線粒體功能障礙與癲癇發(fā)病機制

楊海燕綜述， 吳麗文審校

線粒體是存在于真核細胞中雙層膜包被的細胞器，人體的能量工廠，細胞內(nèi)氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)的主要場所，為細胞活動提供了化學(xué)能量。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，線粒體負責(zé)神經(jīng)元正常電活動和突觸傳遞所需能量以及神經(jīng)遞質(zhì)的合成、鈣離子內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、氧化還原信號、活性氧簇的生產(chǎn)和調(diào)節(jié)、神經(jīng)元的凋亡。一方面，癲癇發(fā)作可導(dǎo)致線粒體損傷[1]；另一方面，線粒體功能障礙可導(dǎo)致癲癇發(fā)作[2],由此可見，線粒體功能障礙與癲癇有著千絲萬縷的關(guān)系。因此了解線粒體功能障礙與癲癇發(fā)病機制之間的相互關(guān)系對于選擇合適的抗癲癇藥物治療至關(guān)重要，并有可能為由線粒體功能障礙引起的癲癇開辟新的治療途徑。

1 線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙與癲癇

線粒體生物氧化呼吸鏈由5種線粒體呼吸鏈膜蛋白復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和輔酶Q細胞色素C共同組成，是氧化磷酸化的場所。線粒體呼吸鏈膜蛋白復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜中呼吸鏈的天然存在形式，主要功能是完成電子傳遞過程，驅(qū)動氫離子移出內(nèi)膜轉(zhuǎn)變成跨膜的氫離子梯度，用于三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)的生物合成，其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ完全鑲嵌在內(nèi)膜中，復(fù)合體Ⅱ則鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)[3]，生物氧化呼吸鏈功能是由各種復(fù)合體共同作用的結(jié)果，因此，線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙可影響氧化磷酸化的功能，使ATP生成減少而致病，若累及中樞神經(jīng)系統(tǒng)，則導(dǎo)致線粒體腦病，這類疾病通常存在癲癇發(fā)作[4]。相關(guān)實驗性研究表明線粒體對癲癇十分敏感，癲癇存在著線粒體超微結(jié)構(gòu)的損傷和線粒體生物氧化呼吸鏈復(fù)合體的缺陷，癲癇持續(xù)發(fā)作后，隨時間延長線粒體損傷逐漸加重，根據(jù)損傷輕重程度可分為間隙腫脹，膜的結(jié)構(gòu)尚完整；線粒體基質(zhì)消失，結(jié)構(gòu)破壞；線粒體明顯空泡化，伴內(nèi)外膜的崩解[5]。氧化磷酸化功能障礙可能源自核編碼基因或線粒體編碼基因的突變，編碼Ⅰ型復(fù)合物的基因缺陷比其他4種復(fù)合物的基因缺陷更容易誘發(fā)癲癇，編碼Ⅰ型復(fù)合物缺陷合并癲癇是最常見的，編碼復(fù)合物Ⅰ的ND5亞基的MTND5中的致病性異質(zhì)性突變m.13046T> C，該特定變異體可導(dǎo)致Leber遺傳性視神經(jīng)病變(Leber’s hereditary optic neuropathy,LHON)和線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)重疊綜合征[6～8];編碼Ⅱ型復(fù)合物的基因缺陷合并癲癇的病例較少;編碼Ⅲ型復(fù)合物的基因缺陷合并癲癇很罕見，有過2例獨立報道;編碼Ⅳ型復(fù)合物的基因缺陷合并癲癇病例的較少，因為線粒體細胞色素C氧化酶2中的突變很罕見，并且相關(guān)的表型是可變的[9];Ⅴ型復(fù)合物在臨床中應(yīng)用較少，合并癲癇的表型有母系遺傳性Leigh綜合征(Maternally Inherited Leigh syndrome，MILS)和TIMM50基因中的錯義突變致線粒體復(fù)合體Ⅴ缺乏癥的癲癇[10]。

線粒體結(jié)構(gòu)損傷和氧化呼吸鏈酶活性改變導(dǎo)致線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙，ATP生成耗竭，人體的大腦組織是高耗能區(qū)，在很短時間能量供應(yīng)不足便會出現(xiàn)相應(yīng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，長期腦組織能量供應(yīng)不足會導(dǎo)致細胞凋亡或死亡，從而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，尤以癲癇最為顯著，而癲癇發(fā)作的過程本身又有著巨大的能量需求，二者相互影響，加劇病情變化，導(dǎo)致癲癇持續(xù)狀態(tài)難以控制，產(chǎn)生持續(xù)腦損傷并導(dǎo)致慢性癲癇的形成。

