自噬與線粒體功能障礙在帕金森病進展中的作用

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一種嚴重危害中老年人健康,以黑質-紋狀體多巴胺能神經(jīng)元進行性丟失為主要病理特征的一類神經(jīng)退行性疾病。PD病人主要表現(xiàn)為運動遲緩、姿勢不穩(wěn)、靜止性震顫和肌肉僵硬等癥狀，有的病人還伴有不同程度的抑郁癥狀、言語不清、癡呆或生活不能自理[1]。在我國65歲以上人群中PD的發(fā)病率約2%,占世界PD病人總數(shù)的40%以上,且有逐年增高的趨勢,預計未來10年內我國罹患PD的人數(shù)將占全球病人總數(shù)的60%以上,給國家和家庭帶來更加沉重的負擔。PD主要與黑質致密部多巴胺能神經(jīng)元的漸進性變性壞死以及由α-突觸核蛋白構成的被稱為路易小體的神經(jīng)炎性物質在黑質多巴胺神經(jīng)元內的聚集密切相關[2]。盡管導致多巴胺能神經(jīng)元變性壞死的機制尚不清楚,但包括蛋白質積聚、泛素-蛋白酶體通路受損、氧化應激、自噬與線粒體功能失調以及神經(jīng)炎癥等在內的多種因素已被證實與PD的發(fā)病機制密切相關。在臨床上,大多數(shù)PD病人都是散發(fā)的,且與PD發(fā)病機制相關的常染色體顯性和隱性基因突變的遺傳家系在過去的研究中已被證實。此外，環(huán)境因素也可能直接或間接對線粒體功能產(chǎn)生調控作用。

自噬是將功能失調的細胞器、錯誤折疊的蛋白質、多余或不必要的細胞質內容物運送到溶酶體來降解的細胞分解代謝過程,是真核生物所特有的生命現(xiàn)象,對于維持細胞的正常功能具有重要意義[3]。線粒體自噬為自噬線粒體選擇性清除受損線粒體的唯一途徑,可通過減少呼吸活動和降低膜電位來維持線粒體完整性,從而減少活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生,以保證細胞內線粒體能夠正常發(fā)揮作用。越來越多的證據(jù)表明，自噬缺陷參與了PD的發(fā)病過程。線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為ROS的過度產(chǎn)生、三磷酸腺苷(ATP)合成障礙、線粒體DNA(mtDNA)耗竭、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)釋放以及電子傳遞復合體(ETC)的缺陷等[4]。與PD相關的基因主要包括:(1)SNCA基因,其編碼的α-突觸核蛋白為路易小體的主要組成部分[5];(2)LRRK2基因,其編碼多域大蛋白物質,可導致超過10%的家族性和大約3%的散發(fā)性PD的發(fā)生[6];(3)PINK1和PARKIN基因,主要參與線粒體代謝的調節(jié)和細胞內線粒體質量和能量生成的維護,它們的突變體與早發(fā)型PD密切相關[7];(4)DJ-1基因,可與活性氧反應,并通過降低自身的等電點來消除活性氧的毒性作用,可導致約1%～2%常染色體隱性遺傳性PD的發(fā)生。本文將討論PD相關基因對自噬和線粒體功能調節(jié)的作用及其調節(jié)代謝途徑在PD進展中的作用,同時也將對環(huán)境因素在自噬與線粒體功能障礙中的影響進行初步探討。

