線粒體功能障礙與帕金森病

柳毅剛，姜嘟嘟，靳令經(jīng)

1. 同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，上海 200065 2. 上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬第七人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，上海 200137

帕金森病是一種常見的慢性漸進(jìn)性神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其病理特征為中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的缺失。然而，目前多巴胺能神經(jīng)元缺失的分子機(jī)制仍不明確。

氧化應(yīng)激反應(yīng)被認(rèn)為在多巴胺能神經(jīng)元神經(jīng)毒性中發(fā)揮著重要的作用[1]。環(huán)境因素及遺傳因素如神經(jīng)毒素、農(nóng)藥、殺蟲劑以及與帕金森病相關(guān)蛋白的基因突變等，都會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙[2]，繼而促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)；而線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ缺陷是導(dǎo)致帕金森病患者腦中大部分神經(jīng)元變性的主要原因[3]。

1 線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激是帕金森病最顯著的病理生理特征

線粒體功能障礙與活性氧生成增加密切相關(guān)[4]。活性氧（包括O2－、H2O2、HO2－、–OH等）在生物體中不斷產(chǎn)生，其必須與抗氧化系統(tǒng)之間保持平衡才能維持氧化還原反應(yīng)的平衡。如果過量的活性氧與抗氧化系統(tǒng)之間發(fā)生不平衡，就會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而引起氧化損傷。腦內(nèi)過量的活性氧會(huì)導(dǎo)致核酸崩解和脂質(zhì)過氧化等反應(yīng)，引起細(xì)胞功能障礙，最終可導(dǎo)致細(xì)胞死亡和神經(jīng)元丟失。無論是家族性還是散發(fā)性帕金森病，氧化應(yīng)激反應(yīng)都被認(rèn)為是其共同的發(fā)病機(jī)制。

絕大多數(shù)的活性氧在線粒體中產(chǎn)生。作為主要的能量生成和細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生的源泉，線粒體對(duì)于腦內(nèi)神經(jīng)元的功能和存活具有重要作用。氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生活性氧之后，線粒體及細(xì)胞質(zhì)中的超氧化物歧化酶和谷胱甘肽及其相關(guān)酶能將活性氧催化成二價(jià)氧和水，以避免對(duì)細(xì)胞造成損傷。

過量的活性氧可導(dǎo)致線粒體呼吸鏈合成腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）障礙，并將活性氧泄入細(xì)胞質(zhì)中[5]?；钚匝醯倪^量產(chǎn)生抑制了線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ，復(fù)合體Ⅰ受到抑制又反過來促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生。線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ缺陷是導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)中細(xì)胞凋亡的主要原因，也被認(rèn)為是引起帕金森病患者體內(nèi)活性氧產(chǎn)生過量的主要原因之一。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，散發(fā)性帕金森病患者大腦黑質(zhì)區(qū)域中線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ的活性減退[6]?；钚匝踹€可以使蛋白質(zhì)發(fā)生錯(cuò)誤折疊，而蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊和蛋白質(zhì)分解系統(tǒng)的功能障礙在帕金森病的神經(jīng)退化過程中起重要作用[7]。線粒體功能障礙促進(jìn)了氧化應(yīng)激反應(yīng)、衰老以及神經(jīng)退行性改變[8]。目前，線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激被認(rèn)為是帕金森病最顯著的病理生理特征[9]。

2 線粒體功能障礙的常見原因

2.1 線粒體動(dòng)力學(xué)與氧化應(yīng)激

線粒體是一個(gè)動(dòng)態(tài)細(xì)胞器，持續(xù)地進(jìn)行聚合和分裂，這種動(dòng)力學(xué)變化對(duì)保持線粒體穩(wěn)定和功能十分重要。線粒體聚合可以交換線粒體內(nèi)的成分（如線粒體DNA）[10]，而線粒體分裂能夠隔離和消除不可逆損害的線粒體和線粒體內(nèi)容物[11]。

正常的線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)于保持線粒體完整性非常重要，線粒體動(dòng)力學(xué)的改變對(duì)線粒體功能的各個(gè)方面都有顯著影響，包括能量代謝、活性氧生成和細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)等[12]。線粒體分裂和聚合的平衡對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生理和病理?xiàng)l件非常敏感，如細(xì)胞內(nèi)離子平衡、代謝變化、氧化應(yīng)激狀態(tài)等。低水平的過氧化氫已被證明能夠通過調(diào)節(jié)分裂/聚合蛋白引起可逆的線粒體腫脹、碎裂和精細(xì)結(jié)構(gòu)的改變[13]；細(xì)胞內(nèi)持續(xù)的Ca2＋濃度增加引起的線粒體去極化也會(huì)導(dǎo)致大量的線粒體分裂；長期暴露在高糖環(huán)境下會(huì)引起活性氧生成增加[14]。

雖然線粒體動(dòng)力學(xué)介導(dǎo)的活性氧過量產(chǎn)生的詳細(xì)機(jī)制尚不清楚，但目前認(rèn)為可能涉及線粒體超微結(jié)構(gòu)和功能的缺陷?？傊?，線粒體聚合與分裂之間的動(dòng)態(tài)平衡可以通過氧化應(yīng)激反應(yīng)來發(fā)揮作用，其異常可以進(jìn)一步促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生。

