TDP-43在帕金森病發(fā)病機制中作用的研究進展

侯曉祎，巴智勝，朱麗，羅勇

(1.遵義醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院 a.神經(jīng)內(nèi)科，b.藥物臨床試驗機構辦公室，c.神經(jīng)內(nèi)科,貴州 遵義 563000；2.遵義醫(yī)科大學醫(yī)學與科技學院，貴州 遵義 563000)

帕金森病(Parkinson′s Disease，PD)是一種中老年人群中常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，以靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢平衡障礙為主要特征。PD在60歲以上人群中的發(fā)病率約為1.7%，僅次于阿爾茨海默病[1]。隨著人口老齡化進展，PD發(fā)病率呈逐年升高趨勢。由于PD的病因尚存在爭議，診斷標準繁瑣，無法在PD早期階段做出準確的診斷，故很多患者錯過最佳的治療時期。而后期階段運動障礙進行性加重，認知障礙及多種并發(fā)癥的出現(xiàn)亦給PD的治療造成很大的臨床挑戰(zhàn)。目前PD的治療手段有限，無論是近年出現(xiàn)的物理療法、手術療法、康復療法以及基因療法還是臨床最常用的左旋多巴藥物替代療法對PD的療效均只局限于暫時緩解癥狀，不能有效減緩病程的進展[2]。因此，探尋治療PD的新靶點成為近年的研究熱點。

關于PD的發(fā)病機制尚未完全明確，α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-Syn)異常聚集、神經(jīng)炎癥、自噬、Tau的過度磷酸化及線粒體功能障礙等機制均被提及，其中α-Syn異常聚集形成路易小體(Lewy′s body，LB)被認為是PD的最主要發(fā)病機制[3-4]。然而Kokoulina和Rohn[5]通過對死亡PD患者的研究發(fā)現(xiàn)，其腦切片中LB的主要成分為TAR DNA結合蛋白43(TAR DNA-binding protein 43，TDP-43)。有報道指出，PD患者中存在TDP-43蛋白的編碼基因(TAR DNA-binding protein gene,TARDBP)突變[6]。提示TDP-43可能是除α-Syn外與PD發(fā)病相關的另一種蛋白質(zhì)，在PD復雜發(fā)病機制中扮演重要角色?，F(xiàn)就TDP-43在PD發(fā)病機制中的作用予以綜述。

1 TDP-43概述

1.1TDP-43的結構和功能 TDP-43是一種由定位于人類第1號染色體Chrlp36.2的TARDBP基因編碼的DNA和RNA結合蛋白，包含414個氨基酸，分子量約為43 000。TDP-43的一級結構特點為C端包含甘氨酸富集區(qū)，可介導蛋白質(zhì)之間的相互作用，使其結合DNA、RNA和蛋白質(zhì)。N端包含核定位信號、核轉移信號以及3個潛在的胱天蛋白酶(caspase)識別點。其特點為可與TDP-43蛋白分子結合，該功能與TDP-43在胞內(nèi)形成同源二聚體有關。在某些應激刺激下，caspase作用于N端的caspase識別點后裂解TDP-43形成分子量為25 000的TDP-43片段，后者的異位表達導致細胞內(nèi)TDP-43包涵體形成，產(chǎn)生細胞毒性[7]。TDP-43具有廣泛的生理功能，參與“RNA代謝”的整個生命周期，包括RNA的剪接、RNA的轉運、維持信使RNA(messenger RNA,mRNA)穩(wěn)定性、微RNA的加工以及參與應激顆粒的組成[8]。

1.2TDP-43的病理改變 TDP-43在嚙齒動物和人類組織中均有分布，在脊髓和大腦中以mRNA和蛋白質(zhì)形式廣泛表達[9]。生理性TDP-43主要分布在細胞核，少量出現(xiàn)在核周胞質(zhì)，其表達受到定位信號和轉移信號的調(diào)控并易受到機體生理狀態(tài)的影響。在疾病和應激狀態(tài)下，TDP-43可表現(xiàn)為核內(nèi)包涵體、胞質(zhì)聚集體、核周深染、胞質(zhì)彌漫著色等一系列病理形態(tài)改變。病理性TDP-43可由TARDBP基因突變、磷酸化、泛素化以及N端截短等修飾過程所致。與生理結構相比，其狀態(tài)不穩(wěn)定更易聚集。異常的TDP-43水平和定位對神經(jīng)元有毒性[10]，并損害多種細胞過程，包括軸突運輸[11]、線粒體功能[12]和RNA代謝[13]。有研究者認為，升高神經(jīng)元細胞中的TDP-43水平便會導致神經(jīng)毒性反應[10]。然而有研究者提出不同的觀點，認為破壞TDP-43介導的RNA代謝可能會極大地損傷神經(jīng)元功能導致神經(jīng)元丟失[14]。盡管目前TDP-43的神經(jīng)毒性機制尚不清楚，但越來越多的神經(jīng)退行性疾病中檢測到病理性TDP-43，如PD、關島-帕金森綜合征、皮質(zhì)基底節(jié)變性、阿爾茨海默病以及海馬硬化癥等[5,15]。已有實驗數(shù)據(jù)證實，caspase剪切的TDP-43是PD中LB的主要成分，提示TDP-43與PD發(fā)病之間存在一定的聯(lián)系[5]。

