阿爾茨海默病的線粒體損傷機(jī)制*

于 罡，劉 鑫，何 蔚

(贛南醫(yī)學(xué)院 1.2016級(jí)碩士研究生;2.2017級(jí)碩士研究生;3.藥理學(xué)教研室;4.江西省腦血管藥理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州 341000)

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD)臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性的認(rèn)知障礙及記憶力減退，進(jìn)而逐漸危害患者整個(gè)大腦的健康。AD患者腦中以兩種蛋白聚集為主要特征：淀粉樣蛋白形成的SP和tau蛋白異常磷酸化形成的NFTs[1]。SP主要包括神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和β-淀粉樣蛋白(Aβ)，Aβ有Aβ1-42和Aβ1-40兩種形式，由淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein，APP)在α、β、γ分泌酶的作用下被切割所形成；NFTs則是由神經(jīng)元內(nèi)的tau蛋白過度磷酸化形成的一種結(jié)構(gòu)。Aβ可誘導(dǎo)神經(jīng)元炎癥和氧化應(yīng)激，損害神經(jīng)細(xì)胞和組織，同時(shí)tau蛋白的異常病理狀態(tài)對(duì)神經(jīng)元的各種功能如物質(zhì)運(yùn)輸、自噬、信息交流等產(chǎn)生重要影響。有研究顯示過度沉積的Aβ和異常磷酸化tau蛋白可影響神經(jīng)元內(nèi)的線粒體功能[2-4]。線粒體在細(xì)胞中具有能量供應(yīng)、信息交流、抗氧化應(yīng)激等多種生理作用，為細(xì)胞各種生命活動(dòng)提供能量和安全保障，研究顯示線粒體損傷在AD發(fā)病機(jī)制中占有重要的地位[5]。AD患者的線粒體損傷可能主要涉及三個(gè)方面：線粒體動(dòng)力學(xué)、能量基礎(chǔ)代謝及軸突運(yùn)輸。在這篇綜述中我們將探討有關(guān)線粒體損傷在AD中的作用及機(jī)制。

1 線粒體動(dòng)力學(xué)與AD

1.1線粒體的分裂/融合蛋白線粒體是一個(gè)動(dòng)態(tài)細(xì)胞器，在分裂/融合蛋白調(diào)解下不斷發(fā)生變化。線粒體經(jīng)過數(shù)次分裂、融合即發(fā)生縮短、延伸的過程稱作線粒體分裂/融合周期或者是線粒體動(dòng)力學(xué)[6]。5種主要蛋白控制著線粒體分裂與融合：線粒體動(dòng)態(tài)相關(guān)蛋白1(Drp1)、Mfn1 and Mfn2、視神經(jīng)萎縮蛋白1(Opa1)、線粒體分裂蛋白1(Fis1)[7]。Drp1主要位于細(xì)胞質(zhì)中，少部分存在線粒體外膜。Drp1的功能是通過自組裝和自身GTP酶(GTPase)活性壓縮線粒體膜，使之分離[8]。Fis1介導(dǎo)線粒體分裂，在線粒體外模占主導(dǎo)地位，從細(xì)胞質(zhì)中募集Drp1到線粒體外模發(fā)揮作用[9]。Opa1、Mfn1和Mfn2分別介導(dǎo)線粒體內(nèi)外膜融合[10]。

1.2AD中Aβ與線粒體動(dòng)力學(xué)異常線粒體動(dòng)力學(xué)平衡是維持線粒體功能和形態(tài)正常的前提，Aβ沉積作為AD患者腦中的重要病理特征之一，可直接或間接地引起線粒體動(dòng)力學(xué)改變，而線粒體動(dòng)力學(xué)改變也是神經(jīng)退行疾病的主要原因之一[11-12]。有研究使用M17神經(jīng)母瘤細(xì)胞野生型和含APP蛋白過表達(dá)的瑞典突變體，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)線粒體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，線粒體形態(tài)從薄而細(xì)長(zhǎng)變?yōu)槠瑺詈忘c(diǎn)狀，而線粒體形態(tài)、結(jié)構(gòu)的改變反過來對(duì)細(xì)胞功能可產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)M17細(xì)胞中Aβ的過表達(dá)降低了Opa1的水平，增加了Drp1和Fis1水平[13]。對(duì)AD患者的腦皮質(zhì)樣本研究中顯示Drp1和Fis1的mRNA水平升高，融合蛋白Opa1, Mfn1和Mfn2的mRNA水平降低[14]。有研究者使用神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞經(jīng)Aβ25-35處理后，出現(xiàn)線粒體融合基因水平下調(diào)，而分裂基因水平上調(diào)[15]。也有研究發(fā)現(xiàn)Aβ沉積后誘導(dǎo)Mfn1和Mfn2水平下降，隨后線粒體發(fā)生分裂，線粒體動(dòng)力學(xué)出現(xiàn)異常，線粒體發(fā)生片段化[16]。在APP轉(zhuǎn)基因小鼠模型的腦皮質(zhì)中，免疫沉淀和免疫熒光實(shí)驗(yàn)表明，Aβ與Drp1相互作用，誘導(dǎo)線粒體分裂，抑制線粒體融合，破壞線粒體分裂/融合平衡[17]。Aβ亦可引起大量鈣離子通過載體蛋白進(jìn)入線粒體，激活CaMKII，上調(diào)蛋白激酶B(Akt)活性，從而使Drp1磷酸化后被激活，啟動(dòng)線粒體的分裂[18]。以上種種跡象表明Aβ作用于線粒體后，可引起線粒體分裂蛋白的表達(dá)增高，融合蛋白的表達(dá)降低，促使線粒體過度分裂，發(fā)生碎片化，進(jìn)而引起線粒體功能和結(jié)構(gòu)障礙，進(jìn)一步累及細(xì)胞的整體活力，導(dǎo)致神經(jīng)退行性變。

