結構寡聚水解GTP提供能量使該環狀結構收縮，離斷雙層膜結構，以致線粒體分裂[34-35]。有研究發現，將3 個月、6個月、9 個月、12 個月的APPsw/PS1dE9 基因鼠與同月齡的C57BL/6 小鼠相比，從第3 個月開始基因鼠海馬組織中的線粒體形態出現改變，并伴有Opa1 和Mfn2及Drap1 的改變[36]。同時有研究發現，在Aβ及Tau 蛋白出現之前可觀察到軸突腫脹及線粒體軸突運輸減少，這揭示線粒體運輸功能障礙可能也是AD 的早期生物學標記物[37]。根據上述研究，可以推測線粒體分裂、融合及運輸的改變可能是早期AD發展的標志，其通過靶向性調控Opa1、Mfn2、Drap1等蛋白的表達，可阻止AD的進一步發展，達到逆轉或延緩AD的可能。

2.5 線粒體DNA異常與AD的相關性 人類的線粒體DNA 共有37 個基因，分別編碼22 個tRNA、2 個rRNA 及13 種氧化磷酸化酶復合體亞基(NADH-CoQ還原酶的7個亞基、泛醌-細胞色素C還原酶的1 個亞基、細胞色素C氧化酶的3個亞基及ATP合成酶的2個亞基)[38]。由于線粒體DNA離線粒體內膜更近，更易受到自由基的破壞，同時其缺乏組蛋白保護和損傷修復機制，故比nDNA更易發生變異[39]。線粒體DNA中唯一的非編碼區是D環區，負責線粒體DNA復制與轉錄，是最易受氧化損傷而發生變異的區域[40]。在AD等神經變性疾病中，線粒體DNA拷貝數水平變化與線粒體DNA甲基化水平的動態調控和線粒體DNA復制轉錄因子的表達下降有關[41]。研究發現，在AD 患者的額葉皮層中，D 環區突變顯著增加了63%，線粒體DNA 拷貝數同時下降了50%[42]。研究顯示，早期AD患者大腦內嗅皮層中，D環區甲基化水平明顯增加，且早期甲基化水平高于晚期[43]。Sheng 等[44]研究發現，AD 患者海馬組織中線粒體轉錄因子A 水平下降43%，并引起mt DNA 拷貝數的減少。根據以上證據可以認為，D環區突變、甲基化及線粒體DNA復制轉錄因子下降均可導致線粒體DNA異常，致使線粒體DNA拷貝數減少，從而導致線粒體功能障礙。因此，可以以挽救線粒體DNA 異常、恢復線粒體DNA 拷貝數水平、避免線粒體功能障礙來阻止AD的發生發展。

2.6 線粒體自噬異常與AD的相關性 線粒體自噬是一種控制線粒體質量的選擇性自噬途徑，其通過雙膜自噬體結構吞噬受損或去極化的線粒體，與溶酶體融合，完成受損或去極化線粒體的降解[45]。有研究發現，線粒體自噬主要受同源磷酸酶張力蛋白誘導的蛋白激酶1(PINK1)/Parkin信號通路的調節[46]。PINK1是位于線粒體外膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶；Parkin是位于胞質內的E3泛素連接酶。其大致過程為：在健康機體中，某一因素致使線粒體膜電位下降時，PINK1可迅速聚集并招募Parkin 至線粒體外膜上進行激活，活化的Parkin 可介導受損線粒體外膜蛋白泛素化，促進自噬小體初始化形成，并誘導微管相關蛋白1 輕鏈3(LC3)至LC3 相互作用區(LC3-interation region，LIR)，促使受損的線粒體形成線粒體自噬體，再與溶酶體融合后加速受損線粒體的降解及清除[47-48]。Ye 等[13]發現，在AD患者大腦中Parkin水平會隨著Braak分期的增加而逐漸下降。還有研究發現，與健康對照組相比，AD 患者腦組織中線粒體自噬的基礎水平低于50%[49]。新的實驗數據表明，微管相關蛋白tau 和Aβ代謝可能干擾線粒體自噬機制[49-50]。有研究進一步發現，通過上調誘導轉錄因子EB (transcription factor EB，TFEB)的表達，將提高溶酶體蛋白的有效表達，關于線粒體自噬的介導標記物也會同步增加，由此可推測溶酶體功能缺陷可能會降低線粒體自噬，故溶酶體功能缺陷被認為是AD狀態下線粒體自噬異常的重要機制之一[51]。上述證據可以推測線粒體自噬異常與微管相關蛋白tau、Aβ代謝及溶酶體功能缺陷存在密切關系；其通過干預微管相關蛋白tau 和Aβ代謝或溶酶體蛋白表達水平，提高線粒體自噬，能夠進一步延緩AD的發生發展。

3 結語

AD發病機理復雜。現有研究表明，線粒體是AD發病進程中的關鍵環節之一，多個線粒體相關要素參與調控了AD的發展，其中包括線粒體能量代謝、線粒體Ca2+穩態、線粒體氧化應激、線粒體動力學、線粒體DNA、線粒體自噬等，針對線粒體功能障礙的靶向性治療的基礎研究取得了一定的進展，今后需繼續從不同的層面深入研究線粒體功能障礙與AD之間的具體機制，明確線粒體異常與AD病理生理之間的關系，將有利于尋找線粒體的靶向防治策略，為臨床上AD 的診療提供新思路及科學依據，對AD 的防治及延緩該疾病的進展有著重大的價值。