1 PD相關基因參與細胞自噬和線粒體功能失調

1.1α-突觸核蛋白與SNCA基因α-突觸核蛋白由SNCA基因編碼,其功能多樣,可參與到突觸結構的維持、神經(jīng)可塑性以及多巴胺的攝取與調控等多方面,能夠與線粒體內膜結合,抑制線粒體復合體Ⅰ、Ⅸ的功能并增加自由基的釋放。α-突觸核蛋白可以通過與腺苷酸轉位作用或電壓依賴性陰離子通道來激活線粒體通透性轉換孔(mPTP),進而通過開放mPTP破壞線粒體的膜電位引發(fā)多巴胺神經(jīng)元的損傷[8]。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(abiquitin proteasome system,UPS)可以特異性降解細胞內突變、氧化損傷、錯誤折疊或有害的蛋白質。α-突觸核蛋白主要由UPS降解,UPS的功能缺陷可導致錯誤折疊的α-突觸核蛋白單體及寡聚體降解受阻、胞漿內路易小體形成及多巴胺神經(jīng)元變性壞死,而α-突觸核蛋白的過度聚集又可損害UPS功能,可見,α-突觸核蛋白的聚集和UPS功能缺陷互為因果,加速了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。過多的α-突觸核蛋白還可通過抑制Rab1進而干擾自噬小體的形成與降解。在PD病人死后的大腦組織研究中我們得知，α-突觸核蛋白的過度積聚激活了氧化應激并且干擾了線粒體的自噬功能,更重要的是無論在體內還是體外,α-突觸核蛋白的過度表達均可引起神經(jīng)元中線粒體的分裂和活性損傷,最終導致呼吸鏈功能的下降和神經(jīng)元的死亡[10]。α-突觸核蛋白的過表達可以通過細胞外信號調節(jié)激酶(ERK途徑)、誘導線粒體細胞色素C的釋放以及影響Caspase-9/-3活性顯著提高線粒體分裂蛋白DRP1的轉運，進而促進細胞凋亡[11]。相反,在體外抑制α-突觸核蛋白的過表達可阻止1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)誘導的線粒體分裂。

1.2 PINK1基因 PINK1是一種線粒體絲氨酸/蘇氨酸激酶蛋白,在整個大腦和大多數(shù)細胞類型中廣泛表達,已知PINK1 基因中有40多個突變體與PD的常染色體隱性遺傳密切相關。在生理條件下,PINK1不能作為標簽發(fā)揮作用,PINK1不斷的從胞漿輸入到線粒體中,在線粒體被最終降解。當線粒體損傷時,受損的線粒體膜電位阻斷了PINK1的線粒體輸入,導致其在外膜累積,成為受損線粒體的標簽;當PINK1在線粒體外膜累積時,可磷酸化外膜上的Parkin,磷酸化的Parkin與泛素結合后發(fā)生構象改變并被激活,活化Parkin泛素化電壓依賴性陰離子通道，融合蛋白Mfn1和Mfn2。這些線粒體泛素鏈可以與自噬受體相互作用,如OPTN(optineurin)和核點蛋白52,通過結合自噬體γ-氨基丁酸(GABA)A受體相關蛋白招募線粒體周圍的自噬體膜;最后,這些線粒體自噬體被運到溶酶體清除。PINK1作為Parkin的上游因子,可通過線粒體的去極化作用積聚在線粒體表面，并可募集 Parkin到線粒體的表面[12]。作為一種線粒體蛋白,PINK1在線粒體自噬、線粒體轉運、線粒體動力學和復合體I活性中扮演著重要角色。線粒體的去極化可誘導PINK1/Parkin與可募集驅動蛋白到線粒體表面的一種被稱為Miro的蛋白相互作用。PINK1磷酸化Miro蛋白來誘導依賴Parkin和蛋白酶體的Miro蛋白的降解,導致線粒體釋放驅動蛋白,進而抑制線粒體活性,這可能是線粒體自噬的起始步驟[13]。PINK1的缺乏可導致復合體I的缺陷及線粒體的裂解,降低細胞內Ca2+的處理能力,導致對應激損傷的敏感性增加。相關研究表明，PINK1蛋白具有神經(jīng)保護作用,未突變的野生型PINK1可保護SH-SY5Y細胞免受應激誘導的線粒體功能障礙和凋亡性細胞死亡[14]。PINK1在體內外的消耗被證明會加劇α-突觸核蛋白聚集誘導的毒性作用以及抑制蛋白酶體系統(tǒng)的降解。與之相反,在果蠅中恢復PINK1蛋白可以挽救α-突觸核蛋白誘導的病理表型,但是PINK1減輕α-突觸核蛋白毒性作用的機制仍不清楚[15]。最近的一項研究證明,PINK1還可以通過直接磷酸化自噬受體OPTN來促進線粒體自噬[16]。