2 線粒體氧化應(yīng)激損傷與癲癇

線粒體氧化應(yīng)激損傷是指線粒體活性氧產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化，伴隨著由于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶的激活引起的線粒體超微結(jié)構(gòu)的損傷。生理狀態(tài)下線粒體是活性氧的主要產(chǎn)生部位，線粒體中的氧自由基主要在呼吸鏈中產(chǎn)生;線粒體也可以生成多種活性氮，并在線粒體內(nèi)各種酶催化作用下衍生成過氧亞硝基陰離子(ONOO-)，ONOO-是一種活性很強的自由基，極易對線粒體造成損傷。和其它組織相比，人腦的一些本身特性可造成更多自由基的產(chǎn)生，例如人腦要消耗人體內(nèi)20%的氧，腦內(nèi)氧化磷酸化過程會產(chǎn)生大量的自由基，腦中鐵含量較高，也可促進自由基大量產(chǎn)生，再加上腦中抗氧化物酶本身較低，這就造成人腦清除自由基能力的相對不足,正是由于這些特性導(dǎo)致腦組織易受氧化應(yīng)激損傷，導(dǎo)致超負荷的活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮(reactive nitrogen species,RNS)物質(zhì)，誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡和死亡,進而導(dǎo)致癲癇發(fā)作[11,12]。未成熟腦中相關(guān)研究的癲癇發(fā)生期高達4 w，與氧自由基的顯著增加相關(guān)，癲癇發(fā)作后產(chǎn)生大量自由基，造成氧化應(yīng)激損傷，產(chǎn)生細胞毒性作用[13,14]。線粒體既是癲癇發(fā)作后自由基的重要生產(chǎn)場所，又是應(yīng)激的靶點;同時線粒體的氧化損傷和機能障礙可增加癲癇易感性，加重癲癇造成的神經(jīng)損傷。目前在線粒體氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的癲癇的治療上，針對氧化應(yīng)激損傷和捐獻健康線粒體拯救具有缺陷線粒體功能的細胞能力的方法,可能會為線粒體氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的癲癇的治療帶來新思路。

3 谷氨酸增加、鈣超載與癲癇

癲癇發(fā)作的臨床特征主要表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)局部以及整個腦區(qū)神經(jīng)元的異常同步放電，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電活動平衡主要依賴于興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元的活動彼此牽制抗衡，腦內(nèi)興奮性活動的增強或抑制性活動的減弱均會影響整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電平衡,而這種電活動失衡是癲癇發(fā)生的關(guān)鍵因素[15,16]。早期研究表明，谷氨酸水平異常與癲癇患者過度興奮有關(guān)，谷氨酸受體異常增加致使中樞神經(jīng)系統(tǒng)大量神經(jīng)元一直處于過度興奮狀態(tài)，在癲癇患者腦組織和癲癇動物模型中都發(fā)現(xiàn)谷氨酸水平升高，并證實谷氨酸引起的興奮性毒性可導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[17]。鈣離子作為重要的胞內(nèi)第二信使，可以影響神經(jīng)元的多種功能。例如通過直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子或通過鈣離子依賴的激酶磷酸酶作用于轉(zhuǎn)錄因子影響基因轉(zhuǎn)錄[18]，啟動苔蘚纖維出芽、調(diào)節(jié)蛋白及翻轉(zhuǎn)速度、改變腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)表達量、啟動神經(jīng)發(fā)生及重組等；鈣離子升高可以活化鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶并與γ-氨基丁酸A受體的β2/3亞單位或γ2亞單位結(jié)合發(fā)生去磷酸化，加速受體內(nèi)化，同時壓制抑制性突觸傳遞功能；此外還可激活鈣離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ，激活的鈣離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ會促使α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor，AMPAR)亞單位谷氨酸受體1(glutamate receptor 1，GluR1)插入細胞膜，從而促進鈣離子內(nèi)流及興奮性突觸長時程增強(long-term potentiation，LTP)[19]等。癲癇發(fā)生時谷氨酸釋放增加并激活突觸后膜的N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)，增加鈣離子內(nèi)流，使后續(xù)的一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的關(guān)鍵分子的表達及活性改變并影響一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終使腦內(nèi)興奮-抑制平衡被打破[20]。最新研究指出，線粒體功能失常會破壞神經(jīng)元胞內(nèi)的鈣離子動態(tài)平衡，大量鈣離子內(nèi)流，長期持續(xù)細胞內(nèi)鈣超載，會引起細胞結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生可塑性改變，從而影響神經(jīng)元的興奮性和突觸傳遞，最終導(dǎo)致癲癇發(fā)作[21]。因此線粒體功能障礙引起鈣泵活動障礙神經(jīng)細胞鈣平衡與腦內(nèi)興奮-抑制平衡被打破，使大腦神經(jīng)元興奮性增強而誘發(fā)癲癇。在治療上抑制谷氨酸水平的升高增加大腦抑制性神經(jīng)遞質(zhì)水平，抑制鈣超載是治療癲癇的重要途徑。