1.3AD中tau蛋白與線粒體動(dòng)力學(xué)異常Tau蛋白異常病理變化所引起的線粒體動(dòng)力障礙在AD發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。異常磷酸化的tau蛋白被caspase家族切割，并脫落、聚集、纏繞形成NFTs，被Asp421切割的tau可單獨(dú)誘導(dǎo)線粒體分裂，降低線粒體運(yùn)動(dòng)性，伴有線粒體長(zhǎng)度的縮短[19]。被caspase切割的tau在永生化的皮質(zhì)神經(jīng)元中的短暫表達(dá)可導(dǎo)致線粒體變圓潤，分裂成碎片狀[20]。Pérez M J等[21]將小鼠tau基因敲除后，使用含綠色熒光蛋白(GFP)標(biāo)記的不同形式tau的質(zhì)粒進(jìn)行轉(zhuǎn)染，研究發(fā)現(xiàn)表達(dá)截短tau的細(xì)胞出現(xiàn)Opa1水平明顯減低，線粒體發(fā)生片段化。而Manczak M等[22]用三重轉(zhuǎn)基因小鼠3xTg-AD(含有三種突變體APPswe，TauP301L和PS1M146V基因)和APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠的腦皮質(zhì)分解物進(jìn)行免疫沉淀反應(yīng)，顯示過磷酸化tau和Drp1之間存在顯著的共定位，這些研究結(jié)果在對(duì)皮質(zhì)和海馬的雙標(biāo)記免疫熒光實(shí)驗(yàn)中也得到證實(shí)。有最新報(bào)道顯示通過降低Drp1的表達(dá)可減少tau的過度磷酸化，減輕線粒體損傷，維持線粒體動(dòng)力學(xué)，提高線粒體的生物功能和突觸活動(dòng)[23]。值得注意的是，有研究發(fā)現(xiàn)tau基因的過表達(dá)可增加融合蛋白Opa1、Mfn1、Mfn2的水平，導(dǎo)致線粒體過度融合，累積，而這也會(huì)引起線粒體功能障礙[24]。綜上可知，線粒體動(dòng)力學(xué)是在分裂、融合蛋白的精準(zhǔn)調(diào)解下達(dá)到平衡，而過度的分裂或者融合，或者融合不足，都將會(huì)破壞這一平衡，致使線粒體結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。

2 線粒體生物能代謝與AD

2.1線粒體的生物能線粒體作為細(xì)胞中重要的細(xì)胞器，為細(xì)胞源源不斷提供能量和抗氧化劑，這對(duì)維持細(xì)胞活力和功能，預(yù)防AD的神經(jīng)元損傷至關(guān)重要[25]。在線粒體內(nèi)膜上存在復(fù)合體酶I(NADPH-泛醌)、Ⅱ(琥珀酸-泛醌還原酶)、Ⅲ(泛醌-Cytc還原酶)、Ⅳ(細(xì)胞色素C氧化酶)和Ⅴ(ATP合成酶)，氫和電子通過質(zhì)子濃度差逐級(jí)被復(fù)合體酶?jìng)鬟f到ATP酶復(fù)合體，并伴有復(fù)合體酶的氧化磷酸化，最終生成ATP。這一整套系統(tǒng)構(gòu)成了線粒體的電子呼吸鏈(electron transport chain，ETC)[26]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子-1α(PGC-1α)可誘導(dǎo)線粒體生物能發(fā)生，激活下游的不同轉(zhuǎn)錄因子，包括核呼吸因子1/2(NRF-1/NRF-2)，線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)，NRF-1/NRF-2可調(diào)節(jié)下游抗氧化基因的編碼、翻譯，增強(qiáng)細(xì)胞的抗氧化能力，TFAM則參與線粒體DNA(mtDNA)的轉(zhuǎn)錄激活，增加mtDNA的拷貝數(shù)[27]。當(dāng)線粒體生物能發(fā)生任何的一個(gè)環(huán)節(jié)受到破壞時(shí)，不僅ATP生成減少，影響細(xì)胞供能，而且會(huì)產(chǎn)生大量的ROS，細(xì)胞的抗氧化能力也會(huì)被削弱，引起氧化應(yīng)激。