2 TDP-43與PD的關系

TARDBP基因的遺傳突變是家族性和散發(fā)性肌萎縮側索硬化癥的病因。但近年來關于TARDBP基因突變存在于其他神經(jīng)退行性疾病中的報道逐漸出現(xiàn)。Quadri等[6]對撒丁島人群調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，TARDBP(c.G1144A；p.A382T)基因突變患者可表現(xiàn)為PD樣癥狀。TARDBP(p.A382T)基因突變導致臨床表現(xiàn)為PD的患者占撒丁島家族性和散發(fā)性肌萎縮側索硬化癥患者的30%以上。而327例撒丁島PD患者中8例(2.5%)p.A382T基因攜帶者均被診斷為典型的遲發(fā)性PD。因此，TARDBP基因突變是否與PD發(fā)病存在直接的關系值得進一步探究。Gagliardi等[16]在意大利南部的散發(fā)性PD患者中首次檢測出TARDBP(p.N267S)基因突變。Rayaprolu等[17]對692例美國PD患者進行TARDBP基因的篩查，在家族性PD患者中亦檢測到TARDBP(p.N267S)基因突變。這些發(fā)現(xiàn)為TARDBP基因突變可導致PD發(fā)病提供了新的依據(jù)，提示TARDBP基因突變與PD發(fā)病之間可能存在聯(lián)系。目前尚無病理學研究證實，PD患者的大腦中存在LB及TDP-43陽性包涵體。由此，能否找到TDP-43病理學存在于PD患者大腦中的證據(jù)成為驗證兩者關系的關鍵。caspase剪切TDP-43的C端形成分子量為25 000的TDP-43片段，其異位表達易形成不溶性包涵體，產(chǎn)生細胞毒性。Kokoulina和Rohn[5]將TDP半胱天冬酶裂解產(chǎn)物抗體(TDP caspase cleavage product antibody，TDPccp)應用于PD患者死后的腦切片定位。結果顯示，所有定位的腦切片中LB內(nèi)均存在caspase剪切的分子量為25 000的TDP-43片段。該發(fā)現(xiàn)為TDP-43與PD之間存在相關性提供了重要依據(jù)。然而，多數(shù)研究認為PD患者黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元缺失與LB內(nèi)α-Syn包涵體相關。為進一步驗證LB內(nèi)主要成分包含TDP-43，Kokoulina和Rohn[5]利用TDPccp與α-Syn抗體同時定位于PD患者腦切片發(fā)現(xiàn)，TDPccp檢測到的LB數(shù)量較 α-Syn 抗體更多，且半定量分析顯示caspase剪切的TDP-43標記LB的百分比約為α-Syn標記百分比的2倍(分別為34.6%和17.6%)。這些數(shù)據(jù)證實，caspase剪切的TDP-43是PD中LB的主要成分[5]。這一重要發(fā)現(xiàn)提示TDP-43極有可能是PD的另一種病理標記蛋白，但其在PD復雜的發(fā)病機制中如何發(fā)揮重要作用值得深入研究。Toyoshima和Takahashi等[18]指出，TDP-43病理改變可能在LB疾病中具有共病作用，且Tau、α-Syn及TDP-43等疾病蛋白可能最初共享相互關聯(lián)的生理途徑。這為證實TDP-43在PD發(fā)病機制中可能發(fā)揮重要作用提供了新的證據(jù)。綜上，PD患者的TARDBP基因突變，PD患者腦切片中分子量為25 000的TDP-43異常聚集，以及TDP-43與Tau、α-Syn等病理蛋白之間的相互關聯(lián)均提示TDP-43與PD的發(fā)病關系密切。

3 TDP-43在PD發(fā)病機制中的作用

TDP-43與PD發(fā)病密切相關，其可能不僅是PD病理蛋白，還在PD發(fā)病機制中充當至關重要的角色。因此，了解TDP-43在PD發(fā)病機制中的作用將為PD的診斷和治療提供更好的方法。