2.2 線粒體DNA與氧化應(yīng)激

有研究[15]發(fā)現(xiàn)，線粒體DNA似乎參與了帕金森病的發(fā)病過程；線粒體DNA突變可以導(dǎo)致呼吸鏈電子傳遞鏈效率下降，減少ATP生成而增加活性氧生成，而活性氧生成的增加反過來又可以導(dǎo)致更多線粒體DNA突變的聚集；不斷增多的DNA突變和活性氧，進(jìn)一步引起線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。線粒體DNA編碼的復(fù)合體Ⅰ基因突變明顯增加帕金森病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[16]；由于黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元內(nèi)含有高水平的促氧化劑和低水平的抗氧化劑（還原型谷胱甘肽），因此其特別容易受到氧化應(yīng)激及其誘導(dǎo)的線粒體DNA突變的損害。在帕金森病患者的黑質(zhì)神經(jīng)元中已經(jīng)觀察到高水平的體細(xì)胞線粒體DNA突變[17]。線粒體DNA聚合酶γ突變的患者可以表現(xiàn)為類帕金森病樣癥狀或者特發(fā)性帕金森病[18]，這些都表明線粒體DNA突變是帕金森病的發(fā)病機(jī)制之一。

2.3 神經(jīng)毒素與氧化應(yīng)激

線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ抑制劑如1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP）、魚藤酮等神經(jīng)毒素對(duì)多巴胺能神經(jīng)元有選擇性細(xì)胞毒性。MPTP能通過抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ的活性而在人類和非人靈長類中引起類帕金森病樣癥狀[19]。MPTP透過血腦屏障被氧化成1-甲基-4-苯基吡啶離子（1-methyl-4-pehnylpyridine，MPP＋），MPP＋聚集在線粒體內(nèi)，抑制線粒體電子傳遞鏈，導(dǎo)致ATP生成減少、活性氧增加。因此，MPTP及其活性代謝產(chǎn)物MPP＋都被廣泛應(yīng)用于帕金森病的動(dòng)物模型和細(xì)胞模型[20]。在人骨髓神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞系和大鼠中腦多巴胺能神經(jīng)元中，MPP＋能夠促進(jìn)線粒體破碎，同時(shí)減少ATP生成。線粒體破碎加劇了MPP＋的毒性效應(yīng)，影響線粒體膜電位和活性氧的生成，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。另一方面，活性氧生成增加也會(huì)加劇MPP＋誘導(dǎo)的線粒體破碎，使MPP＋的毒性效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)[21]。

2.4 基因突變與氧化應(yīng)激

許多蛋白如α-synuclein、PARKIN和PINK1等的編碼基因突變都會(huì)引發(fā)與特發(fā)性帕金森病類似的家族性帕金森病[22]，這些基因都與線粒體功能和形態(tài)完整性相關(guān)。

α-synuclein聚集是家族性和散發(fā)性帕金森病的病理特征[16]。α-synuclein在多巴胺能神經(jīng)元中聚集會(huì)降低線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ的活性，增加活性氧的生成，并導(dǎo)致細(xì)胞死亡[23]。缺乏α-synuclein表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出對(duì)MPTP毒性的抵抗性增強(qiáng)，而α-synuclein過表達(dá)的小鼠則出現(xiàn)線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激反應(yīng)增加[24]。過表達(dá)的PARKIN、PINK1、DJ-1基因能夠部分挽救α-synuclein誘導(dǎo)的線粒體破裂。PARKIN和PINK1定位在線粒體上，其功能與線粒體的正常功能密切相關(guān)。PINK1是一種位于線粒體外膜的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[25]。PINK1聚集在受損線粒體外膜上，通過磷酸化作用將PARKIN轉(zhuǎn)移到功能障礙的線粒體上[26]。黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元需要通過PINK1抑制活性氧的生成來發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用。動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn)，PINK1缺乏可導(dǎo)致線粒體形態(tài)異常、黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失、線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ活性下降以及氧化應(yīng)激易感性增加[27]。這些缺陷能被過表達(dá)的PARKIN所改善和修復(fù)。由此表明，PINK1作為PARKIN的上游分子調(diào)控PARKIN的功能且兩者存在相互作用，這一通路可能具有調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的功能。人類PINK1基因突變可以導(dǎo)致線粒體缺陷和呼吸鏈異常[28]。發(fā)生PARKIN基因突變的人類，其線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ活性也存在缺陷[29]?？傊?，PINK1/PARKIN基因能夠直接影響線粒體動(dòng)力學(xué)。