2.2AD中Aβ和線粒體生物能代謝障礙有數(shù)據(jù)表明AD中的線粒體損傷是由Aβ直接影響線粒體的生物能量代謝所致[28]。在AD中Aβ可誘導(dǎo)ROS的大量產(chǎn)生，引起氧化應(yīng)激，在Aβ和ROS的雙重作用下可加重線粒體的ETC功能損傷[29]。ETC是ATP產(chǎn)生的核心，其組成的酶復(fù)合物系統(tǒng)(復(fù)合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)是ROS生成的來源。Aβ的沉積可直接破壞線粒體電子傳遞及降低復(fù)合酶活性，阻礙氧化磷酸化過程，導(dǎo)致ATP生成減少，ROS產(chǎn)生增多[30]。另外，Aβ可誘導(dǎo)線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)的開放，釋放Ca2+、細(xì)胞色素C(Cytochrome c，cytc)等促凋亡因子，使線粒體發(fā)生腫脹、分裂、破壞細(xì)胞的整體活力[31]。

另外，有研究報(bào)道細(xì)胞內(nèi)線粒體生成的ROS與Aβ的產(chǎn)生相互作用。Leuner等[32]使用呼吸抑制劑魚藤酮和抗霉素處理神經(jīng)元細(xì)胞，引起線粒體損傷，可增加ROS的水平，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Aβ的水平也在提高。通過抗氧化進(jìn)行處理，可防止線粒體功能障礙，降低Aβ在神經(jīng)元內(nèi)的生成水平。由此看來Aβ與ROS以線粒體為交叉點(diǎn)相互作用，形成惡性循環(huán)，加重線粒體破壞。

2.3AD中tau蛋白和線粒體生物能代謝障礙線粒體功能障礙是AD發(fā)病的基礎(chǔ)，包括線粒體形態(tài)改變、能量代謝活性下降及促凋亡蛋白的釋放。在AD老鼠大腦的不同區(qū)域表達(dá)病理tau蛋白可引起線粒體功能受損[33]。來自一種過表達(dá)tau蛋白突變體P301的pR5轉(zhuǎn)基因小鼠的腦樣本顯示線粒體復(fù)合酶活性降低，線粒體去極化、呼吸受損及ROS水平增高[34]。另外，有研究顯示3月齡的3xTg-AD小鼠的腦細(xì)胞線粒體出現(xiàn)損傷，線粒體呼吸和丙酮酸脫氫酶(PDH)活性降低，脂質(zhì)過氧化和過氧化氫產(chǎn)生增加，發(fā)生氧化應(yīng)激[35]。各種證據(jù)表明tau蛋白在AD發(fā)病過程中起著重要作用，在AD動(dòng)物模型中降低tau蛋白表達(dá)水平，可減弱神經(jīng)元損傷[36]。線粒體復(fù)合酶活性的降低可影響氧化磷酸化，ATP 生成減少，促進(jìn)tau蛋白的異常磷酸化，導(dǎo)致NFTs形成增加，而tau蛋白的異常磷酸化也可引起線粒體功能損傷，破壞電子呼吸鏈，ROS生成增加，二者互為因果，最終可引起神經(jīng)退行性變[37-38]。

3 線粒體軸突轉(zhuǎn)運(yùn)與AD

3.1線粒體的軸突運(yùn)輸在細(xì)胞中有兩種軸突運(yùn)輸類型：緩慢型和快速型，前者主要轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞骨架蛋白，后者主要運(yùn)輸膜性細(xì)胞器，包括囊泡和線粒體。分子由胞體向神經(jīng)末梢經(jīng)微管運(yùn)輸?shù)姆绞椒Q為順向運(yùn)輸，反之稱為逆向運(yùn)輸[39-40]。線粒體在軸突中的運(yùn)動(dòng)是借助微管、微絲和銜接蛋白作為轉(zhuǎn)運(yùn)軌道發(fā)揮作用。線粒體順向運(yùn)輸通過驅(qū)動(dòng)蛋白-1(Kinesin-1家族，統(tǒng)稱為KIF5)介導(dǎo)進(jìn)行，指導(dǎo)線粒體由負(fù)端向正端運(yùn)動(dòng)。線粒體逆向運(yùn)輸則由動(dòng)力蛋白(Dynein)所介導(dǎo)，牽引線粒體由微管正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)[41-42]。KIF5和Dynein稱為線粒體在神經(jīng)元中的馬達(dá)蛋白，在神經(jīng)元胞漿中，線粒體需要借助銜接蛋白(如syntabulin、milton、miro等)連接到相應(yīng)的馬達(dá)蛋白上，馬達(dá)蛋白再與軌道相連，利用水解ATP提供驅(qū)動(dòng)力，使線粒體沿軌道轉(zhuǎn)運(yùn)，在細(xì)胞中執(zhí)行相應(yīng)的功能[43]。

