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(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院藥物研究室北京市老年病醫(yī)療研究中心北京市神經(jīng)藥物工程技術(shù)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(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，以震顫、僵直和運動不能為主要臨床表現(xiàn)。帕金森病最主要的病理改變是中腦黑質(zhì)多巴胺(dopamine，DA)能神經(jīng)元的變性死亡、紋狀體DA顯著性減少以及黑質(zhì)殘存神經(jīng)元胞質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)路易小體。盡管確切的發(fā)病機制至今未明，有學(xué)者［1］認為基因突變線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激等多因素共同參與PD發(fā)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(zhì)，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?fàn)顟B(tài)［2］。盡管其生理功能尚不明確，但研究［3］顯示，α-Syn在神經(jīng)可塑性、調(diào)節(jié)突觸小泡池、調(diào)節(jié)DA釋放與合成、靶向多巴胺轉(zhuǎn)運體至質(zhì)膜的方面很可能發(fā)揮著潛在的功能。Perez等［4］的研究顯示在α-Syn過表達或發(fā)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(jīng)元的軸突生長并且影響軸突分支［5］。寡聚的α-Syn可經(jīng)由干擾微管與驅(qū)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(guān)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(dǎo)致家族性PD的發(fā)生。隨后，又發(fā)現(xiàn)α-Syn是路易小體的主要成分，α-Syn被證實也與散發(fā)性PD相關(guān)［7］。α-Syn的高級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化可能是PD發(fā)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(jīng)胞吞作用進入小鼠原代海馬神經(jīng)元，可以引起內(nèi)源性可溶性α-Syn轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄缘牟±硇月芬仔◇w樣物質(zhì)。這些聚集物最初形成于軸突，將內(nèi)源性α-Syn遠隔于突觸前末梢，隨后擴散到胞體。經(jīng)過一段時間后，這些α-Syn聚集體會導(dǎo)致選擇性的突觸蛋白的改變，損害神經(jīng)元興奮性和連接，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。盡管已經(jīng)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(fā)性PD中引發(fā)α-Syn聚集的原因目前有2種假設(shè):①線粒體復(fù)合體Ⅰ功能的破壞可能導(dǎo)致胞內(nèi)活性氧增加，從而造成多巴胺神經(jīng)元細胞的死亡。②多巴胺的異常代謝可以產(chǎn)生許多活性氧產(chǎn)物，而這些有害產(chǎn)物可以引起蛋白質(zhì)包括α-Syn、DNA和脂類分子的氧化修飾，并造成其結(jié)構(gòu)功能的受損，最終有可能造成細胞亞結(jié)構(gòu)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(fā)性帕金森病。家族性帕金森病的發(fā)病原因是由于遺傳基因的改變導(dǎo)致線粒體異常，散發(fā)性帕金森病的發(fā)生則與環(huán)境中的神經(jīng)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(guān)。

線粒體被認為是細胞的“能量站”，并且調(diào)控基因表達和細胞凋亡等過程。有證據(jù)［11］表明，能量代謝障礙是許多神經(jīng)退行性疾病早期階段的關(guān)鍵因子。帕金森病患者的多巴胺能神經(jīng)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(tài)和功能的維持具有重要影響［13］。軸突運輸?shù)膰?yán)格調(diào)控對于維持神經(jīng)元的正常結(jié)構(gòu)和功能非常重要。研究［14］表明，將α-Syn運輸?shù)竭h端的軸突轉(zhuǎn)運一旦變緩就會導(dǎo)致α-Syn在胞體內(nèi)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(chǎn)生了大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)。復(fù)合物Ⅰ是線粒體呼吸鏈中最大的復(fù)合體，是線粒體發(fā)揮氧化磷酸化功能的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)和功能也最易受到損害。對散發(fā)性PD患者尸檢發(fā)現(xiàn)，其黑質(zhì)紋狀體神經(jīng)元內(nèi)線粒體復(fù)合物Ⅰ的活性及相關(guān)蛋白明顯下降［15］，提示線粒體功能缺陷可能與散發(fā)性PD的發(fā)病有關(guān)?！把趸瘧?yīng)激學(xué)說”被認為貫穿于帕金森病的發(fā)生與發(fā)展過程中。來源于機體正常和異常反應(yīng)中的氧化物，ROS和活性氮(reactive nitrogen species，BNS)等都會給細胞帶來嚴(yán)重的損傷［16］。線粒體功能障礙不僅在黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元中并且在全腦中起著重要的作用［17］。大腦皮質(zhì)線粒體的氧攝取和復(fù)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(jié)果。由于黑質(zhì)致密部的高多巴胺代謝，神經(jīng)膠質(zhì)細胞的廣泛存在以及此區(qū)域極低的抗氧化能力，ROS的生成會對此區(qū)域產(chǎn)生很大的影響。有學(xué)者用布洛芬治療魚藤酮大鼠模型中的氧化應(yīng)激，取得了很好的效果［18］。

α-Syn可以通過與線粒體的聯(lián)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(jīng)氧化作用修飾線粒體蛋白［20］。這些發(fā)現(xiàn)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(lián)系。

3 α-Syn與線粒體功能障礙

最近，線粒體復(fù)合體Ⅰ抑制劑1-甲基-4-苯基-吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)的神經(jīng)毒性與α-Syn表達之間的關(guān)聯(lián)引起了廣泛的關(guān)注。α-Syn可以影響線粒體的功能。據(jù)報道［21］，α-Syn基因敲除可以保護SH-SY5Y細胞對抗MPP+的神經(jīng)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(zhuǎn)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(zhì)和紋狀體有α-Syn蓄積和線粒體復(fù)合體Ⅰ活性降低，線粒體突變的患者有路易小體出現(xiàn)。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(zhuǎn)基因小鼠腦線粒體復(fù)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(fù)合物Ⅰ和Ⅲ之間的電子流來影響呼吸酶的功能［25］。關(guān)于α-Syn影響復(fù)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(jié)果。

α-Syn可以直接破壞線粒體的形態(tài)并且可以迅速、特異地與線粒體膜相結(jié)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(jié)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(nèi)膜中含量豐富。在培養(yǎng)的細胞中，α-Syn升高會引起線粒體的結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)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(tài)與功能產(chǎn)生不利影響。線粒體不僅是ATP生成的主要場所，也是產(chǎn)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(tǒng)消耗ATP，從而形成了一個惡性的循環(huán)。即由于α-Syn的聚集導(dǎo)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(dǎo)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(fā)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(fā)揮作用。目前的研究對于突觸核蛋白與線粒體發(fā)生相互作用后會對線粒體功能、突觸核蛋白功能以及神經(jīng)元存活產(chǎn)生怎樣的生物學(xué)影響知之甚少。對突觸核蛋白以及線粒體在PD發(fā)病中發(fā)揮作用機制的深入了解將對研發(fā)新的PD治療方法具有重要意義。

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