阿爾茨海默病患者線粒體功能障礙的發生機制研究進展

伊力亞斯·艾薩，付瑾，阿米娜·蘇建和

1 新疆維吾爾醫學專科學校藥學系，新疆 和田 848000；2 新疆和田特色中醫藥研究重點實驗室；3 新疆維吾爾自治區維吾爾藥材及制劑質量控制工程研究中心；4 新疆維吾爾醫學專科學校醫療系

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease， AD）是日常生活中常見的神經退行性疾病之一，其典型的特征是患者從偶發性記憶缺陷逐步發展成為嚴重的認知障礙［1］。雖然AD的確切發病機制尚不清楚，但普遍認為β樣淀粉蛋白（Amyloid β-Protein，Aβ）的大量聚集和大腦中累積的高度磷酸化Tau蛋白在AD的進展和癥狀中起主要作用［2］。值得注意的是，早在2004年就有SWERDLOW和KHAN兩位學者提出了“線粒體級聯假說”，指出線粒體功能障礙是晚期AD患者的主要病理學因素［3］。線粒體功能障礙可導致細胞能量缺乏、細胞內鈣失衡和氧化應激，從而進一步加重Aβ和Tau蛋白的影響，導致突觸功能障礙、認知障礙甚至記憶喪失。隨著對AD發病機制的不斷深入研究，線粒體動力學及線粒體自噬被認為與AD的發生發展過程密切相關，氧化應激相關的線粒體受損會進一步導致Aβ蛋白的聚集和Tau蛋白的過度磷酸化，而Aβ蛋白的聚集和高度磷酸化的Tau蛋白可損害線粒體功能，從而形成惡性循環。GTP相關的動力相關蛋白1（Drp1）表達水平異常可導致線粒體過度分裂甚至碎片化，引起線粒體功能障礙和神經元損傷，最終導致疾病的發生。線粒體自噬是維持細胞正常生理功能的過程，線粒體自噬功能的失調在AD疾病中發揮著重要的作用，有多種通路介導的線粒體自噬途徑參與了AD的發病，包括Aβ蛋白誘導的線粒體自噬途徑、氧化應激誘導的線粒體自噬途徑、PINK1-Parkin通路介導的線粒體自噬途徑以及受體介導的線粒體自噬途徑等，均可引起異常線粒體的堆積導致線粒體功能障礙，進而誘導AD發病。現將AD患者線粒體功能障礙的發生機制研究進展綜述如下。

1 氧化應激

氧化應激是活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的產生和消除之間的不平衡所引起的。當ROS的產生超過活性氧清除酶的中和能力時，細胞損傷就會發生，這會導致氧化應激，并最終損害神經細胞的線粒體功能，導致線粒體功能障礙。另外，ROS作為機體新陳代謝過程中不可避免的產物，在生物系統中發揮著雙刃劍的作用。在機體嚴密的調控下，微量ROS對細胞內信號轉導、轉錄因子的激活、基因的表達以及細胞凋亡等方面起著重要的作用［4-6］。然而，ROS含量過量時會通過氧化細胞內所有主要生物大分子，包括核酸、蛋白質和脂質損傷細胞。由于大腦的高耗氧量、高水平不飽和脂肪酸（容易被自由基攻擊）和低水平抗氧化劑等特點，使得大腦特別容易受到ROS的氧化應激損傷。同時，由于線粒體本身也是氧化應激損傷的主要目標，因此，氧化應激導致的過量ROS通過氧化應激損傷線粒體，引起線粒體功能發生障礙，從而引起AD疾病的發生［7］。需要注意的是，氧化應激與線粒體功能障礙的關系不僅是因為線粒體本身產生ROS，還因為ROS可導致線粒體功能障礙的惡化。鑒于上述現象，氧化應激引起的線粒體功能障礙被認為是AD發病機制中的一個重要因素。因此，通過飲食、運動和抗氧化藥物等策略降低ROS水平，可以保護神經元線粒體免受氧化損傷，從而降低AD的風險。