4 線粒體的移動變化障礙與癲癇

線粒體的平均壽命10 d左右，線粒體在細胞內(nèi)不斷運動、分裂、融合、以及自噬以達到動態(tài)的平衡，線粒體移動變化可將受損傷線粒體逆行轉(zhuǎn)運至胞體被降解和回收,同時將正常線粒體順向運動至神經(jīng)元的作用部位而發(fā)揮功能。線粒體功能正常情況下,線粒體通過移動來使得其分布正常,而且不僅如此,其還能夠?qū)⒕€粒體移動到合適的位置來應(yīng)對其損傷[22]。當(dāng)線粒體移動變化障礙時，會導(dǎo)致線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙，氧化應(yīng)激損傷,線粒體的DNA發(fā)生突變,導(dǎo)致細胞內(nèi)堆積的大量變性蛋白質(zhì)和受損細胞器不能被降解，線粒體膜電位下降明顯,伴隨著線粒體通透性轉(zhuǎn)運增加,細胞色素C(Cytochrome C,Cyt C)和凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor，AIF)被釋放到細胞質(zhì)中誘導(dǎo)細胞凋亡,細胞凋亡促使神經(jīng)元對于癲癇損傷更加敏感，增加了癲癇的易感性，這會導(dǎo)致惡性循環(huán)的形成，因此,對受損的線粒體進行及時的清除非常重要。此外相關(guān)性研究還證實了線粒體自噬與難治性顳葉癲癇、海馬硬化相關(guān)[23]。

5 線粒體遺傳物質(zhì)突變與癲癇

線粒體是細胞內(nèi)唯一存在于細胞核外又帶有遺傳物質(zhì)的細胞器，與核基因不同，線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)結(jié)構(gòu)簡單，僅含16569個堿基，編碼2種核糖體RNA(ribosomal RNA,rRNA)、22種轉(zhuǎn)運RNA(Transfer Ribonucleic Acid，tRNA)和13種參與呼吸鏈形成的多肽，通常裸露且不含內(nèi)含子，既缺乏組蛋白保護和完善的自我修復(fù)系統(tǒng)，又靠近內(nèi)膜呼吸鏈，極易受環(huán)境影響，突變頻率比核基因組高10～20倍，呈母系遺傳[24]。線粒體DNA的突變可導(dǎo)致線粒體功能缺陷，線粒體DNA只有過度復(fù)制產(chǎn)生數(shù)量驚人的拷貝才能補償此缺陷[25]，此外，線粒體病有累加效應(yīng)，有隨著年齡的增加病情會越來越嚴重。已有大量的研究證實線粒體基因突變與許多疾病相關(guān)[26]，目前發(fā)現(xiàn)的有100余種，與癲癇密切相關(guān)的主要有Leber遺傳性視神經(jīng)病變(Leber's hereditary optic neuropathy,LHON)、肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維(myoclonic epilepsy with ragged red fibers,MERRF)綜合征、線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)、Leigh綜合征、POLG(聚合酶)突變相關(guān)綜合征[27,28]。線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)發(fā)生突變，造成線粒體功能障礙或缺失，機體能量供應(yīng)不足，致使疾病的發(fā)生，尤其易累及能量需求較大的腦組織而出現(xiàn)癲癇發(fā)作。反之，反復(fù)或持續(xù)的癲癇發(fā)作引起的氧化應(yīng)激使線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)暴露于高活性氧的環(huán)境中，使其更容易被攻擊受損而出現(xiàn)核酸鏈斷裂或堿基改變[29]，此外腦創(chuàng)傷性損傷后引起的線粒體遺傳物質(zhì)突變與癲癇也有相關(guān)性[30]。目前隨著醫(yī)學(xué)基因診斷技術(shù)的發(fā)展，通過新一代測序技術(shù)和全外顯子測序技術(shù)對成千上萬的患者的基因組進行測序研究將大大提高對線粒體遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致的癲癇的診斷率，同時，也揭示了大量新的突變位點和先前未知的遺傳和致病機制[31]。與線粒體功能障礙相關(guān)的基因突變相繼也被報道與癲癇易感相關(guān)，肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維(myoclonic epilepsy with ragged red fibers,MERRF)綜合征、線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)由于線粒體tRNA基因突變所致[32,33]；一個新的純合子c.925G>A(G309S)錯義突變的基因FARS2可被認為是早發(fā)性癲癇性腦病(Early onset epileptic encephalopathies，EOEE)的遺傳原因之一[34]。也有學(xué)者在癲癇患者中發(fā)現(xiàn)了線粒體編碼多肽基因的突變，包括ATP酶6基因、細胞色素C氧化酶Ⅲ基因,和NDⅠ基因[35]。其它mtDNA的突變主要位于賴氨酸(Lysin)、絲氨酸(Ser)、亮氨酸(Leucin)、異亮氨酸(isoleucin)或半胱氨酸(cystein)的tRNA上，均與癲癇表型有關(guān)[36]。癲癇可引起線粒體編碼的細胞色素氧化酶Ⅰ亞基和蛋白水平的表達改變，而核基因編碼的細胞色素氧化酶Ⅳ亞基改變不明顯，說明癲癇可導(dǎo)致線粒體功能紊亂，線粒體編碼的基因更易受癇性發(fā)作的影響。

