線粒體非典型功能障礙與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)研究進(jìn)展*

楊皓翔 綜述 孔慶霞 審校

(濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院臨床學(xué)院,濟(jì)寧 272013;濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院,濟(jì)寧 272029)

線粒體主要功能是為細(xì)胞提供三磷酸腺苷(ATP)，此外還有調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、產(chǎn)生氧化劑、維持鈣平衡等非典型功能。線粒體依靠完整的呼吸鏈氧化磷酸化過程為機(jī)體供能，該過程相關(guān)蛋白由線粒體基因與核基因共同編碼[1]。大腦占機(jī)體靜息狀態(tài)下耗氧量的20%，更加依賴線粒體的功能完整性，而線粒體功能障礙與神經(jīng)系統(tǒng)疾病有著復(fù)雜的關(guān)系。近年來隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)線粒體非典型功能對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展也有影響。神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)致病基因會(huì)破壞線粒體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，線粒體功能受損又進(jìn)一步造成神經(jīng)系統(tǒng)損害，二者之間惡性循環(huán)。對(duì)線粒體非典型功能機(jī)制的探究有助于理解線粒體疾病，對(duì)線粒體功能障礙干預(yù)治療，是神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床診治的新思路。

1 線粒體非典型功能及生理機(jī)制

線粒體在腦組織與肌肉組織含量最為豐富，除ATP合成以外，其它非典型功能也參與機(jī)體正常的理化調(diào)節(jié)，維持理化環(huán)境穩(wěn)。見圖1。

1.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是程序性死亡，線粒體功能障礙與其密切相關(guān)[2]。線粒體通過細(xì)胞色素C(Cyt-C)、凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis induced factor,AIF)、BCL-2、Caspase家族等蛋白介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。線粒體損傷后，外膜蛋白聚集，Cyt-C通過線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeablity transition pore,MPTp)進(jìn)入胞質(zhì),依賴Caspase途徑來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[3]。AIF是一種黃素蛋白，引起線粒體腫脹，改變外模通透性，AIF和Caspase-12進(jìn)入細(xì)胞核后誘導(dǎo)DNA片段化，促使細(xì)胞凋亡。但目前針對(duì)AIF是否依賴Caspase途徑仍有爭議，未來需要進(jìn)一步明確具體通路。生理情況下BCL-2及其亞型通過抑制線粒體內(nèi)膜超級(jí)化來維持外模完整，并與陰離子通道結(jié)合阻止鈣離子進(jìn)入胞質(zhì)，抑制MPTp釋放Cyt-C[4]。Caspase家族是一類特異性蛋白酶，Caspase-3位于通路下游，是通路的中心環(huán)節(jié)。靶向線粒體KillerRed(mtKR)通過Cyt-C/Caspase-3途徑促進(jìn)活性氧(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生，Cyt-C從線粒體進(jìn)入胞質(zhì)激活Caspase-3/Caspase-9導(dǎo)致線粒體功能障礙，引起細(xì)胞凋亡[5]。因此，未來研究神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變，可從線粒體調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡層面尋找臨床治療靶點(diǎn)。

注：腦組織與肌肉組織生理活動(dòng)高度依賴線粒體，線粒體非典型功能包括調(diào)節(jié)凋亡、穩(wěn)定鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)、產(chǎn)生氧化劑等，通過Cyt-C、BCL-2、AIF、Caspase家族等調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡；通過MCUC-NCLX聯(lián)合穩(wěn)定鈣離子，維持鈉-鉀化學(xué)濃度梯度；通過呼吸鏈反向轉(zhuǎn)移電子產(chǎn)生氧化劑等。