2 線粒體動力學異常

細胞內的線粒體是動態的，其形狀、大小、數量和位置經常發生變化，這些過程統稱為線粒體動力學。線粒體動力學主要包括兩個獨特、嚴格控制的相對的過程，即裂變（分裂）和融合［8］。融合是一個線粒體與另一個線粒體通過膜的融合形成一個大的線粒體的過程。與之相反的過程則稱為線粒體裂變或分裂，分裂導致線粒體數量增加、體積縮小。通常線粒體的融合或分裂是由一系列微管調控蛋白網絡維持的，通過這些微管網絡線粒體穿梭于整個細胞質中，以完成線粒體融合或分裂［9］。線粒體裂變和融合之間的平衡不僅對線粒體數量、體積以及形態發揮重要作用，而且對細胞活力和突觸活動也至關重要。線粒體分裂過程主要涉及Drp1蛋白。Drp1蛋白是真核生物線粒體分裂的基本組成部分，是線粒體分裂的關鍵調節因子。Drp1蛋白由Dnm1基因編碼，長度為736個氨基酸，有6種不同亞型。Drp1中存在一個高度保守的結構域，對幾種重要的細胞功能很重要。越來越多的證據表明，Drp1蛋白參與多種功能，包括線粒體分裂、線粒體運輸、磷酸化、泛素化和蘇木化等。線粒體分裂過程中，Drp1蛋白被一些常駐蛋白受體，包括線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor， Mff）、線粒體分裂1蛋白（mitochondrial fission 1 protein， Fis1）和線粒體動力學蛋白49/51（mitochondrial dynamics protein 49/51，MiD49/51），招募到線粒體外膜（Outer mitochondrial membrane， OMM）以促進線粒體分裂［10］。一般來說，Drp1蛋白在神經元中主要作為線粒體分裂因子，觸發線粒體分裂［11］。各種神經系統疾病，包括AD、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）以及亨廷頓舞蹈癥（Huntington’s disease， HD）等，均是由于Drp1蛋白表達水平異常導致線粒體過度分裂甚至碎片化，引起線粒體功能障礙和神經元損傷，最終導致疾病的發生。

3 線粒體自噬異常

細胞自噬是溶酶體介導的自我降解過程，通過選擇性清除功能失調的細胞器和蛋白質來保持細胞內環境的穩態［12］。當細胞內的自噬過程被破壞且得不到及時恢復時，便會引起細胞清除功能缺陷。線粒體自噬被認為是一種選擇性自噬過程，作為機體內重要的清理機制，線粒體自噬通過清除受損線粒體進而維持細胞及代謝的穩態［13］。許多因素可以誘導細胞以線粒體為靶標的線粒體自噬程序，這些因素包括細胞色素C釋放、ROS產生增加、線粒體通透性改變、氧化損傷等。研究［14］表明，線粒體自噬異常可能是AD中出現有功能缺陷線粒體的原因。對于大腦神經元而言，適當的線粒體自噬是一種細胞自我保護機制，然而當線粒體自噬通路發生異常，線粒體功能也會進一步出現障礙，加劇大腦神經元的損傷。在AD患者神經元中有大量的Aβ和Tau蛋白，這些毒性蛋白的聚集會引起線粒體DNA損傷、線粒體膜電位降低、線粒體ROS生成增加、線粒體軸突運輸減少、線粒體ATP生成減少等，然而當損傷線粒體數量超出線粒體更新產生的新生線粒體數量時，則需要啟動線粒體自噬程序予以清除受損嚴重的線粒體。此時，如果細胞內線粒體自噬過程出現異常，會引起異常線粒體的堆積導致線粒體功能障礙，進而促使AD病理改變加重。在過去的十年中，關于線粒體自噬過程的分子機制、相關的蛋白質和分子以及它們在正常和病理狀態下的作用的認識已經大大增加。大量的研究［15］表明，多種蛋白質可通過多種途徑參與線粒體自噬過程，這些蛋白質包括Drp1、Fis1、Mfn1、Mfn2、泛素、PINK1、Parkin、BNIP3、LC3、NIX和FUNDC1等。在AD中，幾種主要的線粒體自噬途徑被確定，主要包括Aβ蛋白誘導的線粒體自噬途徑、氧化應激誘導的線粒體自噬途徑、PINK1-Parkin介導的線粒體自噬途徑和受體介導的線粒體自噬途徑。其中，PINK1-Parkin受體介導的線粒體自噬作用得到了很好的研究，也是最為人所知的線粒體自噬途徑。

3.1 Aβ蛋白積聚誘導的線粒體自噬異常 AD患者中一個典型的病理特征是神經元胞外Aβ積聚形成淀粉樣斑塊。研究［16］表明，外源性Aβ肽干預的PC12細胞表現出PINK1、Parkin和LC3-Ⅱ水平顯著降低以及自噬底物p62積累為特征的線粒體自噬受損。在大鼠腦室內注射外源性Aβ同樣會導致PINK1、Parkin和LC3-Ⅱ的水平降低和p62的積累。同樣，在過表達Aβ蛋白的秀麗隱桿線蟲神經元中也觀察到了線粒體自噬活性降低［17］。因此，Aβ蛋白積聚可作為線粒體自噬功能受損的上游事件。當神經元內線粒體自噬功能發生障礙時，大量功能障礙的線粒體無法被及時清理，致使進一步加快神經元胞外Aβ蛋白的沉積進而加重線粒體自噬障礙，形成惡性循環，加速AD的發生進展，利用特異性藥物調控Aβ蛋白可以為治療AD提供新的治療策略。