3 應(yīng)用神經(jīng)營養(yǎng)因子以線粒體為靶點(diǎn)治療帕金森病的現(xiàn)狀和潛能

關(guān)于神經(jīng)營養(yǎng)因子對(duì)于線粒體的保護(hù)作用，目前已發(fā)表了一些相關(guān)研究的結(jié)果。在異氟烷誘導(dǎo)C57BL/6小鼠認(rèn)知障礙模型中，腹腔內(nèi)注射線粒體靶向性肽SS-31后，可以增強(qiáng)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）信號(hào)通路，逆轉(zhuǎn)線粒體功能障礙，改善認(rèn)知功能[30]。PEERI等[31]在人類運(yùn)動(dòng)改善代謝性疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可以增加BDNF的生成，進(jìn)而促進(jìn)線粒體生物合成，并通過加速自噬以清除受損線粒體。糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）的激活在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮重要作用。GIMéNEZ-CASSINA等[32]通過慢性抑制GSK-3的方式，促使BDNF分泌顯著增加，從而抵抗線粒體功能障礙的發(fā)生。在線粒體毒素 3-硝基丙酸（3-nitropropionic acid，3-NP）誘導(dǎo)亨廷頓病模型中，BDNF介導(dǎo)了對(duì)3-NP誘導(dǎo)的線粒體功能障礙的神經(jīng)保護(hù)作用。BDNF能夠抑制線粒體釋放凋亡蛋白、caspase-3激活和染色質(zhì)凝聚，還能降低線粒體促凋亡蛋白Bim的水平[33]。WU等[34]發(fā)現(xiàn)，BDNF通過激活一氧化氮（nitric oxide，NO）、硫氧還蛋白和B淋巴細(xì)胞瘤 2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來保護(hù)神經(jīng)元，抑制3-NP誘導(dǎo)的線粒體功能障礙。

在人 β 淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）1-42誘導(dǎo)SH-SY5Y細(xì)胞系阿爾茨海默病模型中，發(fā)現(xiàn)睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF）能夠顯著抑制Aβ1-42引起的線粒體功能障礙和絲裂原活化蛋白激酶的活化[35]。糖尿病周圍神經(jīng)病變患者的感覺神經(jīng)元出現(xiàn)線粒體功能障礙時(shí)，使用CNTF能使線粒體內(nèi)膜的極化狀態(tài)回歸正常，糾正寡霉素誘導(dǎo)的糖尿病神經(jīng)元軸突線粒體的異常超極化。CNTF靶向改善線粒體功能和細(xì)胞的能量代謝，以提高軸突再生和防止糖尿病纖維變性。SALEH等[36]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CNTF靶向改善糖尿病周圍神經(jīng)病變線粒體功能的方式為激活核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）和改善細(xì)胞的生物能學(xué)。

在麥芽酚鋁誘導(dǎo)的線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激神經(jīng)元損傷模型中，膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）能夠通過干擾線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡來阻止麥芽酚鋁誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡。與BDNF類似，GDNF也能夠抑制3-NP誘導(dǎo)的線粒體功能障礙導(dǎo)致的細(xì)胞死亡，從而保護(hù)紋狀體神經(jīng)元[37]。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，多種神經(jīng)營養(yǎng)因子均有助于多巴胺能神經(jīng)元存活。將GDNF注射入帕金森病恒河猴頸內(nèi)動(dòng)脈后，黑質(zhì)紋狀體系統(tǒng)功能恢復(fù)且運(yùn)動(dòng)癥狀有所改善，由此揭示GDNF既具有神經(jīng)保護(hù)作用，還具有促進(jìn)多巴胺能神經(jīng)元損傷后修復(fù)的作用[38-39]。繼GDNF、BDNF和神經(jīng)秩蛋白（neurturin，NRTN）之后，有研究發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量濃度（0.05～0.25 ng/mL）及中等質(zhì)量濃度（0.5～2.5 ng/mL）的中腦星形膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（mesencephalic astropcyte-derived neurotrophic factor，MANF）在保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元方面較GDNF和BDNF的選擇性更高，促進(jìn)多巴胺能神經(jīng)元修復(fù)的作用更強(qiáng)，有望成為帕金森病治療的新策略[40]。

4 小 結(jié)

綜上所述，帕金森病的發(fā)病機(jī)制主要與線粒體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能異常（線粒體能量代謝障礙、氧化應(yīng)激、神經(jīng)元興奮毒性、細(xì)胞凋亡）以及基因（α-synuclein、PINK1、PARKIN、DJ-1）突變等相關(guān)，盡管目前許多研究發(fā)現(xiàn)多種神經(jīng)營養(yǎng)因子在糖尿病、認(rèn)知障礙、缺血等模型中可以通過不同的作用機(jī)制和信號(hào)通路來改善線粒體功能障礙，但是現(xiàn)有的關(guān)于帕金森病治療的研究并未過多地關(guān)注于這一領(lǐng)域。

目前，帕金森病的治療仍然以補(bǔ)充多巴胺制劑為主，但是該治療并不能延緩帕金森病的自然進(jìn)程，且隨著病程的發(fā)展會(huì)出現(xiàn)療效減退以及異動(dòng)癥等不良反應(yīng)。目前已發(fā)現(xiàn)多種神經(jīng)營養(yǎng)因子具有改善線粒體功能、抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)的特性，因此通過使用神經(jīng)營養(yǎng)因子來改善線粒體功能有可能成為帕金森病治療的新策略。