3.1TDP-43與α-Syn α-Syn是一種腦內(nèi)含量豐富的神經(jīng)蛋白，生理狀態(tài)是天然未折疊的，主要參與囊泡的運輸和釋放。在應激條件下，α-Syn發(fā)生錯誤折疊形成單體、寡聚體、多聚體。而α-Syn寡聚體是LB的主要成分，可導致PD神經(jīng)元變性[19-20]。有研究證實，caspase剪切的TDP-43為PD中LB的主要成分，TDPccp抗體是檢測LB的有效標志物[5]。探索TDP-43對轉基因小鼠α-Syn神經(jīng)毒性影響的研究發(fā)現(xiàn)，與單基因轉基因小鼠相比，TDP-43和α-Syn同時過表達導致雙轉基因小鼠中多巴胺能神經(jīng)元的損失更嚴重，TDP-43增強α-Syn對活體動物中多巴胺能神經(jīng)元的毒性[21]。多種神經(jīng)退行性疾病中存在聚集體及蛋白質(zhì)之間的分子相互協(xié)同作用，導致神經(jīng)元中發(fā)生多種病理改變[22]。Nonaka等[23]將α-Syn纖維注射入野生型小鼠腦的紋狀體中，在注射后僅1個月內(nèi)即可檢測到磷酸化的TDP-43，提示α-Syn與磷酸化的TDP-43具有協(xié)同作用?？梢姡琓DP-43在PD的疾病進展中與α-Syn的聚集存在聯(lián)系。

3.2TDP-43與Tau Tau是一種微管相關蛋白，在維持軸突運輸和神經(jīng)元完整性方面具有重要作用，可穩(wěn)定微管并促進微管組裝。Tau的磷酸化使微管解離以及神經(jīng)原纖維纏結[24]。15%～30%的PD患者在疾病晚期發(fā)生認知功能障礙乃至癡呆，多達50%的PD癡呆患者會產(chǎn)生大量含有Tau的神經(jīng)元纖維纏結[25]。Tau-微管蛋白激酶1/2可以促進病理性TDP-43的積聚[26]，而TDP-43的異常積聚也可導致Tau異常表達[27]，提示TDP-43與Tau的過度磷酸化和聚集相關[28]。PD-癡呆綜合征患者中提取的Tau蛋白包含3R和4R-tau[29]。Gu等[30]研究發(fā)現(xiàn)，Tau外顯子10的剪接失調(diào)導致兩種Tau亞型3R-tau和4R-tau的比例發(fā)生改變。而TDP-43異常聚集可提高Tau外顯子10的包涵性，增加4R-tau同工型的產(chǎn)生，導致Tau的同種型3R-tau和4R-tau的比例失調(diào)，提示病理性TDP-43與Tau比例失調(diào)相關，可能導致PD患者癡呆癥狀。

3.3TDP-43與線粒體功能障礙 線粒體是一種通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP供給細胞能量的重要細胞器，亦參與其他功能，如細胞凋亡、清除自由基和鈣穩(wěn)態(tài)。線粒體功能障礙在PD中起關鍵作用[31]。病理性TDP-43可引起線粒體形態(tài)和動力學的缺陷進而導致功能障礙[32]。TDP-43 M337V轉基因小鼠中，TDP-43的錯誤定位導致線粒體功能障礙。而TDP-43線粒體定位抑制酶清除細胞質(zhì)中TDP-43的聚集，使線粒體功能恢復，并改善TDP-43M337V小鼠的運動協(xié)調(diào)和認知缺陷[33]。在NSC-34細胞中，TDP-43過表達增加線粒體自噬導致線粒體功能障礙[34]。成纖維細胞中病理性A382T TDP-43突變體的過表達誘導線粒體形態(tài)變化，導致線粒體的碎裂[35]。而在TDP-43的某些小鼠模型中，不僅存在線粒體形態(tài)改變，也存在線粒體動力學的明顯變化[36]。線粒體融合蛋白2是一種線粒體動力學調(diào)節(jié)蛋白，Wang等[37]研究發(fā)現(xiàn)線粒體融合蛋白2過表達可減輕TDP-43誘導的線粒體功能障礙。此外，線粒體具有緩沖鈣的作用，攜帶A315T TDP-43的患者衍生的成纖維細胞中線粒體功能異常導致鈣攝取增加[32]。因此，推測病理性TDP-43可導致線粒體功能障礙，進一步誘發(fā)PD。