目前對于線粒體遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致的癲癇的治療主要就是各種維生素、輔酶因子、運動飲食療法(生酮飲食)、對癥治療[37]，但效果并不理想。近年來，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，推動了線粒體病的基因治療研究，給患者帶來了新的希望。如運用基因組編輯技術(shù)通過突變修復(fù)方法修復(fù)線粒體突變基因；運用人工生殖技術(shù)通過生殖系基因治療將線粒體DNA和核DNA的遺傳進行分離，大大降低了患病母親子代發(fā)生線粒體遺傳物質(zhì)突變的幾率[38]；以及運用腺病毒作為載體通過基因異位表達的方法來達到治療目的等。但到目前為止，基因療法還處于臨床試驗和動物模型階段，真正運用于臨床還需大量嚴謹?shù)呐R床試驗來證明其有效性。

6 結(jié) 論

癲癇與線粒體功能障礙之間有一個復(fù)雜的關(guān)系，線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙導(dǎo)致三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)生成減少，三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)耗竭導(dǎo)致神經(jīng)元細胞極易發(fā)生去極化而興奮，從而導(dǎo)致癲癇發(fā)作。而癲癇發(fā)作的過程本身又有著巨大的能量需求，二者相互影響，加劇病情變化，導(dǎo)致癲癇持續(xù)狀態(tài)難以控制，產(chǎn)生持續(xù)腦損傷并導(dǎo)致慢性癲癇的形成；線粒體氧化應(yīng)激損傷增加癲癇易感性，加重癲癇造成的神經(jīng)損傷；谷氨酸增加與鈣超載引起鈣泵活動障礙神經(jīng)細胞鈣平衡與腦內(nèi)興奮-抑制平衡被打破，使大腦神經(jīng)元興奮性增強而誘發(fā)癲癇；線粒體遺傳物質(zhì)突變，突變的累積效應(yīng)使線粒體基因編碼的蛋白和受體功能障礙導(dǎo)致線粒體功能障礙，線粒體編碼的基因更易受癇性發(fā)作的影響。

7 展 望

從線粒體功能障礙去探討癲癇形成將從一個全新的角度來探討癲癇的發(fā)病機制 。在癲癇發(fā)病機制中，探討線粒體各相關(guān)的結(jié)構(gòu)功能障礙和分子機制紊亂以及線粒體遺傳物質(zhì)的變化，有助于我們進一步揭示線粒體功能障礙在癲癇形成機制的作用，為今后尋求新的抗癲癇藥物研發(fā)靶點提供理論依據(jù)。