1.3 PARKIN基因 PARKIN是第1個被發(fā)現(xiàn)的與常染色體隱性遺傳性少年型PD相關的隱性基因,含有E3連接酶,可通過其介導的蛋白質泛素化對多種細胞代謝過程進行調節(jié)。其基因產(chǎn)物Parkin是必不可少的神經(jīng)保護蛋白,在維持多巴胺能神經(jīng)元的正常功能中發(fā)揮重要作用。在嚙齒動物的大腦中，Parkin介導的GTP酶細胞分裂控制相關蛋白-1(CDCrel-1)的降解可誘導多巴胺神經(jīng)元變性[17]。Parkin介導的非降解信號通過泛素化底物K63或K48連接的泛素鏈導致PD發(fā)生,其另一個底物為PARIS(鋅指蛋白746),是過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1,PGC-1α)的最主要抑制因素。Parkin可通過泛素化作用調控PARIS的表達水平,間斷性影響PGC-1α水平來調節(jié)線粒體生物合成[18]。研究表明,在α-突觸核蛋白毒性、泛素-蛋白酶體系統(tǒng)功能障礙、Pael-R(Parkin的底物之一)的積累和Kainite(鉀鹽鎂礬,一種含有重鹽水合硫酸鎂和氯化鉀的白色礦物質)誘導的興奮性毒性等不同的細胞損傷模型中,Parkin的催化活性作用皆被證實具有神經(jīng)保護作用。在散發(fā)性PD病人中我們可以看到,由于氧化和硝酸化應激的損傷作用,經(jīng)過翻譯修飾后的Parkin失活,導致Parkin底物如氨酰基tRNA合成酶相互作用的多功能蛋白2(AIMP2)和遠端上游元件結合蛋白1(FBP1)過度積累,進而導致多巴胺能神經(jīng)元變性壞死[19 20]。

1.4 DJ-1基因 DJ-1是另一個與PD相關的基因,在大腦細胞質、線粒體和細胞核中作為同型二聚體廣泛表達,其錯意突變或缺失與常染色體隱性PD相關。DJ-1能夠與活性氧反應,通過降低自身的等電點來降低ROS對細胞的損傷作用,亦可通過促進合成還原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH)發(fā)揮抗氧化作用。DJ-1基因可與復合物I相互作用,減少線粒體依賴性氧化應激的產(chǎn)生,通過維持線粒體的完整性來發(fā)揮細胞保護作用,其缺失可致線粒體出現(xiàn)膜電位降低、碎片增加和自噬標志物的積累等病態(tài)化表現(xiàn)。在經(jīng)過半胱氨酸C106的氧化、賴氨酸K130的泛素化和半胱氨酸殘基C46、C53以及C106的亞烷基化反應的翻譯修飾后，DJ-1的保護作用才得以形成,尤其是C106殘基的硝基化反應,可使NO基團轉移到磷酸酶和張力蛋白同源物(PTEN)上,降低磷酸酶活性,從而有助于神經(jīng)元的存活[21]。此外,包括α-突觸核蛋白聚集和控制、SOD1的激活、對轉錄調節(jié)因子P53、轉錄因子NF-E2相關因子2、蛋白質相關剪接因子(PSF)166的調節(jié)等在內的多種因素亦可對DJ-1的功能產(chǎn)生重要影響[22-23]。在氧化應激損傷反應過程中,DJ-1與PINK1/Parkin對線粒體起同等重要的保護作用,除通過抗氧化損傷的機制參與PD的病理過程外,最近的研究表明DJ-1可通過影響Parkin以及α-突觸核蛋白參與PD的發(fā)病[24]。