3.4TDP-43與自噬 自噬是自噬溶酶體囊泡結構降解細胞內(nèi)物質(zhì)的一種分解代謝機制，可避免錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累。有研究證實，自噬對維持體細胞穩(wěn)態(tài)至關重要[38]。而自噬損傷在PD中發(fā)揮重要作用[39]。有研究證明，TDP-43以哺乳動物雷帕霉素復合物靶標1依賴性和哺乳動物雷帕霉素復合物靶標1獨立性方式調(diào)節(jié)自噬[40]。TDP-43在多形性膠質(zhì)母細胞瘤細胞中過表達抑制自噬[41]。有研究證實，在過表達TDP-43片段的轉基因小鼠模型中自噬因子減少[42]。Xia等[43]在PC12和SH-SY5Y等細胞系中發(fā)現(xiàn)，TDP-43的下調(diào)促進自噬。此外，有研究指出TDP-43通過穩(wěn)定3種不同的mRNA(atg7、raptor和dynactin)來調(diào)節(jié)基礎自噬，然而在TDP-43下調(diào)后這些自噬mRNA的細胞水平降低[44]。Wang等[45]在攜帶TDP-43 A315T突變的肌萎縮側索硬化癥患者的皮膚活組織檢查中證實，該致病性TDP-43突變可能誘導自噬。TDP-43對自噬發(fā)揮促進作用還是抑制作用尚未統(tǒng)一，但自噬抑制引起TDP-43聚集物的加劇累積，增強細胞應激并誘導細胞死亡[44]，可導致PD的發(fā)生和進展。

3.5TDP-43與神經(jīng)炎癥 神經(jīng)炎癥的特征是小膠質(zhì)細胞活化，而活化后的小膠質(zhì)細胞促進細胞碎片的清除及神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌，但其釋放的炎癥物質(zhì)亦可造成神經(jīng)元損傷[46]。多巴胺能神經(jīng)元退化伴隨著小膠質(zhì)細胞的活化，以及炎癥的產(chǎn)生增加。已有研究者提出小膠質(zhì)細胞介導的炎癥過程參與PD的早期階段[47]。有研究顯示，血清腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6與PD非運動癥狀(如疲勞、抑郁和睡眠困難)之間存在正相關[48]。而TDP-43過表達促進神經(jīng)炎癥的生成，導致神經(jīng)元細胞的丟失。TDP-43過表達的神經(jīng)膠質(zhì)細胞被脂多糖或活性氧類物質(zhì)刺激后導致促炎因子增多[49]。TDP-43在小膠質(zhì)細胞中顯著上調(diào)環(huán)加氧酶2和前列腺素E2水平并引發(fā)神經(jīng)毒性。此外，給予特異性環(huán)加氧酶2抑制劑塞來昔布可大大減少TDP-43導致的神經(jīng)毒性[50]。上述研究表明，TDP-43與神經(jīng)炎癥存在聯(lián)系，如果能以TDP-43為靶點，找到抑制PD中炎癥物質(zhì)產(chǎn)生的方法可能同時治療PD的運動和非運動癥狀。

4 小 結

目前，TDP-43被認為是阿爾茨海默病、肌萎縮側索硬化癥和伴有泛素陽性包涵體的額顳葉變性的主要標志物[51]。但近年不斷有關于PD患者中檢測到TARDBP基因突變的報道。此外，TDP-43在PD患者死后腦組織切片中被發(fā)現(xiàn)，TDPccp甚至比α-Syn抗體檢測到的LB數(shù)量更多，提示TDP-43極可能是PD的另一種標記蛋白，為PD的診斷提供新的重要線索。TDP-43可在PD多種發(fā)病機制中發(fā)揮作用，可能是其中的重要環(huán)節(jié)，具體作用包括：①TDP-43可促進α-Syn聚集，使多巴胺能神經(jīng)元的丟失更嚴重；②TDP-43促進Tau過度磷酸化，并可參與Tau剪切使其比例失調(diào)，導致PD癡呆癥狀；③病理性TDP-43可引起線粒體形態(tài)學和動力學的缺陷，增加線粒體自噬，導致線粒體功能障礙；④TDP-43對自噬的抑制引起TDP-43聚集物的加劇累積，增強細胞應激并誘導神經(jīng)元細胞死亡；⑤TDP-43的異常聚集促進神經(jīng)炎癥產(chǎn)生，使PD非運動癥狀加重。雖然TDP-43在PD發(fā)病機制中發(fā)揮作用，但致病路徑及靶點仍不明確。因此，深入研究TDP-43與PD的關系，可能對探討PD發(fā)病機制及治療具有重要意義。期待揭示TDP-43在PD發(fā)病機制中的作用亦將給PD的治療帶來新的希望。