3.2 氧化應激誘導的線粒體自噬異常 氧化應激是AD等神經退行性疾病中發揮神經毒性的主要因素。一般來說，當體內ROS的產生和蓄積超過機體對其清除能力時，便會導致細胞內ROS水平增加或氧化應激［18］。氧化應激過程中，ROS作為線粒體代謝副產品，是衰老、代謝和神經退行性疾病發生的物質基礎。研究［19］發現，TRPML1蛋白是神經元內氧化應激的感受器，TRPML1蛋白接受到神經元內ROS含量異常增多的信號后，能促進神經元的線粒體自噬活性，加速對受損線粒體的清除，從而減少線粒體產生自由基。另外，關于AD的相關研究結果顯示，腦內存在一種可以產生ROS的糖基化終產物（advanced glycation end products， AGEs）。AGEs及其受體均在星形膠質細胞、小膠質細胞和神經元中表達，并且在AD腦組織樣本中可檢測到高水平AGEs受體的表達。AGEs與其受體結合后可誘導ROS的產生并顯著促進氧化應激誘導的線粒體自噬［20］。然而，雖然適度增加的ROS能作為信號能誘發線粒體自噬，但是ROS過度增加反而引起蛋白質和脂質分子氧化損傷，進一步加重AD患者神經元的損傷，促使AD的病理性改變。

3.3 PINK1-Parkin通路介導的線粒體自噬異常PINK1-Parkin通路是眾多線粒體自噬途徑中的一條，其異常與多種疾病的發生密切相關。研究［21］顯示，PINK1蛋白錨定并招募Parkin到線粒體，進而觸發線粒體自噬作用。在正常生理條件下，當機體細胞線粒體遭受氧化應激、炎癥反應等刺激時，線粒體外膜上累積PINK1蛋白，使功能失調的線粒體外膜去極化，并與線粒體內膜上產生質子濃度梯度［22］。在去極化線粒體中，PINK1蛋白激酶在線粒體外膜積累，通過泛素的磷酸化激活Parkin。Parkin作為線粒體自噬信號的“增強子”，具有E3泛素連接酶活性，它可以泛素化線粒體外膜中的幾種底物，與泛素鏈（如銜接蛋白p62、OPTN、NDP52）相互作用，從而通過與LC3結合進行線粒體自噬。然而，在AD等神經退行性疾病中，神經元遭受持續性氧化應激，造成線粒體持續去極化，引起PINK1向線粒體運輸受到抑制，阻礙線粒體自噬啟動程序。另外，也有研究［23］顯示，在氧化應激的條件下，自噬溶酶體系統障礙影響線粒體自噬功能，阻礙受損線粒體通過線粒體自噬途徑降解，促進神經退行性疾病的發生。因此，在AD治療過程中，靶向激活PINK1-Parkin通路介導的線粒體自噬程序，可加速功能障礙線粒體的清除，改善神經元線粒體的正常生理功能，從而緩解AD疾病的發生、發展過程。

3.4 受體介導的線粒體自噬異常 線粒體自噬異常與AD發病密切相關，但其機制極其復雜，除了經典的PINK1-Parkin通路相關的線粒體自噬外，在哺乳動物中還發現了其他受體介導的線粒體自噬通路，如NIX/BNIP3介導的線粒體自噬［24］。在哺乳動物細胞中，NIX和BNIP3都具有錨定LC3相互作用區，因此被定義為線粒體自噬受體。在受體介導的線粒體自噬中，線粒體的外膜蛋白BNIP和NIX啟動受體依賴性線粒體自噬。這些受體蛋白直接與LC3結合，并介導線粒體清除過程。研究［25-26］顯示，氧化應激產生的ROS和線粒體自噬受體NIX通過增強Parkin在受損線粒體上的易位來促進線粒體自噬的誘導和啟動，表明PINK1/Parkin介導的線粒體自噬和受體介導的線粒體自噬途徑可能是相互依賴的。另外，在AD發生發展過程中，腦組織內Aβ的增加導致Parkin蛋白表達水平減低，進而影響PINK1-Parkin途徑誘導的線粒體自噬活性的下降［27］。因此，受體介導的線粒體自噬在AD疾病的發生過程中，可能通過抑制PINK1/Parkin介導的線粒體自噬信號通路，降低線粒體自噬活性，致受損線粒體無法被自噬溶酶體降解而堆積，導致AD病程的加重。

綜上所述，我們總結歸納了部分引起線粒體功能障礙的研究結果，包括氧化應激、線粒體動力學、線粒體自噬等。可溶性Aβ蛋白的聚集和高度磷酸化的Tau蛋白可損害線粒體功能，如細胞色素C氧化酶活性、ATP生成和自由基清除。氧化應激相關的線粒體受損反過來會進一步導致Aβ蛋白的聚集和Tau蛋白的過度磷酸化，從而形成惡性循環。線粒體自噬是維持細胞正常生理功能的過程，線粒體自噬功能的失調在AD疾病中發揮著重要的作用，有多種通路介導的線粒體自噬途徑參與AD的發生發展，包括Aβ蛋白誘導的線粒體自噬途徑、氧化應激誘導的線粒體自噬途徑、PINK1-Parkin介導的線粒體自噬途徑以及受體介導的線粒體自噬途徑等，但其機制尚未完全清楚，相信隨著進一步的深入和系統的研究，越來越多的研究揭示線粒體自噬與AD之間的關系，并作為一個新的靶點，為AD的治療提供可行的策略。