1.2 產(chǎn)生自由基和氧化劑

線粒體產(chǎn)生氧化劑在細(xì)胞信號(hào)傳遞過程有重要作用，積極參與細(xì)胞內(nèi)的生理活動(dòng)。在線粒體中發(fā)生大量的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，若一個(gè)電子轉(zhuǎn)移至氧則產(chǎn)生自由基、超氧自由基[6]，進(jìn)而產(chǎn)生過氧化氫、羥基自由基、過氧亞硝基等氧化劑。線粒體氧化劑的產(chǎn)生具有組織特異性，在大腦中主要是反向電子轉(zhuǎn)移，電子從輔酶Q轉(zhuǎn)移至復(fù)合體I，把氧還原成超氧自由基，這個(gè)過程受鈣離子調(diào)節(jié)[7-8]。Tahara等[8]報(bào)道，線粒體內(nèi)膜電位調(diào)控氧化劑的產(chǎn)生，高膜電位促進(jìn)氧化劑產(chǎn)生，低膜電位則抑制氧化劑產(chǎn)生。在高內(nèi)膜電位條件下，大腦線粒體產(chǎn)生氧化劑過程與Cyt-C釋放有關(guān)，Cyt-C損害了電子流動(dòng)，促進(jìn)了超氧自由基的形成。線粒體自由基產(chǎn)生是偶然發(fā)生的，自由基的產(chǎn)生伴隨生命進(jìn)化而存在，所以線粒體產(chǎn)生氧化劑也參與了細(xì)胞內(nèi)的生理反應(yīng)，其功能紊亂與神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生有關(guān)。因此，線粒體產(chǎn)生自由基并不總是有害的，自由基能影響Cyt-C釋放，對(duì)于鈣離子穩(wěn)態(tài)有反饋?zhàn)饔谩?/p>

1.3 調(diào)控鈣離子緩沖

線粒體鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)障礙與神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。線粒體鈣統(tǒng)一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合體(MCUC)附著在內(nèi)膜上，借助內(nèi)膜驅(qū)動(dòng)力把鈣離子從胞漿轉(zhuǎn)運(yùn)到基質(zhì)[9]。MCUC門控是由MICU-2和MICU-3介導(dǎo)，MICU使突觸前膜線粒體對(duì)Ca2+震蕩更敏感，這是神經(jīng)元在激活狀態(tài)下保證ATP供能的關(guān)鍵[10]。線粒體在鈉鈣鋰泵(NCLX)介導(dǎo)下排出鈣離子，吸入鈉、氫離子，維持鈉-氫化學(xué)濃度梯度，線粒體等細(xì)胞器對(duì)胞質(zhì)內(nèi)超載鈣離子的攝取，在細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)的生理和病理變化中起到重要作用[11]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體接觸點(diǎn)破壞后會(huì)使鈣離子穩(wěn)態(tài)喪失，增加細(xì)胞死亡的易感性[12]。鈣離子緩沖還受到線粒體形態(tài)和動(dòng)力學(xué)的調(diào)節(jié)，人工高灌流線粒體具有更強(qiáng)的鈣攝取能力，線粒體分裂則會(huì)使攝取速度和攝取能力極大下降[11]。正己烷引起線粒體融合-分裂失衡，骨骼肌線粒體穩(wěn)態(tài)向分裂轉(zhuǎn)移、代謝紊亂，導(dǎo)致周圍神經(jīng)和骨骼肌損傷[13]。因此，完整的線粒體形態(tài)和其它細(xì)胞器動(dòng)力學(xué)運(yùn)輸作用，在神經(jīng)元生理活動(dòng)中至關(guān)重要，具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

2 線粒體非典型功能障礙與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

2.1 缺血性腦卒中

缺血性腦卒中是死亡和致殘的主要原因之一。細(xì)胞缺血缺氧造成復(fù)合體I抑制、琥珀酸鹽積累、線粒體生成大量超氧自由基，引起腦組織損傷。缺血缺氧時(shí)巰基殘基氧化使酶失活，復(fù)合體I受抑制，其功能受損[12]。同時(shí)，線粒體琥珀酸積累，導(dǎo)致琥珀酸脫氫酶逆轉(zhuǎn)，在此條件下由富馬酸形成琥珀酸，同時(shí)電子反向轉(zhuǎn)移至復(fù)合體I，產(chǎn)生超氧自由基，進(jìn)而生成大量氧化劑，因此，防止琥珀酸積累、使用線粒體靶向抗氧化劑都可以顯著保護(hù)腦組織損害。線粒體DNA水平在腦損傷后幾小時(shí)內(nèi)表達(dá)升高[14]，這表明線粒體可能參與缺血性腦卒中損傷修復(fù)。線粒體是氧化劑損害的靶細(xì)胞器，受損細(xì)胞通過星形膠質(zhì)細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞的線粒體來重新填充自己受損的線粒體[15]，但供體和受體之間如何轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體等細(xì)胞器，其機(jī)制仍有待進(jìn)一步探究。保持線粒體形態(tài)完整對(duì)神經(jīng)功能具有保護(hù)作用，更多的線粒體融合具有鈣離子緩沖能力。維持線粒體功能和形態(tài)完整，對(duì)預(yù)防缺血性腦卒中后腦組織損傷以及卒中后修復(fù)有重要意義。