3.2AD中線粒體的軸突運(yùn)輸缺陷有效的軸突運(yùn)輸對(duì)維持正常的突觸線粒體密度和突觸活動(dòng)至關(guān)重要，軸突運(yùn)輸受損在AD的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用[44]。Tau蛋白在軸突中參與調(diào)節(jié)微管的動(dòng)力學(xué)、神經(jīng)元極性及軸突穩(wěn)定性，輔助細(xì)胞器在轉(zhuǎn)運(yùn)軌道上運(yùn)動(dòng)。對(duì)來自不同AD動(dòng)物模型的神經(jīng)元研究顯示線粒體數(shù)目減少，其中一些結(jié)果表明Aβ沉積和絲狀tau蛋白聚集后引起軸突腫脹及轉(zhuǎn)運(yùn)障礙[45-46]。Calkins等[47]研究者用Aβ處理小鼠海馬神經(jīng)元觀察到線粒體順向轉(zhuǎn)運(yùn)功能明顯下降，發(fā)現(xiàn)Aβ處理組線粒體長(zhǎng)度縮短，突觸素(突觸前蛋白)的表達(dá)降低，表明Aβ可能通過引起線粒體數(shù)目或使線粒體順向轉(zhuǎn)運(yùn)功能下降影響突觸發(fā)育，導(dǎo)致學(xué)習(xí)、記憶障礙。更有研究表明Aβ寡聚體的進(jìn)行性積累影響線粒體形態(tài)學(xué)，降低線粒體順向運(yùn)輸，引起突觸傳遞障礙[48]。

另一項(xiàng)關(guān)于野生型和tau蛋白基因缺陷的鼠海馬神經(jīng)元的對(duì)比研究顯示在野生型組中，暴露于Aβ的神經(jīng)元，線粒體和神經(jīng)營養(yǎng)因子受體TrkA在軸突中的移動(dòng)受到抑制，尤其是順向轉(zhuǎn)運(yùn)，而在tau蛋白缺陷組這些抑制作用明顯改善[49]。另有文獻(xiàn)報(bào)道來自表達(dá)hAPP的AD轉(zhuǎn)基因小鼠的原代神經(jīng)元顯示線粒體軸突運(yùn)輸功能缺陷，而通過遺傳消融或產(chǎn)后敲除降低tau蛋白的表達(dá)，可阻止神經(jīng)元中的線粒體的軸突轉(zhuǎn)運(yùn)障礙[50]。這也說明tau蛋白水平在Aβ存在的軸突運(yùn)輸中至關(guān)重要，Aβ可能需要通過tau破壞軸突轉(zhuǎn)運(yùn)，而tau蛋白的減少則防止了Aβ所誘導(dǎo)的軸突運(yùn)輸障礙。過度積聚的Aβ和異常形式的tau蛋白均可破壞線粒體軸突轉(zhuǎn)運(yùn)，影響營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和神經(jīng)突觸的信息交流，這可能是引起學(xué)習(xí)、記憶障礙的主要原因。

4 總 結(jié)

線粒體損傷在AD的發(fā)病中起著重要作用，tau蛋白和Aβ與AD密切相關(guān)，它們參與了線粒體損傷的形成，了解線粒體損傷機(jī)制對(duì)于防治AD具有重要意義(圖1)。線粒體動(dòng)力學(xué)改變即分裂/融合平衡被打破，線粒體功能和細(xì)胞整體活力會(huì)受到破壞，而生物能量代謝受損，將會(huì)影響線粒體抗氧化能力，無法為細(xì)胞提供足夠的能量供應(yīng)，線粒體軸突運(yùn)輸缺陷將會(huì)影響突觸間的信息傳遞和信息交流，導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶發(fā)生障礙。相關(guān)基礎(chǔ)研究提示線粒體損傷發(fā)生在AD發(fā)病的早期，因此，通過改善線粒體動(dòng)力學(xué)、生物能代謝和軸突運(yùn)輸可作為神經(jīng)退行性病變?cè)缙诟深A(yù)治療的有效手段之一，這也為今后AD藥物靶點(diǎn)的研發(fā)提供新的思路。

圖1 阿爾茨海默病的線粒體損傷機(jī)制