1.5 LRRK2(PARK8)基因 LRRK2是含有一個催化中心的多結構域蛋白,由Ras復合物、GTPase蛋白質結構域、Roc結構域和激酶結構域組成。在已知的LRRK2突變體中，以激酶結構域中的G2019S突變體最多見。LRRK2基因的G2019S突變造成了5%～6%的常染色體遺傳性PD以及近1%的沒有已知家族史的散發(fā)性PD[25]。LRRK2 G2019S可通過解偶聯(lián)蛋白水平來使線粒體的膜電位去極化,使其對MPP+損傷的敏感性增加,進而導致線粒體功能異常。LRRK2 G2019S亦可通過磷酸化DIP1加速線粒體的分裂,導致線粒體的片段化來損傷線粒體功能。Tau是一種微管相關蛋白,主要表達于中樞神經(jīng)系統(tǒng),可通過調節(jié)微管蛋白的裝配和微管穩(wěn)定性來調節(jié)軸突生長和軸突運輸,因此Tau蛋白的正常功能對于神經(jīng)元的可塑性和記憶鞏固至關重要。LRRK2通過GSK-3β或Ste20激酶直接或間接磷酸化Tau蛋白,或直接使β-微管亞單位磷酸化影響微管的穩(wěn)定,加速神經(jīng)元的變性[26]。

2 環(huán)境因素與自噬和線粒體功能障礙

除上述提及的基因遺傳因素外,PD的發(fā)生與環(huán)境因素密切相關。與之相關的環(huán)境因素主要包括1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)、6-OHDA以及除草劑、魚藤酮、百草枯和含氯殺蟲劑等。MPTP的毒性作用主要由其毒性代謝產(chǎn)物MPP+引起的。積聚在線粒體內的MPP+可通過抑制復合體I活性來干擾電子傳遞鏈,并導致ATP合成障礙和活性氧的產(chǎn)生。魚藤酮和百草枯的結構模型與MPTP相似,并且研究表明這兩種藥物不僅可以損傷多巴胺能神經(jīng)元,也可以通過抑制復合體I活性造成活性氧產(chǎn)生增多來誘導PD的發(fā)生。ROS的產(chǎn)生可損傷復合體Ⅰ和復合體Ⅲ,使線粒體和細胞質中的蛋白質發(fā)生氧化,導致線粒體功能障礙[27-28]。同時氧化應激損傷了UPS,可導致線粒體的損傷和錯誤折疊的蛋白質的累積[25]。線粒體呼吸鏈是6-OHDA的直接作用靶位,6-OHDA可通過抑制線粒體復合體I而產(chǎn)生氧自由基,使線粒體膜失去濾過控制，造成線粒體失能,從而誘導自噬過度活躍,CathepsinB表達增加,Bcl-2表達下降,促進線粒體膜電位下降,形成惡性循環(huán),最終導致細胞死亡。有研究表明H2S與自噬也具有一定的相關性,硫化氫(H2S)可通過下調HIF-1α蛋白表達和轉錄活性介導神經(jīng)細胞自噬抑制,但具體機制目前有待進一步探究。

3 總結與展望

自噬活性和線粒體穩(wěn)態(tài)在PD的發(fā)病機制中扮演著重要角色,目前仍未發(fā)現(xiàn)有效的治療方法來阻止PD病人多巴胺能神經(jīng)元的進行性丟失。更好地理解自噬和線粒體功能障礙之間的分子相互作用,可為PD的預防和改善提供新的治療方案。此外,在PD的發(fā)病機制中,特別是在識別多種神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機制的共同分子通路以及自噬和線粒體功能障礙之間的詳細分子相互作用方面仍存在著巨大挑戰(zhàn),需進一步的研究以闡明其機制。