2.2 亨廷頓舞蹈癥

亨廷頓舞蹈癥患者線粒體電子傳遞活性下降、鈣離子攝取能力受損、鐵穩(wěn)態(tài)改變、氧化劑產(chǎn)生、自身形態(tài)及調(diào)節(jié)改變。亨廷頓蛋白基因編碼區(qū)CAG序列重復(fù)擴(kuò)增，造成神經(jīng)元丟失，該病的神經(jīng)元損傷與線粒體功能異常有關(guān)[15-16]。線粒體維持生理能量代謝需要亨廷頓蛋白參與。呼吸鏈?zhǔn)芤种茝?fù)合體II活性降低，導(dǎo)致線粒體膜電勢降低。在亨廷頓動(dòng)物模型中3-硝基丙酸(3-NPA)抑制呼吸鏈復(fù)合物II[16]，引起紋狀體細(xì)胞毒性，進(jìn)一步影響線粒體生理活動(dòng)，這表明呼吸鏈復(fù)合物活性降低是亨廷頓舞蹈癥線粒體功能障礙的原因之一。在腦組織中線粒體鈣攝取能力受損，鐵穩(wěn)態(tài)改變引起亨廷頓舞蹈癥病理變化[17]，CAG序列大量擴(kuò)增會(huì)導(dǎo)致線粒體對(duì)鈣離子攝取降低，鈣離子攝取能力強(qiáng)弱與線粒體膜亨廷頓蛋白含量直接相關(guān)。紋狀體線粒體攝取鈣離子能力越強(qiáng)，越能對(duì)神經(jīng)元起到代償性保護(hù)作用。紋狀體神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞與皮層部位不同，紋狀體神經(jīng)元鈣離子緩沖能力一般較弱，對(duì)鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡更加敏感。Joshi等[18]報(bào)道，線粒體氧化失衡、形態(tài)和周轉(zhuǎn)變化是亨廷頓舞蹈癥的重要原因之一。通常來講，線粒體功能異常引起亨廷頓舞蹈癥的同時(shí)也伴隨紋狀體損傷，這可能是紋狀體星形膠質(zhì)細(xì)胞特殊性導(dǎo)致，紋狀體細(xì)胞代謝氧化大量的脂質(zhì)，產(chǎn)生更多的氧化劑。目前仍有許多問題亟待解決，例如：改良的亨廷頓蛋白促進(jìn)神經(jīng)退化的確切機(jī)制是什么？為什么這種疾病和紋狀體對(duì)復(fù)合體II的抑制特別敏感？總體而言，針對(duì)線粒體呼吸抑制治療是臨床上亨廷頓舞蹈癥一個(gè)新的、有前景的治療靶點(diǎn)。

2.3 肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral slerosis,ALS)

ALS是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元進(jìn)行性變性病。ALS相關(guān)致病基因突變后，影響線粒體等細(xì)胞器的生理功能，如細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)、RNA的轉(zhuǎn)運(yùn)、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)等，進(jìn)而引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、鈣離子信號(hào)中斷、蛋白聚集、軸突運(yùn)輸障礙、線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡等。ALS患者中90%為散發(fā)型，10%為家族型，基因C9ORF72、SOD1、FUS、CHCHD10等突變與ALS有關(guān)(見表1)。散發(fā)型ALS患者在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)異常線粒體，線粒體功能障礙導(dǎo)致復(fù)合體IV活性受損[19]，散發(fā)型和家族型ALS患者中均出現(xiàn)成纖維細(xì)胞中線粒體廣泛改變，例如：線粒體膜電位、耗氧率、呼吸鏈復(fù)合體的活性和水平、ATP、活性氧和鈣離子水平等[20]。此外，ALS致病基因突變對(duì)線粒體功能影響不盡相同。基因R495X突變后RNA翻譯中斷，并表達(dá)較小的線粒體突起，R495X突變后與成熟的mRNA結(jié)合，野生型則與前體mRNA結(jié)合[21]?；駽HCHD10編碼線粒體蛋白，作用于線粒體接觸部位的嵴連接處和嵴組織系統(tǒng)，還參與鐵代謝過程[22]。基因CHCHD10發(fā)生獲得性突變后，線粒體結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體能量代謝障礙[22]。ALS患者的成纖維細(xì)胞中線粒體高灌注并且依賴無氧糖酵解[23]，在此條件下復(fù)合體I會(huì)受到糖酵解的損害。綜上所述，導(dǎo)致ALS的因素眾多，目前確切機(jī)制尚不完全清楚，仍需進(jìn)一步深入研究線粒體功能障礙與ALS發(fā)生關(guān)系。

表1 肌萎縮側(cè)索硬化癥相關(guān)致病基因突變

2.4 帕金森病(Parkinson’s disease，PD)

PD主要是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性喪失，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)癥狀和非運(yùn)動(dòng)癥狀。研究表明，線粒體異常是神經(jīng)元丟失的觸發(fā)因素，進(jìn)而產(chǎn)生這種疾病的臨床癥狀[24]。1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)及其代謝產(chǎn)物會(huì)抑制復(fù)合體I，復(fù)合體I缺乏導(dǎo)致黑質(zhì)神經(jīng)元丟失引起帕金森病，造成線粒體鈣離子穩(wěn)態(tài)改變和氧化失衡[25]。PD的致病基因突變也會(huì)引起線粒體功能障礙。Parkin蛋白是一種E3泛素連接酶，它泛化線粒體膜外膜蛋白，生理情況下促進(jìn)受損線粒體清除，基因Parkin突變導(dǎo)致線粒體清除障礙[26]。PTEN誘導(dǎo)激酶1(PINK1)突變后導(dǎo)致常染色體隱性遺傳帕金森，該基因編碼線粒體中絲氨酸激酶，與野生型相比，基因敲除組的基礎(chǔ)呼吸率顯著降低，多巴胺釋放減少[27]，因此紋狀體中多巴胺釋放減少可能由線粒體功能障礙所致。Kostic等[28]報(bào)道，敲除基因PINK1會(huì)抑制線粒體鈉鈣交換蛋白(NCLX)的活性。蛋白激酶LRRK2由基因PARK8編碼，LRRK2損傷與帕金森有關(guān)，也影響NCLX的功能[29]，這表明鈣離子外流可能是帕金森病理變化的潛在原因。因此，線粒體功能障礙與帕金森病病理生理機(jī)制、致病基因突變等相關(guān)，這可以為帕金森治療提供新的靶點(diǎn)。

3 小結(jié)與展望

目前對(duì)線粒體功能障礙與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展，但絕大多數(shù)研究局限于線粒體產(chǎn)生ATP層面，線粒體的其它功能也在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。缺血性腦卒中患者，腦細(xì)胞中氧與底物灌注減少、代謝物的積累，最終導(dǎo)致線粒體損傷和細(xì)胞死亡。振動(dòng)病動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)，骨骼肌缺血缺氧時(shí)線粒體呼吸鏈酶破壞，引起鈉-鉀泵、鈣泵異常，造成周圍神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌損傷[30]。神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變與線粒體功能障礙關(guān)系更為復(fù)雜，二者因果關(guān)系尚不確切，無論線粒體作為神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變的誘因，還是直接參與神經(jīng)元損傷，對(duì)線粒體的保護(hù)性干預(yù)都是潛在治療靶點(diǎn)。在分子生物學(xué)層面，線粒體基因與核基因突變均會(huì)導(dǎo)致線粒體病，線粒體途徑是如何誘導(dǎo)神經(jīng)元損害，仍需要進(jìn)一步完善基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)明確機(jī)制。在已知基因和通路的基礎(chǔ)上，探究線粒體與神經(jīng)系統(tǒng)之間的復(fù)雜關(guān)系，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新的基因與通路，深入剖析促進(jìn)-抑制調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，尋找新的靶點(diǎn)，為臨床提供更精準(zhǔn)的靶向治療。